Использование низкопотенциального тепла в городских очистных сооружениях

С. Н. Асеев, инженер,

Х. С. Гумеров, профессор, д. т.н.,

П. В. Симаков, инженер

(Уфимский государственный авиационно-технический университет)

Традиционные системы отопления и вентиляции используют горячую воду с температурой не менее 60-65 0С или тёплый воздух с температурой не менее 25 0С. Ниже этих температур низкопотенциальное тепло не может быть использовано даже для целей отопления с помощью простых теплообменных устройств.

Теплонасосные установки (ТНУ) позволяют преобразовать низкопотенциальное тепло в более высококачественное.

Несмотря на огромное разнообразие и очень большой энергетичес-кий потенциал, основными источниками низкопотенциальной теплоты для крупных ТНУ в настоящее время следует считать промышленные и бытовые источники.

Структура энергопотребления в стране в настоящий момент характеризуется соотношением между величинами тепловой и электричес-кой энергии 2:1. Потенциал энергосбережения за счёт использования вторичного тепла составляет около 9 %.

В городах привлекательными с точки зрения использования содержащегося низкопотенциального тепла являются прошедшие очистку промышленные и коммунально-бытовые стоки.

Процесс аэрации требует постоянного насыщения воды кислородом воздуха, подаваемого специальными компрессорными установками большой мощности. Таким образом, кроме огромного количества тепловой энергии сбрасываемой в реки с очищенной водой на станциях очистки имеются ещё и тепловые сбросы охлаждения агрегатов компрессорных установок.

Ниже рассматривается возможность автономного теплоснабжения за счёт низкопотенциального тепла в цехе городских очистных сооружений и конструкций (ГОСК) предприятия Уфаводоканал.

Основным потребителем электроэнергии в ГОСК являются технологические воздушные нагнетатели, служащие для аэрации воды, проходящей биологическую очистку.

В цехе ГОСК в эксплуатации находятся 7 электроприводных нагнетателей, из которых одновременно работают 4 агрегата, потребляя около 4000 кВт электроэнергии.

Теплопотребление ГОСК обеспечивается от лампового завода, расположенного значительно выше, по надземным трубопроводам подаётся горячий пар в количестве 1…3 т/ч, теряющий по пути почти половину своей полезной энергии. Применение в качестве теплоносителя горячей воды невозможно, так как большая разница высот создает слишком большой напор в трубах, превышающий допустимый по условиям прочности.

Пар подаётся на несколько объектов для отопления и горячего водоснабжения.

Отпускаемое количество тепла характеризуется следующими показателями:

средняя тепловая мощность 1480 кВт;

минимальная мощность (в июле) 630 кВт;

максимальная мощность (в январе) 2015 кВт.

Мощность системы отопления не превышает 400 кВт.

Отработавший в системе теплоснабжения конденсат с температурой 60…70 0С теряется, так как возврат его энергетически и экономически не оправдан из-за большой высоты подъёма.

Водозаборные устройства населённых пунктов Республики Башки-рия имеют суммарную производительность около 1,1 млн. м3 питьевой воды в сутки, то есть на одного жителя приходится более 300 л/воды в сутки. Средний сток в канализацию города Уфы с населением более 1 млн. чел. составляет около 360 тыс. м3 в сутки. Дневной расход отличается от ночного в 2,5 раза.

Длительные наблюдения и измерения показывают, что температура очищенной сточной воды изменяется в довольно узких пределах и может быть оценена в 16…18 0С (в зимнее время). В зимний период на всей ширине река Белая ниже ГОСК на большом протяжении не покрывается льдом. Тепловой потенциал сточной воды, оцененный по разности температур воды стока и реки, составляет около 210000 кВт.

Воздушные нагнетатели ГОСК имеют воздухо-водяные теплообменники системы охлаждения электродвигателей и масляно-водяные теплообменники охлаждения нагнетателей и редукторов. Расход воды через воздухо-водяной теплообменник составляет 18 м3/час, а через масляно-водяной 20 м3/час на каждый из семи агрегатов. Вода подаётся водяным насосом с производительностью 290 м3/час.

При одновременной работе 4-х агрегатов температура воды на выходе из теплообменника составляет 30 0С. Тёплая вода по трубопроводу поступает на градирню, охлаждается и по обратному трубопроводу возвращается в систему охлаждения. Специально выполненные измерения температуры воды показали, что при температуре окружающего воздуха в интервале +7…-22 0С вода в градирне и трубопроводах в среднем охлаждается на 0,9 0С. Это означает, что вода получает и отдаёт 300 кВт тепловой энергии.

Энергия, содержащаяся в воде системы охлаждения энергоагрегатов, вполне сопоставима с потребной для теплоснабжения цеха ГОСК.

Можно рассмотреть также возможность снятия тепла с потока сжатого воздуха за нагнетателями.

Даже частичное, на 10 К, охлаждение этого воздуха позволяет получить тепловую мощность с 4-х агрегатов 630 кВт.

Выполнена оценка энергетического потенциала биогаза очистных сооружений, из которой следует, что при среднем суточном расходе сточной воды 360000 м3 из него может выделяться такое количество газа, которое при применении в тепловом двигателе может обеспечить выработку мощности порядка 2 МВт. Это составляет половину потребности ГОСК в электроэнергии.

Известно, что существуют предприятия по очистке канализационных стоков, которые не только полностью обеспечивают себя электрической и тепловой энергией, но периодически способны осуществлять продажу энергии.

Простейшим примером использования низкопотенциальной энергии является выработка тепла для целей отопления и горячего водоснабжения в парокомпрессионном цикле теплового насоса.

Эффективность установки определяется потенциалом теплой воды tист. Кроме того, эффективность ТНУ характеризуется коэффициентом преобразования (КОП), зависящим от уровня нагрева теплоносителя в системе потребления.

Вариант горячего водоснабжения (t = 65 0С)

tист

10

20

30

40

50

КОП

4,75

5,27

6,14

7,44

9,48

Вариант отопления (t = 85 0С)

tист

10

20

30

40

50

КОП

3,58

3,85

4,27

4,84

5,521

Полная автономность системы теплоснабжения может быть реализована путём использования для этих целей тепла, теряющегося в энергетических агрегатах – в нагнетателях воздуха и их приводах.

Схема модернизации существующей системы теплоснабжения путём её «достройки» приведена на рис. 1.

В испарителе тёплая вода с расходом Q=290 м3/ч отдаёт тепло испаряющемуся хладагенту, температура которого в ходе процесса

кипения остаётся неизменной. Выбор уровня температуры

В

конденсаторе

происходит передача тепла от

хладагента

к теплоносителю системы отопления.

 

определяет давление хладагента, температурный напор, и, следовательно, площадь теплообменника (габариты испарителя). Сжатие хладагента в компрессоре позволяет повысить его температуру до уровня, требуемого для нагрева теплоносителя в системе отопления 100 0С.

Передача тепла осуществляется в три этапа:

1) охлаждение перегретого пара хладагента до температуры конденсации;

2) конденсация хладагента;

3) охлаждение конденсата.

В этом процессе благодаря противоточной системе теплообмена происходит постепенное повышение температуры теплоносителя. Необходимо, чтобы на «стыке» первого и второго процессов сохранялся хотя бы минимальный тепловой напор. Третий процесс может быть вынесен в другой теплообменный аппарат, с передачей тепла другому теплоносителю.

В существующей системе теплопотребления может быть повышена эффективность её работы за счёт более полного отбора тепла от теплоносителя путем снижения температуры конденсата с помощью теплового насоса и возврата тепла в систему (рис. 2). По сравнению с существующим режимом теплопотребления расход пара сокращается на 40%.

Поскольку температура конденсата достаточно высока, то в процессе дросселирования часть его, испаряясь, снижает температуру до уровня, необходимого для восприятия тепла от низкопотенциального теплоносителя. Степень сухости хладагента Х=0,4, то есть в процессе дросселирования 40% конденсата превращается в пар и уже не участвует в процессе съёма

тепла в испарителе, из-за этого количество рабочего тела должно быть соответственно увеличено.

Если в схему включить теплообменник, позволяющий дополнитель-но охлаждать конденсат рабочего тела перед его дросселированием, то технико-экономические показатели работы ТНУ улучшатся.

Рассчитаны два варианта установки дополнительного теплообменника:

1) для подогрева сетевой воды в системе горячего водоснабжения;

2) для перегрева пара рабочего тела перед его сжатием в компрессоре.

Второй вариант термодинамически менее целесообразен (КОП снижается с 6,64 до 4,63), однако он иногда рассматривается для гарантии полного испарения рабочего тела, ликвидации капель жидкой фазы рабочего тела, отрицательно сказывающихся на работоспособности компрессора.

Рис. 1. Принципиальная схема теплоснабжения

Рис. 2. Принципиальная схема теплоснабжения с возвратом тепла

Отметим, что широко распространяющиеся винтовые компрессоры так называемого маслозаполненного типа специально используют жидкую фазу для уплотнения зазоров и повышения КПД.

Как видно из таблицы, себестоимость тепла, произведённого по технологии, использующей теплонасосные установки, практически совпадает с себестоимостью производства тепла в котельной, но надо иметь в виду, что отпускная цена тепла от централизованных источников в 2 раза выше 107 руб/Гкал. В этих условиях ежегодная экономия средств при потреблении 400 кВт тепла (3012,9 Гкал в год) составит С = 3012,9 (107–66)=123,5 тыс. руб.

Удельная стоимость теплонасосной установки, по данным предприятияизготовителя, составляет 250 долл. США для установок класса мощности 1000…5000 кВт и 400 долл. США для установок малой мощности (10…60 кВт).

Структура себестоимости и калькуляция затрат на производство тепла

Составляющие затрат

Котельная газ

Тепловой насос

с электроприводом

1. Стоимость топлива

2. Вспомогат. Материалы

3. Электроэнергия.

4. Вода

5. Амортизация

6. Рем. фонд в% от п.5

7. Фонд оплаты труда

8. Затраты на защиту окружающей среды

11,91

0,21

1,81

4,6

11,22

0,56

31,18

2,68

0,19

33,71

0

16,04

0,80

15,59

0

Себестоимость руб/Гкал

64,17

66,33

Себестоимость руб/кВт ч 0,055 0,057

К концу предполагаемого срока эксплуатации (12 лет) приведенные затраты по варианту котельная на газе будут минимальными это и есть наиболее эффективный вариант теплоснабжения цеха ГОСК (рис. 3). На втором месте стоит вариант теплоснабжения по схеме ТНУ.

Из-за относительно низких цен на газ котельные на газу более эффективны по сравнению с другими вариантами теплоснабжения, однако применение ТНУ для теплоснабжения цеха ГОСК эффективнее при КОП>5. Для повышения эффективности внедрения ТНУ необходимо уменьшить ее себестоимость и повысить КОП цикла.

tg  э

Рис. 3. Схема сравнения вариантов по срокам предполагаемой эксплуатации:

1 теплоснабжение от теплофикационных сетей; 2 теплоснабжение по варианту котельная газ; 3 теплоснабжение по варианту ТНУ; 4 существующий вариант теплоснабжения

В общем же ТНУ способны конкурировать с существующим централизованным теплоснабжением от тепловых сетей.

(Материал взят из книги Научнотехнический калейдоскоп Серия «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности» — Шарапов В. И.)