7.2. Описание тепловой схемы и расчет параметров теплоносителей
Принципиальная тепловая схема системы геотермального теплоснабжения г.Вилючинска представлена на рис 2.7.3.
Рисунок 2.7.3 - Принципиальная схема системы геотермального теплоснабжения.
Термальная вода поступает в систему теплоснабжения г. Вилючинска с Верхне - Паратунского месторождения по магистральному трубопроводу длиной 35,6 км и диаметром условного прохода 500 мм, выполненному из базальтопластика, с пенополиуретановой изоляцией, нанесенной в заводских условиях. Высокое качество тепловой изоляции позволяет доставить теплоноситель с месторождения в город с минимальными потерями тепла. Согласно расчету, приведенному в 2.3. падение температуры по длине трубопровода составляет не более 3 ̊С. При средней температуре собранной на месторождении термальной воды 83,8 0С, можно гарантированно принять температуру воды на входе в систему теплоснабжения равной 80 0С.
Термальная вода поступает в пластинчатый теплообменник ТО-1, в котором подогревает воду, поступающую из обратной магистрали тепловой сети, а затем подается в подогреватель подпиточной воды ТО-2.
Система теплоснабжения г. Вилючинска является открытой, водоразбор горячей воды потребителями ведется из тепловой сети, в связи с чем система требует значительного количества подпиточной воды, покрывающего как нагрузку ГВС, так и утечки воды в сети
Вода для подпитки тепловой сети поступает в систему из артезианский скважины при температуре 5 ̊С и подогревается в теплообменнике ТО-2 до температуры, равной температуре сетевой воды в обратном трубопроводе.
Далее термальная вода поступает теплообменник ТО-3 промежуточного контура циркуляционной воды и передает тепло в испарителях низкокипящему рабочему телу тепловых насосов ТН-1, ТН-2 и ТН-3 включенных последовательно. Последовательное включение испарителей трех тепловых насосов дает возможность за счет различных температур испарения и конденсации снизить внешнюю необратимость и увеличить коэффициенты преобразования ТНУ.
Принципиально возможным является подача термальной воды непосредственно в испарители тепловых насосов, однако, из-за повышенной минерализации термальной воды и риска солевого заноса трубок испарителей, принято решение о создании замкнутого промежуточного контура, в котором термальная вода проходит через пластинчатый теплообменник, конструкция которого позволяет легкую очистку поверхностей теплообмена.
Для обеспечения циркуляции воды в промежуточном контуре предусмотрен насос Н-1.
Конденсаторы ТН-1 , ТН-2 и ТН-3 также включены последовательно по ходу сетевой воды. Сетевая вода подогретая термальной водой в теплообменнике ТО-1 поступает в конденсаторы тепловых насосов ТН-1, затем ТН-2 и ТН-3, где, в зависимости от тепловой нагрузки системы теплоснабжения, может быть нагрета до температуры не более 80 0 С.
При температурах окружающего воздуха ниже минус 11,3 оС температура в прямом трубопроводе должна быть выше 80 ̊С. Для нагрева сетевой воды в прямом трубопроводе до температур от 80 ̊С до 95 ̊С используются пиковые котлы ДКВР-10-13 и сетевые пароводяные подогреватели центральной котельной.
В зависимости от присоединенной тепловой нагрузки и температуры окружающего воздуха при различных температурных графиках работа схемы теплоснабжения может осуществляться различным образом:
- прямое геотермальное теплоснабжение;
- геотермальное теплоснабжение с использованием тепловых насосов.
- геотермальное теплоснабжение с использованием тепловых насосов и догревом сетевой воды до необходимой температуры в пиковых котлах.
В рамках настоящей работы были проведены расчеты тепловой схемы при различных температурах окружающего воздуха. В результате проведенных расчетов получены данные, позволяющие сделать нижеследующие выводы о возможностях различных вариантов схем теплоснабжения.
7.2.1. Прямое геотермальное теплоснабжение
Прямое использование геотермального тепла в системах теплоснабжения является наиболее эффективным и экономически выгодным. В этом случае температура сбросного геотермального теплоносителя определяется начальной температурой нагреваемой среды (сетевой воды), ниже которой она опуститься не может или температурой и количеством подпиточной воды. Для открытых систем, и в частности для системы теплоснабжения г. Вилючинска объем подпиточной воды в значительной мере определяется расходом на ГВС.
С целью определения границы возможностей прямого использования геотермального тепла для теплоснабжения г. Вилючинска и определения параметров теплоносителей в рамках данной работы были проведены оптимизационные расчеты тепловых балансов схем при различных температурах окружающего воздуха.
Результаты расчетов показывают, что при температурах наружного воздуха выше плюс 0,6 ̊С ресурсы геотермального теплоносителя достаточны для обеспечения температурного графика тепловой сети 60,0/46,7 ̊С. При этом может быть обеспечена тепловая нагрузка 40,45 Гкал/ч, соответствующая проектной мощности системы теплоснабжения 75,00 Гкал/ч, в том числе отопительная нагрузка 29,20 Гкал/ч и нагрузка ГВС 11,25Гкал/ч.
На рисунках 7.4, 2.7.5 и 7.6 представлены тепловая схема системы теплоснабжения г. Вилючинска и параметры теплоносителей при температурах наружного воздуха плюс 0,6 ̊С, плюс 8 ̊С (граница отопительного периода) и более плюс 8 ̊С .
Рисунок 7.4 - Тепловая схема системы теплоснабжения г. Вилючинска и параметры теплоносителей при температуре наружного воздуха плюс 0,6 ̊С.
Рисунок 7.5 - Тепловая схема системы теплоснабжения г. Вилючинска и параметры теплоносителей при температуре наружного воздуха плюс 8 ̊С.
Рисунок 2.7.6 - Тепловая схема системы теплоснабжения г. Вилючинска и параметры теплоносителей при температуре наружного воздуха выше плюс 8 ̊С.
За границей отопительного периода, при температурах воздуха выше плюс 8 ̊С, когда в городе требуется только горячее водоснабжение, нагрузка которого составляет 11,25 Гкал/ч, для подогрева ГВС необходимо 230 м3/ч термальной воды, т.е около 25 % номинального расхода.
Как видно из приведенных результатов расчетов параметров теплоносителей, при прямом использовании термальной воды ее температура на сбросе из системы теплоснабжения достаточно высока. Для повышения общей эффективности использования геотермальных ресурсов сбросная термальная вода может быть использована в термальных бассейнах, для рыборазведения, снеготаяния на дорогах, подогрева грунта в теплицах и пр.
Следует отметить, что использование термальной воды с начальной температурой 80 ̊С, позволяет обеспечивать тепловую нагрузку меньшую заданного проектного значения 75 Гкал/ч при температурах воздуха до минус 9 ̊С.
Как показали расчетные исследования, при температурах наружного воздуха от плюс 0,6 ̊С до минус 8,7 ̊С, прямое геотермальное теплоснабжение полностью покрывает проектные нагрузки ГВС и частично отопительные нагрузки. В случае поэтапной реализации проекта геотермального теплоснабжения возможно на первых этапах строительства, при небольших присоединяемых нагрузках, прямое использование геотермального тепла, а на последующих этапах расширение и увеличение тепловой мощности системы за счет применения тепловых насосов.
Дефицит тепловой мощности на первых этапах может быть покрыт за счет использования котельных.
В таблице 7.5 представлены расчетные отопительные нагрузки и нагрузки ГВС, которые могут быть обеспечены прямым использованием геотермального тепла при различных значениях температуры окружающего воздуха.
Таблица 2.7.5. Тепловые нагрузки системы теплоснабжения г. Вилючинска, обеспечиваемые прямым использованием геотермальных ресурсов Верхне-Паратунского месторождения
Температура наружного воздуха,
̊С
|
Обеспеченная отопительная нагрузка,
Гкал/ч
|
Нагрузка
ГВС,
Гкал/ч
|
Общая
обеспеченная
тепловая
мощность,
Гкал/ч
|
Расчетная
тепловая мощность при данной температуре,
Гкал/ч
|
Дефицит
тепловой
мощности,
Гкал/ч
|
плюс 0,6 ̊С
|
29,20
|
11,25
|
40,45
|
44,45
|
0,00
|
минус 2,1 ̊С
|
27,40
|
11,25
|
38,65
|
44,97
|
6,32
|
минус 3,6 ̊С
|
26,93
|
11,25
|
38,18
|
47,46
|
9,28
|
минус 5,0 ̊С
|
30,37
|
11,25
|
36,43
|
49,82
|
13,39
|
минус 8,7 ̊С
|
23,44
|
11,25
|
34,69
|
56,00
|
21,31
|
7.2.2. Геотермальное теплоснабжение с использованием тепловых насосов.
При температурах воздуха от 0 ̊С и до минус 10 ̊С, как было показано выше, проектные тепловые нагрузки, не могут быть обеспечены прямым использованием термальной воды, несмотря на то, что температура термальной воды на входе выше, чем требуется температурным графиком для подающего трубопровода тепловой сети, из-за ограничений по температуре сбросной воды.
Понизить температуру геотермального теплоносителя на выходе из системы теплоснабжения можно с помощью тепловых насосов, позволяющих «перекачать» теплоту от сбросного геотермального теплоносителя с низкой температурой к высокотемпературному теплоносителю – сетевой воде. Как известно, такой переход теплоты может быть осуществлен лишь при условии затраты работы на привод компрессора теплового насоса. Затраченная на привод компрессора работа не теряется, а в виде теплоты также переходит к нагреваемому теплоносителю. Эффективность работы теплового насоса (ТН) характеризуется коэффициентом преобразования φ, представляющему собой отношение тепловой мощности, переданной тепловым насосом нагреваемому теплоносителю к мощности, затраченной на привод ТН.
На рисунках 7.7, 7.8, 7.9 и 7.10 представлены тепловые схемы системы геотермального теплоснабжения г. Вилючинска с использованием тепловых насосов и параметры теплоносителей при тепловых нагрузках, соответствующих температурам наружного воздуха от 0 ̊С до минус 10,0 ̊С (минус 0,3 ̊С, минус 2,1 ̊С, минус 5,0 ̊С и минус 10,0 ̊С).
Рисунок 7.7 - Тепловая схема системы теплоснабжения г. Вилючинска и параметры теплоносителей при температуре наружного воздуха минус 0,3 ̊С.
Рисунок 7.8 - Тепловая схема системы теплоснабжения г. Вилючинска и параметры теплоносителей при температуре наружного воздуха минус 2,1 ̊С.
Рисунок 7.9 - Тепловая схема системы теплоснабжения г. Вилючинска и параметры теплоносителей при температуре наружного воздуха минус 5,0 ̊С.
Рисунок 7.10 - Тепловая схема системы теплоснабжения г. Вилючинска и параметры теплоносителей при температуре наружного воздуха минус 10,0 ̊С.
Как видно из приведенных данных, при температурах окружающего воздуха от 0 ̊С до минус 10,0 ̊С, необходимые нагрузки отопления и ГВС г.Вилючинска полностью покрываются за счет геотермальных ресурсов Верхне-Паратунского месторождения при использовании геотермальных насосов. На привод насосов требуется затратить до 7 МВт электрической мощности.
7.2.3. Теплоснабжение с использованием геотермальных тепловых насосов и пиковых котлов на органическом топливе
При температурах окружающего воздуха ниже минус 11,3 ̊С согласно заданному температурному графику 95/70 ̊С температура сетевой воды в подающей магистрали тепловой сети должна быть выше 80 ̊С. Современные теплонасосные установки не могут обеспечить столь высокие температуры. Рост температур конденсации в ТНУ выше 85 ̊С приводит к снижению их эффективности и надежности, поэтому более целесообразной представляется схема теплоснабжения, в которой основная (базовая) часть тепловой нагрузки обеспечивается за счет геотермальных ресурсов с применением тепловых насосов, а пиковые нагрузки снимаются пиковыми котлами.
На рис 7.11 и 7.12 приведены тепловые схемы системы геотермального теплоснабжения г.Вилючинска с использованием тепловых насосов и пиковых котлов, а также параметры теплоносителей при тепловых нагрузках, соответствующих температурам наружного воздуха 15,0 ̊С и 20,0 ̊С.
Как видно из представленных данных мощность пиковых котлов необходимая для покрытия тепловой нагрузки в отопительный максимум при температурах воздуха ниже минус 20,0 ̊С составляет 31,7 Гкал/ч, а при температуре воздуха минус 15,0 ̊С около 14,0 Гкал/ч.
Следует отметить, что согласно климатологическим данным для г.Вилючинска число часов стояния температур ниже минус 20,0 ̊С, когда требуется пиковый подогрев сетевой воды с 80,0 до 95,0 ̊С, составляет 47 часов, ниже минус 15,0 ̊С составляет 175 часов, а ниже минус 10,0 ̊С составляет 925 часов.
В то же время, число часов стояния положительных температур от 0 ̊С до плюс 8,0 ̊С за отопительный период составляет 2128 часов. В этот период система теплоснабжения может быть полностью обеспечена теплом за счет прямого использования геотермальных ресурсов.
В период стояния температур от минус 11,3 ̊С до 0 ̊С (около 3500 часов за отопительный период) система теплоснабжения также обеспечена геотермальными ресурсами при условии применения теплонасосных установок.
Анализ полученных в результате расчетов, параметров теплоносителей показывает, что при расходе термальной воды 250 кг/с количество термальной воды избыточно для проектной мощности системы теплоснабжения 75 Гкал/ч и, поэтому температура термальной воды на сбросе достаточно высока и в максимальном режиме, при температуре воздуха минус 20,0 ̊С , достигает 38,1 ̊С.
Рисунок 7.11 - Тепловая схема системы теплоснабжения г. Вилючинска и параметры теплоносителей при температуре наружного воздуха минус 15,0 ̊С.
Рисунок 7.12 - Тепловая схема системы теплоснабжения г. Вилючинска и параметры теплоносителей при температуре наружного воздуха минус 20,0 ̊С и ниже.
Снижение температуры сбросной термальной воды означает повышение эффективности ее использования, поэтому в рамках работы были произведены расчеты параметров и расходов теплоносителей исходя из условия максимального использования теплового потенциала термальной воды. Как показывают расчеты, снизить температуру воды на сбросе возможно при снижении ее расхода и более интенсивном использовании тепловых насосов. На рисунках 2.7.13 – 2.7.20 представлены результаты расчетов. Во всех режимах условием расчетов было достижение температуры сбросной термальной воды плюс 15,0 ̊С.
Рисунок 7.13 - Тепловая схема и параметры теплоносителей при температуре сбросной воды плюс 15,0 ̊С и температуре наружного воздуха плюс 8,0 ̊С
Рисунок 7.14 - Тепловая схема и параметры теплоносителей при температуре сбросной воды плюс 15,0 ̊С и температуре наружного воздуха плюс 6,0 ̊С
Рисунок 7.15 - Тепловая схема и параметры теплоносителей при температуре сбросной воды плюс 15 ̊С и температуре наружного воздуха плюс 4,5 ̊С
Рисунок. 7.16 - Тепловая схема и параметры теплоносителей при температуре сбросной воды плюс 15,0 ̊С и температуре наружного воздуха плюс 0,6 ̊С
Рисунок 7.17 Тепловая схема и параметры теплоносителей при температуре сбросной воды плюс 15,0 ̊С и температуре наружного воздуха минус 2,1 ̊С
Рисунок 7.18 Тепловая схема и параметры теплоносителей при температуре сбросной воды плюс 15,0 ̊С и температуре наружного воздуха минус 10.0 ̊С
Рисунок 7.19 Тепловая схема и параметры теплоносителей при температуре сбросной воды плюс 15,0 ̊С и температуре наружного воздуха минус 15,0 ̊С
Рисунок 7.20 - Тепловая схема и параметры теплоносителей при температуре сбросной воды плюс 15,0 ̊С и температуре наружного воздуха минус 20,0 ̊С
Как видно из представленных на схемах параметров, необходимые тепловые нагрузки могут быть обеспечены меньшим расходом термальной воды, однако при этом значительно возрастает тепловая мощность, вырабатываемая ТНУ, причем, если в предыдущем случае, при расходе термальной воды 250 л/с, требуемые проектные тепловые нагрузки обеспечивались при температурах окружающего воздуха выше плюс 0,6 ̊С, а пониженные нагрузки, с учетом температурного графика тепловой сети, обеспечивались до температур выше минус 8,7 ̊С (табл. 2.9), то, при расходах термальной воды меньших заданного, работа тепловых насосов требуется во время всего отопительного периода. Это обстоятельство предполагает большее потребление электроэнергии системой теплоснабжения.
Для оценки объема потребления термальной воды и электроэнергии в разрезе года были проведены расчеты потребления с учетом продолжительности стояния температур окружающего воздуха. Результаты расчетов представлены на рисунках 7.21 - 7.24.
Рисунок 7.21 - Потребление термальной воды системой теплоснабжения в течение года при максимальном расходе 250 л/с
Рисунок 7.22 Потребление электроэнергии на привод ТНУ системой теплоснабжения в течение года при максимальном расходе термальной воды 250 л/с.
Рисунок 7.23 - Потребление электроэнергии на привод ТНУ системой теплоснабжения в течение года при обеспечении температуры сбросной воды плюс 15,0 ̊С
Рисунок 7.24 - Потребление электроэнергии на привод может ТНУ системой теплоснабжения в течение года при обеспечении температуры сбросной воды плюс 15,0 ̊С
Как следует из расчетов, стремление максимально использовать тепло термальной воды и добиться низкой температуры на ее сбросе приводит к тому, что практически в течение всего отопительного периода необходимо включать в работу тепловые насосы и это потребует дополнительно почти 10 млн. кВтч электроэнергии в год, т.е увеличение потребления электроэнергии за год на 66%. Экономия термальной воды при этом составляет 1 415 000 м3 ими около 33%.
Выбор оптимального варианта работы системы теплоснабжения может быть сделан на основе экономического и финанансового анализа.
|
