CC BY
134
РЕЗУЛЬТАТЫ РАЗРАБОТКИ И ВНЕДРЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОГО ТЕПЛА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ
Закиров Данир Еалимзянович, ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет »
E-mail: awup@perm.ru
Слаутин Юрий Александрович, ФЕБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
E-mail: zot9999@mail.ru
Полевщиков Иван Сергеевич, ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет» E-mail: i.s.polevshchikov@gmail.com
Аннотация. В статье отражены результаты научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по решению крупной и актуальной научнотехнической проблемы по разработке и внедрению энергосберегающих технологий для утилизации низкопотенциального тепла с применением тепловых насосов.
Ключевые слова: энергосбережение, снижение энергоемкости
производства, экологизация производства, тепловые насосы.
В соответствии с Энергетической стратегией России, цены на топливо и, в первую очередь, на природный газ будут повышаться и далее. Учитывая большую долю природного газа в балансе топлива ТЭЦ и котельных, социально -экономические проблемы теплоснабжения коммунально-бытового сектора и промышленности с ростом цен на газ с каждым годом будут обостряться.
Это в свою очередь выдвигает на первый план крупную проблему структурно-технологических изменений в области отечественного теплоснабжения, внедрения энергосберегающих технологий [1-9], расширения использования традиционных и возобновляемых источников, в том числе низкопотенциальных источников тепла с целью снижения использования дорогостоящего органического топлива, повышения эффективности централизованного и максимального развития децентрализованного ее секторов.
В этом плане определенная роль принадлежит парокомпрессионным тепловым насосам (ТН), обеспечивающим эффективную утилизацию низкопотенциальной теплоты промышленных и бытовых стоков. Вовлечение последних в тепловой баланс позволяет уменьшить затраты первичной энергии и способствует тем самым оздоровлению воздушного бассейна.
По масштабам внедрения ТН Россия значительно отстает от зарубежных стран. В то время, когда за рубежом количество функционирующих установок насчитывается сотнями тысяч (Западная Европа), а в некоторых странах исчисляется миллионами (Япония, США), в России функционирует не более трех сотен установок общей мощностью не более 200 МВт. В то же время более суровый и продолжительный по сравнению с большинством зарубежных стран отопительный период в России значительно увеличивает экономическую и экологическую эффективность использования теплонасосных установок (ТНУ).
В последние годы авторским коллективом под руководством доктора технических наук Д.Г. Закирова выполнены большие научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по решению крупной и актуальной научнотехнической проблемы по разработке и внедрению энергосберегающих технологий для утилизации низкопотенциального тепла с применением ТН.
Результаты научно-исследовательской работы внедрены на федеральном и региональном уровне. Выполнены большие объемы научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию новых конструкций тепловых насосов, эффективного незасоряющегося теплообменного аппарата для рекуперации тепла загрязненных шахтных вод, определены оптимальные параметры и разработана конструкторская документация на теплообменники для использования их в составе различных теплонасосных технологий (ТНТ).
Выполнены теоретические исследования по интенсификации процесса теплообмена в рабочих каналах теплообменной аппаратуры методом искусственной турбулизации потока теплоносителя, а также определены основные пути и средства для создания эффективного теплообменного аппарата для утилизации низкопотенциальной теплоты шахтных вод, канализационных стоков, загрязненных взвешенными веществами и нефтепродуктами. Для теоретического анализа создана математическая модель течения потока по поверхности с дискретными турбулизаторами.
Разработаны научные основы рационального применения ТНТ и рекомендации по оценке эффективности применения ТНТ.
Разработаны:
а) параметрический ряд из шести разновидностей тепловых насосов;
б) программа для расчета параметров термодинамических циклов;
в) методика и алгоритм выбора типов и параметров тепловых насосов (ТН) для работы в различных условиях их применения;
г) модель и алгоритм оптимизации эколого-энергетических параметров теплоснабжения угольной шахты с утилизацией низкопотенциального тепла;
д) технические средства для применения в составе ТНТ (спиральный и кожухотрубный теплообменные аппараты, тонкослойный отстойник);
е) методика технико-экономического обоснования применения ТНТ в сфере ЖКХ;
ж) методические рекомендации по применению ТНТ в системах отопления и горячего водоснабжения;
з) эколого-энергетические параметры оптимизации теплоснабжения угольных шахт на основе применения технологий утилизации низкопотенциального тепла шахтных вод и неочищенных сточных вод с применением ТН.
Разработаны технические средства для применения в составе ТНТ:
а) спиральный теплообменник (патент на изобретение №2156423);
б) кожухотрубный теплообменник (патент на изобретение №2186309);
в) тонкослойный отстойник (патент на изобретение № 2171703).
Авторским коллективом выполнены научно-исследовательские работы по
разработке методики выбора типов и параметров ТН для работы в различных условиях их применения. Основным параметром, определяющим выбор типа ТН в зависимости от конкретных условий, является экономическая эффективность. Под такой эффективностью здесь понимается снижение себестоимости вырабатываемого ТН тепла по сравнению с традиционными источниками тепловой энергии, получение реальной прибыли при выработке необходимого количества тепла и, самое главное, достижение минимального срока окупаемости.
В зависимости от источника низкопотенциальной теплоты (загрязненные и очищенные хозбытовые и шахтные воды, поверхностные и оборотные воды, грунт, наружный и вытяжной воздух, и т.д.) должны применяться соответствующие технологии утилизации. Для утилизации низкопотенциальной теплоты наиболее распространенных источников, авторским коллективом разработаны соответствующие технологии на базе разработанных и серийно выпускаемых ЗАО «Энергия» ТН, а также высокоэффективных спиральных теплообменников, теплообменных модулей, новизна которых подтверждена патентами РФ (патенты на изобретения № 2156423, № 2178542, № 2186309, № 2155302).
В течение ряда лет коллектив занимается проблемой вовлечения вторичных энергетических ресурсов (ВТЭР) и использования возобновляемых природных источников в процесс производства тепловой энергии и с применением тепловых насосов.
Авторским коллективом решены крупные научные проблемы с
использованием ТН по утилизации низкопотенциального тепла шахтных вод, а также загрязненных хозбытовых стоков, внедрены, в том числе «пионерские» технологии с их применением.
Была разработана и внедрена технология утилизации тепла оборотной воды компрессорной станции на шахте «Ключевская» ПО «Кизелуголь» для отопления и горячего водоснабжения технологического комплекса шахты. Испытания и эксплуатация подтвердили экономическую целесообразность утилизации ранее сбрасываемой теплоты и улучшения экологической обстановки на прилегающих территориях за счет снижения нагрузки на промышленные котельные, поскольку полученное тепло использовалось для отопления зданий АБК, столовой и прилегающих зданий шахты. Кроме того, значительно улучшились условия охлаждения компрессоров и температурные режимы их эксплуатации, из работы была полностью исключена градирня, по результатам измерений установлено, что на 1 кВт-ч затраченной электроэнергии на привод теплового насоса получено 3,5 кВт-ч эквивалентной тепловой энергии.
На основе результатов исследований был выполнен рабочий проект технологического комплекса утилизации низкопотенциального тепла шахтной воды для шахты «Зенковская» АО УК «Прокопьевскуголь». С помощью данной ТНУ тепловой мощностью 2,4 МВт предусмотрено покрывать круглогодичную нагрузку системы горячего водоснабжения и базовую нагрузку отопления.
Был выполнен рабочий проект, предусматривавший применение ТН для шахты «Степановская» АО «Ростовуголь» по утилизации низкопотенциальной теплоты с целью улучшения температурного режима очистки хозяйственнобытовых стоков. Годовая экономия эксплуатационных издержек составила 59,1 млн. руб., при экономии 1045 т у. т.
Впервые в России разработана и внедрена технология утилизации низкопотенциального тепла загрязненных хозяйственно-бытовых стоков с применением ТН, совместно с ЗАО «Энергия», для отопления и горячего водоснабжения на МП «Пермводоканал», на РНС-3 «Гайва». Затраты на теплоснабжение станции сократились в 4,6 раза.
На шахте «Осинниковская» ЗАО УК «Южкузбассуголь» в Кемеровской области, впервые в России, внедрена опытно-промышленная технология утилизации низкопотенциального тепла шахтных вод для горячего водоснабжения шахты. В технологическую схему включен ТН производства ЗАО «Энергия», теплопроизводительность которого составляет 130 кВт. Затраты на теплоснабжение шахты сократились в 2,1 раза, срок окупаемости проекта 1 год. Затрачивая 1 кВт-ч электроэнергии технологическая схема позволяет получать около 4 кВт-ч эквивалентной тепловой энергии. Установка дает 100 м в сутки горячей воды экологически чистым способом, решает проблему горячего
водоснабжения шахты и позволяет исключить из работы шахтную котельную в летнее время года.
За счет внедрения технологии утилизации низкопотенциального тепла загрязненных хозбытовых стоков была исключена из технологического процесса угольная котельная № 35 ПГЭС «Теплоэнерго» (г. Кунгур) для отопления зданий станции. Себестоимость вырабатываемой экологически чистой тепловой энергии стала в 9 раз ниже прежней (1 Гкал стоит 541,6 руб. против 5248 руб. раньше). Срок окупаемости проекта - 1,2 года.
На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований и опытно-конструкторских работ решена крупная актуальная научно-техническая проблема, заключающаяся в утилизации теплоты низкопотенциальных источников в промышленности, энергетике и жилищнокоммунальной сфере. Для теплоснабжения разработаны оригинальные способы, технические средства и технологии утилизации различных источников низкопотенциального тепла.
К основным факторам, сдерживающим широкое внедрение ТН сегодня в России относятся: более низкая, по сравнению с ценами внешнего рынка, стоимость топлива, незначительное распространение систем кондиционирования воздуха и электрообогрева; отсутствие низкотемпературных систем отопления в децентрализованном теплоснабжении и незначительное серийное производство отечественными машиностроительными предприятиями ТНУ.
В настоящее время ТНУ экономически эффективны при вытеснении прямого электротеплоснабжения и комплексной выработки тепла и холода. Эффективность же по сравнению с газомазутными котельными существенно зависит от соотношения стоимостей потребляемой электроэнергии на привод и сэкономленного топлива, так как удельные капиталовложения в тепловые насосы значительно выше, а также от вида и температуры низкопотенциального источника тепла.
Целесообразные области применения ТНУ для теплохладоснабжения включают широкий круг потребителей в различных отраслях экономики практически во всех регионах. К ним в частности относятся тепловые потребители в городах и промышленных центрах областей и краев, где высоки требования к охране окружающей среды, регионы, где есть низко- и среднетемпературные геотермальные теплоисточники, предприятия и жилые комплексы, имеющие значительные сбросы низкопотеницальной теплоты систем оборотного и прямоточного охлаждения, животноводческие фермы и другие.
В связи с этим использование ТН, несмотря на наличие ряда еще существующих технологических и экономических проблем представляет собой одно из наиболее эффективных направлений совершенствования системы теплоснабжения, мощный ресурс экономии органического топлива и снижения
зависимости производимой теплоэнергии от цен на него.
ТН могут эффективно трансформировать низкопотеницальное тепло в высокопотенциальное для целей отопления и ГВС, например, путем охлаждения морской или речной воды от 4-х до 2-х 0С. При этом себестоимость тепловой энергии оказывается на 20 % ниже по сравнению с себестоимостью тепла, отпускаемого газовой котельной. А по данным МНИИЭКО ТЭК, г. Пермь эксплуатационные затраты при использовании ТН снижаются в 1,3-3,7 раза в зависимости от вида органического топлива, на котором работает котельная или электрообогрев.
В системах централизованного теплоснабжения, выпускаемые в России ТН практически не используются, что приводит к значительным энергетическим потерям, которые могут быть частично или полностью компенсированы применением ТН. К таким потерям следует отнести большие выбросы низкопотенциального тепла в системе оборотного техводоснабжения, большие затраты тепла на нагрев сырой воды, восполняющей ее потери в теплосетях; потери тепла через изоляцию, в том числе из-за неоправданно высоких температур сетевой воды.
Для использования в системах централизованного теплоснабжения требуются ТН большой мощности (20 - 100 МВт в одном агрегате). На базе существующих типов ТН такие мощности реализованы быть не могут. Кроме того, при создании крупных ТН во весь рост становится проблема необходимости использования экологически безопасных рабочих веществ из числа «природных» (углеводороды, диоксид углерода, вода, воздух).
Второй проблемой является обеспечение максимальной эффективности ТНУ при переменных температурах конденсации и кипения теплоносителя, которые изменяются в зависимости от температуры низкопотенциального источника и требуемой температуры нагреваемой в конденсаторе воды.
В настоящее время эта проблема не решена. Однако, приемлемого результата можно достичь путем дробления ТНУ и применения схемных решений, в которых нагрев горячей воды в конденсаторах и охлаждение низкопотенциального источника в испарителях осуществляется при последовательном включении ТНУ с меньшей степенью сжатия и противоточном движении нагреваемой и охлаждаемой воды. Этот метод применяется ЗАО «Энергия» для относительно мощных ТНУ (более 1 Гкал/час) и позволяет увеличить коэффициент преобразования 1,5-1,8. В то же время он приводит к увеличению капитальных затрат и не применим для ТНУ малых мощностей.
Проблема эффективного использования ТНУ в условиях России ставит и другие крупные задачи. В частности создание новых оптимальных для ТН отопительных систем, позволяющих снижать температуру теплоносителя на
входе в систему, увеличить поверхность конвекторов и коэффициент их теплоотдачи, применять воздушное отопление.
Вместе с тем, широкое внедрение ТНУ сдерживается из-за ряда нерешенных законодательных, правовых, экономических, финансовых, нормативно-технических и технологических проблем. Эти проблемы в большей степени являются следствием отсутствия в стране государственной поддержки этого важного направления и общенациональных программ разработки и внедрения ТН.
По нашему мнению необходимо обобщить накопленный опыт работы организаций, работающих в этой области и разработать методические указания по применению ТНУ в системах отопления и ГВС, учитывающие различные климатические условия, характер источников низкопотенциального тепла, требуемую мощность, режимы теплопотребления потребителей и т.п.
Принимая во внимание мировую практику широкого использования ТН в системах теплоснабжения, создаваемый ими высокий энергосберегающий и социально-экономический эффект и экологическую чистоту, следует рассматривать это направление как особо важное и актуальное при решении задачи преодоления отсталости России в практическом использовании этой технологии и совершенствования российской системы теплоснабжения.
По нашему мнению необходимо создать нормативно-техническую базу применения ТНУ, НИР и ОКР по разработке новых технологий и теплообменных аппаратов для съема низкопотенциального тепла, в том числе при утилизации загрязненных промышленных и хозбытовых стоков, шахтных вод; создание экологически чистых хладагентов, комбинированных систем теплохладоснабжения на базе ТН, а также предусмотреть экономические меры содействия развитию ТНТ, включая государственные дотации, налоговые льготы, льготные тарифы на электроэнергию с учетом высокой эффективности этой технологии.
Литература:
1. Энергопотребление и энергосбережение на предприятиях Западного Урала: Настольная книга энергетика / Авторы-составители Д.Г. Закиров, В.М. Кукушкин. - Пермь, 1997. - 447 с.
2. Автоматизация учета и управления энергопотреблением: Настольная книга энергетика / Автор-сост. Д.Г. Закиров. - Пермь, 1998.
3. Закиров Д.Г. Энергосбережение. Учебное пособие - Пермь: Изд-во «Книга», 2000. - 308 с.
4. Закиров Д.Г. Управление энергоэффективностью в регионе - Пермь: изд-во «Астер». - 2007. - 384 с.
5. Закиров, Д.Г., Закиров Д.Д., Петин Ю.М. Результаты разработок и внедрения
энергосберегающих технологий для утилизации низкопотенциального тепла с применением тепловых насосов. Существующие проблемы и перспективы развития нового прогрессивного направления // Материалы VI Международной научно-практической конференции «Возобновляемая и малая энергетика» (г. Москва, 2009) Международной научно-практической конференции
«Энергоэффективность и энергосбережение. Законодательная и нормативная база. Новые энергоресурсосберегающие технологии и оборудование» 19-20 ноября 2009, Пермь, с.165-172.
6. Файзрахманов Р.А., Франк Т., Бакунов Р.Р., Мехоношин А.С., Фёдоров А.Б. Распознавание режимов работы распределенных потребителей электроэнергии // Электротехника, 2012, № 11 - С. 32-36.
7. Файзрахманов Р.А., Рубцов Ю.Ф. Автоматизированные системы управления энергосберегающими технологиями // Вестник Ижевского государственного технического университета, 2010, № 3 - С. 119-121.
8. Файзрахманов Р.А., Рубцов Ю.Ф. Методологические особенности автоматизированного управления энергоресурсосбережением // Автоматизация и современные технологии, 2011, № 02 - С. 36-40.
9. Страхова Н.А., Лебединский П.А. Анализ энергетической эффективности экономики России // «Инженерный вестник Дона», 2012, №3. - Режим доступа: http://ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/999 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.
