Развитие энергосбережения на котельных за счет утилизации низкотемпературных тепловых потоков охлаждения уходящих дымовых газов

Рассматривается возможность снижения расхода топлива до 12–15% на отопительных, производственных и производственно-отопительных котельных за счет использования теплоты процесса охлаждения дымовых газов в контактных теплообменниках с температуры 120–140°C до 30–40°C. При этом 60% дополнительного потока теплоты для указанного диапазона температур дымовых и выхлопных газов обеспечивается за счет конденсации водяных паров из этих идеально газовых влагосодержащих смесей. Поток теплоты, полученный с помощью абсорбционных бромисто-литиевых тепловых насосов (АБТН), используется для нагрева обратной сетевой воды до температур около 85°C. Экономическая эффективность применения данного решения зависит, прежде всего, от стоимости используемого первичного энергоресурса, тепловой нагрузки котельной и отвечает требованиям, предъявляемым к энергосберегающим мероприятиям для котельных, средняя тепловая нагрузка которых – не менее 3 Гкал/час. Обоснованы особенности АБТН, зависимость срока окупаемости от их мощности и схемы интеграции оборудования в состав котельной. 

 В.Н. Романюк, проф., д.т.н., гл. специалист ИТЦ РУП «БЕЛТЭИ»

А.А. Бобич, к.т.н., вед. инженер РУП «БЕЛТЭИ»

Введение

Повышение эффективности использования первичных энергоресурсов является общей актуальной задачей большинства стран, поскольку дальнейшее развитие энергообеспечения потребителей традиционным экстенсивным путем, в основе которого лежит наращивание добычи первичных энергоресурсов, наталкивается на ограничения экономического, экологического и технического характера [1, 2]. Для повышения эффективности котельных сегодня многими производителями выпускается необходимое оборудование, которое прошло успешную апробацию. Это, прежде всего, АБТН и контактные газовоздушные теплообменники. Те и другие известны давно, но при дешевом топливе не обеспечивались требуемые экономические условия их применения. Имевшие место единичные попытки использования подобного решения на базе тепловых насосных установок (ТНУ) связаны, как правило, с применением парокомпрессионных тепловых насосов (ПКТН). Этот вариант ТНУ имеет свою специфическую нишу применения и без учета особенностей характеристик обоих оказывается экономически не целесообразным, что и отмечено как в нашей стране [3], так и за рубежом [4].

АБТН и ПКТН не конкурируют, а скорее дополняют друг друга. Но ПКТН более известны и, в этой связи, часто просто за-бывают про АБТН или неоправданно игнорируют их.

В этой связи в статье кратко рассматривается устройство и принципиальная схема АБТН, а также некоторые возможные варианты их использования на котельных для утилизации теплоты охлаждения дымовых газов температурного диапазона до 40°C.

Абсорбционный тепловой насос

ТНУ – устройство непрерывного действия, предназначенное для передачи тепловой энергии от источника с низкой температурой к источнику с более высокой температурой. Для компенсации подобного противоестественного перехода тепловой энергии от холодного источника к горячему источнику требуется компенсация в виде затрат энергии, см. рисунок 1.

Простейшая принципиальная схема АБТН, которая включает пять теплообменников, размещенных в двух корпусах, объединенных в устройстве заводской сборки и полной готовности, известном под названием чиллер, приведена на рисунке 2а [5]. Теплообменники знакомы персоналу котельных и, в этом контексте, не могут создать проблем при их эксплуатации. Холодильный агент (водный раствор LiBr) не требует ни какого-либо учета в государственных институтах, связанных с охраной окружающей среды и, при квалифицированной эксплуатации, ни замены в течение всего срока службы АБТН, составляющего 30 лет. Три теплообменника (генератор, конденсатор и регенеративный теплообменник) работают при более высоком давлении (до 150 кПа) и их внутреннее назначение – получить из раствора практически в чистом виде легкокипящую среду – воду. Два других теплообменника (испаритель и абсорбер) работают под вакуумом при разрежении менее 1 кПа, и их задачей является отвод тепловой энергии от низкотемпературного теплового источника (температура до 45°C), за счет которой вода из конденсатора превращается в пар с температурой около 2°C, который абсорбируется в компонент жидкого раствора, имеющего температуру порядка 100°C.

В ходе описанных превращений от абсорбера и конденсатора отводится теплота соответствующих процессов сорбции и конденсации, которая в процессе теплопередачи идет на нагрев сетевой воды. Для привода АБТН используется тепловая энергия различных теплоносителей: влажный пар давлением до 500 кПа, вода с температурами на выходе АБТН не менее 120°C, выхлопные газы с температурой не ниже 300°C, наконец, природный газ, который сжигается в камере сгорания АБТН и который можно использовать как пиковый источник.

На рисунке 2б дано графическое представление уравнения (изотермы) сорбции, связывающее концентрацию LiBr в жидкой и паровой фазах раствора для некоторого постоянного давления и для различных температур. Последние изменяются в диапазоне от температуры насыщения для данного давления низкокипящего компонента – воды – до температуры насыщения при том же давлении для высоко кипящего компонента – LiBr. Характерной особенностью уравнения сорбции для раствора «LiBr-вода» является гистерезис – различная концентрация компонентов в жидкой и паровой фазах. На этом обстоятельстве и на безусловном выполнении уравнения сорбции и основана работа АБТН. В генераторе в ходе кипения раствора, благодаря подбору его свойств (концентрации LiBr), образуется практически чистый пар низкокипящего компонента – воды. Конденсат, образующийся из пара раствора, поступает в испаритель, где поддерживается давление, обеспечивающее кипение воды при температуре, необходимой для охлаждения утилизируемого потока теплоносителя или захоложенной воды. Образующийся пар поступает в абсорбер, где жидкому раствору должна соответствовать более низкая концентрация воды в паровой фазе. И поскольку поступающий пар имеет большую концентрацию по сравнению с той, что требуется по уравнению сорбции, происходит установление требуемой более низкой концентрации воды в паре над раствором за счет абсорбции избытков воды паровой фазы, идет конденсация холодных паров за счет их поглощения более горячей жидкой фазой раствора. При этом температура раствора устанавливается такой, чтобы теплоту процесса абсорбции паров воды можно было передать сетевой воде. 

Все эти процессы, протекающие в АБТН, подробно описаны в работе [6]. Давление в блоке теплообменников «конденсатор–генератор» одинаково, оно определяет температуру конденсации пара воды и тем самым обеспечивает отвод теплоты от утилизируемого низкотемпературного (25–45°C) потока. Сообразно с площадью теплопередающих пучков конденсатора и абсорбера устанавливаются параметры греющего теплоносителя и конечная температура нагрева сетевой воды. Соответствующие характеристики АБТН приведены на рисунке 3.

Эффективность АБТН во многом зависит от температурного диапазона, в котором он эксплуатируется, и чем этот диапазон уже, тем выше энергетические показатели установки. В диапазоне температур, указанных на рисунке 3, энергетический КПД, используемый для характеристики АБТН и получивший название отопительного коэффициента (СОРhp), будет составлять величину порядка 1,7, или 170%. В этом случае слагаемые баланса теплоты АБТН будут соотноситься следующим образом (рисунок 4) [5]: 100% – полезная составляющая теплового баланса, т.е. теплота нагрева сетевой воды, передаваемая потребителю; 40% – теплота утилизируемого низкотемпературного потока; 60% – теплота, затрачиваемая на привод АБТН.

Варианты использования АБТН на котельных

Рассмотрим варианты применения АБТН вместе с контактным теплообменником для утилизации теплоты глубокого охлаждения дымовых газов котельной и последующим нагревом сетевой воды в АБТН, рисунки 5, 6.

Температура оборотной воды изменяется от 35 до 25°С. Температуры обратной сетевой воды – от 40…50°С, прямой – до 60…85°С в соответствии с температурным графиком сети. Для привода АБТН на отопительной котельной используется природный газ, который сжигается в камере сгорания АБТН (рисунок 5), а на производственной и производственно-отопительной котельной используется пар после паровых котлов (рисунок 6). Отопительный коэффициент в данном интервале температур в обоих случаях равен 1,7. 

Основные показатели применения АБТН и контактного теплообменника (КТО) на примере отопительной котельной (рисунок 5) при числе часов работы с номинальной мощностью 8,0 тыс. часов и стоимости природного газа 135 USD/т у.т. даны в таблице 1.

Мощность АБТН и величина простого срока окупаемости на отопительной котельной в зависимости от стоимости природного газа приведены на рисунке 7. 

Мощность АБТН и величина простого срока окупаемости на отопительной котельной в зависимости от числа часов работы с номинальной мощностью дана на рисунке 8.

Годовая экономия топлива от применения АБТН и КТО на отопительной котельной в зависимости от тепловой нагрузки и числа часов работы с номинальной мощностью дана на рисунке 9.

Из анализа приведенных технико-экономических показателей для рассматриваемых схем следует, что повышение эффективности использования топлива на отопительных, производственных и производственно-отопительных котельных достигается за счет использования теплоты глубокого охлаждения дымовых газов путем установки комплекта «АБТН–КТО» для диапазона нагрузок от 3 Гкал/ч и больших для топлив стоимостью выше 135 долларов за тонну условного топлива при числе часов работы с номинальной мощностью котельной 8,5 тыс. часов. 

При числе часов работы с номинальной мощностью 5,5 тыс. часов диапазон тепловых нагрузок должен быть 5,0 Гкал/ч и выше (рисунок 8). Чем выше тепловая нагрузка и число часов работы с номинальной мощностью, тем выше экономия условного топлива на котельной (рисунок 9). В случае производственно-отопительной котельной, где имеется возможность использовать АБТН с паровым приводом, объем инвестиций оказывается в 1,3–1,5 раза меньше и показатели окупаемости улучшаются.

Обозначим необходимость решения важной задачи, связанной с безусловной необходимостью обеспечения работоспособности существующих труб котельных на всех режимах. Задача решается путем применения модернизированного варианта, находящего все более широкое применение, использования внутри существующих труб, остающихся в роли несущего каркаса, внутренних стволов для пропуска дымовых газов. Для этого, как правило, требуется сохранить температурный режим конструкции труб из кирпича и железобетона, что и обеспечивается в упомянутом модернизированном варианте перехода к многоствольным дымовым трубам.

Выводы

Развитие энергосбережения на котельных за счет утилизации низкотемпературных тепловых потоков охлаждения уходящих дымовых газов с помощью кон-тактных теплообменников и абсорбционных бромисто-литиевых тепловых насосов позволяет снизить расход топлива на вели чину до 12–15%. При этом имеют место следующие экономические показатели:

1. Реализация проекта на котельных может быть целесообразна при средней тепловой нагрузке котельной не менее 3,0 Гкал/ч.

2. Срок окупаемости для отопительных котельных, находится в приемлемых пределах (до 10 лет) при стоимости природного газа 135 USD и числе часов использования с номинальной мощностью в году (рисунок 8):

2.1 при числе часов 4,5 тыс. – 10 лет и нагрузка должна быть больше 15 Гкал/ч;

2.2 при числе часов 5,5 тыс. – 10 лет и нагрузка должна быть больше 5,0 Гкал/ч;

2.3 при числе часов 6,5 тыс. – 10 лет и нагрузка должна быть больше 4,5 Гкал/ч;

2.4 при числе часов 7,5 тыс. – 10 лет и нагрузка должна быть больше 4,0 Гкал/ч;

2.5 при числе часов 8,5 тыс. – 10 лет и нагрузка должна быть больше 3,0 Гкал/ч.

3. Срок окупаемости для отопительных котельных, мощностью 5 Гкал/ч, при стоимости природного газа 135 USD и числе часов использования с номинальной мощностью в году (рисунок 8):

3.1 при числе часов 4,5 тыс. – 12,2 лет;

3.2 при числе часов 5,5 тыс. – 10,0 лет;

3.3 при числе часов 6,5 тыс. – 8,4 лет;

3.4 при числе часов 7,5 тыс. – 7,3 лет;

3.5 при числе часов 8,5 тыс. – 6,4 лет.

4. В случае производственно-отопительной котельной, где имеется возможность использовать АБТН с паровым приводом, объем инвестиций оказывается в 1,3-1,5 раза меньше и показатели окупаемости улучшаются.

5. При выборе мощности АБТН для максимального эффекта необходимо ориентироваться на среднюю тепловую нагрузку, которая находится постоянной в течение года, и число часов работы с этой нагрузкой составляло максимальное значение.

Литература

1. Директива Президента Республики Беларусь от 14.06.2007 г. № 3 «Экономия и бережливость – главные факторы экономической безопасности государства» (нац. реестр правовых актов Республики Беларусь, 2007 г. № 146, 1/8668. Указом Президента Республики Беларусь внесены изм. 26.01.2016 г. № 26 «О внесении изменений и дополнений в Директивы Президента Республики Беларусь № 3»).
2. Михалевич, А.А. Энергетическая безопасность Республики Беларусь: компоненты, вызовы, угрозы [электронный ресурс]: - 2010. - Режим доступа: http://nmnby.eu/pub/0911/energy_security.pdf - Дата доступа: 26.03.2010.
3. Романюк, В.Н. Абсорбционные или парокомпрессионные тепловые насосы в схемах ТЭЦ / В.Н. Романюк, А.А. Бобич, С.В. Мальков. // Энергия и Менеджмент. - 2013. - № 4-5 (73-74). - С. 18–21.
4. Опыт Китая и Кореи – очень далеко и очень полезно / Энергия и Менеджмент. - 2013. - № 6 (75). - С. 29–36.
5. Романюк, В.Н. Абсорбционные тепловые насосы в теплоэнергетических системах промышленных предприятий для снижения энергетических и финансовых затрат / В.Н. Романюк, А.А. Бобич, Д.Б. Муслина, и др.// Энергия и Менеджмент. - 2013. - № 2 (71). - С. 32–37.
6. Романюк, В.Н. Абсорбционные тепловые насосы в тепловой схеме ТЭЦ для повышения ее энергетической эффективности / В.Н. Романюк, Д.Б. Муслина, А.А. Бобич, Н.А. Коломыцкая, Т.В. Бубырь, С.В. Мальков // Энергия и Менеджмент. - 2013. - № 1. - С. 14–19.