Кондиционеры настенного типа
FTXS-K

Публикации

Тригенерация: в треугольнике энергетическом, как и в любовном, одна из сторон страдает

В. Ф. Гершкович, кандидат технических наук, ЧП «Энергоминимум»


1. Энергетическая эффективность тригенерации

Тригенерацией называют процесс получения электрической энергии, тепла и холода в комплексе устройств, включающих в себя когенерационную установку, называемую в отечественной литературе теплоэлектроцентралью (ТЭЦ), и абсорбционную бромисто-литиевую холодильную машину (АБХМ).
Научные основы тригенерации были разработаны (Авт. свид. СССР № 243802 с приоритетом от 23.03.1964 г. Авторы: Кремнев О.А., Чавдаров А.С., Балицкий С.А., Журавленко В. Я., Гершкович В.Ф., Згурский О.А., Пекер Я.Д., Медведев М.И.) в КиевЗНИИЭПе совместно с институтом технической теплофизики АН УССР в 60-х годах прошлого века. Позднее в КиевЗНИИЭПе разрабатывались проекты холодильных центров, работающих на тепловой энергии городских ТЭЦ, для Киева и Ташкента, которые не были реализованы, поскольку уровень технологий того времени не был достаточно высоким для этих перспективных проектов. Рассмотрим (рис. 1) когенерационную систему, которая использует газопоршневой двигатель, развивающий электрическую мощность 3 МВт и примерно такую же (около 3 МВт) тепловую мощность, отдавая при этом 1 МВт в окружающую среду.

#1-1.jpg

Таким образом, мощность источника первичной энергии, содержащейся в природном газе, потребляемом двигателем, составляет 7 МВт. Электрическую мощность когенерационная установка (ТЭЦ) отдает в систему электроснабжения ЭС, а тепловая энергия передается абсорбционной бромисто-литиевой холодильной машине АБХМ. Неиспользованная тепловая энергия передается окружающей среде ОС.
АБХМ, в генераторе которой потребляется тепловая энергия мощностью 3 МВт, способна выработать около 2 МВт холода. Именно такое количество тепла отводится от систем кондиционирования KB и подводится к испарителю АБХМ. Отводимое от абсорбера и конденсатора холодильной машины тепло равно подводимой к генератору и испарителю энергии, т.е. 5 МВт, которые передаются окружающей среде через градирни. Часть этого тепла, равная холодильной мощности АБХМ, отнимается от окружающей среды в процессе теплообмена охлажденного здания с атмосферой. Таким образом, тепловое загрязнение атмосферы, вызванное работой АБХМ, составляет 3 МВт, которые добавляются к 1 МВт тепла, поступающего в атмосферу от ТЭЦ, и составляет в сумме 4 МВт.
Электрическая энергия мощностью 3 МВт, потребляемая в системе электроснабжения комплекса, в конечном итоге тоже превратится в энергию тепловую и будет передана окружающей среде. Как и следует из закона сохранения энергии, вся первичная энергия, содержащаяся в природном газе (7 МВт), будет передана атмосфере, совершив при этом полезную работу.
Тригенерация обеспечивает самый экономичный способ получения электроэнергии,тепла и холода в едином цикле, в то время как при раздельном получении этих видов энергии с использованием природного газа, его потребление и выбросы тепла в атмосферу возрастают.
Для сравнения на рис. 2 показана схема потоков энергии при выработке электрической энергии в обычных двигателях внутреннего сгорания, работающих на природном газе, и при выработке холода в компрессорных холодильных машинах, получающих электроэнергию от этих двигателей. При этом общее количество электроэнергии и холода, вырабатываемых в раздельных циклах, принято таким же, как и в схеме с тригенерацией.
Тепловая электростанция ЭГ комплекса, работающая на природном газе, вырабатывает 3 МВт электрической мощности и отдает ее в систему электроснабжения ЭС. При этом 4 МВт тепловой мощности поступит в окружающую среду через градирни.
Для выработки 2 МВт холода (как в схеме с тригенерацией) в компрессорной холодильной машине ХМ потребуется 0,5 МВт электрической мощности. Тепловые отходы ХМ составят 2,5 МВт, из которых 2 МВт отнимутся от окружающей среды в процессе теплообмена охлажденного здания с атмосферой.
Для того, чтобы система электроснабжения ЭС комплекса получила необходимую ей электрическую мощность, равную 3 МВт, потребуется дополнительно использовать электрическую мощность 0,5 МВт электрической станции Э энергосистемы. Для получения этой мощности будет израсходовано 1,5 МВт первичной энергии, содержащейся в топливе, а в данном случае – в природном газе. При этом общее количество первичной энергии использованного для энергоснабжения комплекса природного газа составит 8,5 МВт. Такое же количество тепловой энергии поступит в окружающую среду. Из них 5,5 МВт поступит в процессе производства электрической энергии и холода, а 3 МВт – в процессе потребления электрической энергии. Рассмотрим теперь энергетический баланс энергосистемы, в которой холод вырабатывается в абсорбционных холодильных машинах, работающих непосредственно на газовом топливе (рис. 3).

Как и в предыдущем варианте, тепловая электростанция ЭГ комплекса, работающая на газе, вырабатывает 3 МВт электрической мощности и отдает ее в систему электроснабжения ЭС. При этом 4 МВт тепловой мощности поступит в окружающую среду через градирни.
Для выработки 2 МВт холода в абсорбционной бромисто-литиевой холодильной машине АБХМ потребуется не менее 3 МВт мощности первичного источника энергии, то есть, природного газа. Тепловые отходы АБХМ составят 5 МВт, из которых 2 МВт отнимутся от окружающей среды в процессе теплообмена охлажденного здания с атмосферой.
На приведенных схемах указаны расходы природного газа, при которых будут обеспечены электрическая мощность 3 МВт, выдаваемая одним газопоршневым двигателем, и холодильная мощность 2 МВт. Для удобства сопоставления представим данные о расходах газа в трех энергетических системах на одной диаграмме (рис. 4).

#2-1.jpg

Нет никаких сомнений в том, что схема с тригенерацией имеет бесспорные энергетические преимущества перед другими схемами производства холода.
Условное название «Энергохолодильный блок» (ЭХБ) присвоено комплекту оборудования, включающему в себя одну когенерационную установку и одну абсорбционную бромисто-литиевую машину (АБХМ), связанные в единую энерго-генерирующую систему. Принципиальная схема ЭХБ представлена на рис. 5.

При работе когенерационной установки 1 в электрогенераторе 1.1 вырабатывается электрическая энергия. Одновременно в охладителе продуктов сгорания 1.2 и в теплообменниках водяного и масляного контуров охлаждения 1.3 и 1.4 вырабатывается тепловая энергия, которая отводится теплоносителем, подаваемым насосом 5. На протяжении отопительного периода тепло подается в систему теплоснабжения 3, а в летний период года тепло потребляется в АБХМ (поз. 2). При отсутствии потребности в тепловой энергии избыточное тепло отводится через сухие охладители 4 в атмосферу.
При работе АБХМ теплоноситель от когенерационной установки подается в генератор 2.1, в котором водный раствор бромистого лития кипит, и его концентрация при этом повышается. Пары воды, образующиеся при кипении, выпадают в конденсаторе 2.2, который охлаждается водой системы оборотного водоснабжения. Концентрированный раствор бромистого лития в абсорбере 2.3 поглощает водяные пары, образующиеся при кипении воды в испарителе 2.4. Кипение воды в испарителе происходит при глубоком вакууме. Теплота парообразования подводится технологической водой системы холодоснабжения, которая охлаждается в испарителе до температуры не ниже +5 °С. Вода системы холодоснабжения 9 циркулирует через испаритель 2.4 при работе насоса 6.
При работе АБХМ тепловая энергия подводится к генератору 2.1 и к испарителю 2.4, в то время как в абсорбере 2.3 и в конденсаторе 2.2 теплота отводится. Для отведения теплоты в атмосферу служит контур оборотного водоснабжения, включающий в себя насос 7 и градирню 8.

2. Холод – пасынок тригенерации

«Три в одном» – этот расхожий штамп рекламных листков некоторых торговых агентов почти всегда откликается у вдумчивого потребителя ноткой сомнения. Могут ли три разных функции одного изделия выполнятся одинаково эффективно, и не таится ли здесь какой-нибудь подвох?
С энергетической точки зрения, если есть необходимость вырабатывать электрическую энергию непосредственно у потребителя, использующего холод, то применять тригенерацию безусловно выгодно, здесь никакого подвоха нет, и в этом можно еще раз убедиться, обратившись к рис. 4. Но выгодность определяется не только энергетическими показателями, но и, главным образом, деньгами.
При внимательном рассмотрении оказывается, что газопоршневой двигатель и бромисто-литиевая холодильная машина не очень то подходят друг другу, и эта парочка способна родить холод лишь на пределе своих возможностей. Холодильная машина требует подавать в нее теплоноситель с высоким температурным потенциалом, в то время как газопоршневой двигатель едва справляется с этой задачей. Машина при этом вырабатывает холода меньше, чем могла бы, а двигатель вынужден подавать в нее больше тепла, чем это потребовалось бы, если бы температурный потенциал тепловой энергии был достаточно высок.
Выходит так, что одна из сторон энергетического треугольника, а именно, та, которая вырабатывает холод, выглядит пасынком тригенерации, которому достается не то, что ему нужно, а то, что остается от старших братьев.
Для того, чтобы оценить количественно потери холодильной мощности, связанные с недостаточным температурным потенциалом тепловой энергии, генерируемый двигателем, были выполнены расчеты трех вариантов эксплуатационных режимов работы абсорбционной холодильной машины York YIA7D2, номинальная холодильная мощность которой составляет 2170 кВт.
Результаты расчетов представлены в табл. 1.

Таблица 1

Эксплуатационный параметр

Варианты эксплуатационных режимов работы

Номинальный

Расчетные режимы в режимах тригенерации при температурах охлаждающей воды

Номинальных

Рекомендуемых

Температура воды, °С

греющей

115 – 107

100 – 80

100 – 80

охлажденной

6,7 – 12,2

5 – 10

5 – 10

охлаждающей

29,4 – 38,6

29,4 – 38,6

28 – 33

Холодильная мощность, кВт

2170

236

1158

Тепловой коэффициент

0,69

0,408

0,685

Расчеты показали, что холодильная мощность АБХМ в режиме тригенерации при номинальных значениях температур охлаждающей воды (предпоследний столбец табл. 1) уменьшается в девять раз по сравнению с номинальным температурным режимом. Такое резкое снижение холодильной мощности вызвано, главным образом (некоторое влияние на уменьшение холодильной мощности АБХМ оказывает также и то обстоятельство, что температура охлажденной в испарителе воды в режимах тригенерации принята на 1,7°С ниже номинального значения. Варианты эксплуатационных режимов работы АБХМ рассчитывались для конкретного высотного здания, расчлененного по вертикали на несколько зон, и системы холодоснабжения каждой из них должны присоединяться к источнику холода по независимой схеме через теплообменники. Поэтому при температурах холодоносителя, подаваемого на кондиционеры 8-12 °С (выше некуда!) в холодильном центре приходится поддерживать температуры 5-10 °С.), недостаточной температурой теплоносителя, подаваемого от когенерационной установки. Определяющей здесь является низшая его температура, равная 80°С вместо 107°С в номинальном режиме.
Понятно, что достаточно дорогую холодильную машину, вырабатывающую в конкретных условиях на порядок меньше холода, чем она способна выработать, никто применять не станет, и в этом случае необходимо использовать все возможности для увеличения холодильной мощности. Таких возможностей немного, и одна из них состоит в понижении температуры охлаждающей воды. Если охлаждать в градирне воду не до 29,4°С, как в номинальном режиме, а до 28°С, уменьшив при этом температуру воды на выходе из конденсатора до 33°С, то можно (последний столбец табл. 1) увеличить холодильную мощность АБХМ до 1158 кВт, что составляет 53% от номинального уровня. Таким образом, для получения реальной холодильной мощности 2,1 МВт должна устанавливаться холодильная машина, номинальная холодильная мощность которой должна быть не менее:
2,1/0,53 = 3,96 МВт.
Удорожание, связанное с применением холодильной машины удвоенной мощности, будет в этом случае не единственным удручающим для инвестора фактором, потому что стоимость системы оборотного водоснабжения тоже возрастет существенно, так как расход охлаждающей воды в связи с понижением ее конечной температуры должен быть вдвое больше номинального. Это потребует применения большего числа градирен и насосов повышенной производительности, а потребление электрической энергии двигателями насосов системы оборотного водоснабжения возрастет примерно в шесть раз.
С учетом всех этих факторов выгодность тригенерации уже не представляется столь бесспорной.

3. Путь к гармоничной тригенерации

#4-1.JPGДостичь гармонии в отношениях трех партнеров – задача всегда непростая, в особенности, если отношения между ними строго обозначены жесткими правилами. Применительно к тригенерации, эти правила регулируются энергетическим балансом, и, чтобы достичь гармонии, нужно пересмотреть этот баланс, даже если при этом придется поступиться некоторыми принципами.
Относительно невысокая низшая (80°С) температура теплоносителя, подаваемого от газопоршневого двигателя, связана с ограниченными возможностями масляного контура охлаждения двигателя, в то время как водяной контур и, в особенности, контур продуктов сгорания могли бы подавать практически без ущерба для выработки электроэнергии теплоноситель с более высокими температурами. Поэтому было бы более рационально выполнить энергохолодильный блок так, как это показано на рис. 6.

Суть рациональной схемы состоит в том, что тепло от масляного контура будет отводиться не в холодильную машину 2, а в атмосферу через систему оборотного водоснабжения, включающую в себя атмосферный охладитель 10 и насос 11. В результате температура отводимого от газопоршневого двигателя теплоносителя может быть поднята до 120°С на выходе и до 110°С на входе, что позволит холодильной машине работать в номинальном температурном режиме при минимальных затратах, связанных с АБХМ.
Недостатком схемы является неполное использование тепла, генерируемого двигателем, и, соответственно, уменьшение примерно на 15% возможности выработать холод на тепловом потреблении. Впрочем, этот недостаток является скорее теоретическим, чем практическим, поскольку обычно потребности в холоде не велики по сравнению с тепловой мощностью когенерационной установки.
Недостаток этот можно устранить, если в систему охлаждения масляного контура включить водоподогреватель 12 системы горячего водоснабжения 14. В этом случае водопроводная вода 13 при подогреве от 10 до 55°С снимет, по крайней мере, часть нагрузки охлаждения масляного контура. При этом общий КПД когенерации повысится, поскольку тепло, являющееся побочным продуктом при генерации электрической энергии, так или иначе будет использовано.
Рационализация энергохолодильного блока позволит не только сократить общие капитальные затраты на холодильную технику, но и в результате уменьшения температуры масла в циркуляционном контуре улучшить эксплуатационный режим газопоршневых машин, что увеличит срок службы механизмов и, возможно, будет способствовать некоторому увеличению электрической мощности когенерационной установки.
Тригенерация обеспечивается достаточно сложным союзом машин различного назначения, и, если не пытаться гармонизировать отношения между ними, то союз машин, как и всякий иной союз, может оказаться разочаровывающим.