Эффективное использование низкопотенциального тепла
А. В. Сизякин, канд. техн. наук, кафедра ЭКАО НИУ МЭИ
Если сделать обзор самых перспективных разработок, на которых сосредоточено внимание венчурных фондов всего мира, окажется, что значительная их доля предлагает способы утилизации низкопотенциального тепла. А пока выделяемое низкопотенциальное тепло просто рассеивается в атмосфере, можно с небольшой натяжкой сказать: сегодня модно пытаться
Источники низкопотенциального тепла
Большинство технологических процессов, работа многих механизмов и систем сопровождается выделением большого количества тепловой энергии, которая не используется, а рассеивается в окружающей среде и называется «сбросное тепло».
Сбросное тепло является низкопотенциальным, поскольку имеет температуру незначительно выше температуры окружающей среды. Его выделяют как техногенные системы, созданные людьми, так и источники естественного происхождения (табл.). Использование низкопотенциального тепла обычным путем, т. е. для нагрева котла с водой на тепловой электростанции затруднено, но оно обладает колоссальным энергетическим потенциалом, поэтому преобразование (утилизация) выбрасываемой тепловой энергии в полезную является важной практической задачей. Возникает вопрос: как это реализовать технически?
Таблица Источники низкопотенциального тепла
Техногенные системы
Источники естественного происхождения
Промышленные предприятия: теплота сжатия газов в компрессорах; теплота продуктов сгорания различного рода топлива
Геотермальные источники (энергия Земли)
Системы водяного охлаждения, стоки промышленных предприятий и очистных сооружений (теплота жидкости)
Нефтеперерабытывающие заводы, например в Капотне (теплота сгорания попутного газа)
Космические объекты (тепловые потери оборудования)
Птицефабрики, скотофермы и т. д. (энергия биологического топлива)
Лесоперерабатывающие предприятия (энергия сжигания отходов)
Энергетические установки по использованию низкопотенциального тепла отвечают современной концепции децентрализованного электропитания и могут быть использованы не только как дополнительные источники электроэнергии, но и как автономные источники электропитания загородных домов, небольших поселков, удаленных от электросетей промышленных объектов.
Работы по утилизации низкопотенциального тепла являются актуальными и ведутся во всех развитых странах мира. Например, автоконцерн BMW разрабатывает системы электроснабжения автомобиля, использующие в качестве сырья тепло выхлопных газов. Фирма Siemens инвестирует в проекты автономной системы электроснабжения завода, работающей на разнице температур, возникающей в технологическом процессе и т. д.
Данный проект рассматривает инновационную технически сложную систему генерирования электроэнергии, основанную на новейших решениях в области термодинамики и электромеханики.
Цикл Ренкина
Один из способов утилизации низкопотенциального тепла основан на использовании термодинамического цикла Ренкина. В качестве рабочего тела в тепловом контуре используется легкоиспаряемое органическое вещество, например, фреон.
Структура систем различной мощности идентична (рис.) и состоит из двух основных частей – теплового контура, который преобразует тепловую энергию в механическую, и электромеханической части, которая преобразует механическую энергию в электрическую требуемого качества.
Схема системы генерирования электроэнергии
Насос под давлением подает рабочее тело в котел через регенератор. В регенераторе происходит первичный нагрев рабочего тела, в котле происходит вторичный нагрев рабочего тела, при котором оно переходит из жидкого состояния в газообразное. Далее газ подается на специально разработанную высокооборотную турбину, где он расширяется, приводя ее во вращение. Отработавший газ попадает в рекуператор, где затрачивает часть своей тепловой энергии на первичный нагрев жидкости. После чего рабочее тело переходит в жидкое состояние в конденсаторе и попадает на вход насоса.
Принцип работы опытной установки
В настоящее время создана опытная установка по утилизации низкопотенциального тепла мощностью 1 кВт (исследования финансируются фирмой Siemens AG).
Сложность создания подобной установки заключалась в том, что при оптимальной работе системы частота вращения турбины должна достигать 100 000 об/мин. Для работы на таких скоростях вращения не пригодны общепромышленные подшипники. Поэтому в опытной установке применяются специально разработанные по уникальной технологии лепестковые газодинамические опоры. Вал находится внутри системы взаимно перекрывающихся лепестков из стальной ленты с повышенной упругостью.
При вращении вал увлекает за собой частицы воздуха, и при определенной частоте вращения их количество становится достаточным, чтобы лепестки отогнулись на доли миллиметра от поверхности вала, таким образом образуется воздушный промежуток между валом и системой лепестков, в котором и вращается ротор. При использовании лепестковых газодинамических опор практически полностью отсутствуют потери на трение при работе системы.
Турбина приводит во вращение генератор, преобразующий механическую энергию в электрическую. Генератор имеет нерегулируемое возбуждение от постоянного магнита.
Ротор генератора является составным: вал выполнен из магнитного сплава на основе редкоземельных элементов, на вал одет бандаж из высокопрочного сплава, обеспечивающий механическую прочность ротора при вращении на высоких частотах вращения. Применение сплавов на основе редкоземельных магнитных элементов обеспечивает стабильные высокие магнитные характеристики составного ротора, что в свою очередь обеспечивает стабильные рабочие характеристики генератора.
Однако применение постоянных магнитов в генераторе не обеспечивает возможности регулирования уровня вырабатываемого напряжения, и при изменении скорости вращения турбины изменяется не только частота вырабатываемого напряжения, но и его амплитуда. Из-за этого электрическая энергия, снимаемая с клемм генератора, не может быть напрямую использована в быту или промышленности.
Для обеспечения заданного качества электрической энергии во всех режимах работы в системе генерирования используется электронный преобразователь.
В зависимости от назначения системы, электронный преобразователь может быть выполнен однофазным, если потребителями электрической энергии являются бытовые приборы, или трехфазным, для применения в промышленности. Электронный преобразователь имеет структуру с промежуточным звеном постоянного тока. Выходное напряжение генератора, характеризующееся определенной частотой, амплитудой и гармоническим составом, поданное на вход преобразователя выпрямляется. Далее полученное постоянное напряжение преобразуется в инверторе в напряжение с заданной частотой, амплитудой и гармоническим составом.
Инвертор выполнен на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT, работающих в ключевом режиме. Для формирования синусоидального напряжения применяются алгоритмы широтно-импульсной модуляции. Инвертор выполняет функции ограничения тока и защиты системы от коротких замыканий, стабилизации частоты выходного напряжения, стабилизации уровня выходного напряжения, индикации аварийных режимов и визуализации параметров работы системы.
Практический интерес представляют системы мощностью более 10 кВт. При их создании будут применены научные и инженерно-технические принципы, отработанные при изготовлении опытного образца мощностью 1 кВт.
Технико-экономический анализ показал, что срок окупаемости проекта составит 2 года. Минимальный срок службы системы – 10 лет. Срок окупаемости системы для покупателя при действующих тарифах на электроэнергию 5 лет.
Источник
Разработка, проектирование и эксплуатация систем утилизации низкопотенциального тепла
Зимы в России суровые, а потому к списку «примет народных» в эпоху индустриализации добавилась еще одна: если дренаж «парит», фланец подтекает, значит, технологические системы работают и не заморожены. Если нет, то, как говорится, «дело — труба» — придется систему отогревать и бороться с обледенением. В текущем столетии доступны куда более эффективные подходы к обеспечению работоспособности теплоэнергетических и технологических систем, но привычка снисходительно относиться к парящим дренажам и подтекающим фланцам осталась.
Между тем, в этом «теплоэнергетическом тумане» бесследно исчезают деньги — те, что были потрачены на выработку тепла. В условиях, когда тарифы на топливо и воду неуклонно растут, такое пренебрежение энергоресурсами — упущенная возможность в борьбе за эффективное производство.
Помимо пара к вторичным ресурсам относятся также и другие среды технологических процессов, такие как паровой конденсат после технологического оборудования и охлаждающая вода. В 8 случаях из 10 в моей практике низкопотенциальное тепло (НПТ) на предприятиях не используется никак, а только требует дополнительных затрат на утилизацию.
О том, как трансформировать низкопотенциальное тепло в дополнительный источник экономии — эта статья.
Низкопотенциальное тепло: где искать и как использовать
В промышленности к низкопотенциальным обычно относят вторичные энергетические ресурсы, представляющие собой жидкости с температурой менее 100°С и газы с температурой ниже 300°С. На практике за верхний предел температуры для конкретного потребителя можно принять температуру источника, которая позволяет использовать его тепло на полезные цели с помощью простых, давно известных и относительно дешевых устройств — теплообменников. Нижний предел температуры источников НПТ может показаться удивительным, но современные компрессионные тепловые насосы могут извлекать тепло из атмосферного воздуха в зимнее время вплоть до температур -30°С. Совсем не «тепло», но может использоваться для отопления жилых домов и даже промышленных целей (например, отопления удаленных промышленных объектов, имеющих надежное электроснабжение и проблемы с отоплением). Диапазоны температур использования низкопотенциального тепла представлены на рисунке 1.
Рисунок 1. Пример организации схемы ступенчатого снижения давления и использования пара разных параметров.
На промышленном предприятии источники НПТ бывают «обычные», характерные для практически любого производства (теплота промышленных стоков, отработанный пар технологических агрегатов, теплота конденсата пара после технологического оборудования или поступившего в конденсаторы тепловых двигателей с турбоприводом, теплота, которая передается системе оборотного водоснабжения в результате охлаждения оборудования и обычно сбрасывается в атмосферу через градирни или напрямую в пруды-охладители) и «специфические», характерные для предприятий определенной отрасли или региона. Так, для нефтехимических и газоперерабатывающих предприятий, например, характерны потери отходящих дымовых газов технологических печей; отработанного пара от ректификационных колонн, вакуумных систем, нагревателей; и теплоты продуктовых потоков.
Как использовать это тепло? Все зависит от потребностей и задач, которые есть у вас на предприятии. Вариантов много:
использовать для отопления, подогрева воды для подпитки технологических систем или ее предварительной деаэрации;
возвращать НПТ в технологический цикл и использовать повторно в технологических процессах;
использовать для теплоснабжения объектов, удаленных от источников дешевого топлива;
получать электроэнергию с целью снижения затрат на ее покупку у стороннего поставщика или резервирования питания собственных нужд.
сокращение затрат на топливо и, соответственно, первичную выработку тепла или электроэнергии;
снижение затрат на покупку воды для подпитки технологических циклов, ее обработку в системах водоподготовки и подогрев ее до температур, необходимых по технологическим требованиям;
снижение затрат на подпиточную воду оборотного водоснабжения (испаряется в градирнях);
снижение выбросов СО2 и оксидов азота за счет уменьшения количества сжигаемого топлива.
Технические решения
В настоящее время существует несколько принципиальных технологий для систем утилизации низкопотенциального тепла.
Теплонасосные установки (ТНУ)
В зависимости от принципа работы тепловые насосы подразделяются на компрессионные и абсорбционные. Компрессионные тепловые насосы всегда приводятся в действие с помощью механической энергии (электроэнергии), в то время как абсорбционные тепловые насосы используют для извлечения НПТ тепловые источники более высокого потенциала: горячая вода, пар, отходящие газы, прямое сжигание топлива.
Компрессионные тепловые машины (КТН) в режиме работы тепловых насосов (ТНУ)
Рисунок 2. Принцип действия компрессионного ТН
Принцип действия КТН основан на способности низкотемпературного хладагента при кипении в условиях низкого давления отбирать тепло от источника низкотемпературного тепла. Температурный диапазон работы подбирается за счет выбора конкретного рабочего тела и диапазона рабочего давления. Для специальных промышленных установок можно получить максимальные температуры порядка 120÷140°С с использованием «каскадных» схем подключения и соответствующих хладагентов. Отдельное перспективное направление — высокотемпературные ТНУ с использованием СО2 с закритическими параметрами.
Абсорбционные тепловые машины в режиме работы тепловых насосов
Принцип действия абсорбционных тепловых насосов основан на способности раствора абсорбента поглощать водяные пары, имеющие более низкую температуру, чем раствор.
Наибольшее распространение получили абсорбционные тепловые машины, в качестве абсорбента использующие раствор бромида лития (LiBr). Установки обеспечивают нагрев воды до температур 60-90°С.
Такие установки могут использоваться в режиме холодильной машины (АБХМ), обеспечивая охлаждение воды (например, технологической) до температур 5-15°С независимо от температуры окружающей среды.
Рисунок 3. Принцип действия АБТМ
Установки с использованием ORC-цикла для получения электроэнергии
Главная отличительная особенность установок на базе органического цикла Ренкина (ORC) — применение органического рабочего вещества вместо водяного пара. Это повышает общий КПД теплового цикла на малых мощностях и при низкой температуре источника тепла по сравнению с классическим паровым циклом, так как температура кипения органического вещества меньше, чем у воды, а с другой стороны — ограничивает их использование на средних и больших мощностях.
Интерес к установкам с ORC значительно усилился с развитием энергетических источников на нетрадиционных видах топлива (отходы деревообработки, биотопливо), так как при их сжигании трудно обеспечить параметры теплоносителя на выходе установки, позволяющие эффективно использовать обычный пароводяной цикл.
Диаграмма 1 . Область эффективного применения установок с ORC-циклом
В настоящее время в рамках повышения энергоэффективности предприятий нефтехимической промышленности и других, применяющих в технологиях пар разных параметров, производится модернизация с заменой редукционно-охладительных установок (РОУ) на противодавленческие турбины. В качестве нижнего предела редуцирования при этом используется пар с давлением, пригодным для целей теплоснабжения. Однако потребление тепловой энергии на отопление носит сезонный характер и ограничивает возможности выработки электроэнергии турбин с противодавлением, снижая и экономическую эффективность. Применение ORC-установок позволило бы уйти от сезонной неравномерности и служить дополнительной поддержкой электропитания собственных нужд.
В последнее время указанные выше технологии все чаще используются в различных сочетаниях между собой. Например, когенерация — соединение установок выработки электроэнергии, в том числе с ORC-циклом, и оборудования для получения тепловой энергии нужных для потребителя параметров за счет утилизации низкопотенциального тепла тепловыми насосами.
Если тепловая машина в составе автономной установки электроснабжения спроектирована для работы как в режиме теплового насоса, так и в режиме «холодильника» — система генерации электроэнергии преобразуется в систему тригенерации с получением дешевой электрической энергии, тепловой энергии, а также холода.
Системы сбора и возврата конденсата на производственных предприятиях
Тепловая энергия, содержащаяся в конденсате пара после его использования в технологических цепочках предприятия должна максимально возвращаться для последующего использования. При этом сам конденсат — отличный источник для подпитки паровых технологических контуров энергопроизводящих установок, снижающий необходимость подготовки дополнительной воды.
Основные задачи при проектировании и эксплуатации систем утилизации низкопотенциального тепла
Увязать между собой имеющиеся источники НПТ и потребителей, варианты их использования с учетом потребностей на конкретном предприятии, обеспечив при этом экономическую эффективность проекта — сложная инженерная задача. Для ее решения разработка системы утилизации должна включать следующие этапы:
проведение предпроектного обследования энергетической системы (сбор данных и составление энергетических балансов, инструментальное обследование),
моделирование технологических процессов установок, эксплуатация которых приводит к максимальным энергетическим потерям (математическое моделирование, пинч-анализ),
анализ ресурсных ограничений при использовании НПТ, разработка вариантов и выбор оптимальных решений,
анализ экономических ограничений при использовании НПТ в условиях данного предприятия и разработка ТЭО.
Специфика проектирования и эксплуатационные особенности систем утилизации НПТ заключаются в том, что практические все они используют в своей работе низкокипящие хладагенты, т.е. фактически «холодильные» технологии. Неслучайно вопросы безопасности тепловых насосов включены в единый ГОСТ с холодильными машинами (ГОСТ EN 378-1-2014 Системы холодильные и тепловые насосы. Требования безопасности и охраны окружающей среды. Части 1-4). Опыт эксплуатации подобных технологий в России существенен.
Будущее технологии в России
Эффективность технологий утилизации низкопотенциального тепла не вызывает вопросов, поэтому они с каждым годом они все шире применяются во всем мире. Причины медленного внедрения их в России — экономические. Низкая стоимость энергоносителей и относительно высокая стоимость импортного оборудования обуславливают высокие сроки окупаемости «стандартных» проектов.
Однако практика показывает, что эффективная экономика проекта — это всегда вопрос индивидуального подхода и ответственного отношения исполнителя к проектированию системы и подбору оптимального оборудования и комплектующих. К тому же, сроки окупаемости сегодня рассчитываются исходя из действующих тарифов на энергоносители, тогда как грядущая либерализация тарифов на тепловую энергию, скорее всего, приведет к резкому росту энергетической составляющей в затратах предприятий.
Меньше других эта ситуация затронет те компании, которые уже сейчас начинают оптимизировать энергозатраты, в частности, благодаря повторному использованию низкопотенциального тепла.
