Снижение собственных нужд подстанции за счет применения теплового насоса

Бокарев В. С. – студент группы 8Э-61, Мартко Е. О. – к.т.н., доцент РФ, Алтайский край, г. Барнаул, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова»

Ежегодно на рынке электрической энергии (ЭЭ) наблюдается тенденция роста цен на ЭЭ, что беспокоит, как ее потребителей, так и производителей.

Цена на потребляемую электрическую энергию складывается, во-первых, из затрат, произведенных поставщиком ЭЭ на покупку средств труда, которые долговременно участвуют в процессе производства и переносят свою цену в виде ежегодных амортизационных отчислений. Данные затраты идут на: покупку оборудования, последующий ремонт и модернизацию данного оборудования; реализацию мероприятий по повышению эффективности оборудования и обеспечения энергосбережения; содержание зданий и сооружений, которые прямо или косвенно участвуют в производстве ЭЭ.

Во-вторых, не менее важной составляющей цены на электрическую энергию являются затраты на предметы труда, которые используются в процессе производства единовременно и переносят всю свою стоимость на готовую продукцию. В энергетике основную часть затрат на покупку предметов труда составляют затраты на приобретение топлива, которым в большинстве случаев является уголь, нефть, природный газ (т.е. топливо, получаемое из месторождений ископаемых природных ресурсов).

Природные ресурсы, к сожалению, не являются возобновляемыми. По данным Международного энергетического агентства (International Energy Agency, IEA), энергопотребление на Земле удваивается каждые 10 лет. При сохранении этого тренда угля человечеству хватит на 250 лет, нефти – на 40, а природного газа – на 65 [1]. Следовательно, с каждым годом запасы ресурсов истощаются, их добыча осложняется, а конечная стоимость полученного в итоге сырья неумолимо растет вверх. Данный факт непосредственно сказывается на размере конечной цены ЭЭ, поставляемой потребителю.

В настоящее время вопрос поставки потребителям более дешевой ЭЭ в Алтайском крае, как и во всей стране, является наиболее приоритетным. В связи с этим, в рамках развития электроэнергетических систем России и повышения их энергоэффективности повсеместно проводятся следующие мероприятия:

– снижение потерь ЭЭ;

– снижение количества ЭЭ, идущей на обеспечение собственных нужд;

– развитие и внедрение нетрадиционных, возобновляемых источников энергии (ВИЭ), к которым можно отнести солнечную энергию, гидроэнергию, энергию ветра, геотермальную энергию и другие.

Анализ состояния электроэнергетичских систем показал, что главной проблемой является значительный нереализованный потенциал организационного и технологического энергосбережения, превышающий 1/3 общего потребления энергоресурсов в стране [2]. Данный факт отражен в основных положениях энергетической стратегии России на период до 2035 года.

Вышеупомянутую проблему можно решить несколькими способами. Одним из способов является снижение расхода ЭЭ на собственные нужды подстанций (ПС). Современные трансформаторы имеют высокий коэффициент полезного действия, который в зависимости от их мощности может достигать 99% и выше. Ряд мероприятий, направленный на уменьшение тепловых потерь, проводится как на стадии конструирования трансформаторов, так и на стадии их непосредственной эксплуатации в электроэнегетических системах. Однако, при работе трансформаторов часть энергии все же теряется в виде тепла, выделяемого в окружающую среду. Данные потери могут составлять сотни киловатт, которые можно полезно использовать с помощью тепловых насосов в целях теплоснабжения, например, помещений, эксплуатируемых персоналом подстанции и т.д.

К собственным нуждам подстанции относится потребление ЭЭ электроприемниками, которые установлены на подстанции и обеспечивают нормальную работу ее основного оборудования, а также нормальную жизнедеятельность персонала.

В таблице 1 приведены численные значения величины расхода электроэнергии на собственные нужды для типовой ПС 35/10 кВ.

Таблица 1 – Расход на собственные нужды для типовой ПС 35/10 кВ

Как видно из таблицы 1 наибольший расход ЭЭ на подстанции приходится на зимние месяцы, в данном случае декабрь, когда температура опускается ниже нуля, и для нормальной работы оборудования и персонала необходимо осуществлять обогрев помещений ПС.

Следовательно, основная часть потребляемой подстанцией энергией идет на отопление помещений, используемых персоналом, занятых электроустановками, оборудованием, инструментами и др. Таким образом, обеспечив систему отопления помещений подстанции с помощью ВИЭ можно значительно снизить расход ЭЭ на обогрев и на собственные нужды ПС в целом.

Тепловой насос – установка, предназначенная для переноса теплоты от более холодного теплоносителя, имеющего температуру, как правило, 0...40 °С, к более горячему за счет подвода внешней энергии или затраты работы. ТН используются в целях обеспечения нужд горячего водоснабжения и отопления помещений. Однако, тепловую энергию, используемую для этих целей, они не производят, а осуществляют ее перенос от низкопотенциального теплоносителя к высокопотенциальному теплоносителю, температура которого может составлять от 50 до 80 °С.

Концепция работы теплового насоса впервые была предложена в 1852 году сэром Уильямом Томсоном (более известным, как лорд Кельвин). Однако, патент на технологию использования низкопотенциальных источников энергии с целью получения тепловой энергии и дальнейшего ее использования был выдан в 1912 году известному швейцарскому исследователю Генриху Золи. А в 1927 году в Шотландии данный принцип впервые был применен на практике.

Сконструированная теплонасосная установка (ТНУ) обеспечивала нужды жилого дома в отоплении и горячем водоснабжении, используя в качестве низкопотенциального источника энергии наружный воздух [3,4].

Использование ТНУ позволяет обеспечить теплоснабжение и горячее водоснабжение с минимальными затратами первичной энергии, что достигается за счет высокого значения коэффициента использования теплоты μ.

Результаты расчета годовых эксплуатационных расходов на теплоснабжение с применением различных видов отопления приведены в таблице 2 [5], при проведении расчетов было принято, что тепловая нагрузка рассчитываемого помещения составляет 180 м2, тепловая нагрузка 15 кВт, а отопительный сезон– 1700 часов в год.

Таблица 2 – Эксплуатационные затраты на теплоснабжение

Исходя из результатов расчета, приведенных в таблице 2,использование ТНУ для теплоснабжения с экономической точки зрения более целесообразно, чем применение ТЭЦ и индивидуальных газовых котельных. Это обусловлено тем, что величина годовых затрат на отопление и стоимость единицы производимой тепловой энергии, значительно меньше по сравнению с другими видами отопления.

К тому же ТН более безопасны в сравнении с индивидуальными котлами, поскольку при работе не производится сжигания топлива, а значит нет открытого огня и в воздух, не выделяются вредные смеси и газы. Узлы теплонасосной установки не нагреваются выше 90 °С, что не даст им послужить причиной возникновения пожара.

Схема работы ТН представлена на рисунке 1 [6].

Основные рабочие части ТН:

• компрессор, позволяющий создавать высокое давление;
• расширительный клапан, с помощью которого происходит переход хладагента из жидкого состояния в газообразное;
• испаритель, представляющий собой радиатор из тонких трубок, которые имеют высокую теплопроводность;
• конденсатор.

Хладагент, находящийся полностью или частично в газообразном состоянии, сжимается компрессором, что приводит к его переходу в жидкое состояние. При повышении давления он также нагревается. Далее теплоноситель попадает в конденсатор, где охлаждается и конденсируется на стенках теплообменника. Охлажденный жидкий хладагент подается в расширительный клапан, проходя через который, происходит переход его из жидкой фазы в газообразное состояние. В испарителе парообразный теплоноситель охлаждается, после чего отбирает тепловую энергию, и цикл повторяется снова.

В большинстве случаев характеристика имеющегося источника определяет его тепловые, энергетические, экономические характеристики. Основные требования к идеальному источнику тепла:

• отсутствие коррозии или загрязнений;
• отсутствие дополнительных существенных вложений и расходов по его обслуживанию;
• стабильная температура 0...40 °С, достаточная для эффективной рабо­ты ТН.

Рисунок 1 – Схема работы теплового насоса

В качестве источника тепловой энергии в системах с применением ТН используют наружный и удаляемый воздух, почву, геотермальные источники, грунтовые воды. Так же ТН могут получать тепловую энергию, утилизируя энергию сбросной низкопотенциальной теплоты промышленных предприятий, что имеет большую перспективу.

Тепловые насосы более безопасны и экономичны, чем котлы на газовом или твердом топливе, поэтому широко используются в системах централизованного и индивидуального отопления и горячего водоснабжения по всему миру.

Выделяют несколько различных видов систем отопления подстанций с использованием тепловых насосов [7]:

• с подачей нагретого масла в систему отопления;
• с нагревом воды в масло-водяном теплообменнике;
• с нагревом воды с помощью теплового насоса;
• с нагревом воздуха в масло-воздушном теплообменнике;
• с непосредственным отводом нагретого воздуха от охлаждающих радиаторов;
• с нагревом воздуха в водо-воздушном теплообменнике.

Применение одной из вышеперечисленных систем отопления должно производиться в зависимости от типа, мощности, установленных на ПС силовых трансформаторов, удаленности отапливаемых помещений, а также вида теплоносителя, который планируется использовать в отопительном контуре.

На данный момент времени все чаще на подстанциях применяется схема нагрева воды с использованием теплового насоса, что обусловлено рядом преимуществ этой системы:

• не требуется реконструкции имеющейся на подстанции системы отопления. При установок на ПС системы отопления с применением теплового насоса, сохраняется возможность использования уже установленных в помещениях радиаторов водяного отопления.
• немаловажным преимуществом является тот факт, что данная система, в отличие от других систем отопления, позволяет передавать тепловую энергию потребителям, которые могут находиться на расстоянии до 1 км от подстанции.

Принцип работы данной системы следующий. Попадая в теплообменник, нагретое в процессе работы трансформатора масло передает свое тепло воде, циркулирующей в промежуточном контуре между теплообменником «масло-вода» и ТН. После чего данная тепловая энергия в испарителе поглощается фреоновым контуром теплового насоса. Далее фреон, находящийся полностью или частично в газообразном состоянии, сжимается компрессором, что приводит к его переходу в жидкость. Естественно, при повышении давления и переходе фреона из газообразного состояния в жидкое он нагревается. После чего теплоноситель попадает в конденсатор, где происходит нагрев воды, которая используется непосредственно для отопления эксплуатируемых персоналом помещений, а так же для обеспечения горячего водоснабжения.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что схема отопления помещений подстанции с применением теплового насоса позволит значительно снизить затраты ее на собственные нужды, а также позволит в купе с другими мероприятиями позволит решить проблему снижения суммарных потерь в энергосистемах и повышения эффективности их работы.

Список использованных источников:

1. Новости энергетики / Есть ли будущее у ветроэнергетики в России [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://novostienergetiki.ru/est-li-budushhee-u-vetroenergetiki-v-rossii/ – Заглавие с экрана.

2. Энергетическая стратегия России на период до 2035 года [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://ac.gov.ru/files/content/1578/11-02-14-energostrategy-2035-pdf.pdf – Заглавие с экрана.

3. T-nasos/ История тепловых насосов [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://osipovs.ru/index.php/istory-tn – Заглавие с экрана.

4. Морозюк, Т. В. Теория холодильных машин и тепловых насосов : учеб. пособие / Т. В. Морозюк. – Одесса : Студия «Негоциант», 2006. – 712 с.

5. Калнинь, И. М. Энергосберегающие, экологически чистые технологии теплоснабжения производственных и жилых помещений / И. М. Калнинь, Л. Я. Лазарев, А. И. Савицкий.

6. Трубаев, П. А. Тепловые насосы : учеб. пособие / П. А. Трубаев, Б. М. Гришко. – Белгород : Изд-во БГТУ им. В. Г. Шухова, 2009. – 142 с.

7. Елистратов, В. В. Теоретические основы нетрадиционной и возобновляемой энергетики : учебное пособие / В. В. Елистратов, М. В. Кузнецов. – Ч. 1 : Определение ветроэнергетических ресурсов региона. – Санкт-Петербург : Изд-во СПбГПУ, 2004. – 59 с.