Розглядаються різні варіанти використання теплових насосів в технологічних схемах теплових і атомних електростанцій. Аналіз показує, що при застосуванні теплових насосів на енергоблоках електростанцій зросте їхня економічність. Особливо ефективне використання теплових насосів при змінних режимах роботи енергоблоку.

Анотація наукової статті з енергетики та раціонального природокористування, автор наукової роботи - Єфімов Микола Миколайович, Папин Володимир Володимирович, Малишев Павло Олександрович, Безуглов Роман Володимирович


Various variants of use of thermal pumps in technological schemes thermal and atomic power stations are considered. The analysis shows, that at application of heating pumps on power units of power stations their profitability raises. Especially an effective use of heating pumps at variable operating modes of the power unit.


Область наук:
  • Енергетика і раціональне природокористування
  • Рік видавництва: 2010
    Журнал: Известия вищих навчальних закладів. Північно-Кавказький регіон. Технічні науки

    Наукова стаття на тему 'Аналіз використання теплових насосів на теплових і атомних електростанціях'

    Текст наукової роботи на тему «Аналіз використання теплових насосів на теплових і атомних електростанціях»

    ?УДК 621.577

    АНАЛІЗ ВИКОРИСТАННЯ ТЕПЛОВИХ НАСОСІВ НА теплових і атомних електростанцій

    © 2010 г. М.М. Єфімов, В.В. Татів, П.А. Малишев, Р.В. Безуглов

    Південно-Російський державний South-Russian State

    технічний університет Technical University

    (Новочеркаський політехнічний інститут) (Novocherkassk Polytechnic Institute)

    Розглядаються різні варіанти використання теплових насосів в технологічних схемах теплових і атомних електростанцій. Аналіз показує, що при застосуванні теплових насосів на енергоблоках електростанцій зросте їхня економічність. Особливо ефективне використання теплових насосів при змінних режимах роботи енергоблоку.

    Ключові слова: теплова електрична станція; атомна електрична станція; парокомпресійний тепловий насос; абсорбційний тепловий насос; парова турбіна; конденсатор парової турбіни.

    Various variants of use of thermal pumps in technological schemes thermal and atomic power stations are considered. The analysis shows, that at application of heating pumps on power units of power stations their profitability raises. Especially an effective use of heating pumps at variable operating modes of the power unit.

    Keywords: thermal power plant; nuclear power plant; absorption heating pump; steam-compression heating pump; the steam turbine; the condenser of the steam turbine.

    На теплових і атомних електростанціях (ТЕС і АЕС) приблизно лише третина теплоти продуктів згоряння палива, одержуваних в котлі, використовується для виробництва електроенергії, що спрямовується до споживача. Інші дві третини теплоти безповоротно губляться в системі охолодження конденсатора парової турбіни і скидаються з підігрітою технічною водою у водойми, так як потенціал такої води (при температурі до 30 ° С) дуже низький для корисної утилізації. Однак за допомогою теплового насоса цю низькопотенційну теплоту можна трансформувати, збільшивши її температуру до 60 - 70 ° С, зробивши її достатньою для використання. Таку теплоту можна направляти в систему регенерації паросилова установки електростанції, збільшивши тим самим електричний ККД або на опалення внутрішніх і зовнішніх споживачів, знижуючи, таким чином, питома витрата палива на теплофікацію і, як наслідок, викид парникових і токсичних продуктів згоряння. Якщо ж потрібно здійснити теплофікацію нега-зіфіцірованних споживачів, що знаходяться на значній відстані (автономне, децентралізоване теплоспоживання), а поставка вугілля і мазуту виявляється занадто затратною, можна використовувати електричну енергію, отриману від електростанції для приводу теплового насоса, і опалення здійснювати низькопотенційну джерелом тепла, для якого, в даному випадку, можна застосувати

    грунт, грунтові води або термальні стоки промислових підприємств.

    Теплові насоси дозволяють, таким чином, знизити рівень використання теплового потенціалу, обмежений в традиційних схемах опалення природними і сезонними умовами. Аналіз роботи теплового насоса показує, що він здатний все тепло, що втрачається в конденсаторі парової турбіни, перетворити в доступне для використання, але, як показує практика, теплова потужність такого виробництва часто буває настільки великий, що важко знайти споживача. На рис. 1 представлена ​​принципова теплова схема установки абсорбційного теплового насоса на конденсатор парової турбіни для здійснення теплофікації споживача.

    Отримане тепло теплового насоса складається з енергії низько потенційного джерела, яка становить приблизно три чверті від всього отриманого тепла і електричної енергії, витраченої на привід компресора теплового насоса, частка якого складає решту чверть. Розглянемо приклади установки теплового насоса на теплове споживання, як варіанти зниження витрати палива на електростанції.

    Парогенератор ТЕС розвиває теплову потужність 3 МВт, споживач у вигляді електроенергії отримує 1 МВт для приводу теплового насоса. Тепловий насос при цьому буде видавати теплову потужність 4 МВт, причому 3 з них він бере від нізкопо-

    потенційного джерела. Таким чином, теплова потужність, отримана кінцевим споживачем, перевершує теплову потужність котла (реактора) в 1,3 рази.

    Виходить, що використання теплового насоса для опалення споживачів на видаленні від електростанції з використанням тепла сторонніх низькопотенційних джерел, наприклад грунту, покриває всі втрати електростанції, в тому числі і втрати в конденсаторі. Якщо тепловий насос встановити на конденсатор парової турбіни, з метою повернення теплоти назад в цикл через систему регенерації, то можна теоретично підняти ККД станції до 90%.

    2

    2

    3

    14 13 12

    8:

    Мал. 1. Принципова теплова схема ТЕЦ, з установкою абсорбційного теплового насосів на конденсатор парової турбіни: 1 - парогенератор; 2 - циліндр високого тиску; 3 - циліндр низького тиску; 4 - повернення конденсату з виробничого споживача; 5 - абсорбційний тепловий насос; 6 - піковий водогрійний котел; 7 - мережевий насос; 8 - теплової споживач; 9 - циркуляційний насос; 10 - конденсаційний насос; 11 - конденсатор парової турбіни; 12 - деаератор; 13 - живильний насос; 14 - підігрівач високого тиску; 15 - підігрівач хімічно очищеної води; 16 - розширювач безперервного продування

    Застосування теплових насосів на атомних електростанціях для утилізації втрат системи охолодження конденсатора економічно доцільно з двох причин:

    1. Теплота пароутворення, втрачається в конденсаторі турбіни АЕС, становить більшу частину щодо наявного теплоперепада ТЕС, тому застосування теплового насоса на АЕС призведе до більшого підвищення її ККД, ніж на ТЕС.

    2. Останні рівні парової турбіни АЕС працюють при підвищеній вологості пара, внаслідок чого в турбіні виникають додаткові втрати і підвищений ерозійний знос лопаток. Використовуючи тепловий насос, можна повертати частину теплоти конденсатора з підвищеним потенціалом в останні ступені турбіни, збільшуючи при цьому сухість пара.

    На рис. 2 представлена ​​принципова теплова схема атомної електростанції, з використанням теплового насоса для повернення тепла конденсатора в систему регенерації і останні ступені парової турбіни.

    Мал. 2. Використання теплового насоса на АЕС для повернення тепла конденсатора в систему регенерації і останні ступені парової турбіни: 1 - циліндр високого тиску; 2 - циліндри низького тиску; 3 - сепаратор-пароперегрівача; 4 - теплообмінник-конденсатор теплового насоса; 5 - розширювальні клапани теплового насоса; 6 - компресор теплового насоса; 7 - теплообмінник-випарник теплового насоса; 8 - конденсатори парової турбіни; 9 - конденсаційний насос; 10 - підігрівачі низького тиску; 11 - деаератор, 12 - живильний насос; 13 - підігрівач високого тиску; 14 - парогенератор

    На рис. 3 показана схема підключення теплового насоса до вбудованого пучку конденсатора парової турбіни теплової електричної станції.

    Мал. 3. Схема теплової електричної станції: 1 - парова турбіна; 2 - конденсатор; 3 - труби підведення охолоджуючої води; 4 - теплообмінник-випарник теплового насоса; 5 -компресор теплового насоса; 6 - подача тепла до теплового споживача; 7 - теплообмінник-конденсатор теплового насоса; 8 - дросель; 9 - конденсаційний насос; 10 - система підігрівачів низького тиску; 11 - деаератор; 12 -пітательний насос; 13 - система підігрівачів високого тиску; 14 - котел; 15 - електрогенератор

    Така теплова схема працює наступним чином. Відпрацьована пара в паровій турбіні 1 надходить в конденсатор 2, у якого, вбудованим пучком труб або всім пакетом труб, встановлений теплообмінник-випарник 4 теплового насоса, що працює на низкокипящей рідини. В конденсаторі 2 пар, вихо-

    1

    дящій з останніх ступенів парової турбіни 1, конденсується при температурі, яка визначається теплообмінником-випарником 4 теплового насоса. Низ-кокіпящая рідина з витратою необхідної роботи в компресорі 5 теплового насоса виділяє теплоту з більш високою температурою. Низькокипляча рідина в теплообміннику-конденсаторі 7 теплового насоса конденсується, віддаючи своє тепло споживачеві по трубопроводу теплових мереж 6. Після теплообмінника-конденсатора 7 теплового насоса, що утворився конденсат низкокипящей рідини направляється до дроселя 8, де відбувається зменшення тиску і температури. Споживачами тепла теплового насоса можуть бути теплові мережі опалення та гарячого водопостачання або різні підігрівачі, в тому числі і станційні. Конденсат з конденсатора 2 відводиться конденсатні насосом 9 і подається в систему підігрівачів низького тиску 10, дегазується в деаератори 11, потім живильним насосом 12 подається в систему підігрівачів високого тиску 13, котел 14 і повертається в парову турбіну 1 .

    Економічність теплової електричної станції при установці теплового насоса підвищується за рахунок підтримки нижчих температур конденсації пари в конденсаторі 2 і підвищення температури теплоносія, що йде до споживача 6, в порівнянні з паровими турбінами з вбудованим теплофікаційних пучком труб.

    Теплообмінник-випарник теплового насоса може встановлюватися також на подавальному та зворотному трубопроводах охолоджуючої води конденсатора, отримуючи, таким чином, низькопотенційне тепло від підводиться або від що відводиться охолоджуючої води в залежності від температури навколишнього середовища (повітря). Така схема підключення теплового насоса показана на рис. 4.

    Мал. 4. Схема підключення теплового насоса на водоводи технічної води енергоблоку ТЕС: 1 - парова турбіна; 2 - електрогенератор; 3 - конденсатор парової турбіни; 4,6- теплообмінники-випарники теплового насоса; 5 тепловий насос; 7 - теплообмінник-конденсатор теплового насоса; 8 - конденсаційний насос; 9 - трубопровід останнього відбору парової турбіни; 10 - підігрівачі низького тиску парової турбіни; 11 - деаератор; 12 - живильний насос; 13 - підігрівач високого тиску; 14 - парогенератор; 15, 16 - засувки підключення теплообмінників-випарників

    Конденсат турбіни нагрівається при цьому в одному з підігрівачів низького тиску робочим середовищем від теплообмінника-конденсатора теплового насоса, а вивільнилися пар регенеративного відбору направляють в турбіну для вироблення додаткової електроенергії. Економічність роботи теплової або атомної електричної станції в цьому випадку збільшується за рахунок того, що теплота, отримана від охолоджуючої води, корисно використовується, нагріваючи конденсат турбіни, а вивільнилися пар регенеративного відбору, спрямований в турбіну, виробляє додаткову електроенергію. Економічність електростанції зростає також за рахунок того, що при зниженні температури охолоджуючої води поліпшується вакуум в конденсаторі і зростає корисний теплоперепад турбіни.

    Оскільки проектна температура охолоджуючої води парових турбін в залежності від типорозміру турбін, що випускаються різними заводами-виробниками, дорівнює 12 - 22 ° С, а температура води в водоймах і річках, використовувана як охолоджуюча для парових турбін, влітку піднімається до 25 - 28 ° С, а взимку опускається до 3 - 5 ° С, в схемі (рис. 4) пропонується при сезонному підвищенні температури охолоджувальної води більше 12 - 22 ° С включати теплообмінник - випарник 4 теплового насоса, встановлений на трубопроводі, що підводить, а при зменшенні температури охолоджуючої води в зимовий період нижче 12 - 22 ° С включати в роботу теплообмінник -іспарітель 6 теплового насоса, встановлений на зворотному трубопроводі.

    Розрахунок економічності включення теплового насоса проаналізуємо на роботі парової турбіни К-300-240 ХТГЗ. Навантаження теплообмінника-конденсатора теплового насоса, від якого теплоносій подається на підігрівач низького тиску

    N = D (h - h) / л =

    1утк - ^ до V вих вх '1т-к

    = 175,5 (248 -134) / 0,95 = 21,06 МВт,

    де D до - витрата конденсату турбіни, що проходить через підігрівач низького тиску; DК = 631,8 т / год = = 175,5 кг / с; ^ Их - ентальпії конденсату на вході і виході підігрівача відповідно; = 134 кДж / кг, Нвих = 248 кДж / кг; пт-к - ККД теплообмінника-конденсатора; прийнято пт-к = 0,95.

    Навантаження теплообмінника-випарника при коефіцієнті перетворення теплового насоса ф = 4:

    ^ І = (: -ф) ЛТН = = (1 - ^ 21,06 / 0,95 = 18,85 МВт, де Птн - ККД теплового насоса, прийнято Птн = 0,95.

    Зменшення температури охолоджуючої води: 18850 • 0,95

    N л

    At = ти 1ті

    Wc

    9668 • 4,19

    = 0,44 оС,

    де W - витрата охолоджуючої води; W = 34805 т / ч = = 9668 кг / с; с - теплоємність води; з = 4,19 кДж / (кг К); Пті - ККД теплообмінника-випарника, прийнято п ™ = = 0,95.

    Збільшення потужності турбіни за рахунок зниження температури

    N = Wc А = 9668 • 4,19 • 0,44 • 0,8 = 14,3 МВт,

    де Пт - ККД частини низького тиску турбіни; пт = = 0,8.

    Збільшення потужності турбіни за рахунок відключення відбору пари на підігрівач низького тиску

    А ^ від = D90т (Й90т - До) = 9,167 (2572,66 - 2530) = = 391 кВт • 0,8 = 0,31 МВт,

    де D9от - витрата пара 9-го відбору турбіни; Dgот = = 33,0 т / ч = 9,167 кг / с; - ентальпія пара 9-го відбору турбіни; = 2572,66 кДж / кг; h к - ентальпія відпрацьованого пара на вході в конденсатор турбіни; ^ = 2530 кДж / кг.

    Збільшення потужності парової турбіни за рахунок установки теплового насоса складе 14,61 МВт. При прийнятому коефіцієнті перетворення теплового насоса ф = 4 потужність компресора складе

    ^ ЗМУ = N "/ 9 = 21,06 / 4 = 5,265 МВт.

    Таким чином, загальне збільшення потужності енергоустановки електростанції складе N = 14,61 - 5,265 = 9,345 МВт.

    Для розрахунку ефективності використання теплового насоса при зміні навантаження парової турбо-установки (змінні режими) слід використовувати нормативні характеристики турбін. При зміні потужності парової турбіни відбувається зміна витрат свіжої пари і відборів турбіни. У зв'язку з цим змінюється додаткова потужність, вироблена добірним паром в останніх щаблях турбіни. Змінюється також навантаження підігрівачів низького тиску і, разом з тим, змінюється температура підігріву основного конденсату. Необхідна навантаження від теплового насоса, таким чином, повинна також змінюватися, якщо він функціонально забезпечує схемне рішення рис. 4. Ці умови вимагають зміни температури підігріву основного конденсату турбіни, що може забезпечуватися або зміною компресії, або витратою циркуляції теплоносія теплового насоса. Назвемо таку схему роботи теплового насоса як роботи з мінімальним навантаженням.

    Тепловий насос, однак, може і не змінювати свою навантаження. Тоді ефективність його роботи в підігріві основного конденсату турбоустановки буде або зростати при зниженні потужності Турбо-

    ни, або, навпаки, зменшуватися при збільшенні навантаження турбоустановки. Таку роботу назвемо роботою на максимальних навантаженнях теплового насоса.

    На рис. 5 графічно показана ефективність роботи теплового насоса, розраховане за методикою, наведеною вище, при зниженні навантаження турбо-установки К-300-240 ХТГЗ з прийнятими коефіцієнтами перетворення ф = 4,0 і ф = 3,0.

    10

    і я

    ю н

    & га

    ь * s

    8,2

    6,4

    S 4,6

    & 2,8

    1,0

    Ф - 4,0

    "Ф = 3,0,-

    100 150 200 250 300

    Потужність турбоустановки К-300-240 ХТГЗ, МВт

    Мал. 5. Ефективність роботи теплового насоса при змінних режимах роботи парової турбіни К-300-240 ХТГЗ

    Установка теплового насоса на АЕС стає особливо доцільною, так як використання технічної води для них є великою проблемою. Тепловий насос, встановлений на конденсатор енергоблоку АЕС, дозволяє підвищити економічність роботи парової турбіни, знизити температуру пароутворення в конденсаторі, збільшити температуру пара в останніх щаблях турбіни і зменшити, таким чином, вологість пара і ерозійний знос лопаток цих ступенів.

    Це завдання реалізується в такий спосіб. Теплообмінник-випарник, встановлений як вбудований пучок труб конденсатора, отримує низькопотенційне тепло від конденсованого пара турбіни при зниженій температурі насичення, що підтверджують розрахунки, наведені вище для турбіни К-300-240 ХТГЗ. При цьому підвищується вакуум в конденсаторі і економічність турбоустановки. В теплообміннику-конденсаторі теплового насоса, вбудованого в направляючі лопатки одного з останніх ступенів, відбувається підігрів і перегрів основного пара парової турбіни до температури 75 - 80 ° С, що підвищує надійність і економічність роботи останніх ступенів турбіни. У запропонованій схемі повинен застосовуватися абсорбційний тепловий насос, так як він може піднімати температуру теплоносія вище 60 - 65 ° С.

    Таким чином, економічність роботи теплової або атомної електричної станції при застосуванні теплових насосів збільшується за рахунок збільшення

    вакууму в конденсаторі турбіни і підвищення температури основного пара в останніх щаблях турбіни (на прикладі АЕС), при цьому виробляється додаткова електроенергія і знижується температура охолоджуючої води конденсатора турбіни. Економічність енергоблоків зростає за рахунок того, що теплообмінник-випарник теплового насоса знижує температуру конденсації на велику величину, ніж

    Надійшла до редакції

    при використанні традиційної схеми підведення і відведення охолоджуючої води.

    література

    1. Парова турбіна К-300-240 ХТГЗ / за загальною ред. Ю.Ф. Косяка. М., 1982. 272 ​​с.

    19 квітня 2010 року.

    Єфімов Микола Миколайович - д-р техн. наук, професор, завідувач кафедри «Теплові електричні станції», Південно-Російський державний технічний університет (Новочеркаський політехнічний інститут). Тел. (8635) 25-52-18. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Татів Володимир Володимирович - аспірант, кафедра «Теплові електричні станції», Південно-Російський державний технічний університет (Новочеркаський політехнічний інститут). Тел. 8 904-441-06-48.

    Малишев Павло Олександрович - інженер, кафедра «Теплові електричні станції», Південно-Російський державний технічний університет (Новочеркаський політехнічний інститут). Тел. 8 928-777-10-19.

    Безуглов Роман Володимирович - студент, кафедра «Теплові електричні станції», Південно-Російський державний технічний університет (Новочеркаський політехнічний інститут). Тел. 8 952-606-25-78.

    Efimov Nikolay Nikolaevich - Doctor of Technical Sciences, head of department «Thermal Power Plant», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635) 25-52-18. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Papin Vladimir Vladimirovich - post-graduate student, department «Thermal Power Plant», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8 904-441-06-48.

    Malyshev Pavel Aleksandrovich - engineer, department «Thermal Power Plant», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8 928-777-10-19.

    Bezuglov Roman Vladimirovich - student, department «Thermal Power Plant», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8 952-606-25-78.


    Ключові слова: теплова електрична станція / атомна електрична станція / парокомпресійний тепловий насос / абсорбційний тепловий насос / парова турбіна / конденсатор парової турбіни / Thermal power plant / Nuclear power plant / absorption heating pump / steam-compression heating pump / the steam turbine / the condenser of the steam turbine

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити