Абсорбционные технологии – инновационное решение утилизации низкотемпературных потоков теплоты для промышленных предприятий

В.Н. Романюк, докт. техн. наук, профессор, 

Т.В. Бубырь, аспирант, магистр техн. наук

Белорусский национальный технический университет,

С.В. Мальков                                                                                      

Д.М. Райко, магистр техн. наук  ЗАО «Сервис тепло и хладооборудования»

Актуальность энергосбережения за счет утилизации низкотемпературных тепловых ВЭР

Низкотемпературные (до 50°С) тепловые выбросы с различными побочными жидкими и газообразными потоками сопутствуют работе промышленных предприятий, прежде всего, теплотехнологических, которые составляют большую часть хозяйственного комплекса Беларуси. Низкая температура отходящих побочных потоков делает их невостребованными; при этом объем указанных выбросов составляет до 50% тепловых выбросов предприятий промышленных узлов. С одной стороны, имеет место дополнительная негативная нагрузка на окружающую среду, с другой стороны, тепловые выбросы являются следствием недостаточной энергетической эффективности производственного процесса, свидетельствуют о возможности повысить эффективность использования первичных энергоресурсов. Перерасход же энергоресурсов снижает конкурентоспособность продукции на рынках и, как следствие, ее экспортный потенциал.

Проблема утилизации низкотемпературных тепловых ВЭР периодически всплывает перед энергетическими службами, так как, с одной стороны, абсолютные объемы выбросов колоссальны, с другой – их утилизация обычно связана с инвестициями, размер которых находится в обратной пропорции эксергии потоков ВЭР, которая объективно оказывается небольшой. В настоящее же время имеется современное и достаточно надежное оборудование по утилизации тепловых ВЭР – теплонасосные установки (ТНУ), или тепловые насосы, которые повышают температурный уровень потоков теплоты до востребованных значений.

Общие сведения о тепловых насосах

Передача тепловой энергии с более низкого температурного уровня на более высокий противоречит самопроизвольным природным процессам передачи теплоты от горячих тел к холодным. Для обеспечения противоестественной передачи теплоты требуется компенсация в виде затрат энергии. От вида используемой энергии зависит и тип ТНУ. Если для работы тепловых насосов используется механическая энергия для привода, имеют место механические, или компрессионные тепловые насосы (ПКТН). Если для работы ТНУ используется тепловая энергия, имеют место теплоиспользующие ТНУ – абсорбционные тепловые насосы (АБТН).

Показатели энергетической эффективности ТНУ. Одной из важных и общеизвестных характеристик всех ТНУ является энергетический КПД, рассчитываемый согласно его общему определению для любых систем преобразования энергии как отношение полезного эффекта к затратам:

КПДэ = ΔWпл./ΔWзтр., (1)

где ΔWпл. – полезный эффект, Дж; ΔWзтр. – затраты, Дж.

Для тепловых насосов энергетический КПД в отечественной литературе получил название «отопительный коэффициент» – μ, в зарубежной – «коэффициент преобразования» – СОРhp. Баланс теплоты в общем виде для ТНУ обоих типов записывается:

ΔWзтр. + Qутл. = ΔWпл., (2)

где Qутл. – полезный эффект – теплота, полученная потребителем, Дж.

Используя формулу 2, можно определить диапазон возможных изменений коэффициента преобразования: 1 < СОРhp < ∞. Таким образом, во всех случаях величина энергетического КПД всех типов ТНУ больше единицы.

АБТН и ПКТН не следует противопоставлять, поскольку они скорее дополняют друг друга, что вытекает, например, из данных таблицы 1.

Для выяснения энергетического эффекта от применения тепловых насосов обратимся к балансам теплоты, представленным в графической форме, в виде полосовых диаграмм Сэнки и для АБТН, и для ПКТН. На диаграммах показано количество теплоты, получаемой по отношению к 100% количества затрачиваемого первичного энергоресурса (топлива), рисунки 1,2.

Из анализа представленного графического изображения балансов энергии систем теплоснабжения на базе АБТН и ПКТН следует, что ситуация с потреблением первичных энергоресурсов весьма неоднозначна, однако использование АБТН во всех случаях на 100% потребленного топлива обеспечивает выработку тепловой энергии большую, чем на котельной с КПД= 92%: при СОРhp = 1,7 потребителю передается 143% теплоты, при СОРhp = 2,2 – 185% тепловой энергии по отношению к использованному топливу.

В отношении ПКТН ситуация неоднозначна и зависит от замещающей ТЭС. В случае замещающей ТЭС с удельным расходом условного топлива (УРТ) 330 г/кВт·ч, что имеет место, например, на Лукомльской ГРЭС, при СОР = 2 использование ПКТН уступает варианту котельной: потребителю предлагается лишь 66% теплоты потребленного топлива. При СОР = 3 практически имеет место паритет с котельной. И только в случае замещающей ТЭС с УРТ = 240 г/кВт·ч, то применимо в отношении блоков ПГУ белорусских КЭС, ситуация с использованием ПКТН несколько улучшается: паритет с котельной имеет место уже при СОР = 2, и потребителю предлагается 94% теплоты топлива; при СОР=3ПКТН несколько превосходит котельную и потребителю передается 141% от теплоты потребленного топлива.

Сравнивая данные обоих представленных тепловых балансов, нетрудно видеть, что во всех случаях экономия первичных энергоресурсов при использовании АБТН оказывается большей, чем при использовании ПКТН. Таким образом, внедрение АБТН на промышленных предприятиях для утилизации низкотемпературных тепловых ВЭР не только экономически оправдано, но и более рационально.

Вместе с тем, для предприятий большую роль имеет экономический фактор, определяемый соотношением затрат на привод АБТН или ПКТН и выручки от полученной тепловой энергии. Поэтому оценим денежные затраты для обеспечения тепловых насосов энергией на привод и стоимость потока теплоты, отпускаемой потребителю за одинаковый период.

Дзтр. = ΔWзтр. × Тзтр. (3)

Дпрд. = Qптр. × Ттэ., (4)

где Дзтр. – затраты на покупку энергии привода ТНУ, определяемые стоимостью потребленной электроэнергии Wзтр. в варианте ПКТН и стоимостью потребленной теплоты Qзтр. в варианте АБТН за один и тот же период времени, руб.; Тзтр. – тариф на покупку используемого энергоресурса, руб./Дж; Дпрд. – выручка от продажи потока теплоты Qптр. потребителю за выбранный период времени, руб.; Ттэ. – тариф на отпускаемую тепловую энергию, руб./Дж.

Для АБТН имеет место одинаковый тариф на тепловую энергию, потребляемую и отпускаемую от АБТН потребителю. Тогда выручка от продажи теплоты потребителю от АБТН будет всегда превышать затраты на покупку теплоты на привод АБТН. Это вытекает из соотношения:

Дпрд./Дзтр. = (Qзтр. × СОРhp × Ттэ.) / (Qзтр. × Ттэ.) = СОРhp (5)

Соотношение выручки и затрат для АБТН однозначно определяется только величиной СОРhp и составляет 1,7–2,4. Экономия же денежных средств на обеспечение потребителя тепловой энергией в прежних объемах по отношению к существующему варианту (к котельной) составляет от 42% при СОРhp = 1,7 и 58% при СОРhp = 2,4.

Для ПКТН ситуация с соотношением затрат на покупку электроэнергии и выручки от продажи тепловой энергии несколько иная и связана она с существенной разницей тарифов на электроэнергию и тепловую энергию.

Для парокомпрессионных тепловых насосов соотношение выручки от продажи теплоты и затрат на покупку электроэнергии для обеспечения работы определяется выражением:

Дпрд./Дзтр. = (Wзтр. × СОРhp × Ттэ.) / (Wзтр. × Тээ.) = СОРhp × Ттэ./Тээ. (6)

Из анализа полученного соотношения (6) следует, что величина (Дпрд./Дзтр.) может быть и меньше, и больше единицы. Последнее имеет место, если СОРhp > (Тээ./Ттэ). Например, при тарифах Тээ. = 0,12 у.е./кВт·ч и Ттэ. = 0,034 у.е./кВт·ч (40 у.е./Гкал) получаем, что соотношение должно быть СОРhp > 3,5, что в условиях получения горячей воды температурой выше 65–70°С практически не достижимо. Очевидно также, что для достижения экономической целесообразности, связанной с коротким сроком возврата инвестиций, требуется и более низкое соотношение между тарифами на электроэнергию и тепловую энергию.

На основании вышесказанного можно сделать вывод, что и в теплотехнологиях, и в системах теплоснабжения промышленных предприятий экономически оправдано лишь использование АБТН. И только недостатком информации можно объяснить ситуацию, когда с упорством, заслуживающим приложения в другом направлении, на промышленных предприятиях все еще рассматривается применение ПКТН, а после получения негативного результата отрицается использование и иных типов тепловых насосов.

Абсорбционные технологии утилизации низкотемпературных тепловых ВЭР в Беларуси

В декабре 2016 года в республике был введен в эксплуатацию первый на территории СНГ абсорбционный бромисто-литиевый тепловой насос BDS300 тепловой мощностью 4,2 МВт. Уже за первое время эксплуатации тепловой насос подтвердил высокие экономические показатели: за первые два месяца работы теплового насоса обеспечена экономия до 2,0 тыс. Гкал теплоты, что эквивалентно 90 тыс. USD в год, чем обеспечивается окупаемость проекта в течение двух лет (см. журнал «Энергоэффективность» №4, 2017, с. 12–15).

Абсорбционные технологии в Беларуси пользуются популярностью уже более 10 лет. Только абсорбционных бромисто-литиевых холодильных машин (АБХМ), предназначенных для получения охлажденной воды температурой 5–7°С для систем промышленного кондиционирования и различных технологических процессов, насчитывается насчитывается 47, а суммарная мощность превышает 68 МВт. Производителем упомянутых установок, используемых достаточно широко в Беларуси, является мировой лидер в области абсорбционной техники – компания BROAD Air Conditioning. Надежную, безопасную и экономичную эксплуатацию абсорбционных установок гарантируют уникальная конструкция, автоматическое регулирование технологических параметров, автоматическая защита от кристаллизации раствора LiBr, интернет-мониторинг работы оборудования в режиме 24/7 и проч.

Официальным представителем и авторизированным сервисным центром завода на территории Республики Беларусь является ЗАО «Сервис тепло и хладооборудования». Компания располагает квалифицированным персоналом и необходимым опытом работы (более 10 лет), оказывает полный спектр услуг от подбора оборудования, консалтинга до сервисного обслуживания и ремонта, имеет склад запасных частей и все необходимые документы и разрешения, определяемые законодательством. С дополнительной информацией можно ознакомиться на сайте компании www.broad-ctx.by или связавшись с ЗАО «Сервис тепло и хладооборудования» по:

e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
тел./факс: +375 17 318 87 84
моб. тел.: +375 29 129 29 49