Оценка энергетического потенциала источников низкопотенциального тепла Тульской области Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В СИСТЕМАХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

УДК 620.97(075.8)

Г.И. Бабокин, д-р техн. наук, проф., зам. директора, (848762) 6-13-83, prorector.science@nirhtu.ru

(Россия, Новомосковск, РХТУ им. Д.И. Менделеева) Ю.А. Луценко, д-р техн. наук, проф., (848762) 6-13-83, prorector.science@nirhtu.ru

(Россия, Новомосковск, РХТУ им. Д.И. Менделеева)

ОЦЕНКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА ИСТОЧНИКОВ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОГО ТЕПЛА ТУЛЬСКОЙ ОБЛАСТИ

Дана оценка энергетического потенциала источников низкопотенциального тепла Тульской области: тепла грунта и водоемов, тепла сбросных сточных вод, сбросного тепла тепловых электростанций, теплосистем оборотного водоснабжения.

Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, источники низкопотенциального тепла, оценка.

В настоящее время энергетика в основном базируется на невозоб-новляемых источниках энергии. Это, прежде всего, газ, нефть, уголь, сланцы, ядерное топливо. Помимо того, что их запасы ограничены и истощаются, их использование приводит к острейшим экологическим проблемам. Именно поэтому во всем мире все большее внимание уделяется использованию возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

ВИЭ - это источники энергии на основе постоянно существующих или периодически возникающих процессов в природе, а также жизненном цикле растительного и животного мира и жизнедеятельности человеческого общества.

Источники низкопотенциального тепла относятся к ВИЭ. Это - тепло грунта и водоемов, тепло сбросных сточных вод, сбросное тепло тепловых электростанций, тепло систем оборотного водоснабжения. Энергию этих источников можно использовать, например, с помощью тепловых насосов.

Для решения вопроса о целесообразности использования энергии источников низкопотенциального тепла необходимо, прежде всего, оценить их энергетический ресурс или потенциал.

Различают следующие виды ресурсов или энергетических потенциалов ВИЭ: валовый, технический и экономический [1,2,3].

Валовый (теоретический) энергетический потенциал - годовой объем энергии, содержащийся в данном виде ВИЭ при полном ее превращении в полезно используемую энергию.

Технический энергетический потенциал - часть валового потенциала, преобразование которого в полезную энергию возможно при существующем уровне развития технических средств и соблюдении требований по охране природной среды.

Экономический энергетический потенциал - часть технического потенциала, преобразование которого в полезную используемую энергию экономически целесообразно при данном уровне цен на ископаемое топливо, тепловую и электрическую энергию, оборудование, материалы, транспортные услуги, оплату труда и т.д.

Валовый энергетический ресурс, или потенциал, имеет теоретическое значение. Технический и экономический энергетические потенциалы имеют практическое значение. Экономический энергетический потенциал рассчитывается при разработке конкретных проектов использования ВИЭ.

При прогнозных оценках имеет значение только технический энергетический потенциал.

Валовый, технический и экономический энергетические потенциалы низкопотенциального тепла принято оценивать как объемы экономии органического топлива [3].

Оценка энергетического потенциала грунта и водоемов. Тепло грунта и водоемов можно использовать путем применения тепловых насосов. При использовании этих технологий говорить о валовом ресурсе нет смысла, так как использовать все тепло, содержащееся в грунте всей поверхности территории региона, не представляется возможным. Имеет смысл говорить о техническом потенциале с учетом экологических и технических ограничений.

В соответствии с техническими данными для отопления дома с нормальной теплоизоляцией необходима мощность порядка 80 Вт/м2 [1,2]. Для семьи из 4 человек необходим коттедж площадью 100...200 м , т. е. среднее значение удельной теплопроизводительности должно быть 2.4 кВт/чел. Принимаем q = 4 кВт/чел.

Предполагаем, что таким видом теплоснабжения может воспользоваться до 10 % населения. Население Тульской области 1540,4 тыс. чел. [4], тогда и = 154,04 тыс. чел. Длительность отопительного сезона Т в нашем регионе 4500 часов в год. С учетом этого можно определить количество теплоты, которое необходимо вырабатывать тепловыми насосами в год:

() = п ■ д - Т = 1,5404 • 105 • 4 • 4500 = 27,73 • 108 кВт'ч =

= 27,73-108 • 0,86-10"3Гкал = 23,85-105Гкал.

Количество замещаемого органического топлива определяется по формуле [3]

Вт = б ' в(1/Ктр ~УКтн)Т У т./год, (1)

где <2 — количество вырабатываемого тепла в год традиционным источником тепла (принимаем () равным количеству тепла, вырабатываемому тепловыми насосами), Гкал; в — удельный расход условного топлива на производство тепловой энергии традиционным источником тепла, т у.т./год; Ктр — коэффициент использования топлива традиционного источника тепла (котельной); Ктн = Кээ • |ы — коэффициент использования первичной энергии тепловых насосов с электроприводом; |ы - коэффициент преобразования теплового насоса; Кээ — коэффициент преобразования первичной энергии (топлива) при производстве электроэнергии.

Принимая для Тульского региона параметры [2,3,4] в = 0,1428 т у.т./Гкал; Ктр= 0,8; 7<СЭЭ=0,32; |ы = 4, получаем соотношение

для определения технического энергетического ресурса в виде экономии органического топлива

Вт = 0,0670 = 0,067 • 23,85 • 105 = 159,8 • 103 т у.т.

Оценка энергетического потенциала тепла сбросовых сточных вод. Технический энергетический потенциал тепла сточных вод принят равным валовому потенциалу, который может быть определен по формуле

£> = ™(*2~Н)> (2)

где т — вес сточных вод, кг; ¡2 ~ энтальпия воды на входе очистных сооружений и станций аэрации, кДж/кг; /| — энтальпия воды на выходе очистных сооружений и станций аэрации, кДж/кг.

Среднюю температуру входной воды очистных сооружений принимаем равной 20 °С и соответствующая ей энтальпия воды /2 = 83,91 кДж/кг, выходной воды -10 С и =42,04 кДж/кг.

Объем сточных вод в Тульской области в 2007 г. [4] составил 216,39 -10^ м3. Удельный вес сточных вод принимаем равным 1 т/м3.

Учитывая это, технический энергетический потенциал тепла сточных вод региона

Q2 = 216,39 • 109(83,91 - 42,04) = 9,06 • 1012кДж = 2,164 • 106Гкал.

Объем замещения органического топлива за счет этого вида энергии, определяемый по (1),

В2 = 0,067 • Q = 0,067 • 2,164 • 106 = 144,99 • 103т у.т.

Так как бытовые стоки получаются в основном в городах и поселках и концентрируются на их очистных сооружениях, далее дана оценка технического энергетического потенциала населенных пунктов региона.

При расчете объема сточных вод для городов и поселков принято, что для населения объем сточных вод составляет 300 кг/сут на человека. В таблице представлены расчетные данные технического энергетического потенциала тепла бытовых сточных вод с учетом численности населения городов и поселков, определенных по формуле (2).

Технический энергетический потенциал низкопотенциального

тепла бытовых стоков

№ Наименование Населе- Коли- Средняя Технический Объем за-

п/п города, поселка ние, чество масса бы- энергетиче- мещения

тыс. горо- товых от- ский потен- органиче-

чел. дов, ходов в циал, ского топ-

посел- год, кДж4012 лива,

ков, млн т тыс. т у.т.

шт.

1 Тула 504 1 55,19 2,31 36,96

2 Новомосковск 125 1 13,69 0,57 9,12

3 Алексин, Донской, Узловая. Щекино 60...65 4 27,37 1,15 18,4

4 Богородицк, Ефремов, Кимовск, Киреевск, Суворов 20...30 5 13,69 0,57 9,12

5 Белев, Венев, Плавск, Ясно-горск 15.20 4 7,66 0,32 5,12

6 Товарковский, Дубовка, Первомайский, Гри-цовский, Болохо-во, Липки, Ленинский, Сокольники 7.10 9 8,37 0,35 5,60

7 Поселки: Дубна и т.д. 5.6 7 4,22 0,18 2,88

Окончание

№ Наименование Населе- Коли- Средняя Технический Объем за-

п/п города, поселка ние, чество масса бы- энергетиче- мещения

тыс. горо- товых от- скии потен- органиче-

чел. дов, ходов в циал, ского топ-

посел- год, кДж-1012 лива,

ков, млн т тыс. т у. т.

шт.

8 Поселки 3...4 5 1,92 0,08 1,28

9 Поселки 2 2 0,44 0,02 0,32

10 Тульская область 132,55 5,54 88,57

Как следует из таблицы, валовый энергетический потенциал низкопотенциального тепла бытовых стоков городов и поселков

0г =5,54- 1012кДж= 1325 тыс. Гкал.

Очевидно, использование тепла сточных вод целесообразно в первую очередь начинать в крупных городах.

Разница в энергетических потенциалах АО = 02 — Ог соответствует энергетическому потенциалу сточных вод промышленных предприятий (пищевой, сельскохозяйственной и др.).

Оценка энергетического потенциала сбросового тепла тепловых электростанций. Низкопотенциальное тепло тепловых станций сбрасывается с охлаждающей водой конденсаторов турбин и с дымовыми газами. Охлаждающая вода имеет температуру 20...40 °С и охлаждается до 15 °С в градирнях либо в прудах-охладителях, либо сбрасывается в водоемы. Большая часть электростанций Тульской области входит в состав ОАО «ТГУ-4» - филиал ОАО «Тульская региональная генерация»: Щекинская ГРЭС, Новомосковская ГРЭС, Первомайская ТЭЦ, Алексинская ТЭЦ, Еф-ремовская ТЭЦ, 25 котельных Новомосковских тепловых сетей, Ефремов-ское тепловое хозяйство. Общая установленная мощность филиала: электрическая — 1028 МВт, тепловая — 2907,2 Гкал/ч.

Черепетская ГРЭС входит в состав ОАО «ОГК-3» («Оптовая генерирующая компания N3»), Установленная электрическая мощность Чере-петской ГРЭС - 1500 МВт.

Таким образом, общая установленная мощность всех электростанций Тульской области: электрическая—2528 МВт, тепловая — 2907,2 Гкал/ч.

Валовый годовой энергетический ресурс низкопотенциального тепла электростанций, равный техническому, определяем следующим образом.

Находим массу охлаждающей воды конденсаторов турбин всех ТЭЦ и ГРЭС региона исходя из нормы 243 т/МВт, приняв удельный вес воды 1 т/м3:

тТ = 243 • 2911 = 707379 т.

Валовый энергетический потенциал низкопотенциального тепла сбросовых вод тепловых станций при использовании его теплонасосными установками определяем по формуле (2):

QЗ = mТ(/2 - /1) = 707,4 • 106(125,7 - 62,97) =

= 44375,2 • 106кДж = 10,6 • 106Гкал, где тТ - масса охлаждающей воды, кг; /1 - энтальпия входной воды тепловых насосов с t = 30 °С, равная 125 кДж/кг; /2 - энтальпия выходной воды с t = 15 °С, равная 62,97 кДж/кг.

Объем замещаемого органического топлива за счет сбросового тепла тепловых электростанций, определяемый по формуле (1),

ВЗ = 0,067 • QЗ = 0,067 • 10,6 • 106 = 710,2 • 103т у.т.

Оценка энергетического потенциала тепла систем оборотного водоснабжения. Суммарный объем оборотной и повторно-последовательно используемой воды в Тульской области в 2005 году в соответствии со статистическими данными за 2006 год составлял 270,8 • 106 м3 [4]. Будем предполагать, что эта цифра существенно не изменилась, а удельный вес воды равен 1 т/м3.

Температура входной воды принимается равной 30 °С, ее энтальпия составляет 125,7 кДж/кг. Температура выходной воды принимается равной 15 °С, ее энтальпия составляет 62,97 кДж/кг.

Технический энергетический потенциал оборотного водоснабжения принимаем равным валовому потенциалу:

Q = т(/2 - /1) = 270,8 • 109(125,7 - 62,97) = 16,99 • 1012 кДж = 4,057 • 106 Гкал.

Объем замещения органического топлива за счет этого вида энергии

В = 0,067 • Q = 0,067 • 4,057 • 106 = 271,8 • 103 т у.т.

Таким образом, общий технический энергетический ресурс, или потенциал, всех видов источников низкопотенциального тепла региона, определяемый как количество замещения органического топлива в год, находим по формуле

ВТ = В1 + В2 + В3 = 159,8 • 103 + 106,53 • 103 +

+ 213,06 • 103 + 271,8 • 103 = 751,19 • 103 т у.т.

Это соответствует добыче и использованию 1878^ 103 т у.т. или 1,878 млн т бурого угля в год.

Экономический потенциал можно принять равным 20 % от технического потенциала [3]: Вэ = Вт • 0,2 = 751,19-103 • 0,2 = 150,2-103 т у.т., что соответствует добыче и использованию 375,6^ 103 т бурого угля в год.

Список литературы

1. Дмитриев А.Н., Монастырев П.В, Сборщиков С.Б. Энергосбережение в реконструируемых зданиях. М.: Изд-во АСВ. 2008. 208 с.

2. Васильев Г.П. Теплоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли. М.: Изд-во «Красная звезда», 2006. 220 с.

3. Справочник по ресурсам возобновляемых источников энергии России и местным видам топлива (показатели по территориям). М.: ИАЦ «Энергия», 2007, 272 с.

4. Тульский статистический ежегодник. Тула, 2006.

G.I. Babokin, Y.A. Lutsenko

EVALUATE ENERGETICS POTENTIAL SOURCES LOW POTENTIAL WARMTH TULA REGION

The evaluate energetics potential sources low potential warmth Tula region: warmth ground and basins, warmth throws flowing water, throws warmth electric power stations, warmth system rotation water-supply was given

Key words: renewal sources power, sources low potential warmth, eva luate.

Получено 24.12.11

УДК 620.97(075.8)

Г.И. Бабокин, д-р техн. наук, проф., зам. директора, (848762) 6-13-83, prorector. science @nirhtu.ru (Россия, Новомосковск, РХТУ им. Д.И. Менделеева) Ю.А. Луценко, д-р техн. наук, проф., (848762) 6-13-83, prorector.science@nirhtu.ru

(Россия, Новомосковск, РХТУ им. Д.И. Менделеева)

ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ СЕЛЬСКОЙ ШКОЛЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛА ГРУНТА ПРИ ПОМОЩИ ТЕПЛОВОГО НАСОСА

Предложено осуществить теплоснабжение сельской школы с использованием тепла грунта при помощи теплового насоса.

Ключевые слова: теплоснабжение, сельская школа, тепло грунта, тепловой

насос.

Известно [1], что тепло грунта может быть использовано для теплоснабжения зданий с помощью тепловых насосов. Тепловой насос - устрой-

9