Портал по тригенерации, когенерации и мини-ТЭЦ

Абсорбционные бромистолитиевые машины для охлаждения и нагрева воды

А.В. Попов, канд. техн. наук, академик Международной академии холода

Существует две основные технологии промышленного производства «холода»: электрическая (при помощи парокомпрессионных холодильных машин) и тепловая (при помощи абсорбционныххолодильных машин). Сегодня в условиях дефицита и высокой стоимости электрических мощностей все большее применение находят абсорбционные машины, поскольку они позволяют не только снизить капитальные и эксплуатационные затраты, но и сократить сроки строительства, которые зачастую определяются именно сроками реконструкции или ввода в эксплуатацию новых энергетических систем и сетей.

Абсорбционные бромистолитиевые машины — это термодинамические системы (технические устройства), позволяющие трансформировать теплоту с низкого температурного уровня на более высокий. Данные машины предназначены для получения холодной воды с температурой не ниже 5°С (холодильные машины), горячей воды с температурой до 90ºС - понижающие термотрансформаторы (тепловые насосы), а так же для одновременной выработки горячей и холодной воды (комбинированные машины) [1].

Анализ мировой практики показывает, что в последние десятилетия резко возрос спрос на абсорбционные бромистолитиевые холодильные машины для получения захоложеной воды. Об этом говорит рост их производства в мире и расширение стран производителей. По данным, приведенным в обзоре Международного энергетического агентства (IЕА), в 1999г в мире было произведено около 12000 абсорбционных холодильных машин (АБХМ) средней и большой мощности (холодопроизвjдительностью 350…6000 кВт), а в 2001г. их мировое производство достигло 15000, при чем основной прирост приходится на Китай, Южную Корею и Индию [2].

Широкое распространение АБХМ в мире объясняется их высокой экономической эффективностью, экологической чистотой, минимальным потреблением дорогостоящей электроэнергии, бесшумностью при работе, длительным сроком службы. Рабочим веществом АБХМ является вода, а абсорбентом - водный раствор бромистого лития, нетоксичного и пожаровзрывобезопасного вещества.

Рис. 1 . Теплонасосная установка мощностью 7 000 кВт, установленная в тепличном комплексе (Краснодарский край). Состоит из двух тепловых насосов АБТН-600Т с газовой топкой. Эксплуатируется с 2005 года

Рис.2 Холодильные машины АБХМ-1500П с паровым обогревом: холодильная станция мощностью З 500 кВт дляохлаждения технологического оборудования в процессе производства хрома. Установлена на ОАО «Тулачермет» в 2004 году

Все процессы в АБХМ протекают под вакуумом, что исключает попадание рабочего вещества и абсорбента во внешние теплоносители. АБХМ не имеют динамических нагрузок, малошумные, что значительно упрощает условия их размещения.

Так как в АБХМ хладагентом является вода, то они практически не оказывают влияние на озоновый слой атмосферы и парниковый эффект.

Высокие цены на электрическую энергию так же являются одной из основных причин возрастающей потребности АБХМ. По сравнению с парокомпрессионными электроприводными холодильными машинами АБХМ позволяют экономить 250..300 кВт.ч электроэнергии на каждые 1000 кВт производимого холода.

Производство АБХМ в нашей стране было начато еще в середине 60-х годов прошлого столетия. Завод «Пензхимаш» серийно производил холодильные машины мощностью 1100, 2500 и 3000 кВт (разработчик — ВНИИХолодмаш, научный руководитель- институт теплофизики СОАН). Всего было выпущено около 600 таких машин. К концу 80-х годов производство данных машин было прекращено как морально устаревших.

В 1993 году при институте теплофизики Сибирского отделения РАН (г. Новосибирск) было создано конструкторское бюро (в настоящее время ООО «ОКБ Теплосибмаш») для разработки и организации производства бромистолитиевых холодильных машин и тепловых насосов нового поколения, соответствующих мировому уровню. В работе принимали участие ведущие ученые и инженеры страны в данной области. В 2000 году в России было начато промышленное производство машин нового поколения конструкции Теплосибмаш [1, 3, 4].

Номенклатура и основные параметры выпускаемых холодильных машин приведены в табл. 1. (всего 25 типоразмеров).

Холодильные машины типа АБХМ-П с паровым обогревом и АБХМ-В(ВН) с водяным обогревом и одноступенчатой регенерацией раствора, имеющие тепловой коэффициент 0,75 (отношение произведенного холода к подведенной теплоте греющей среды) применяются при наличии сбросной или дешевой теплоты, например, в составе когенерационных установок, ТЭЦ, промышленных предприятий и т.д.

Машины типа АБХМ2-П с паровым обогревом и двухступенчатой регенерацией раствора имеет тепловой коэффициент 1,25 и по сравнению с одноступенчатыми машинами, потребляют теплоты на 40%, а охлаждающей воды на 30% меньше и могут экономично использовать пар от котельных.

Машины типа АБХМ-Т работают на газовом или жидком топливе, сжигаемом непосредственно в генераторе машины, и имеют тепловой коэффициент 1,25. Отличительной особенностью таких машин является возможность выработки и холодной и горячей воды. Так, в теплое время года машина вырабатывает холод, а в холодное время года, когда потребность в холоде отпадает, работает в режиме нагрева воды до температуры 70.. .90 °С с КПД 09-0,92 (режим котла).

В последние годы большое внимание в мире уделяется абсорбционным бромистолитиевым тепловым насосам (АБТН) - термотрансформаторам. Это объясняется их экологической чистотой и высокой эффективностью. По сравнению с котлом АБТН позволяет снизить удельный расход топлива на 40-55% [5]. В настоящей статье рассматриваются только понижающие термотрансформаторы.

АБТН применяются для получения горячей воды на нужды отопления, горячего водоснабжения, а также для одновременного нагрева и охлаждения технологических сред в различных областях.

В табл.2 приведены основные типы и параметры тепловых насосов конструкции Теплосибмаш, выпускаемых в России.

Тепловые насосы с одноступенчатой регенерацией раствора АБТН-П и АБТН-Т имеют коэффициент трансформации (отношение произведенной теплоты к количеству теплоты греющего источника) 1,75, машины с двухступенчатой регенерацией раствора АБТН2-П и АБТН2-Т – 2,2..2,3.

За период с 2001 по 2006 годы было создано, испытано и введено в промышленную эксплуатацию 7 базовых холодильных машин и тепловых насосов моделей Теплосибмаш (всего 15 машин). [2,6]

Таблица 1. Основные типы и номинальные параметры холодильных машин Теплосибмаш

Показатель Типы холодильных машин
АБХМ-Вн АБХМ-В АБХМ-П АБХМ2-П АБХМ-Т
Холодопроизводительность, кВт 350-3000 350-4000 350-4000 350-4000 350-3600
Температура охлаждаемой воды, °С 13/8 12/7 12/7 12/7 12/7
Температура охлаждающей воды, °С 28/34 28/36 28/36 28/36 28/36
Греющая среда Вода Вода Пар Пар Топливо
Температура греющей воды, °С, или абсолютное давление пара, МПа 90/80 115/105 0,15 0,7 -
Тепловой коэффициент 0,75 0,75 0,75 1,25 1,25
Удельный расход природного газа на выработку холода, м3/МВт - - - - 100

Таблица 2. Основные типы и номинальные параметры тепловых насосов Теплосибмаш

Показатель Типы холодильных машин
АБТН-П АБТН2-П АБТН-Т АБТН-2Т
Холодопроизводительность, кВт 350-4000 350-4000 350-4000 350-4000
Теплопроизводительность, кВт 850-10000 600-7200 850-10000 600-7200
Температура охлаждаемой воды, °С 30/25 30/25 30/25 30/25
Температура нагреваемой воды, °С 30/80 30/55 30/80 30/55
Греющая среда Пар Пар Топливо Топливо
Давление греющего пара, МПа 0,4 0,7 - -
Коэффициент трансформации 1,75 2,25 1,75 2,25
Удельный расход природного газа на выработку теплоты, м3/МВт 68 54

Длительный опыт эксплуатации показал их высокую надежность и эффективность. Так на Уфимском нефтеперерабатывающем заводе холодильные машины Теплосибмаш эксплуатируются более 5 лет (40 тыс.часов работы) в непрерывном круглогодичном режиме. За этот период существенных отказов в их работе не было.

Многочисленные запросы, поступающие в адрес ООО «ОКБ Теплосибмаш» говорят о том, что потенциальная потребность в абсорбционных бромистолитиевых машинах в России высока. Это связано с необходимостью замены существующего морально и физически устаревшего парка машин, строительством новых объектов, дефицитом и высокой стоимостью электроэнергии.

В настоящее время на Российском рынке, кроме машин Теплосибмаш, предлагаются бромистолитиевые холодильные машины (чиллеры) различных зарубежных компаний (американские, японские, китайские и т.д.). Чем руководствоваться при выборе машины?

Несомненно, важнейшим показателем холодильных машин и тепловых насосов является их энергетическая эффективность, надежность, срок службы, эксплутационные расходы, В настоящее время машины ведущих зарубежных компаний и Теплосибмаш имеют практически одинаковую энергетическую эффективность: тепловой коэффициент у одноступенчатых машин 0,7-0.75, у двухступенчатых - 1,25-1,3. Здесь основное отличие зарубежных и российских машин заключается в объемных расходах греющей и охлаждающей воды, В Российских машинах объемный расход греющей воды на 50% а охлаждающей воды на 30% ниже, чем у многих зарубежных машин. Это связано с тем, что зарубежные машины создавались преимущественно для жаркого тропического климата.

Надежность, срок службы бромистолитиевых машин обеспечивается главным образом качеством конструкционных материалов, комплектующего оборудования и ингибиторами коррозии. В зарубежных машинах и машинах Теплосибмаш, применяются одинаковые конструкционные материалы: корпусные элементы из углеродистой стали, теплообменные трубки — из меди, медно-никелевых сплавов, внутренние устройства — из нержавеющей стали. В машинах Теплосибмаш применяются комплектующие изделия как российских так и зарубежных производителей. Для циркуляции хладагента (воды) используются герметичные насосы с мокрым ротором серийного европейского производства. Насосы не требуют обслуживания, ресурс не менее 10 лет.

Рис. 3 Абсорбционная бромистолитиевая холодильная машина мощностью 1 750 кВт. Установлена на ОАО «Казаньоргсинтез» в 2006 году

Насосы для циркуляции раствора бромистого лития герметичные с магнитной муфтой Российского производства. Эти насосы имеют высокую надежность и ремонтопригодность. Трубопроводная арматура европейского производства, приборы КИПиА, электрооборудование, вакуум-насосы как российского, так и зарубежного производства. Блочные горелки — немецкие.

На заводе-изготовителе машины Теплосибмаш подвергаются тщательным испытаниям на герметичность и вакуумную плотность в специальных термостатированных помещениях.

Высокая вакуумная плотность машины — залог высокой производительности и длительного срока ее службы. Кроме этого, в раствор бромистого лития вводятся специальные ингибиторы коррозии и поверхностно-активные вещества. [3]

При транспортировке машины щиты управления и некоторые приборы КИПиА демонтируются. После установки машины на фундамент и подключения внешних коммуникаций подготовка к ее пуску занимает не более 2-3 дней. Срок изготовления любой машины не превышает 3-4,5 месяцев с момента заказа.

Опыт эксплуатации и анализ эффективности российских абсорбционных бромистолитиевых машин нового поколения показал следующее. Себестоимость холода, получаемого в АБХМ, использующих в качестве греющего источника сбросную теплоту, в 2-3 раза, а на природном газе на 30-40% ниже себестоимости холода, получаемого в парокомпрессионных электроприводных холодильных машинах.

При выработке теплоты в АБТН с топкой удельный расход топлива снижается на 40-55% по сравнению с котельной (в зависимости от типа машин, параметров охлаждаемой и нагреваемой сред), а себестоимость вырабатываемой теплоты сокращается соответственно на 20-30%.[5]

Себестоимость дополнительной (утилизируемой) теплоты, получаемой в АБТН с паровым (водяным) обогревом в 2-3 раза ниже, чем в котле на органическом топливе. При существующих ценах на энергоносители в России срок окупаемости капитальных вложений на АБТН составляет от 2 до 4 лет.

С ростом цен на энергоносители эффективность применения АБХМ и АБТН будет возрастать.

Опыт применения бромистолитиевых холодильных машин за последние 5-6 лет в России показывает, что у потребителей зарубежных машин часто возникают проблемы с их запуском и эксплуатацией. Это связано, в первую очередь, не с качеством машин, а с отсутствием необходимого сервиса и технической поддержки со стороны поставщика машин, как на стадии проектирования холодильной установки, так и при ее строительстве и эксплуатации. Потребители отечественных машин таких проблем не имеют.

Теплосибмаш является единственной российской компанией, выполняющей весь комплекс работ по бромистолитиевым холодильным машинам и тепловым насосам - разработка, организация производства, пуско-наладочные работы, гарантийное и сервисное обслуживание, помощь Заказчику в выборе оптимальной схемы холодильных и теплонасосных установок.

Заключение

1 . Абсорбционнные бромистолитиевые машины и тепловые насосы являются высокоэффективным, экологически чистым энергосберегающим оборудованием и широко применяются в мире.

2. В России с 2001 года начато производство и применение различных типов отечественных абсорбционных бромистолитиевых машин нового поколения, по качеству и основным параметрам соответствующих мировому уровню. Накоплен уникальный опыт по их применению.

3. Для условий России абсорбционные машины более эффективны, чем электроприводные компрессорные, т.к. базовыми электрогенерирующими системами в России являются тепловые электростанции, потребляющие природное органическое топливо.

4. В России достаточно машиностроительных мощностей, сырьевых ресурсов, научных и инженерных кадров для обеспечения как минимум собственного рынка высококачественными абсорбционными холодильными машинами и тепловыми насосами. Многие экономически развитые страны имеют национальные программы по данному классу машинам. Нужна такая программа и в России.

Литература

1. Бараненко АВ., Тимофеевский Л.С., Долотов А. Г., Попов А. В. Абсорбционные преобразователи теплоты // СП6, 2005. - 337с.

2. Корольков А.Г., Попов АВ., Попов А.Влад. Абсорбционные бромистолитиевые водоохлаждающие и водонагревательные трансформаторы теплоты // Проблемы энергосбережения. 2003. 1(14). С.13-17.

3. Волкова О.В. Повышение надежности абсорбционных бромистолитиевых преобразователей теплоты путем применения ингибиторов коррозии // Холодильная техника. 2001. №8.

4. Бараненко А.В., Попов А.В., Тимофеевский Л.С. Энергосберегающие абсорбционные бромистолитиевые водоохлаждающие и водонагревательные преобразователи теплоты и инженерные системы // АВОК – северо-запад. 2001. №4.

5. Попов А.В. Анализ эффективности различных типов тепловых насосов// Энергосбережение. 2005. №1-2 (19). С.10-14.

6. Новоселов АМ., Попов АВ. Холодильная установка нового поколения для оптимизации температурного режима электролиза хрома // Металлург. 2005. №6.

7. Галимова Л.В., Славин Р.Б., Попов АВ. Энергосберегающая система на базе паротурбинной установки и абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины нового поколения // Холодильная техника. 2007. №2.