431Статья на конкурс_Смоляров

Индекс УДК
ТРИГЕНЕРАЦИЯ НА АЭС: СРАВНЕНИЕ ХОЛОДИЛЬНЫХ УСТАНОВОК
Смоляров А.С.
Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Комбинированное производство тепловой, электрической и холодильной энергии
(тригенерация) представляет на сегодняшний день одну из наиболее современных
технологических решений в плане повышения энергетической эффективности и
решения экологических проблем[1]. Актуальным представляется использование
турбоустановок АЭС в схемах тригенерации.
Гибкость системы тригенерации, которая способна использовать утилизируемую
энергию для теплоснабжения во время холодного сезона (зимой) и холодоснабжения во
время теплого сезона (летом) позволяет увеличить продолжительность времени, в
течение которого система может работать с максимальной эффективностью, что
отвечает как интересам собственника, так и соображениям охраны окружающей среды.
Рис. 1. Оптимизация работы предприятия в течение года за счет тригенерации; А и В –
загрузка тригенерационной установки, С – закупка электроэнергии во внешней сети, D
– подключение компрессорной холодильной системы, E – ввод в работу резервного
котла
Выбор принципиального подхода к использованию систем тригенерации, а также
стратегии управления системой имеет большое значение и заслуживает тщательного
рассмотрения.
Решение, при котором весь необходимый холод производится за счет
абсорбционной холодильной системы, редко оказывается оптимальным. Например, в
системах кондиционирования воздуха для удовлетворения потребностей в охлаждении
на протяжении большей части года достаточно 70% пиковой мощности охлаждения.
Остальные 30% при необходимости могут быть обеспечены резервными
компрессорными установками.
Такой подход позволяет минимизировать капитальные затраты, связанные с
внедрением системы.
Для нахождения оптимального применения утилизируемой энергии и, как
следствие, достижения максимального КПД (по отношению к энергии топлива)
системы тригенерации ориентированы на удовлетворение потребностей, как в тепле,
так и в холоде. Тригенерация представляет собой дальнейшее развитие концепции
когенерации посредством добавления к системе холодильной установки.
Дополнительные инвестиции такого рода не имеют смысла в том случае, если
предприятие, внедряющее систему когенерации, способно найти на собственном
производстве эффективное применение всему утилизируемому теплу.
Однако такие инвестиции могут быть оправданы в том случае, если определенные
периоды работы предприятия не все тепло находит применение, или потребность в
тепле вообще отсутствует, но имеется потребность в охлаждении воды или воздуха.
Например, тригенерация часто используется для кондиционирования воздуха в
зданиях, когда зимой необходим подогрев, а летом – охлаждение, или когда одни
помещения нуждаются в отоплении, а другие – в охлаждении.
Многие промышленные производства и общественные здания также
характеризуются подходящим балансом потребностей в тепле и холоде. В качестве
примеров можно назвать, в частности, пивоваренные предприятия, торговые центры,
аэропорты и больницы.
Тригенерация применяется также в следующих системах:
Районное кондиционирование – метод удовлетворения потребностей жилых
зданий, коммерческих объектов и, иногда, промышленных предприятий в
кондиционировании (охлаждении) с помощью систем коллективного пользования.
В таких видах чаще всего используются абсорбционные охладители (чиллеры),
которые достаточно легко интегрируются с когенерационным оборудованием.
Основные причины для этого состоят в следующем: удовлетворение летней
потребности в кондиционировании существенно повышает экономическую
привлекательность применения когенерации за счет выравнивания сезонной
потребности в тепловой энергии; в качестве хладагента в чиллере применяется вода, а
не экологически вредные хлоро-фторо-углероды (традиционно используемые в
индивидуальных кондиционерах)
Промышленное кондиционирование. В некоторых секторах экономики, в
частности, в пищевой промышленности, существует потребность в холодной воде с
температурой 100С – 150С, используемой в технологических процессах. В то же время в
летний период температура речной воды находится на уровне 250С – 300С (пивоварни,
например, используют холодную воду для охлаждения и хранения готового продукта,
на животноводческих фермах вода используется для охлаждения молока).
Производители замороженной продукции работают с температурами от -200С до -300С
круглогодично[1].
В данной работе рассматривался вопрос включение АЭС в схемы тригенерации с
помощью подключения абсорбционной холодильной установки к одному из
теплофикационных отборов паротурбинной установки АЭС или подключение
компрессионной холодильной установки, которая потребляет электроэнергию от схемы
электрических собственных нужд станции.
Абсорбционные холодильные машины используют энергию в виде тепла.
Рабочим веществом в абсорбционной машине является раствор двух полностью
растворимых друг в друге веществ с резко различными температурами кипения. При
этом легкокипящее вещество является холодильным агентом, а вещество с более
высокой температурой кипения – абсорбентом. Как известно, температура кипения
бинарного раствора при данном давлении зависит от концентрации раствора.
Основные элементы абсорбционной машины – парогенератор с конденсатором и
абсорбером предназначены для непрерывного воспроизводства жидкости высокой
концентрации, поступающей затем в испаритель на парообразование, и жидкости
низкой концентрации, служащей для абсорбции (поглощения) концентрированного
пара. На рис.2 приведена принципиальная схема абсорбционной машины.
Рис. 2. Принципиальная схема абсорбционной холодильной машины
Пар высокой концентрации образуется за счет кипения жидкости малой
концентрации в парогенераторе 1 при давлении p2 более высоком, чем давление в
испарителе и абсорбере. Для испарения жидкости к генератору подводится тепло qг при
температуре tг, которая должна быть не ниже температуры кипения при данном
давлении и данной концентрации и во всяком случае больше t0.
Пар высокой концентрации поступает в конденсатор 2, где конденсируется,
отдавая тепло конденсации qк охлаждающей воде, имеющей температуру t0
окружающей среды. Образовавшаяся жидкость высокой концентрации дросселируется
в регулирующем вентиле 3 от давления p2 до давления p1. При дросселировании
температура жидкости понижается до температуры более низкой, чем в охлаждаемом
помещении.
После этого жидкость поступает в находящийся в охлаждаемом помещении
испаритель 4. Вследствие того что температуру жидкости меньше температуры
охлаждаемого помещения, жидкость испаряется, поглощая от последнего тепло qх.
Образующийся при этом пар, имеющий температуру t1 и давление p1, поступает из
испарителя в абсорбер 5, где абсорбируется при температуре t0>t1, отдавая тепло
абсорбции q2 охлаждающей воде.
При кипении жидкости в генераторе концентрация холодильного агента в
жидкости понижается, а в абсорбере вследствие поглощения концентрированного пара,
наоборот, повышается. Для поддержания концентраций в обоих аппаратах
неизменными между ними осуществляется циркуляция либо при помощи насоса 6,
либо естественным путем за счет разности плотностей растворов разной концентрации.
По пути из генератора в абсорбер жидкость дросселируется регулирующим
вентилем 7[2].
В качестве рабочих веществ (холодильных агентов) в паровых холодильных
машинах могут быть использованы вещества с технически допустимым давлением
насыщенных паров во всем диапазоне температур цикла. Желательно, чтобы
холодильный агент имел большую величину скрытой теплоты парообразования и
достаточно высокую критическую температуру.
Схема паровой компрессионной машины приведена на рис. 3.
Рис. 3. Схема паровой компрессионной машины; 1 – охлаждаемое помещение
(испаритель); 2 – компрессор; 3 – конденсатор; 4 – расширительный цилиндр
В процессе 4-1 испарения жидкого холодильного агента при температуре T1 и
давления p1 отнимается тепло от охлаждаемого помещения. Состояние влажного пара,
засасываемого компрессором, характеризуется точкой 1. Компрессор сжимает пар
адиабатически в процессе 1-2. Состояние в точке 2 соответствует сухому насыщенному
пару.
Сжатый холодильный агент поступает в конденсатор, где осуществляется процесс
отдачи тепла (процесс 2-3) при постоянном давлении p3 и соответствующей
температуре T3[2].
Осуществление адиабатического расширения жидкости процесса 3-4 требует
наличия расширительного цилиндра.
В работе рассмотрено влияние температуры греющего пара на эффективность
абсорбционной установки. В табл.1 приведены результаты исследования и на рис. 4
показаны зависимости изменения холодильного коэффициента и удельного расхода
тепла от температуры греющего пара.
Таблица 1. Таблица результатов расчета зависимости эффективности абсорбционной
установки от температуры греющего пара.
Удельная тепловая
Удельный расход
Холодильный
нагрузка генератора
tпара
тепла
коэффициент
Э

qг , кВт
110
91603,1
4,122
0,243
130
47070,4
2,118
0,472
160
42338,5
1,905
0,525
Рис. 4. График зависимости изменения холодильного коэффициента и удельного
расхода тепла от температуры греющего пара
Также в работе рассмотрено влияние температуры греющего пара на
недовыработку мощности в турбине. Результаты исследования приведены графически
на рис. 4. Из исследования влияние сделаны следующие выводы:
 При увеличении температуры греющего пара увеличивается холодильный
коэффициент, который можно считать главным показателем эффективности
абсорбционной холодильной установки;
 При увеличении температуры греющего пара уменьшается расход пара, идущего в
генератор абсорбционной холодильной установки;
 При увеличении температуры греющего пара недовыработка мощности турбины
ведет себя неоднозначно, то есть при определенной температуре (в данном случаем
при ts=1300C) наблюдается минимум недовыработки (∆N=7,83 МВт).
Рис. 5. График зависимости изменения расхода пара на абсорбционную установку и
недовыработки мощности от температуры греющего пара
За сравнительный критерий холодильных установок была выбрана мощность. В
случае абсорбционной установки будет недовыработка мощности, связанную с отбором
пара на генератор абсорбционной холодильной установки, а в случае компрессионной
установки – мощность, которую потребляет компрессор. Энергетическое сравнение
компрессионной и абсорбционной холодильных установок приведена на рис. 6.
Рис. 10. Энергетическое сравнение абсорбционной и компрессионной холодильных
установок
Сравнивая мощность, которую потребляет компрессор в компрессионной холодильной
установке(Nэ=9,8МВт), и недовыработку мощности, связанную с отбором пара на
генератор абсорбционной холодильной установки(Nэ=8,44 МВт), можно сделать вывод,
что абсорбционная холодильная установка будет более эффективнее при равной
холодопроизводительности.
Так же следует отметить, что эксплуатационные показатели абсорбционной
холодильной машины, связанные с надёжностью и уровнем автоматизации, выше, чем
у компрессионной, так как надёжность компрессионной холодильной машины в
значительной степени определяется надёжностью механического компрессора[3].
Мероприятия по подключению абсорбционной холодильной установки, возможны
на любой двухконтурной АЭС, которые в настоящее время функционируют на
территории Российской федерации.
Литература
1.Бочарников И.А., Лебедева Е.А. Применение систем когенерации для совместного
производства тепловой и электрической энергии. Тепловые процессы в паровых
турбинах //Сборник IV международной студенческой электронной научной
конференции «Студенческий научный форум».
2. Вукалович М.П., Новиков И.И. Техническая термодинамика. – М.: Энергия, 1968. –
496с.
3. Галимова Л.В. Абсорбционные холодильные машины и тепловые насосы: Учеб.
пособие для спец. «Техника и физика низких температур» / Астрахан. гос. тех. ун-т. –
Астрахань: Изд-во АГТУ, 1997 – 226с.