Портал по тригенерации, когенерации и мини-ТЭЦ

Абсорбционные бромистолитиевые водоохлаждающие и нагревательные трансформаторы теплоты


Попов А. В., к. т. н., Попов А. Влад, к. т. н., Корольков А. Г. к. т. н.


Журнал «проблемы энергосбережения», №1, февраль 2003 г.


Абсорбционные технологии охлаждения и нагрева нашли широкое применение во всём мире. Сегодня в Японии, например, более чем половина установленной холодильной мощности покрывается абсорбционными бромистолитиевыми холодильными машинами. Возрастающее использование абсорбционных технологий охлаждения и нагрева является новым направлением энергосбережения, хотя первые абсорбционные трансформаторы теплоты (АТТ) были разработаны в 19 веке. Несмотря на продолжительную историю АТТ, в 20-м столетии основным холодильным оборудованием являлись парокомпрессионные холодильные машины с электрическим приводом. Однако, благодаря последним разработкам, абсорбционные бромистолитиевые трансформаторы теплоты (АБТТ) стали альтернативой электроприводным охладителям во многих приложениях. Об этом говорит рост производства АБТТ в мире и расширение стран -производителей. По данным, приведённым в обзоре Международного Энергетического Агентства (IЕА) [1], в 1999 году в мире было произведено около 12 000 единиц АБТТ средней и крупной мощности (холодопроизводительностью от 350 кВт до 10 МВт), а в 2001 году их мировое производство достигло 15 000 единиц [2], причем основной прирост приходится на Китай и Южную Корею [3].

Данные за 1999 г. по странам – производителям приведены в табл. 1.

Страна – производитель

 Объем выпуска АБТТ

Япония

5000

Китай

3500

Южная Корея

1600

США

500

Индия

300

Большинство китайских и южнокорейских производителей данной техники являются либо дочерними, либо совместными предприятиями с японскими и американскими компаниями.

Широкое распространение в мире и непрерывный рост производства АБТТ объясняется их высокими потребительскими качествами: экологическая чистота, минимальное потребление дорогостоящей электроэнергии, бесшумность при работе, длительный срок службы. Рабочим веществом АБТТ является вода, а абсорбентом - водный раствор соли бромида лития (нетоксичного, пожаро-взрывобезопасного вещества). Все процессы в АБТТ протекают под вакуумом, что исключает попадание рабочего вещества и абсорбента во внешние теплоносители. АБТТ не имеют динамических нагрузок и поэтому могут располагаться на любом этаже здания.

В соответствие с Монреальским протоколом от 1987 года, подписанным сорока тремя странами, фактически все хладоны, используемые в парокомпрессионных машинах, проходят более тщательный контроль на «озонобезопасность» и «парниковый эффект», и облагаются жёсткими штрафами при их неправильном применении и утилизации. Поскольку в АБТТ хладагентом является вода, то они практически не влияют на озоновый слой атмосферы, и значительно меньшее влияние оказывают на создание парникового эффекта, чем парокомпрессионные хладоновые машины.

Высокие цены на электрическую энергию также является одной из основных причин возрастающей популярности АБТТ, поскольку они позволяют экономить 180 – 200 кВт×ч электроэнергии на каждые 1000 кВт×ч произведённого холода.

В последние годы получили распространение АБТТ, работающие непосредственно на газовом и жидком топливе. Такие АБТТ позволяют в летний период вырабатывать холод с минимальными эксплуатационными затратами, а в холодное время года вырабатывать горячую воду для отопления и горячего водоснабжения, что значительно сокращает затраты на создание и эксплуатацию систем тепло-хладоснабжения.

Некоторые области применения АБТТ:

– ТЭЦ

– ЖКХ

– АБТТ

– ГТУ

– Промышленные предприятия

– Эллектростанция с ДВС

– Установка огневого обезвреживания отходов

На промышленных предприятиях АБТТ применяют для охлаждения технологического оборудования (холодильные машины) и для нагревания технологических сред (тепловые насосы). В качестве греющего источника используется преимущественно сбросная низкопотенциальная теплота (пар, вода) – это самый дешёвый способ получения искусственных холода и теплоты.

В системе комбинированной выработки электроэнергии и теплоты, использование АБТТ обеспечивает летнюю загрузку основного оборудования, что повышает эффективность производства электроэнергии. При этом АБТТ преимущественно используют для выработки холода на собственные нужды энергетики и на коммерческую реализацию, например, в системы энерго-обеспечения жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ) и промышленных предприятий. Если в составе теплоэлектростанции работает газотурбинная установка (ГТУ), то в жаркую погоду АБТТ включают для охлаждения воздуха, поступающего в компрессор ГТУ. В качестве греющего источника для АБТТ применяют пар из отборов турбин либо непосредственно дымовые газы с температурой около 400 - 450 о С, или нагретую ими горячую воду с температурой 80 – 115 о С.

При выработке электроэнергии с помощью двигателя внутреннего сгорания (ДВС), например, дизель-генератора, теплота системы охлаждения двигателя и выхлопных газов используется в холодное время года на нужды отопления и горячего водоснабжения, а в теплое время года – на выработку холода в АБТТ.

На мусороперерабатывающих заводах – теплоэлектростанциях при очистке влажных дымовых газов выделяется значительное количество низкопотенциальной теплоты (40 - 45 о С). Эту теплоту преобразуют с помощью АБТТ в теплоту более высокого потенциала (75 - 80 о С) для отопления и горячего водоснабжение. Греющим источником в АБТТ, при этом, является пар из отбора турбины с давлением 0,6 МПа.

В ЖКХ АБТТ применяют для кондиционирования административных зданий, спортивных сооружений, концертных залов, и т. д., а также для отопления и горячего водоснабжения. В качестве низкопотенциального источника теплоты в тепловом насосе могут быть использованы сточные воды, сбросная низкопотенциальная теплота промышленных предприятий, ТЭЦ, вода артезианских скважин и т.п.

Опыт создания и применения АБТТ в России

Производство АБТТ в СССР было впервые начато в середине 60-х годов. Завод «Пензхиммаш» серийно выпускал холодильные машины, разработанные институтом ВНИИХолодмаш, мощностью 1100 и 3000 кВт (соответственно АБХМ-1000 и АБХМ- 2500) . Всего было выпущено около 600 АБХМ. К концу 80-х годов производство данных машин было практически прекращено. Одна из основных причин свертывания их производства – низкие потребительские качества. Отечественные АБХМ существенно уступали зарубежным аналогам по габаритам, массе, сроку службы, уровню системы контроля и управления, качеству изготовления.

Существенное отставание отечественных АБТТ по техническому уровню от зарубежных аналогов привели к необходимости создания отечественных АБТТ различных модификаций нового поколения с использованием современных наукоемких технологий (методов интенсификации тепломассопереноса, высококачественных конструкционных материалов, высокоэффективных ингибиторов коррозии, поверхностно-активных веществ, современных средств автоматизации рабочих процессов и т. д.).

Работы по созданию отечественных АБТТ нового поколения были начаты в середине 90-х годов по инициативе академика В. Е. Накорякова. В г. Новосибирске было создано специальное конструкторское бюро (в настоящее время ООО «ОКБ Теплосибмаш»). Работы велись под научным руководством Института теплофизики СО РАН совместно с Санкт-Петербургским университетом низкотемпературных и пищевых технологий при финансовой поддержке РАО «ЕЭС России» и Российского фонда технологического развития. Выполнен большой объем НИОКР, экспериментальных работ, создан и испытан ряд опытных образцов АБТТ различных типов машин.

На Новосибирском металлургическом заводе были проведены испытания теплового насоса с топкой на природном газе теплопроизводительностью 2000 кВт (АБТН - 2000 Г) [5]. На Барнаульском заводе синтетического волокна проведены испытания генератора теплового насоса с топкой на мазуте (АБТН - 2000 М). Успешно эксплуатируется тепловой насос с паровым обогревом мощностью 2000 кВт (АБТН - 2000 П) на Новосибирской ТЭЦ- 4 с января 1999 года [6].

Выполненные работы позволили разработать и приступить к промышленному производству АБТТ – холодильных машин и тепловых насосов, различных по модификации и мощности.

На Уфимском ОАО «Уфахимпром» в апреле 2002 года прошли испытания и приняты в промышленную эксплуатацию две холодильные машины марки АБХМ-1500П и АБХМ2-1500 с паровым обогревом мощностью по 1860 кВт. Изготовлена и смонтирована холодильная машина марки АБХМ-600 П с паровым обогревом мощностью 660 кВт на Дзержинском ОАО «Синтез», эксплуатацию которой планируется начать весной 2003 года.

Выполнен ряд проектов, где предусматривается использование различных типов АБТТ конструкции «ОКБ Теплосибмаш». Планируется широкое использование АБХМ на ряде строящихся объектов г. Москвы.

Приняты следующие обозначения для классификации машин, разработанных в «ОКБ Теплосибмаш»:

АБХМ, АБТН – соответственно холодильная машина, тепловой насос с одноступенчатыми схемами регенерации раствора; АБХМ2, АБТН2 – то же с двухступенчатыми схемами регенерации раствора; далее следует через дефис число, означающее условную производительность в киловаттах; приставки В, П, Т – соответственно, с водяным обогревом генератора, с паровым обогревом, с топкой на природном газе или жидком топливе.

Например, АБХМ2-5000П – обозначает холодильную машину с 2-х ступенчатой регенерацией раствора, холодопроизводительностью 5000 кВт, с паровым обогревом генератора.

В таблице 2, 3 приведены типы и основные характеристики АБТТ конструкции «ОКБ Теплосибмаш».


Основные показатели холодильных машин конструкции «Теплосибмаш»

Показатели

Тип холодильной машины

АБХМ-ВН

АБХМ-В

АБХМ-П

АБХМ2-П

АБХМ -Т

Холодопроизводитель-ность, кВт

350-2000

350-5000

350-5000

350-5000

350-3600

Температура охлаждаемой воды, 0С

17/12

12/7

Температура охлаждающей –нагреваемой воды, 0С

28/34

28/36

Греющая среда или топливо

Вода

Вода

Пар

Пар

Газ*2

Температура греющей воды, 0С или давление пара, МПа*1

85

75

115

 105

0,15

0,7

-

Удельный расход пара (воды) на выработку холода, кг/МВт

 120*3

120*3

2300

1320

-

Удельный расход топлива (газа) на выработку холода, м3/МВт

-

100


Основные показатели тепловых насосов конструкции «Теплосибмаш»

Показатели

Тип теплового насоса

АБТН-П

АБТН2-П

АБТН-Т

АБТН2-Т

Холодопроизводительность, кВт,

350-2000

Теплопроизводительность, кВт

850-5000

600-3750

850-5000

600-3750

Температура охлаждаемой воды, 0С

30 / 25

Температура охлаждающей – нагреваемой воды, 0С

 40 / 70

30/55

 40/ 70

30 / 55

Греющая среда или топливо

 Пар

 Газ*2

Температура греющей воды, 0С или давление пара, МПа *1

0,4

0,7

-

-

Удельный расход пара на выработку теплоты, кг/МВт

920

675

-

-

Удельный расход топлива (газа) на выработку теплоты, м3/МВт

-

-

68

54


*1 - давление абсолютное; *2 - природный газ; *3- м3/МВт.


Отечественные АБТТ нового поколения конструкции ОКБ «Теплосибмаш» имеют высокую эффективность, надежность, компактность, длительный срок службы, полную заводскую готовность и по этим показателям соответствуют мировому уровню.

Холодильные машины типа АБХМ-П, АБХМ-В (рис. 2) применяют при наличии сбросной низко потенциальной теплоты (тепловые, атомные, дизельные электростанции, промышленные предприятия и т. д.).

Холодильные машины типа АБХМ2 - П (рис. 3) работают на паре с давлением 0,4 – 0,8 МПа. При этом удельный расход теплоты в данных машинах по сравнению с машинами типа АБХМ-П (-В) снижается на 40 %, а расход охлаждающей воды на 30 %.

Для холодильных машин типа АБХМ-Т (рис. 4) предусматривают два основных режима работы:

- одновременное получение холодной воды и ограниченного количества горячей воды (рис. 4 а);

- получение только горячей воды, например, в холодное время года при сезонной выработке холода (рис. 4 б).

Имеется возможность одновременного нагрева разной воды, например, для горячего водоснабжения и отопления.

Тепловые насосы типа АБТН-П и АБТН-Т могут эффективно использоваться для выработки горячей воды для отопления, горячего водоснабжения, для одновременного охлаждения различного технологического оборудования и нагрева воды или других сред [7].

Опыт эксплуатации и анализ эффективности АБТН нового поколения показывают следующее.

Себестоимость получаемого холода в АБХМ, использующих в качестве греющего источника сбросную низкопотенциальную теплоту (пар или вода с температурой 85 - 115 0С), при существующих ценах в России на электроэнергию в 2-3 раза ниже себестоимости холода, получаемого в парокомпрессионных электроприводных холодильных машинах.

Себестоимость получаемого холода в АБХМ, использующих в качестве греющего источника пар с давлением 0,4 - 0,8 МПа от котельных, сопоставима с себестоимостью холода, получаемого в парокомпрессионных электроприводных холодильных машинах.

Себестоимость получаемого холода в АБХМ с топкой на природном газе, при существующих соотношениях цен на природный газ и электроэнергию в России, на 30-40 % ниже себестоимости холода, получаемого в парокомпрессионных электроприводных холодильных машинах.

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

При работе в режиме теплового насоса себестоимость дополнительной (утилизируемой) теплоты, получаемой в АБТН с паровым (водяным) обогревом, при существующих ценах на отечественные АБТТ составляет 65 - 85 руб./Гкал в зависимости от конкретных условий размещения теплонасосной установки. При существующих ценах на энергоносители в России срок окупаемости капитальных вложений на ТНУ составляет от 2 до 4 лет в зависимости от стоимости теплоты замещаемого теплоисточника.

С ожидаемым ростом цен в России на энергоносители эффективность применения ТНУ будет возрастать.


Заключение

Абсорбционные бромистолитиевые трансформаторы теплоты являются высокоэффективным, экологически чистым энергосберегающим оборудованием. Они широко применяются в мире, и их производство непрерывно растёт. Многие экономически развитые страны имеют национальные программы по АБТТ. Применение в России АБТТ зарубежного производства сдерживается относительно высокой их стоимостью.

В России начато производство различных типов АБТТ, не уступающих зарубежным аналогам по качеству и основным параметрам, при этом цена российских машин – существенно ниже. Опыт применения АБТТ нового поколения в отечественных условиях показал их высокую эффективность.

При ожидаемом росте цен на энергоносители, в связи с предстоящей реструктуризацией электроэнергетики России, эффективность использования АБТТ будет возрастать.

Отсутствие отечественных стандартов и национальной программы по АБТТ значительно усложняет их разработку, производство и применение.

Список использованных источников

1. ABO Newsletter No 4, United Kingdom, December, 1999.

2. IEA Overview, 2001.

3. CIBSE Building Services Journal, December, 1998, “China, a CIBSE opportunity”.

4. Попов А. В. Система охлаждения и утилизации тепла дымовых газов мусоросжигающих заводов //Очистка и обезвреживание дымовых газов из установок, сжигающих отходы и мусор. – Новосибирск, 1999. – С. – 121-132.

5. Попов А. В., Богданов А. И., Паздников А. Г. Опыт разработки и создания абсорбционных бромистолитиевых тепловых насосов // Промышленная энергетика - 1999, № 8. – С. – 38-43.

6. Бараненко А. В., Попов А. В. , Тимофеевский Л. С., Волков О. В. Абсорбционные бромистолитиевые преобразователи теплоты нового поколения //Холодильная техника, 2001, № 4. – С. – 18-20.

7. Бараненко А. В., Попов А. В. , Тимофеевский Л. С. Энергосберегающие абсорбционные бромистолитиевые водоохлаждающие и водонагревательные преобразователи теплоты // Инженерные системы, АВОК – Северо - Запад, 2001, № 4.