CC BY
25
Таблица 3 - Система целевых индикаторов повышения энергетической эффективности тяги поездов
Название формы ЭПЖД-Т Индикатор Направление изменения
Расход электроэнергии на тягу поездов Расход электроэнергии Снижение
Удельный расход энергии по сериям локомотивов и видам движения Удельный расход электроэнергии по сериям локомотивов и видам движения Удельная рекуперация Снижение
Возврат электроэнергии при рекуперативном торможении Доля возврата электроэнергии в контактную сеть при рекуперативном торможении от величины потребления электроэнергии Количество неграфиковых остановок, выполнен- Увеличение
Непроизводительные затраты электроэнергии ных предупреждений об ограничении скорости, неполновесных и неполносоставных поездов; время нагона опоздания пассажирских поездов, горячего простоя; пробег в одиночном следовании Снижение
Разработанная методика проведения энергообследования тяги поездов апробирована в пяти локомотивных депо трех железных дорог Российской Федерации. При проведении технико-экономического анализа был определен потенциал снижения удельного расхода электроэнергии на тягу поездов за счет рекомендованных мероприятий, который составил не менее 3 %.
Список литературы
1. Котельников, А. В. Энергетическая стратегия железных дорог России [Текст] / А. В. Котельников // Железные дороги мира. - 2005. - № 2. - С. 16 - 23.
УДК 621.8.035
М. В. Тарута, А. Ю. Финиченко
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛОНАСОСНЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ НУЖД ПОТРЕБИТЕЛЕЙ
В статье рассматриваются вопросы использования теплонасосных установок для обеспечения потребителей тепловой энергией. Приведены наиболее перспективные районы залегания подземных и грунтовых вод на территории России. Перечислены основные преимущества и недостатки, возникающие при эксплуатации тепловых насосов.
Широко известны преимущества использования теплонасосных установок (ТНУ): экологическая чистота, экономичность, повсеместная распространенность и др. Существенного улучшения экономических и экологических характеристик производства теплоэнергии можно достичь с помощью ТНУ, позволяющих переносить низкотемпературную возобновляемую природную энергию и вторичную низкопотенциальную теплоту до более высоких значений температуры, пригодных для теплоснабжения [1 - 3].
Применение ТНУ позволяет также приблизить тепловые мощности к местам потребления, минимизировать протяженность тепловых сетей, рассредоточить выбросы в регионе. Затрачивая на привод компрессора, к примеру, 1 кВт электрической энергии, на выходе теп-
во ИЗВЕСТИЯ Транссиб!^— ^
06301360
лопроизводительность установки может составить 3-6 кВт (тепловой энергии) в зависимости от температуры низкопотенциального источника.
Системы теплоснабжения на основе ТНУ имеют кроме перечисленных выше и еще некоторые преимущества перед другими источниками теплоснабжения:
автономность работы - абсолютная независимость работы установки от других источников тепла;
годовой ресурс работы - 8256 ч соответствует нормативам работы теплофикационных установок;
возможность использования низкопотенциальной теплоты возобновляемых источников энергии - тепло грунта, подземных и грунтовых вод, водоемов, низкопотенциальное тепло, сбрасываемое в канализацию, тепло от крупных энергетических тепло производителей.
Используя в качестве источника теплоты ТНУ, можно экономить значительное количество энергии, а также органического топлива, цены на которое растут из года в год, и существенно сокращать выбросы вредных веществ, в том числе наиболее опасных 1ЧС)х и СО2. Причем последнее утверждение - значимый показатель при современной экологической ситуации в мире.
Расчетные зависимости изменения удельных показателей энергетической и экологической эффективности теплоисточников малой мощности представлены на рисунке [3].
Графики изменения удельных затрат условного топлива: 1 - котлы и домовые печи, использующие органические виды топлива (уголь, мазут, природный газ);
2 - ТНУ с электроприводом (X = 0,1; тЦ^С = 0,37)
Соответствующие представленным на рисунке зависимостям удельные затраты Ь условного топлива на единицу отпущенной энергии определяются по формулам [3]:
для топливных котлов (без учета затрат электроэнергии на дутьевые механические устройства топливоподачи и золоудаления) -
• 1 о)
для ТНУ с электроприводом -
1+ Л
(2)
где д - 29,31 МДж/кг - теплота сгорания единицы условного топлива; /;к - КПД котла;
А - доля технологических потерь электроэнергии при транспортировке от энергоисточника до потребителя;
77™ - КПД выработки электроэнергии на КЭС.
Безразмерный коэффициент преобразования (коэффициент трансформации тепла)
м:п4.<п4) ^И ИЗВЕСТИЯ Транссиба 81
где <2тну ~~ количество теплоты, отпущенной потребителю от ТНУ;
Л'км + Л^тр - суммарные затраты электроэнергии на привод компрессора и устройств, обеспечивающих транспорт (подачу) низко потенциального теплоносителя в испаритель ТНУ.
Следует отметить, что по сравнению с котельными, сжигающими природное топливо, парокомпрессионные ТНУ позволяют экономить до 30 % топлива. Это обстоятельство является неоспоримым преимуществом при использовании подобных установок, особенно при современной экологической обстановке в городах. Таким образом, уменьшается загрязнение воздушного бассейна, снижая проблему потепления климата.
Как видно из рисунка, у ТНУ в диапазоне изменения рабочих параметров 3,0 < |1 < 5,0 затраты условного топлива существенно меньше, чем у отопительных котлов, благодаря тому, что большая часть теплоты, выработанной ТНУ, составляет трансформированная на более высокий температурный уровень теплота местных нетрадиционных и возобновляемых источников тепла, а также вторичных энергоресурсов (ВЭР).
Однако энергетическая эффективность теплоисточников малой мощности не может служить основным критерием их экологической безопасности.
Для корректного сравнения установок по экологической безопасности следует применять системный подход, учитывающий как используемые виды топлива, так и месторасположение источников, загрязняющих окружающую среду. Необходимо учитывать также высоту дымовых труб и заселенность ближайших территорий, моральный и физический износ промышленных котлов.
В настоящее время тепловые насосы практически не находят применения (или в недостаточном количестве) в такой огромной и «богатой» нетрадиционным источником тепла стране, как Россия.
Использование низкопотенциального тепла ограничено, и в основном это происходит по экономическим причинам. В 60-е - 70-е гг. прошлого столетия структура энергохозяйства крупного предприятия складывалась за счет поддержания в нашей стране низких цен на топливно-энергетические ресурсы, поэтому использование вторичных энергоресурсов низких параметров при такой ситуации экономически не оправдало себя [1].
Сейчас ситуация кардинально изменись и в себестоимость продукции закладывается доля затрат на топливно-энергетические ресурсы, которые резко выросли. Однако на реорганизацию производства руководители идут неохотно, ведь для этого требуется привлечение определенных инвестиций, что связано с нестабильностью экономики, сопряжено с определенными рисками и значительным сроком окупаемости проекта.
Несмотря на большое количество разработок в области использования теплонасосных установок различных видов в системах теплоснабжения они практически не находят применения.
С помощью теплонасосной установки природную теплоту (тепло грунта, водоемов, воздуха, геотермальные воды) и тепловые отходы предприятий можно использовать для различных целей (отопление, горячее водоснабжение, вентиляция) [3-5].
Одно из главных направлений использования теплонасосных установок - утилизационные системы горячего водоснабжения [1, 2].
В России существует несколько зон с разведанными запасами грунтовых вод, имеющих различный потенциал, которые можно использовать как на нужды теплоснабжения, так и для выработки электрической энергии (таблица).
06301360
Районы с существующими источниками низкопотенциального тепла в России
Район Глубина залегания, м Температура воды, °С Ожидаемый дебит, л/с Химическая характеристика воды Область использования
Камчатка и Курильские острова 100- 1000 80 - 200 14-28 Среднемине-ральная хлоридно-натриевая Электростанции, теплоснабжение
Краснодарский край, Краснодар, Майкоп, Армавир 1000-2500 70-110 14-56 Высокоминерализованная Теплоснабжение
Европейская часть: Ярославль, Воркута, Оренбург 1000-3000 40-80 До 28 Высокоминерализованная Теплоснабжение
Западная Сибирь: Тюмень, Омск, Бара-бинск 1100-3000 70-90 14-28 Слабоминерализованная, хлор-кальциевая Теплоснабжение
Северное Забайкалье ~ 2000 40-85 14-28 Сульфатно-гидрокарбонатно-кальциевая Теплоснабжение
Из данных таблицы видно, что Россия богата низкопотенциальными источниками тепла, а ТНУ могут найти применение не только на востоке страны, где существуют воды с достаточно высоким потенциалом, но и в Омской области, где воды с температурой до 90 °С можно использовать для теплоснабжения жителей ближайших сел.
В Омской области, например, в 2005 г. состоялся запуск теплонаносной станции с использованием энергии геотермальных вод. Первая в регионе геотермальная система обеспечивает теплом и водой жителей с. Чистово Оконешниковского района. Причем срок окупаемости составил всего около двух лет, что для теплоэнергетических объектов - незначительный период времени. Богатые запасы термальных вод в Омской области позволяют открыть теплонаносные станции как минимум еще в пяти районах - перспектива перехода на природное отопление может ожидать десятки населенных пунктов юга области. В настоящее время проекты заморожены, очевидно ввиду кризисной ситуации в стране.
Серьезная проблема ограниченности применения ТНУ заключается в том, что сами установки достаточно дороги, за что в конечном итоге платит потребитель. Например, тепловой насос Thermia Diplomat TWS 4RF мощностью 4 кВт стоит 7821 евро, не считая затрат на его монтаж, который может составлять 100 % от стоимости ТНУ, т. е. стоимость подобной установки приближается к стоимости газового котла и подведения газа к индивидуальному строительству. Причем далеко не каждый российский гражданин отдаст предпочтение нетрадиционному и экологически чистому источнику тепла, который имеет более сложный рабочий процесс.
Отсутствие отечественных производителей теплонасосных установок не может не сказаться на их реализации на российском рынке. ЗАО «Энергия» (г. Новосибирск) - практически единственное в России предприятие, серийно выпускающее компрессоры, испарители, конденсаторы и все необходимое оборудование для ТНУ. Эта организация имеет порядка 160 внедренных объектов, например, отопление пос. Велижаны Тюменская области, отопление института экологии в Красноярске и др.
Чаще всего организации предлагают ТНУ не российского производства, а зарубежного, например, немецкого и японского. В Омске, например, компания «Русклимат» предлагает помощь по выбору и осуществляет продажу тепловых насосов Zubudan (Mitsubishi Electric). Определенной поддержки отечественного производителя практически нет и со стороны правительства, как это происходит в Германии, где существуют определенные дотации за каждый киловатт установленной мощности тепловых насосов.
В России работает не более 100 установок общей мощностью около 30 МВт, что составляет примерно 0,1% от общемирового количества устройств. В Сибири и на Алтае установлено более 10 тепловых насосов мощностью от 270 кВт до 3,3 МВт.
Известно, что использование низкокипящего теплоносителя (фреона) пагубно влияет на окружающую среду: фреоны разрушают озоновый слой, который препятствует проникновению к поверхности Земли большого количества ультрафиолета, вызывающего различные онкологические заболевания. Применение некоторых хладонов ограничивается или полностью прекращено. К числу озоноактивных фреонов, применение которых по Монреальскому соглашению сокращается, относятся Rll - R115, но разрабатываются альтернативные заменители рабочих систем, не содержащие активного хлора.
Рабочее вещество ТНУ должно быть химически стабильным по отношению к конструкционным материалам и смазочным маслам и должно иметь высокую критическую температуру. Наиболее приемлемые в системах утилизационного тепло- и хладоснабжения хладоны R142B и R318 [1,2].
При проектировании ТНУ, следует учитывать тот факт, что по мере эксплуатации самой установки, снижается температура грунта потому, что грунт остывает из-за работы грунтового теплообменника, который и отбирает тепло из недр земли. После пятилетнего использования ТНУ температура грунта нормализуется и принимает постоянное значение, которое с течением времени не меняется. Поэтому рассчитывать ТНУ необходимо на большую мощность, чем требуется для потребителей.
Энергетические кризисы 1973 и 1978 г. стали импульсом для создания тепловых насосов, так как в этот период ученые серьезно задумались о поисках решения проблемы независимости от добываемого нефтяного топлива и цен на него. Мировой экономический кризис 2008 г. должен стать определенным стимулом для человечества по энерго- и ресурсосбережению. Все негативные стороны использования трансформаторов тепла достаточно серьезно осложняют сложившуюся ситуацию на рынке производства тепловой и электрической энергии.
Применение в системах теплоснабжения ТНУ и новых технологий позволит:
1) отказаться от нерационального электрического и в ряде случаев централизованного отопления объектов жилищно-коммунального хозяйства;
2) значительно снизить потребление электроэнергии;
3) обеспечить надежное и экономичное теплоснабжение потребителей;
4) самостоятельно регулировать качество и количество потребляемой теплоты независимо от поставщиков тепловой энергии;
5) отказаться от теплотрасс большой протяженности и, как следствие, сократить значительные потери и затраты на их обслуживание, снизить издержки на выработку тепла и увеличить надежность теплоснабжения.
Применение ТНУ возможно в системе теплоснабжения на сети железных дорог, в частности, в системе отопления промышленных, бытовых и административных зданий. Наиболее выгодно применение тепловых насосов для удаленных от стационарных теплогенерирующих установок (ТЭЦ, котельных) потребителей.
Несомненно то, что в будущем энергосбережение в теплонасосных установках станет очевидным не только для ученым, но и для потребителей тепла, которых необходимо дополнительно стимулировать к внедрению экологически чистых устройств.
Список литературы
1. Назмеев, Ю. Г. Теплоэнергетические системы и энергобалансы промышленных предприятий: учебное пособие для студентов вузов [Текст] / Ю. Г. Назмеев, И. А. Конахина / МЭИ.-М., 2002.-407 с.
84 ИЗВЕСТИЯ Транссиб!^— ^
06301360
2. Хайнрих, Г. Теплонасосные установки для отопления и горячего водоснабжения [Текст] / Г. Хайнрих, X. Найорк, В. Нестлер; Пер. с нем. Н. Л. Кораблевой, Е. Ш. Фельдмана; Под ред. Б. К. Янвеля. - М.: Стройиздат, 1985. - 351 с.
3. Осадчий, Г. Б. Солнечная энергия, ее производные и технологии их использования (Введение в энергетику ВИЭ) [Текст] / Г. Б. Осадчий. - Омск, 2010.-572 с.
4. Лебедев, В. М. Теплоэнергетика региона [Текст] / В. М. Лебедев. - Омск, 1998. -102 с.
5. Тепловые электрические станции: учебник для вузов [Текст] / В. Д. Буров, Е. В. Дорохов и др.; под ред. В. М. Лавыгина, А. С. Седлова, С. В. Цанева. - 2-е изд., перераб. и доп. -М.: МЭИ, 2007.-380 с.
УДК 621.314
Е. А. Третьяков, Н. Н. Малышева, А. В. Краузе ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ КОМПЕНСИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ
В настоящее время существуют технические решения и технологии, позволяющие полностью компенсировать как неизменную, так и резкопеременную реактивную составляющую мощности нагрузки. Однако вопрос о выборе типов компенсирующих устройств и их параметров является весьма актуальным. Авторами предлагается подход к выбору компенсирующих устройств, который заключается в том, что компенсацию групповой резкопеременной нагрузки необходимо выполнять не одним компенсатором с высокой удельной стоимостью, а группой таких устройств, причем большая доля реактивного мощности - неизменная составляющая - компенсируется статическими компенсаторами, а переменная составляющая - регулируемыми компенсаторами с учетом технической реализуемости. В данного работе представлен разработанный алгоритм определения оптимального состава и структуры компенсирующих устройств исходя из требуемого компенсации реактивной мощности неизменной и переменной составляющих по критерию минимума затрат.
Повсеместное внедрение силовых установок на базе полупроводниковых элементов, компьютерной техники и цифровых систем управления приводит к ухудшению качества и повышению потерь электрической энергии (ЭЭ) в электрических сетях. Повысить эффективность использования ЭЭ на этапе передачи и потребления можно за счет компенсации реактивной мощности (КРМ) и других искажений в системе электроснабжения.
Приказом Минпромэнерго № 49 от 22 февраля 2007 года введен «Порядок расчета значений соотношения потребления активной и реактивной мощности для отдельных энерго-принимающих устройств потребителей электрической энергии, применяемых для определения обязательств сторон в договорах об оказании услуг по передаче электрической энергии (договоры энергоснабжения)». Данный порядок утверждает предельные значения коэффициента реактивной мощности tgф для потребителей. Система скидок и надбавок за поддержание требуемого коэффициента реактивной мощности в случае участия потребителя по соглашению с сетевой организацией в регулировании реактивной мощности в часы больших и (или) малых нагрузок электрической сети упразднена и в тарифе не учитывается.
На практике потребитель не имеет материальной заинтересованности в КРМ согласно указанному документу на границе раздела балансовой принадлежности, т.к. снижение потерь при этом произойдет в сетях АО-энерго (энергоснабжающей организации), а не потребителя. Поэтому наиболее оправданной представляется индивидуальная и групповая компенсация реактивной мощности и искажений в сетях потребителя как можно ближе к нагрузке.
При решении указанных задач на первый план выходят проблемы оптимального размещения компенсирующих устройств (КУ) на участке электрической сети 10/0,4 кВ и выбор соответствующих технических средств.
