Как абсорбционные технологии применяются в энергетике03.11.2020 11:33

С момента возникновения энергетики как самостоятельной отрасли промышленности основной её задачей был вопрос генерации, в первую очередь, электрической энергии. Со временем, идея когенерации (теплофикации) обрела популярность, и совместная выработка электрической и тепловой энергии, став новым витком развития отрасли, приобрела статус классической. Дальнейшим шагом в эволюции энергетики стало производство холода наряду с теплом и электричеством.

Если с когенерацией всё более или менее понятно, то тригенерация (одновременная выработка электричества, тепла и холода), хотя давно и не претендует на инновационность, до сих пор часто вызывает если не вопросы, то некоторое недопонимание в плане применения на крупных предприятиях теплоэнергетики. В этой статье я рассмотрю, где и для каких целей можно использовать не только холод, но и в целом абсорбционные технологии на электростанции (ЭС).

Источник
Развитие технологий и общий тренд на энергоэффективность в промышленности затронул и энергетическую отрасль, в которой тепло и электроэнергия, затрачиваемые на собственные нужды, всегда считались неисчерпаемым ресурсом в силу низкой себестоимости и доступности практически в неограниченных количествах.

На примере электростанций, с которыми работает компания «Первый инженер», мы с коллегами можем отметить явный рост заинтересованности в ресурсосбережении. Если еще 3–4 года назад большинство наших проектов в энергетике были направлены на повышение надежности систем, то сегодня большая часть обращений связана с задачами повышения эффективности и снижения затрат энергии на собственные нужды. Один из перспективных, на наш взгляд, способов снизить потребление первичных энергоресурсов — абсорбционные технологии, позволяющие более полно использовать тепло, вырабатываемое в цикле электростанций (к ним в материале условно относятся все тепло- и электрогенерирующие предприятия отрасли: от простых водогрейных котельных и небольших ТЭЦ до ГРЭС и даже АЭС). Это касается как высокопотенциальных потоков (перегретый пар, выхлопные газы газотурбинных установок), так и низкопотенциальных (оборотная вода, отработанный пар, уходящие газы котлов).

Абсорбционные технологии — это, прежде всего, выработка холода с использованием АБХМ (абсорбционных бромисто-литиевых холодильных машин). Принцип работы АБХМ построен на использовании тепловой энергии, а не электрической. Поскольку на объектах энергетики тепло присутствует в избытке в виде пара различных параметров, горячей воды или продуктов сгорания, то именно такая доступность открывает широкие возможности для включения АБХМ в цикл ЭС.

Обычно производство холода на электростанциях (с температурой ниже, чем у атмосферного воздуха) осуществляется в сравнительно небольших масштабах и в основном для следующих целей:

кондиционирование помещений с постоянным или периодическим присутствием людей;
кондиционирование помещений с повышенным тепловыделением размещённого в них оборудования.

При этом традиционно используются электрические кондиционеры и пароэжекторные холодильные машины.

Охлаждение технологического оборудования с применением водооборотных циклов с градирнями нельзя отнести к системам генерации холода, поскольку они не вырабатывают холод, а сбрасывают избыточное тепло в окружающую среду. При этом выходная температура охлаждённой воды не превышает температуру воздуха по мокрому термометру.

Более того, охлаждающий контур с градирней необходим для работы абсорбционного чиллера (сброс избытков низкопотенциального неиспользуемого тепла). Но поскольку в охлаждающей воде на предприятиях энергетики недостатка нет (особенно в летнее время, когда энергетическое оборудование недозагружено, а градирни работают не на полную мощность), то строительство дополнительных градирен специально для АБХМ не требуется, можно использовать существующую циркводу (охлаждающую воду), подбирая холодильную машину под её параметры.

Расширяя рамки привычных схем применения холодильного оборудования на ЭС, можно выделить три основных способа применения АБХМ на предприятиях энергетики:

охлаждение технологического оборудования и кондиционирование помещений;
охлаждение воздуха на входе в компрессор ГТУ;
централизованное холодоснабжение.

Охлаждение технологического оборудования и кондиционирование помещений

По мере того, как в энергетическую отрасль приходят новые технологии и оборудование, повышаются требования к условиям его эксплуатации, к вспомогательным системам, обеспечивающим его безаварийную работу, в том числе, к системе охлаждения. Охлаждение требуется как исполнительным элементам технологического оборудования, так и оборудованию, обладающему высоким уровнем тепловыделения, размещаемому в отдельных помещениях с поддержанием микроклимата (системы автоматизации, управления, серверное оборудование и пр.).

В производственных зданиях в местах постоянного присутствия оперативного персонала, в административно-бытовых помещениях обеспечение комфортной температуры может поддерживаться централизованной системой холодоснабжения на базе АБХМ.

Состав подобных систем:

абсорбционный чиллер,
система распределительных трубопроводов,
фанкойлы.

Охлаждаемая в АБХМ вода (для нужд кондиционирования обычный температурный график поддерживается на уровне 7–12°С) посредством разветвлённой сети трубопроводов подаётся к внутренним блокам системы промышленного кондиционирования (фанкойлам), размещённым в помещениях. Холодная вода нагревается в теплообменниках фанкойлов, охлаждает воздух, проходящий через них, и возвращается в чиллер для повторного охлаждения.

Охлаждение воздуха на входе в компрессор ГТУ

Для поддержания процесса горения топлива в камере сгорания газотурбинной установки (ГТУ) необходим постоянный подвод кислорода. Воздушный компрессор, устанавливаемый на одном валу с газовой турбиной, обеспечивает сжатие подаваемого в камеру сгорания ГТУ атмосферного воздуха, обогащённого кислородом. Предварительно воздух проходит несколько ступеней фильтрации в комплексном воздухоочистительном устройстве (КВОУ) на фильтрах предварительной и тонкой очистки.

В зависимости от электрической нагрузки турбины в её камеру сгорания требуется подача определённого количества воздуха. Однако в летний период температура окружающей среды поднимается настолько, что плотность атмосферного воздуха заметно падает, и это приводит к «голоданию» процесса горения топлива, к снижению объёма выхлопных газов, вращающих лопатки газовой турбины. Как следствие — падение электрической мощности ГТУ на 20–30% от номинальной.

Принудительное охлаждение циклового воздуха в КВОУ позволяет вернуть работу турбины в штатный режим с выдачей максимальной мощности даже в период аномально высоких температур окружающей среды. С этой целью в КВОУ встраиваются дополнительные теплообменные поверхности (или существующие теплообменники меняются на новые), внутри которых циркулирует вода или водно-гликолевая смесь, охлажденная в АБХМ.

В качестве греющего источника АБХМ может использовать не только горячую воду и пар из отборов турбин, но также и тепло выхлопных газов самой ГТУ. Выбор греющего источника зависит от его доступности, характеристик и конструктивного исполнения основного оборудования, себестоимости. В конце концов, целесообразность внедрения системы охлаждения циклового воздуха ГТУ определяется объёмом недовыработки электроэнергии и связанными с этим экономическими последствиями (штрафами, недополучением прибыли от продажи электроэнергии и пр.), схемой включения АБХМ, периодичностью её работы и иными местными условиями (в том числе климатическими).

Централизованное холодоснабжение

В последние 10–15 лет применение абсорбционных холодильных машин для целей централизованного холодоснабжения внешних потребителей с использованием избыточного тепла предприятий активно развивалось в Швеции, Финляндии, Франции, Германии, Южной Корее, Китае и многих других странах. Как правило, холодная вода (с температурой 5–7°С) используется для нужд кондиционирования офисных зданий, больниц, торговых центров, спортивных и выставочных комплексов, иных объектов социальной инфраструктуры. Для вновь проектируемых районов с жилой застройкой зачастую также прорабатывается система централизованного холодоснабжения.

Подобный подход позволяет существенно снизить нагрузку на электрическую инфраструктуру городов в летнее время, когда основной объём энергопотребления приходится на оборудование систем кондиционирования и холодоснабжения. Таким образом, повышается надёжность локальных энергосистем районов и целых городов, снижается риск возникновения аварий из-за перегрузок в электросетях в часы пиковых нагрузок. И всё это без существенных затрат и модернизации существующей энергосистемы.

В эксплуатации такие системы ничуть не сложнее обычной теплосети: такие же магистральные трубопроводы (прямая и обратная линии), местные пункты регулирования параметров холода и коммерческого учёта, распределительные сети (по потребителям), вместо радиаторов отопления — блоки фанкойлов.

В случае, когда отдельным потребителям требуется более глубокое охлаждение (5°С и ниже), на стороне потребителя требуется организация внутреннего контура циркуляции с электрическими чиллерами, которые будут доохлаждать теплоноситель в контуре до необходимых параметров.

С целью сокращения протяжённости линий систем холодоснабжения АБХМ могут устанавливаться ближе к потребителям — в районных котельных или тепловых пунктах, используя при этом горячую сетевую воду в качестве греющего источника.

Другая сторона АБХМ — работа в режиме теплового насоса. Абсорбционный тепловой насос (АБТН) по принципу работы ничем от АБХМ не отличается. Если коротко, то низкопотенциальное тепло уходящих газов котельных установок и даже тепло циркводы можно преобразовывать в АБТН и передавать более нагретому потоку (сетевой воде), экономя таким образом на топливе. С учётом того, что для работы теплового насоса охлаждающий контур не требуется (его роль выполняет низкопотенциальный поток, тепло которого используется для нагрева теплосети), энергозатраты на его эксплуатацию даже ниже, чем у АБХМ.

Как известно, производство тепла в энергетике, отдаваемого на сторону, традиционно осуществляется в двух формах:

в виде горячей воды на нужды отопления и горячего водоснабжения (с использованием подогревателей сетевой воды и пара, отбираемого из проточной части паровых турбин, или с использованием водогрейных котлов);
в виде пара на нужды производственных предприятий (непосредственно от котлов с предварительным редуцированием или из промотборов турбин).

Утилизируя отработанное тепло, которое обычно сбрасывается в окружающую среду, абсорбционные тепловые насосы позволяют увеличивать общий КПД ЭС, повышая полноту использования тепла сжигаемого топлива. При этом достигаются следующие цели, оправдывающие внедрение АБТН на предприятии:

снижение температуры уходящих газов котлов,
наращивание теплопроизводительности ЭС,
увеличение тепловой мощности существующей теплосети.

Снижение температуры уходящих газов котлов

Охлаждение уходящих газов ниже 100°С стандартно не осуществляется из-за выпадения кислого конденсата в конвективной части котла и далее по тракту (в газоходах и дымовой трубе), что приводит к их коррозии и преждевременному выходу из строя. Обычно уходящие газы котлов выбрасываются в атмосферу с температурой 120–180°С.

При выполнении ряда мероприятий, которые позволят исключить негативное воздействие коррозионных процессов (подробнее об этом в моей прошлой статье «Экология с выгодой: Утилизация тепла дымовых газов»), охлаждение дымовых газов до температуры точки росы и ниже приводит к выпадению из них NOx и SOx в виде конденсата. Таким образом, осуществляется очистка дымовых газов от вредных выбросов в окружающую среду, повышается экологичность производства и достигается максимально полное и полезное использование тепла уходящих газов.

Охлаждение газов с применением АБТН может быть достаточно глубоким — до 30 и даже 20°С. Полученного тепла вполне достаточно, чтобы нагреть воду для различных нужд электростанции, в том числе для нагрева сетевой воды.

Помимо экономии топлива, которая может составлять 5÷10%, повышается и КПД котельного агрегата — до 2÷3%.

Наращивание теплопроизводительности ЭС

Рано или поздно существующие генерирующие мощности предприятий энергетики достигают своего предела, при котором дополнительная выработка тепла без соответствующей модернизации производства просто невозможна. Это может быть следствием физического износа оборудования и ухудшения его рабочих характеристик или достижения его максимальных возможностей. В условиях строительства новых районов и кварталов с жилой застройкой городские тепловые сети в крупных городах зачастую просто не справляются с растущим числом потребителей тепловой энергии, присоединяемых к теплосетям.

Для решения этой задачи с наименьшими финансовыми затратами применяются абсорбционные тепловые насосы. При этом и уходящие газы котлов, и цирквода могут служить источником низкопотенциального тепла для дополнительного нагрева сетевой воды, а сам АБТН может устанавливаться либо последовательно с сетевыми подогревателями, либо параллельно им.

Использование тепла оборотной воды позволяет не только увеличивать теплопроизводительность предприятия до 20% от установленной тепловой мощности, но, кроме этого, обладает рядом следующих преимуществ:

не требуется строительство новых генерирующих мощностей,
экономия топлива при выработке тепла,
снижение нагрузки на градирни,
уменьшение потерь водооборотного цикла на испарение и продувку,
снижение потребления электрической энергии на собственные нужды ЭС.

Количество теплоты, передаваемое с сетевой водой, определяется следующим соотношением:

$Q = c*m*ΔT$

где с — удельная теплоёмкость (Дж/кг•°С),

m — масса теплоносителя (кг),

ΔT — температурный перепад вход/выход (°С).

Отсюда видно, что наращивание тепловой мощности ЭС при постоянном перепаде температур прямая/обратка требует бόльшего количества сетевой воды. Это означает, что существующая теплосеть потребует модернизации (работы по увеличению пропускной способности) и соответствующих затрат.

Увеличение тепловой мощности существующей теплосети

Другой способ передать большее количество тепла потребителям при неизменной пропускной способности существующих сетей — увеличить теплосъём на принимающей стороне.

Как показано ранее (см. формулу выше), для передачи большего количества тепла с водой требуется изменение объёма рециркуляции.

Но при постоянной теплоёмкости изменение количества теплоты зависит не только от количества, но и от глубины её охлаждения.

Поэтому сохраняя конфигурацию тепловых сетей, расходы и предельные значения температур и давлений в первичном и вторичном контурах и одновременно занижая температуру в обратной линии теплосети, можно обеспечить бόльший теплосъём на потребителе.

Таким образом, задача увеличения количества присоединяемых потребителей в условиях достигнутого максимума тепловой мощности существующей теплосети сводится к интенсификации процесса теплоотдачи. Абсорбционный тепловой насос с большой разностью температур (теплообменный АБТН), работающий в режиме теплообменного аппарата, позволяет решать указанную задачу без изменения параметров вторичного (внутреннего) контура.

Сравнивая обычный теплообменный аппарат с теплообменным АБТН, можно констатировать существенный прирост тепловой мощности при постоянном расходе сетевой воды.

Температурные режимы контуров при использовании традиционных теплообменников:

вторичный контур — 60/50°С;
первичный контур — 95/55°С.

Температурные режимы при использовании теплообменного АБТН:

вторичный контур — 60/50°С;
первичный контур — 95/42°С.

Отмечу, что указанные параметры иллюстрируют возможности, но не характеризуют предельные значения температур, достигаемых с помощью теплообменного АБТН.

График работы вторичного контура (на стороне потребителя) остаётся неизменным, а обратный контур теплосети первичного контура существенно занижается (в данном случае до 42°С против 55°С при использовании обычного теплообменного устройства).

Как результат, модернизация тепловых пунктов с установкой теплообменных АБТН не требует:

увеличения расхода сетевой воды,
реконструкции существующих тепловых сетей,
увеличения мощности сетевых насосов

При этом может быть обеспечен прирост тепловой мощности до 50% на стороне потребителя за счёт увеличения перепада температур между прямым и обратным трубопроводами сетевой воды.

Технология подходит для обеспечения теплом вновь возводимых зданий в районе с существующей инфраструктурой. Как правило, это жилые здания, строящиеся на месте снесённых ветхих и аварийных домов (для Москвы в рамках программы реновации это особенно актуально). Такие здания потребляют значительно больше энергоресурсов (тепловой и электрической энергии), чем прежние, а перекладка сетей по всему району — мероприятие дорогостоящее и доставляет множество неудобств. Поэтому модернизация отдельно взятых тепловых пунктов представляется довольно перспективным способом применения АБТН для нужд теплоснабжения.

В заключение отмечу, что сроки окупаемости в современных реалиях занимают определяющее место при проработке вариантов реализации любых технических решений. Экономическая модель проекта внедрения АБХМ или АБТН для нужд холодо- и теплоснабжения выглядит более привлекательно, когда имеется возможность, а, самое главное — потребность в обоих энергоресурсах (и в холоде, и в тепле). Поэтому сезонное использование одной и той же единицы оборудования (летом для выработки холода, а зимой для генерации тепла) повышает эффективность использования абсорбционных машин и снижает сроки возврата инвестиций в проект.

Спасибо, что нашли время для моего поста. Буду рад обсудить написанное в комментариях.