ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИЗБЫТОЧНОГО ДАВЛЕНИЯ В СИСТЕМАХ

Энерго ресурсосбережение и энергоэффективность
13
ЭНЕРГОРЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ
УДК 621.311.1
Использование избыточного давления в системах
централизованного теплоснабжения
для производства электрической энергии
А. С. Иванов,
инженер, МЭИ
Н. Ф. Котеленец,
кандидат технических наук,
доцент, МИЭЭ
При таком огромном потенциале энергосбережения, который имеется на сегодняшний день в России
и, в частности, в Москве, решать проблему надежного обеспечения города энергоресурсами только за счет
увеличения производства энергии неразумно. Стоит задуматься в первую очередь об её рациональном
использовании, о том например, как избыточную энергию при некоторых технологических процессах не
рассеивать в воздух, а отбирать с целью возвращения её в виде электроэнергии в сеть.
Ключевые слова: тепловой пункт, избыточное давление, рекуперация, электрическая энергия.
Введение
Крупные города по всему миру потребляют
огромное количество энергии. Так Москва, население
которой составляет на данный момент более 10 млн.
человек (а это сопоставимо с населением таких
стран, как Португалия или Белоруссия), потребляет
энергоресурсов столько же, сколько Республика
Беларусь, в два раза больше, чем Республика
Татарстан и в три раза больше, чем Саратовская
область [1].
Потребление электроэнергии в столице постоянно
растет. В 2006 году количество потребителей
по сравнению с предыдущим годом увеличилось
более чем на 8 %. При росте электропотребления
растёт и дефицит мощностей. В настоящее время
он оценивается в 12-15 % от общего уровня потребления. Во время максимальных нагрузок на энергосистему зимой 2005-2006 гг. дефицит достигал
4 000 МВт, а пик потребления в московской энергосистеме достигал 16 200 МВт. По данным Департамента топливно-энергетического хозяйства Москвы,
зимой 2007 года уже при небольшой отрицательной
температуре (— 8 оС) потребление электроэнергии
составило 15 770 МВт. При этом потенциал энерго-
№ 3 (27), 2009
сбережения Москвы оценивается примерно в 11 млн.
тонн условного топлива в год, т.е. около 1 % от всего
потребления первичной энергии в России [2].
Неразумно при таком огромном потенциале энергосбережения решать проблему надежного обеспечения города энергоресурсами только за счет увеличения производства энергии. Стоит задуматься в первую очередь об её рациональном использовании, о
том например, как избыточную энергию при некоторых технологических процессах не рассеивать в воздух, а отбирать с целью возвращения её в виде электроэнергии в сеть.
Постановка задачи
Известно, что при транспортировке рабочих и
технологических жидкостей (водные среды, углеводороды и др.) для преодоления гидравлического
сопротивления магистральных трубопроводов мощность насосных агрегатов выбирается исходя из требуемого давления среды для обеспечения самых удалённых объектов. Применительно к теплоснабжению, абоненты, расположенные близко к источнику
тепла, вынужденно получают теплоноситель с избыточным давлением, которое попросту дросселиру-
14
Энергобезопасность и энергосбережение
ется и безвозвратно теряется в тепловых пунктах.
В качестве примера на рис. 1 приведены значения
потерь давления при дросселировании потоков
теплоносителя на 17-ти характерных центральных
тепловых пунктах (ЦТП), эксплуатирующихся в
ОАО «МОЭК». Очевидно, значительная часть энергии, затраченной на создание магистрального перепада давления, является потерянной и составляет от
50 до 75% для всей представленной выборки тепловых пунктов [3].
Общий вид установки на одном из ЦТП Москвы
представлен на рис. 3. В качестве гидротурбины был
использован насос, работающий в турбинном режиме, а в качестве генератора – серийный асинхронный двигатель [5]. Для того чтобы использовать
весь диапазон избыточного давления (рис. 1), был
выбран двухскоростной асинхронный двигатель
(3000/1500 об/мин). Это позволило обеспечить выработку электроэнергии с максимальным КПД во всем
диапазоне избыточных давлений. Мощность установок определяется параметрами технологических
циклов, в которых они используются. В настоящее
время на ЦТП ОАО «МОЭК» работают десять установок мощностью 4,75 и 9,5 кВт. Система автоматики
и управления обеспечивает эксплуатацию установок
без участия оператора.
Рис. 1. Потери давления в тепловых пунктах при
дросселировании
В МЭИ был разработан способ получения электрической энергии на основе рекуперации избыточного магистрального давления жидкостей [4]. На
основе результатов научных исследований была разработана и реализована на практике система рекуперации магистрального давления (СРД) в системах
централизованного теплоснабжения. Система, схема
которой показана на рис. 2, представляет собой совокупность гидроагрегата (гидротурбина и асинхронный генератор), запорно-регулирующей арматуры и
блока автоматического управления.
СРД, выполняя функции демпфирующего
устройства, обеспечивает снижение давления до
требуемой величины. При этом весь избыточный
перепад давления посредством гидроагрегата преобразуется в механическую энергию, которая, в свою
очередь, преобразуется в электрическую с помощью
асинхронного генератора. Вырабатываемая в СРД
электроэнергия используется на собственные нужды
или возвращается в централизованную сеть.
Рис. 2. Типовая схема рекуперационной установки:
КТ – кран трехходовой с ручным приводом; КП – кран полнопроходной с ручным приводом; КЗР – клапан запорно-регулирующий с
автоматическим приводом; БУД – блок управления двигателем Д
клапана КЗР; БУ – блок управления установкой; Т – турбина;
Г – асинхронный генератор; В1 – В5 – автоматические выключатели
а
б
Рис. 3. Общий вид установки СРД
мощностью 4,75 (а) и 9,5 (б) кВт
Данные по выработке электроэнергии на этих
установках приведены в табл. 1 и показаны на рис. 4.
Диаграммы выработки электроэнергии на этих
установках представлены на рис. 4. За три года эксплуатации они выработали 135 МВт·ч электрической
энергии. В среднем каждая установка выработала
13,5 МВт·ч электроэнергии, или 4500 кВт·ч в год. Если
учесть, что в среднем одна двухкомнатная квартира
потребляет в год примерно 1000 кВт·ч электроэнергии, то одна такая установка обеспечивает годовые
потребности примерно пяти таких квартир.
Таблица 1
Удельная
Мощность Всего с нача- выработка
за период
№
установки, ла эксплуата- эксплуатации,
установки
кВт
ции, кВт·ч
кВт·ч/
(кВт·год)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
9,5
9,5
9,5
9,5
4,75
4,75
4,75
4,75
4,75
4,75
12890,74
24717,00
12532,00
19279,40
8281,67
11151,00
12112,00
13732,00
7078,00
12928,00
387,691
743,368
376,902
579,832
498,146
670,737
728,541
825,985
425,744
777,624
Всего: 134702
№ 3 (27), 2009
Энерго ресурсосбережение и энергоэффективность
15
Важно отметить, что система рекуперации давления может использоваться не только в системах
тепло- и водоснабжения, но и в других технологических процессах, таких как транспортировка углеводородов или даже в системах стоков и сбросов.
Рис. 4. Диаграмма выработки электроэнергии СРД с
момента начала пусконаладочных работ (за 3,5 года)
на 10 разных ЦТП Москвы
В автоматическом режиме блок управления обеспечивает:
– автоматический запуск СРД;
– автоматический плановый останов СРД;
– ограничение снизу минимального давления
воды за турбиной;
– максимальную мощность генератора и выбор
рациональной частоты вращения;
– автоматический останов СРД в аварийных
ситуациях без вмешательства оператора.
Выводы
Рассмотренная система использования избыточного давления имеет следующие преимущества:
• электрическая энергия производится нетрадиционным, экологически чистым способом, полностью
отвечающим требованиям Киотского протокола;
• до 30% повышается экономичность эксплуатации ЦТП за счёт экономии электроэнергии на собственные нужды;
• повышается эксплуатационная надежность
основного оборудования и ресурс дроссельной регулирующей арматуры ЦТП благодаря уменьшению
рабочего перепада давлений;
• уменьшаются энергетические затраты на привод насоса подпитки системы отопления за счет
повышения входного давления подпитки;
• СРД можно использовать в качестве аварийного
источника электроэнергии на ЦТП при внезапном
отключении электроэнергии;
• снижаются эксплуатационные расходы на
ремонт (замену) тепломеханического оборудования
основных технологических циклов;
• благодаря регулировочным способностям СРД
предотвращаются процессы кавитации в теплообменном оборудовании;
• простота обслуживания.
Литература
1. Тихоненко Ю. Ф. Энергосбережение в Москве //Новости теплоснабжения. – 2007.– №3.
2. Семь предложений Гринпис России по рационализации потребления электроэнергии в Москве.
Февраль 2008. Электронный ресурс, код доступа: www.greenpeace.org.
3. Волков А. В., Парыгин А. Г., Рыженков В. А., Щербаков С. Н. Получение электрической энергии в системах тепло- и водоснабжения на основе рекуперации избыточного магистрального давления //Новости теплоснабжения. – 2007 – №10. – С.46–50.
4. Волков А. В., Погорелов С. И., Рыженков В. А. Система рекуперации избыточного давления магистральных сетей водо- и теплоснабжения. Патент РФ № 2239752. Бюл. №31, 2004.
5. НЦ «Износостойкость». Электронный ресурс, код доступа: www.inc.mpei.ac.ru
№ 3 (27), 2009