4. Анализ энергоэффективности потребителей энергии и оборудования.

Освещение.

Около 240 млрд. кВт час в России, что составляет более четверти выработки электрической энергии в стране, расходуется осветительными приборами различного назначения. Снижение потребления электрической энергии на эти цели и уменьшение платы за нее является главной целью оптимизации осветительных систем при улучшении качества и эффективности освещения.

Основными источниками света в быту и на производстве по прежнему остаются классические лампы накаливания со сроком службы от 500 до 1000 часов и со светоотдачей в среднем 10 люменов на ватт. Применение газоразрядных ламп низкого давления (люминесцентных) со сроком службы до 12000 часов и со светоотдачей в среднем 70 люмен на ватт и высокого давления ртутных, натриевых, металлогалоидных со светоотдачей до 110 люмен на ватт и со сроком службы от 5000 до20000 часов позволяет снизить затраты электрической энергии в среднем в 6 раз. Использование токов повышенной частоты для питания ламп низкого давления (до 50000 гц) и высокого давления (до 5000 гц) увеличивает светоотдачу ламп низкого давления до 30%, а у ламп высокого давления до15%, с одновременным ростом срока службы до 1,5 раза (рис. 3.1).

Свойства газоразрядных ламп при питании токами повышенной частоты существенно меняются. При низкой частоте питающего напряжения 50 Гц процессы ионизации и деионизации в газовом разряде не находятся в равновесии и динамические вольтамперные характеристики из-за этого имеют вид расширенной петли. С ростом частоты тока газовый заряд приближается к динамическому равновесию, о чем свидетельствует сужение петли вольтамперной характеристики, которая на частотах 1-2 кГц принимает вид прямой линии. Электрические свойства газового разряда при этом приближаются к свойствам активного сопротивления, а коэффициент мощности становится близким к единице. Тип балластного сопротивления индуктивный или емкостный, начиная с частот 400-600 Гц, практически перестает влиять на характеристики лампы. С увеличением частоты уменьшаются масса и габариты реактивных балластных сопротивлений, при заданных их величинах уменьшается размерность индуктивности и емкости. Снижаются также величины токов и напряжений при одинаковых мощностях на лампах, а улучшение условий перезажигания приводит к уменьшению амплитудного коэффициента тока. На повышенной частоте питания предпочтительней применение емкостных балластов. Это упрощает конструкцию ПРА, уменьшает стоимость, исключает использование обмоточной меди и электротехнической стали, снижает уровень

Рис. 3.1. Компактные люминесцентные энергосберегающие лампы.

потерь и шума

Как показали исследования, с ростом частоты питающего тока светоотдача газоразрядных ламп возрастает в связи с улучшением условий горения газового разряда. Анализ зависимостей светоотдачи от частоты питания показывает, что для ламп высокого давления рост светоотдачи замедляется на частотах около 800 Гц и достигает насыщения на частоте около 1000 Гц, у ламп низкого давления замедление происходит на частотах около 2000 Гц, а насыщение наступает при частоте 8,0 – 10,0 кГц. Важным является стабильность светового потока лампы в процессе эксплуатации и срок ее службы. Исчезновение пиков перезажигания на повышенной частоте, уменьшение действующего значения тока лампы до 10%, при постоянной мощности, и его амплитудного коэффициента уменьшает износ электродов, за счет чего увеличивается до 40% срок службы прибора, увеличивается коэффициент мощности до 0,98, полное сопротивление уменьшается до 10% и замедляется спад светового потока.

При эксплуатации газоразрядных ламп высокого давления на повышенной частоте питающего напряжения нужно учитывать явление акустического резонанса в горелке, при котором нарушается нормальная работа, резко падает мощность и лампа, как правило, гаснет. Для стандартных ламп высокого давления граничная частота резонанса начинается с частот 1,6 – 1,8 кГц. Из – за неоднородности область акустического резонанса достаточно широка и достигает 300 – 500 Гц. В этой связи с учетом полуширины резонансной области не следует работать на частотах выше 1,5 кГц. Кроме этого интенсивное изменение свойств ламп высокого давления с ростом частоты происходит до частоты 1000 Гц. Учитывая, что эта частота имеется в ГОСТ 6697 – 75, для газоразрядных ламп высокого давления следует считать оптимальной частоту 1000 Гц. Эта частота является благоприятной при проектировании питающих сетей и источников питания повышенной частоты для подключения групповой ламповой нагрузки, которая в случае применения газоразрядных ламп высокого давления достигает десятков кВт и редко бывает менее одного кВт.

Для ламп высокого давления, которым не угрожает акустический резонанс, при использовании индивидуальных источников питания – полупроводниковых ПРА, рациональной будет частота выше 20 кГц, что позволяет уменьшить массо – габаритные показатели и сделать оборудование полностью бесшумным для человеческого уха. При работы от групповых источников питания следует принимать частоту не выше 3 –5 кГц в связи с ростом потерь в распределительных сетях и относительной дороговизной мощных тиристорных преобразователей частоты на частотах более 20 кГц.

Необходимо отметить, что простая замена ламп накаливания на газоразрядные снижает потребление электроэнергии на нужды освещения в 5,5-6 раз. Так замена одной 75 ваттной лампы накаливания на 14 ваттную энергосберегающую газоразрядную со сроком службы 10000 часов экономит за это время не менее 160 кГ условного топлива. Энергетика России обладает 80 процентным потенциалом энергосбережения от расхода электроэнергии на цели освещения за счет применения энергосберегающего светотехнического оборудования. Это позволяет сэкономить более 60 млн. тонн условного топлива и сократить эмиссию загрязняющих и тепличных газов в атмосферу в количестве примерно 190 млн. Т двуокиси углерода, 0,6 млн. Т окислов серы, 0,35 млн. Т окислов азота. Помимо замены типа ламп существенную экономию дает применение специального светотехнической арматуры, регулирование уровней освещенности в зависимости от времени суток и технологии, применение комбинированных схем освещения (общее совместно с локальным) , правильный подбор цветов окраски помещений и оборудования. При эксплуатации систем освещения необходимо:

• Выключать световые приборы, которыми не пользуются.

• Уходя гасить свет.

• Подбирать уровень освещенности в зависимости от характера выполняемой работы.

• Применение современной пуско-регулирующей аппаратуры, в том числе и на повышенной частоте тока, при применении газоразрядных ламп низкого и высокого давления.

• Использовать светлую окраску стен и потолков.

• Выбор светотехнической арматуры должен соответствовать типу помещения, технологии, типу ламп, легкости обслуживания и чистки от пыли и грязи.

• Использовать естественное освещение, не загромождать оконные проемы, своевременно очищать стекла окон, для регулирования применять жалюзи, применять фотоэлементы и таймеры.

• Своевременно заменять вышедшие из строя и выработавшие срок службы лампы.

• Применять местное освещение там, где это возможно по условиям работы.

• В местах прохода, в помещениях, в которых не предусмотрено постоянное наличие персонала, устанавливать локальное освещение, которое отключается при отсутствии людей.

• Использовать автоматизированные программируемые устройства регулирования светового потока, позволяющие экономить до 40% потребляемой электроэнергии.

• Оптимизировать осветительные кабельные сети, с компенсацией реактивной мощности.

Электропривод.

Около 53,5% электрической энергии расходуется на электрический привод различных установок и машин. В этой связи правильный выбор установленной мощности электрических двигателей является решающим при определении эффективности их использования. Как правило мощность используемых в производстве двигателей завышается из принципа «запас карман не тянет», так как перегрузка двигателя приводит к выходу из строя. Однако, если двигатель недогружен он работает с повышенным коэффициентом мощности и пониженным к.п.д. Это снижает энергетическую эффективность его работы, приводит к относительно высокому пусковому току, что повышает установленную мощность трансформаторов и пуско-регулирующего оборудования и увеличивает стоимость оборудования. В этой связи при загрузке электрических двигателей менее 70% их замена дает существенный экономический эффект. Необходимо также при выборе электродвигателей учитывать тип их исполнения, который должен соответствовать условиями эксплуатации: открытый, закрытый, взрывозащищенный и т.п., так как от этого зависит стоимость машины- чем выше степень защищенности, тем больше эксплуатационные и капитальные затраты.

Цель электрического привода это поддержание скорости вращения электродвигателя в соответствии с требованиями рабочей машины и минимизация при этом расхода электроэнергии. Регулирование скорости работы рабочих машин в соответствии с конкретными технологическими условиями позволяет существенно снизить расход энергии. Так по данным Российско-Датского института энергоэффективности применение регулируемого электропривода позволяет экономить электроэнергию для компрессов и вентиляторов до 50%, насосов до30%, технологического оборудования до 20%. В среднем применение частотно-регулируемого электрического привода обеспечивает более 30% экономии электрической энергии, расходуемой на нужды привода машин и механизмов. В масштабах России массовое применение современных энергосберегающих электрических двигателей и электронных систем их управления позволит сэкономить не менее 80 млрд. кВт часов электрической энергии, то есть более 20 млн. тонн условного топлива, существенно снизить загрязнение окружающей среды.

Имеются различные типы регулируемых электроприводов. Наиболее эффективные с точки зрения регулирования являются привода с двигателями постоянного тока. Однако они относительно сложны и дороги и их применение требует серьезного обоснования. Основная часть приводов до 95% в промышленности и сельском хозяйстве построены с использованием асинхронных электродвигателях переменного тока с короткозамкнутым ротором. Их можно регулировать с помощью изменения величины подведенного напряжения и посредством регулирования частоты питающего тока.

Первый способ достаточно прост и дешев. Однако в связи с тем, что вращающих момент асинхронной машины пропорционален квадрату напряжения, его можно использовать только в случаях когда двигатель пускается без нагрузки и когда снижение скорости вращения при снижении напряжения на якоре согласуется с необходимым вращающим моментом рабочего органа. Такие случаи встречаются достаточно редко. Поэтому этот способ применяется в основном при осуществлении плавного пуска машин большой мощности для снижения пусковых токов и уменьшения установленной мощности энергетического оборудования.

Значительно чаще применяется частотно-регулируемые системы, в которых осуществляется регулирование величины частоты питающего тока и уровня напряжения подаваемого на обмотку статора. Система регулирования комплектуется регулятором напряжения, преобразователем частоты с непосредственной связью - циклоконвертор или инвертором со звеном постоянного тока, системой управления полупроводниковыми силовыми приборами со специальными датчиками, микропроцессорным оборудованием и соответствующим программным обеспечением. При этом необходимо учитывать, что уменьшение частоты вращения двигателя ухудшает условия охлаждения, а изменение частоты питающего тока изменяет физические и относительные величины индуктивных сопротивлений.

Закон изменения напряжения, питающего обмотку якоря-статора двигателя, и частоты тока зависит от того, какой принцип регулирования привода принят для конкретного случая. Регулирование скорости вращения асинхронных электродвигателей в основном осуществляется при постоянном моменте, постоянной мощности или в случае, когда момент пропорционален квадрату частоты.

Как известно, электромагнитный момент асинхронной машины равен:

,

Примем, что двигатель работает с практически постоянными параметрами, в этом случае соотношение между напряжением, моментом и частотой в самом общем виде будет:

Где M₁ и U₁ момент и напряжение для номинальной частоты питающего тока f₁ , а M₂ и U₂ момент и напряжение для нового значения частоты питающего тока f₂ .

Когда M = const имеем;

В случае P = const будет:

Тогда:

Если M пропорционально f² :

Если пренебречь падением напряжения в обмотке статора, то можно считать, что напряжение пропорционально э.д.с. :

U₁ = E₁ = 4,44 f₁ w₁ k_{об 1}Ф

Как видно из формулы при регулировании частоты необходимо иметь в виду, что увеличение магнитного потока Ф от номинального ведет к увеличению насыщение магнитной цепи, увеличению потерь в стали, росту намагничивающего тока и как следствие ухудшению коэффициента мощности, а уменьшение Ф снижает использование машины, уменьшает опрокидывающий момент, а при постоянной мощности ведет к росту тока. Эти обстоятельства необходимо учитывать при применении частотно-регулируемых электрических приводов.

Отметим, что частотно-регулируемый привод переменного тока позволяет с высокой точностью поддерживать заданную технологическими процессами частоту вращения, обеспечивает плавный пуск и разгон машин, что позволяет избежать ударных пусковых токовых и механических воздействий на привод за счет чего значительно увеличивается срок службы оборудования и повышается надежность. Однако главным преимуществом такой системы регулирования является экономия электрической энергии, в связи с тем что каждый момент времени затраты энергии на привод механизмов не превышают необходимых величин, определяемых конкретной величиной выполняемой работы. Это особенно хорошо видно на приводах центробежных машин, таких как вентиляторы, насосы, компрессоры. На рис.3. приведены характеристики расхода, напора и потребленной энергии от скорости вращения для центробежного насоса, соответственно линейная, квадратичная и кубическая функции. Так, например, при снижении расхода на 50% от расчетной, потребляемая мощность уменьшится в снизиться в 8 раз и составит всего 12,5% от номинальной.

По расчетам применение таких приводов в тепло и водоснабжении экономит до 60% электрической энергии, 30% воды и 10% тепла.

На основе частотно-регулируемого электропривода можно легко реализовать различные системы автоматического управления технологическими процессами, в которых применение регулируемых приводов резко улучшает их экономичность и повышает качество выполняемых технологий. Современные выпускаемые промышленностью на базе силовых полупроводниковых приборов позволяют помимо регулирования частоты вращения отрабатывать и другие функции:

• осуществлять реверс привода при необходимости;

• производить автоматический запуск при кратковременной потере питающего напряжения;

• защищать электропривод от перегрузок и перенапряжений;

• осуществлять съем, передачу, отображение всех электрических и механических параметров привода;

• осуществлять оптимальное согласование электропривода с одной рабочей машиной в соответствии с технологическими требованиями, а также в составе группового привода;

• производить автоматическую диагностику и контроль за состоянием привода;

Вентиляторы.

Системы вентиляции на предприятиях в учреждениях расходуют существенную часть потребляемой электроэнергии. Они могут быть элементами технологических линий, обеспечивать санитарно-гигиенические условия в различных помещениях. Большую роль вентиляторы играют в системах кондиционирования воздуха. Энергозатраты на вентилирование помещений зависит от того в каком режиме непрерывном или прерывистом работаю вентиляторы. Так например по данным РДИЭ на создание постоянно действующего вентиляционного потока в 3000м³ в час необходимо 20000 кВтч электроэнергии в год. Анализируя необходимые и действительные расходы газа и величину потребляемой электроэнергии необходимо оценить возможности ее экономии в системах вентиляции. В среднем капитальные затраты и затраты на обслуживание вентиляторов за нормативный срок службы составляют 10% от общей стоимости затрат на вентиляцию, остальные 90% это стоимость потребленной электроэнергии.

Изучение вентиляционной системы необходимо начать с выяснения реальных потребностей, так как очень часто вентиляторы работают с избыточной производительностью, а режим их работы может не соответствовать производственной потребности. Большое влияние на энергоэффективность вентиляторов оказывает регулярность обслуживания, очистка каналов и рабочих органов от пыли и посторонних предметов, которые могут попадать в системы в процессе работы, контроль за утечками, целостностью и размерами газоходов. В ночное время и перерывы желательно отключать часть не загруженного оборудования в том числе и вентиляторы, которые должны управляться автоматически в зависимости от параметров внешней среды.

Мощность потребляемая вентилятором определяется следующей формулой:

_,

где P потребляемая вентилятором мощность,

расход,

p давление,

к.п.д. вентилятора,

к.п.д. двигателя,

к.п.д. передачи.

Для повышения эффективности работы систем вентиляции и энергосбережения необходимо:

• Снижать потери давления за счет снижения скорости воздуха в воздуховодах. Потери на трение в воздуховодах уменьшаются на 75% при увеличении диаметра в 1,5 раза, а внутренне давление снижается в 4 раза при увеличении диаметра в 2 раза, удвоение скорости потока увеличивает давление вентилятора в 4 раза и в 8 раз потребляемую мощность.

• Регулировать скорость вращения в зависимости от потребности с помощью регулирования частоты вращения приводного двигателя существенно экономичней управления с помощью заслонки. Для этого можно использовать специальные преобразователи частоты и многоскоростные электродвигатели. При этом расход Q пропорционален первой степени частоты вращения n, давление p второй, потребляемая мощность P третьей.

• Потери можно снизить путем уплотнения строительных конструкций, применения тамбуров и воздушных завес, а также местной вентиляции там, где это возможно по условиям работы.

• Следует согласовать характеристики вентиляторов с характеристиками вентиляционной сети. Очень часто мощность применяемых в различных установках вентиляторов завышается.

• Применять рекуперацию тепла отходящего воздуха систем вентиляции и кондиционирования.

Насосы.

Насосы – это устройства, которые за счет создаваемого с помощью рабочих органов давления перемещают различные жидкости и взвеси по трубопроводам. Они работают в различных технологических и коммунально-бытовых системах и потребляют значительные количества электрической энергии. Неправильно организованное управление работой насосов и выбор их мощности и производительности существенно влияют на расход электрической энергии

На производстве в основном используются центробежные насосы для перекачки жидкостей в различных установках, поддержания давления в гидросистемах и т.п. За нормативный срок службы стоимость потребленной электроэнергии может достигать 90% от всех затрат на содержание и приобретение насоса. При выборе насосной установки необходимо согласование ее параметров с нагрузочными характеристиками трубопровода. Однако в процессе работы приходится регулировать расход. При постоянной скорости вращения привода насоса регулирование часто осуществляется с помощью изменения характеристик дроссельного клапана или же путем отвода излишков расхода через клапан by pass. Оба эти способа достаточно энергоемки. Эффективней регулирование нагнетателя. Простой эффективный метод управления работой насоса с помощью отключений в зависимости от давления, уровня жидкости и т.п. Возможно, также применение нескольких параллельно работающих насосов малой мощности и производительности вместо одного, с помощью которых можно регулировать производительность ступенчато по мере надобности, тем самым управляя уровнем потребления энергии.

Рассматривая кривые характеристик насоса и системы напор-расход H – Q видно, что наиболее эффективно регулировать параметры насоса с помощью изменения частоты напряжения питающего приводной двигатель (рис.3.2.). Отметим, применение преобразователей частоты возможно на существующих установках без замены электродвигателей. Если насос рассчитан на максимальную нагрузку, а основную часть времени работает недогруженным, то применение преобразователя резко снижает потребление энергии. То есть использование целесообразно в случае резких колебаний расхода, если насос не догружен основную часть рабочего времени, если установленная мощность двигателя завышена. Однако необходимо помнить, что максимальный к.п.д. у двигателей приходится на нагрузку 0,75-0,8 от номинальной.

В системах водоснабжения возможно снижение производительности насоса, которая используется кратковременно, применением водонапорных накопителей воды подпитывающих систему при необходимости.

Следует иметь в виду, что потери трения жидкости уменьшаются на 75% при увеличении диаметра трубопровода на50%, удвоение скорости потока увеличивает потребление энергии в 8 раз, при этом производительность удваивается.

Теплотехническое оборудование.

Наряду с механической энергией большую роль в производственных процессах и в коммунально бытовом секторе экономики играет тепло. Более четверти энергетических ресурсов потребляется в производственных и коммунально-бытовых системах теплоснабжения и нагрева. Тепло в основном получается в результате химической реакции

Рис. 3.2. Зависимости расхода, напора и энергии, потребляемой двигателем,

от скорости вращения центробежного насоса.

окисления углеводородного топлива. Тепловая энергия используется непосредственно и как переходная ступень при превращении энергии топлива в другие виды энергии. Почти каждое превращение энергии сопровождается выделением тепла, которое частично превращается в полезную работу, а частично безвозвратно теряется в виде потерь.

Тепловая энергия передается различными энергоносителями (газ, топливо, горячая вода, водяной пар) и используется в технологическом оборудовании (молоты, пресса, ковочные машины) и непосредственно в теплотехнических установках (печи, сушильные и пропарочные камеры, теплообменники, холодильники ). В системах теплоснабжения в качестве основного теплоносителя, как правило, применяется вода с температурой до 150 градусов, которая от котельной поступает по трубопроводам к потребителям. Наиболее распространенной системой теплоснабжения являются системы отопления, которые состоят из центральной котельной, магистральных и разводящих теплотрасс, тепловых пунктов и отопительного оборудования зданий. В настоящее время получили распространение блочные крышные котельные, а также поквартирные системы отопления. Они не требуют постоянного присутствия персонала, работают без внешних теплотрасс, что позволяет снизить потери энергии и уменьшить затраты.

Поквартирное отопление – автономное децентрализованное индивидуальное обеспечение отдельной квартиры в многоквартирном доме или отдельного дома теплом, холодной и горячей водой. Наиболее дешевый вариант топлива это применение природного газа. Поквартирное отопление широко применяется в Европе. Так в Италии такой системой оборудовано 20 миллионов жилищ, в том числе 14 миллионов квартир. В России такое отопление может стать основой жилищно – коммунальной реформы. Дома с такими системами уже построены в нескольких городах. Стоимость обеспечения отоплением и горячей водой на семью из 4 человек по сравнению с централизованной системой уменьшилась на примере Смоленска в 6 раз, а с учетом дотаций - в 15 . Потребители сами определяют уровень температуры в доме и поступление горячей воды, что автоматически поддерживается индивидуальной системой управления. Это снимает проблемы сезонности и все проблемы теплоснабжения переводит в руки самих жильцов и экономит их средства. Расход природного газа на эти цели снижается не менее, чем на 30 - 40%. Удешевляется жилищное строительство так как отпадает потребность в возведении теплотрасс, тепловых пунктов, систем учета тепла. Квартиросъемщик оплачивает только за потребленный природный газ. Для органов местного самоуправления снимаются проблемы теплоснабжения, экономятся бюджетные средства, снижается объем работы коммунальных служб.

Важным фактором экономии энергетических ресурсов является применение систем газолучистого отопления и обогрева больших производственных, торговых, спортивных помещений. Такие установки фактически обеспечивают зонный обогрев рабочих поверхностей в помещениях с большим объемом. В этих помещениях при обычном конвенционном обогреве образуются под крышей тепловые подушки теплого воздуха, в результате средняя температура оказывается выше температуры на рабочем месте, затрудняется обеспечение комфортных условий на всех местах пребывания персонала, возникает опасность заморозки системы и большие потери в теплотрассах. Использование модулей с трубчатыми газо-лучистыми нагревателями концентрируют тепло в нижней части помещений, позволяют иметь зоны с различной температурой, отсутствие пыли и излишнего движения воздуха повышают комфорт, а следовательно и производительность. Кроме этого отпадает необходимость в строительстве котельных и теплотрасс при минимальном обслуживании оборудования. Расход энергоносителей сокращается примерно в 2 раза, а целом общая экономия средств по сравнению с конвекционными установками обогрева может достигнуть 80%. Так на Внуковском авиаремонтном заводе №400 газолучистого отопления смонтирована в ангаре размером 100 на 60 метров при средней высоте 13 метров. Всего установлено 64 модуля по 45 кВт и 2 по 28 кВт. Управление осуществляется компьюторной автоматической системой. Общий экономический эффект 50000 $ за отопительный сезон.

Классические системы отопления, состоящие из котельных, теплотрасс и конвенционных отопительных батарей и теплообменников, нуждаются в ревизии с тем, чтоб разработать и реализовать мероприятия по экономии энергии в системах подачи и сжигания топлива, установках подачи воздуха, водоподготовки и ее циркуляции, котлах, паропроводах и теплотрассах, бойлерных и других тепловых приборах. Необходим обязательный учет тепловой энергии на всех этапах ее получения и потребления. Установки рекуперации тепловой энергии и снижения всех потерь повышают коэффициент использования энергетических ресурсов всех видов. Например, переход к системе отопления с регулированием расхода воды в системе позволяет экономить 65% электрической энергии на привод сетевых циркуляционных насосов, что подтверждается опытом работы в Польше и в Венгрии.

Одним из средств энергосбережения в сфере теплоснабжения является утилизация с помощью тепловых насосов тепловой энергии низкотемпературных источников тепла, в том числе и природных, и тепла, сбрасываемого различными технологическими установками в производстве и коммунально-бытовой сфере. Тепловые насосы это трансформирующие тепло установки с помощью подведенной из вне энергии. К таким установкам, например, относятся холодильники и кондиционеры, а также сплинт системы.. Эффективность работы тепловых насосов определяется с помощью коэффициента трансформации тепла, который для реальных установок равен 3-4, то есть на 1 кВт час. энергии, израсходованной в компрессором установки, можно получить 3-4 кВт час. тепловой энергии. По известным причинам тепловые насосы не нашли широкого применения в РФ, не смотря на то, что в странах с развитой рыночной экономикой они используются достаточно часто. Так в США работает более 4 млн. единиц тепловых насосов производительностью от нескольких десятков кВт час. тепловой энергии до нескольких тысяч для теплоснабжения различных объектов, начиная от отдельных зданий и кончая отдельными микрорайонами. В России тепловые насосоы выпускаются по индивидуальным заказам различными фирмами в г.г. Москве, Новосибирске, Нижнем Новгороде. Так тепловой насос применяется для обогрева воды закрытого плавательного бассейна в санатории «Металлург» в г. Сочи. Однако такие примеры пока носят единичных характер и требуется большая разъяснительная работа, чтоб такие экономичные установки применялись чаще. Это приведет к появлению большего числа заказов и вынудит промышленность начать работы по повышению потребительских качеств отечественных установок по утилизации тепловой энергии.

Когенерация.

Когенерация – это энергетическая система с одновременным производством электрической и тепловой энергии из единого источника энергии. По сравнению с централизованным теплоснабжением от ТЭЦ когенерация имеет преимущества, в связи с тем, что она основана на локальных децентрализованных тепловых установках. В таких установках снижаются потери на транспорт и распределение электрической и тепловой энергии, а также происходит резкое увеличение коэффициента полезного использования первичного энергоносителя, которым чаще всего бывает природный газ. Это дает дополнительные преимущества с точки зрения охраны окружающей среды из-за повышения к.п.д. и сокращения эмиссии вредных газов. Наличие собственных систем теплоснабжения и электроснабжения повышает также надежность и снижает зависимость от внешних источников, что очень важно особенно для общественных зданий, объектов образования и здравоохранения.

Когенерация с применением паровых и газовых турбин является наиболее известной схемой, хотя в последнее время на установках стационарных мощностью до нескольких десятков мВт применяются газовые ДВС. Они имеют примерно в 3 раза большую массу и стоимость по сравнению с газовыми турбинами той же мощности, он значительно дешевле и надежней. В случаях, когда массогабаритные показатели не являются ограничительными, в этих случаях экономически выгодней применение ДВС.

Когенерация с газовыми турбинами имеет следующие показатели: выработка до 38% электрической энергии от мощности установки; производства тепла в виде горячих газов (420-550 градусов С) с последующей утилизацией до 35% тепловой энергии от установленной мощности; наивысшие экономические показатели при постоянной нагрузке; применяется только газовое или жидкое топливо. Таким образом эти установки желательно применять для потребителей имеющих постоянную потребность на заданном уровне тепловой и электрической энергии.

Когенерация с использованием паровых турбин представляет из себя классическую ТЭЦ. Головной цикл это паровой котел с турбиной и хвостовой цикл с использованием термических потоков процесса. Она имеет следующие свойства: до 30% от установленной мощности производится выработка электрической энергии и столько же тепловой; отсутствует зависимость от вида органического топлива; меньшие по сравнению с газотурбинными установками затраты (рис.3.3).

Использование тепловой энергии исходящих газ в котлах утилизаторах для производства электрической энергии с помощью паровых турбин позволяет повысить к.п.д. установок на несколько процентов. Такие установки наиболее привлекательны при применении газовых турбин в главной установке.

Поршневые двигатели (ДВС) применяемые вместо газовых турбин, в особенности при малых величинах установленных мощностей в несколько мВт, позволяют повысить отдачу электрической энергии и улучшить уровень утилизации тепла, причем этот процесс значительно более сложный, чем при применении турбин. Такие установки особенно выгодны для энергоснабжения жилых районов, где наблюдается неравномерный уровень потребления энергоносителей, они также позволяют получить при когенерации наиболее высокие величины к.п.д., в отдельных случаях превышающие 80%.

Когенерация является единой энергосберегающей системой снабжения потребителей электрической и тепловой энергией. Она должна использоваться при строительстве новых систем теплоснабжения с обязательной совместной установкой электрогенераторов. Это требует

Рис. 3.3. Микроэнергоустановка для комбинированного производства

тепла и электроэнергии

пересмотра многих устоявшихся подходов и концепций энергоснабжения, в особенности в жилищно-коммунальном секторе экономики страны.

В этой связи большой интерес представляет применение установок малой мощности для комбинированного производства электрической и тепловой энергии от нескольких кВт, которые можно использовать как бытовую машину на домашней кухне, подобно холодильнику или установки индивидуального отопления в частном доме, до нескольких мВт для промышленного использования. Такие установки в последние годы стали широко использоваться во многих странах с развитой рыночной экономикой. Так в Европе до 40% домов с индивидуальными системами отопления и нагрева воды могут с выгодой перейти на использование микро ТЭЦ при замене старого оборудования (рис.3.3). В условиях перманентного кризиса электро и теплоснабжения в России, на базе подобных установок можно создать системы альтернативные централизованным источникам энергии для бытовой сферы. В особенности это актуально для отдаленных маломощных потребителей, например в горных районах, где прокладка и строительство линий энергоснабжения стоит дороже, чем доставка в заданный район небольших количеств жидкого топлива или газа. Естественно, все мероприятия, связанные с подобными проектами, должны проходить технико-экономическую экспертизу.

В большинстве комбинированных микро систем в качестве привода используются поршневые двигатели внутреннего сгорания, работающие на жидком топливе или на газе и совмещенные с теплообменниками утилизаторами. Однако в последние годы начали примененяьтся также двигатели Стирлинга, малые газовые турбины и паровые микротурбины, топливные элементы. Подобные системы когенерации малой мощности необходимо использовать при реализации программ реформирования жилищно-коммунального сектора экономики России в целях повышения надежности снабжения населения электрической и тепловой энергий и повышения эффективности использования имеющихся топливно-энергетических ресурсов в связи с тем, что к.п.д. у лучших образцов достигает 90-95%. Учитывая большой потенциал российской оборонной промышленности, решение задачи по массовому использованию малых и микро ТЭЦ для отдельных квартир, домов, групп домов и небольших поселений не представляет больших сложностей. Такие установки могут стать основой создания независимой от РАО «ЕЭС России», приближенной непосредственно к потребителям, системы снабжения населения электрической и тепловой энергией на муниципальном уровне и могут способствовать улучшению и удешевлению коммунально-бытовых услуг.