- 2 -

3. Утилизация сбросного низкопотенциального тепла на нс и кс мг с помощью тепловых насосов

3.1. Краткие сведения о тепловых насосах

Тепловые насосы (ТН) применяются в тех случаях, когда невозможно использование теплоты обычным способом: путем передачи в другой процесс с помощью теплообменников.

Тепловой насос представляет собой повышающий трансформатор тепла, в котором осуществляется перенос тепловой энергии от источника низкого температурного потенциала к источнику более высокого потенциала.

В нефтегазовой отрасли используются компрессионные и абсорбционные установки. ВНИИГАЗом, для использования на объектах нефтяной и газовой промышленности, создана блочно-контейнерная парокомпрессионная теплонасосная установка (ТНУ) с приводом от газового двигателя мощностью 7 кВт (рис. 10.1).

Рисунок 10.1. Теплонасосная установка в модульно – контейнерном исполнении (ВНИИГАЗ):

1 – воздушный испаритель; 2 – осевой вентилятор двигателя; 3 – дроссель; 4 – воздушный компрессор; 5 – конденсатор; 6 – газовый двигатель 2Ч 8,5/41; 7 – утилизационный теплообменник выхлопных газов и охлаждаемой жидкости

Тепловые насосы обычно выпускаются в блочном исполнении, в их состав входит стандартное оборудование: испаритель, конденсатор, компрессор и дроссель.

3.1.2. Области применения тепловых насосов

Тепловые насосы используют низкопотенциальное тепло природных источников или сбросных потоков.

Анализируя график распределения сбросной теплоты по температуре в промышленности США (рис. 10.2), отметим, что с температурой t ≈ 50C сбрасывается около 10¹⁹ Дж теплоты ежегодно, что соответствует тепловой мощности .

Чтобы понять, как велики эти потери низкопотенциального тепла, сопоставим их с суммарной мощностью всех ГПА, установленных на КС всех газопроводов ОАО "Газпром", которая составляет примерно 44 ГВт.

Очевидно, что эти ресурсы огромны. Необычным для нас кажется и тот факт, что количество низкотемпературного тепла, теряемого с охлаждающей и технической водой, значительно больше, чем уходит с дымовыми и печными газами, имеющими очень высокую температуру.

Тепловые насосы – это экологически чистые компактные установки. В современных условиях сокращения запасов топливных ресурсов и увеличения тарифов на электроэнергию они получают огромные перспективы к развитию и повсеместному внедрению.

Во-первых, потому, что это единственные установки, которые производят в энергии 3 – 7 раз больше той, которую потребляют, т.е. энергии, идущей на привод компрессора.

Во-вторых, потому, что они могут утилизировать низкопотенциальное тепло, потери которого в производстве, в быту, при транспорте углеводородов, особенно газов, потрясающе велики.

Теплонасосные установки (ТНУ) могут быть очень мощными. К примеру, это крупная теплонасосная станция мощностью 320 МВт, построенная в 1986 г. в Швеции, для теплоснабжения Стокгольма. В качестве источника тепла в ней используется вода Балтийского моря с температурой +4 °С, охлаждающаяся до +2 °С. Летом температура воды увеличивается, а вместе с ней увеличивается и эффективность станции. Сама станция располагается на 6 причаленных к берегу баржах.

12,0

Охлаждающая вода

10,0

Техническая вода

8,0

Конденсат

6,0

Технологические продукты

4,0

Дымовые газы котлов

2,0

Печные газы

0,0

0

200

400

600

800

1000

Температура, С

Рисунок 10.2 Распределение потоков сбросной теплоты по температуре в промышленности США, 1982 г.

По данным 1997 г. во всем мире тепловых насосов всех типов насчитывалось около 90 млн. штук. Уровень производства и темпы продаж тепловых насосов нарастают (табл. 10.1).

Таблица 10.1 - Количество насосов, установленных в ведущих странах мира (по данным 1997 г.)

Страна	Количество установленных насосов, шт.
Япония	Около 57 000 000
США	13 500 000
Китай	10 000 000
Европа (без России и стран СНГ)	4 280 000
Россия и страны СНГ	Нет данных

Тепловые насосы в блочном исполнении поставляет потребителям шведская фирма "Сталь-Лаваль", теплонасосные установки мощностью 29 МВт производит швейцарская фирма "Зульцер". К 1986 общая тепловая мощность этих двух фирм в Швеции достигла 1 ГВт. Крупные станции с ТНУ сооружают в США, ФРГ, Швейцарии, Великобритании, Дании, Норвегии.

Общая установленная тепловая мощность всех ТН на 01.01.2001 г. в России меньше, чем в Люксембурге. Сдерживает их применение неблагоприятное соотношение цен на электроэнергию и топливо - причина очень серьезная, хотя и не технического характера.

Одной из первых в России специализированных фирм по выпуску и внедрению тепловых насосов является ЗАО "Энергия" (г. Новосибирск), которое было создано в 1989 - 1990 гг. К 2003 г. в России работало более 70 ТН "вода - вода" общей тепловой мощностью более 40 МВт, введенных в строй ЗАО "Энергия". Фирма начала с того, что создала и успешно внедрила несколько типоразмеров ТН на Камчатке.

Этот регион, не имеющий собственных источников органического топлива, после перехода на рыночную экономику, одним из первых ощутил повышение цен на топливо. И в этих условиях тепловые насосы оказались экономически выгодными. Кроме того, на Камчатке имеются Паужетская и Мутновская геотермальные электростанции, большое количество геотермальных низкотемпературных источников тепла с температурой 30 – 40 °С, не пригодных для прямого использования, но обеспечивающих высокий коэффициент преобразования теплонасосных установок.

Тепловые насосы стали выпускать ведущие машиностроительные предприятия России: НПО "Казанькомпрессормаш", завод "Киров-Энергомаш", ПО "Компрессор" и завод "Красный факел" (г. Москва), ПО "Мелитопольхолодмаш", предприятия в Омске, Перми, Чебоксарах, Пензе, Рыбинске, Нижнем Новгороде и др., которые освоили и наладили серийный выпуск тепловых насосов мощностью от 3 кВт до 11,5 МВт и более.

К 2004 г. в России появилось более 20 организаций и фирм, не считая иностранных, которые предлагают свои услуги в этой сфере. Производимые ими теплонасосные агрегаты отвечают высоким требованиям стандарта и экологической безопасности.

Тепловые насосы, выпускаемые нашей промышленностью, унифицированы, имеют автоматизированное управление и достаточно просты в обслуживании.

Перспективно применение тепловых насосов на КС и НС магистральных трубопроводов в качестве теплоутилизационного оборудования. Так, за счет трансформации низкотемпературного тепла теплонасосные установки могут полностью обеспечить потребности станций в тепле и горячей воде. В бинарном исполнении они могут вырабатывать пар высоких параметров для получения механической и электрической энергии.

Тепловые насосы можно использовать для утилизации тепла природного газа, циклового воздуха, охлаждающей воды систем охлаждения, масла, промышленных стоков, дымовых газов и продуктов сгорания, отработавших в утилизаторах, вентиляционных выбросов и т.п. Кроме того, тепловой насос можно использовать как резервный источник для покрытия тепловых нагрузок. И т. д.

Следует отметить, что прямое использование воды системы оборотного водоснабжения на КС и НС в качестве ИНТ (источника низкотемпературного тепла) для тепловых насосов вместо привычных градирен не вызывает затруднений. То же можно сказать и об использовании тепла сточных вод на КС и НС.

Замена градирен и АВО тепловыми насосами позволит на бросовом низкотемпературном тепле организовать работу силового оборудования: электрогенераторов, нагнетателей и т. др. Причем производство энергии тепловыми насосами может быть не менее эффективно. Повсеместное применение тепловых насосов за рубежом свидетельствует об этом.

Тепловые насосы могут использоваться в качестве первой ступени каскада при съеме тепла с потока природного газа на КС. Теплонасосные установки могут утилизировать остаточное тепло сбросовых газовых потоков, остающееся после обычных утилизаторов (дымовых газов, продуктов сгорания, вентиляционных выбросов и т.д.). Конечно, решение таких задач должно проводиться комплексно, в соответствии с принципом когенерации, так как затрагивает вопросы эффективной работы основного оборудования.

Перспективным может быть комплексное использование тепловых насосов в системах охлаждения природного газа. Так, понижение температуры природного газа на входе в нагнетатель повышает его энергетические показатели и делает работу ГПА в целом более эффективной. А это значит, что выбор оптимальных режимов работы ГПА может производиться с учетом совместной работы тепловых насосов и т.д.

В условиях нефтепромыслов Крайнего Севера и головных сооружений магистрального нефтепровода, где остро ощущается дефицит электрической и тепловой энергии, применение тепловых насосов оправдано во всех отношениях.