Насосов в автономной системе энергоснабжения

Сравнительный анализ теплофикации и тепловых

Количество отработанной теплоты, полезно использованной для

теплоснабжения: в конденсационном цикле , а в теплофикационном -

. Удельный расход теплоты на получение работы: в конденсационном цикле

, (2.5.3)

а в теплофикационном

. (2.5.4)

Сравнение формул (2.5.3) и (2.5.4) показывает, что удельный расход теп-

лоты на получение единицы работы при теплофикации меньше. Таким образом, развитие комбинированной выработки электроэнергии и тепла является одним из основных путей непрерывного улучшения экономичности энергопроизводства.

Экономия условного топлива за счет комбинированной выработки электроэнергии и тепла составляет в России около 12 % от расхода топлива всеми тепловыми электростанциями.

Использование тепловых насосов (ТН) в системах отопления эффективно, когда есть практически неограниченный источник низкопотенциального тепла в виде атмосферы, реки или моря. Корректное сравнение теплофикации и системы отопления с помощью тепловых насосов необходимо проводить в замкнутой системе, когда такого источника нет, что характерно для большинства мест в России. В этом случае в качестве источника низкопотенциального тепла может выступать только сбросная теплота тепловой электростанции. Рассмотрим два сценария энергоснабжения с получением тепловой энергии для бытовых и технологических нужд в этих условиях. В первом электростанция вырабатывает электрическую энергию и производит низкопотенциальную сбросную теплоту, имеющую температуру сточных вод. Обеспечение теплом потребителя производится за счет извлечения этой теплоты из сточных вод с помощью тепловых насосов с нагревом теплоносителя до необходимой температуры T. Во втором сценарии отводимое тепло имеет уже температуру Т и непосредственно по теплосетям передается потребителю (теплофикационный цикл).

Проведем термодинамический анализ этих двух сценариев энергосбережения.

Пусть Q₁ количество теплоты, получаемое теплоэнергетической установкой от горячего источника тепла с температурой Т₁, Q₂ - количество тепла, отдаваемое сточным водам с температурой Т₂, L - работа, совершаемая теплоэнергетической установкой. Часть bQ₂ тепла Q₂, поступившего в сточные воды, отбирается тепловым насосом с холодильным коэффициентом e за счет работы L_n , совершенной электроприводом, потребляющим энергию от ТЭУ (L_n £ L). По определению к.п.д. h и холодильного коэффициента e

b Q₂ = e L_n, L = h Q₁,

откуда

L_n / L = bQ₂/(ehQ₁). (2.5.5)

Основная задача ТЭУ в данном случае - получение электрической энергии. Затраты на теплоснабжение уменьшают ее количество, которое естественно теперь характеризовать коэффициентом

a = (L - L_n)/L = 1 - L_n /L. (2.5.6)

Подставляя в (2.5.6) выражение (2.5.5), получим

a = 1 - bQ₂/(ehQ₁) = 1 - b/(eh)(1- h) (2.5.7)

Формула (2.5.7) дает выражение для доли энергии, поставляемой потребителю после затрат на отопление.

Рассмотрим теперь второй сценарий (теплофикацию). На ТЭУ отпускаемое тепло имеет температуру Т, и теплоноситель по тепловым сетям передается потребителю. В этом случае ТЭУ получает то же количество тепла Q₁ от горячего источника, что и в первом случае, а передает потребителю, играющему роль холодного источника, количество тепла Q > Q₂. Совершаемая работа

L^’ = h^‘ Q_1,

откуда

a^‘ = L^’ /L = h_‘ /h, (2.5.8)

где h^‘ - к.п.д. установки.

Рис.2.5.7. Схемы двух исследуемых вариантов теплоснабжения

потребителей

Проведем сравнение этих сценариев использования первоначальной энергии в случае, когда тепловая машина и тепловой насос работают по циклам Карно и справедливы соотношения:

h = (T₁ - T₂)/T₁ , h^‘ = (T₁ - T)/T₁ , e = T₂ /(T - T₂), Q₂/Q₁= T₂/T₁. (2.5.9)

В этом случае, подставляя (2.5.9) в (2.5.7) и (2.5.8), найдем

a = 1 - b(T-T₂)/(T₁-T₂), a^‘ =(T1-T) / (T1-T2).

Коэффициент a ³ 0. Когда a =0, вся произведенная тепловой машиной работа расходуется на привод ТН, а величина b достигает максимума b₀ >1. Максимальная величина b₀ = b_0max достигается, когда тепловая машина и ТН работают по циклам Карно и вместе образуют теплотрансформатор. В этом случае максимально возможное тепло, передаваемое потребителю, Q = kQ₁, где

k = (T/T₁)(T₁ - T₂)/(T - T₂).

Коэффициент трансформации тепла k как функция от T в интервале (T₂, T₁) монотонно убывает, оставаясь величиной большей единицы.

Условие b >1 предполагает наличие достаточно емкого холодного источника тепла, в качестве которого могут выступать незамерзающие водоемы (река, море) или атмосфера с температурой воздуха выше -2⁰С. Когда они отсутствуют, максимум, что можно добиться, - исключить тепловое загрязнение окружающей среды и с помощью ТН использовать сбрасываемое тепло для отопления.

Рис. 2.5.8 Зависимость коэффициентов

a,a‘ от b, b_0max=(T₁-T₂)/(T-T₂).

На рис.2.5.8 представлены сплошными линиями зависимости a и a‘ от b. Точка пересечения соответствует b=1. В этом случае все тепло, передаваемое ТЭС сточным водам, забирается ТН и преобразуется в тепло, поставляемое потребителю. В данном случае в обоих сценариях при b=1 производится одинаковое количество электрической энергии, и потребитель получает одинаковое количество тепла Q = TQ₁/T₁,т.е. оба сценария эквивалентны.

Для существующих установок, как следует из термодинамики, справедливы неравенства

h £ 1-T₂/T₁, e £ T₂/(T-T₂),

следствием которых является пересечение прямой a=f(b) (штриховая линия) с осью абсцисс, не в точке b = b_0,max,а в точке b₀, причем b₀ £b₀,_{max .}

Соответственно пересечение с прямой aºa‘=h‘/h наступает при b<1, т.е. от отработанного рабочего тела может быть взято только чаоть сбрасываемого тепла.

Следовательно, использование сточных вод в качестве источника тепла для отопления с помощью тепловых насосов (ТН) принципиально менее эффективно, чем теплофикация. В последнем случае коэффициент использования топлива, определяемый как отношение суммы отпущенных работы и тепла к тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива, выше. Если тепловая машина работает по циклу Карно, то во втором сценарии h₀=1. В первом сценарии

h₀ = 1 - (1-b)T₂/T₁ £ 1,

причем h₀ тем ближе к единице, чем ближе b к единице.

В общем случае коэффициент использования топлива при одновременном производстве электроэнергии и тепла с помощью ТН

h₀ = (bQ₂ +hQ₁)/Q₁ = h + bQ₂/Q₁ = h + b(1-h) < 1,

т.к. b <1.

Таким образом, использование сточных вод в качестве источника тепла для отопления с помощью тепловых насосов (ТН) принципиально менее эффективно, чем теплофикация.

Дата добавления: 2015-06-27