Теплонасосные технологии в горнорудной, угольной промышленности и в сфере ЖКХ

Д. Г. Закиров, доктор техн. наук, профессор, главный научный сотрудник Горного института УрО РАН, генеральный директор Ассоциации энергетиков Западного Урала, Пермь

Ю. М. Петин, канд. техн. наук, генеральный директор ЗАО «Энергия», Новосибирск

Д. Д. Закиров, канд. техн. наук, генеральный директор Пермского регионального центра энергосбережения, энергоэффективноси и экологии, Пермь

Существенное улучшение экономических и экологических характеристик производства тепловой энергии можно достичь с помощью теплонасосных установок (ТНУ), использующих низкопотенциальную теплоту возобновляемых и вторичных энергетических ресурсов для целей теплоснабжения.

К источникам низкопотенциальной теплоты горнорудных и угольных предприятий относятся теплота горных пород, шахтные воды, вентиляционные выбросы, оборотная вода технологических процессов, хозяйственно-бытовые стоки в коммунальном хозяйстве. Имеющуюся теплоту можно утилизировать с помощью теплонасосных технологий.

Преимущества применения современных тепловых насосов

• Получение 3–8 кВт тепловой энергии на 1 кВт затраченной электрической. Организация с высокими значениями коэффициентов преобразования (5?7) при относительно невысоких температурах низкопотенциальных источников (tнпи ? 10?20 °C) при работе ТНУ по циклу, максимально приближенному к наиболее совершенному треугольному циклу Лоренца. Теплонасосное теплоснабжение с такими высокими коэффициентами преобразования делает теплонасосное отопление и ГВС конкурентоспособным с ТЭЦ.
• Рассредоточение выбросов в регионе. При наличии достаточно больших источников низкопотенциальной теплоты с приводом компрессоров от ДВС (двигателей внутреннего сгорания) или с газопоршневым малооборотным приводом (при наличии природного газа) с максимальной утилизацией сбросного тепла (водяной радиатор, масляный радиатор, тепловые выбросы выхлопных газов) в таких ТНУ можно получать тепловую энергию для отопления и ГВС с высокой температурой 90?110 °C, прежде всего для ЖКХ, с использованием каскадных теплонасосных схем.
• Обеспечение надежного и экономичного теплоснабжения объектов. Организация автономного теплонасосного теплоснабжения малых городов и сел, особенно при использовании ТНУ с газопоршневым приводом.
• Полная независимость от поставщиков тепловой энергии.
• Минимизация протяженности тепловых сетей и, как следствие, сокращение значительных потерь и затрат на их обслуживание, снижение издержек на выработку тепловой энергии и увеличение надежности теплоснабжения.

Опыт использования теплоты шахтных вод

В этом направлении накоплен определенный опыт.

Наш научный коллектив занимается проблемой использования вторичных энергоресурсов и низкопотенциальной теплоты с 1986 года. В данном направлении достигнуты значительные теоретические и практические результаты.

• В 1988 году впервые в СССР была разработана и внедрена технология утилизации теплоты оборотной воды компрессоров на шахте «Ключевская» ПО «Кизелуголь» (Пермская область) с применением тепловых насосов для улучшения охлаждения процесса сжатия воздуха и отопления промплощадки шахты. В результате внедрения значительно улучшились условия охлаждения компрессоров и температурные режимы их эксплуатации, полностью была исключена из работы градирня. При затратах 1 кВт•ч электроэнергии было получено 3,5 кВт•ч эквивалентной тепловой энергии [1].
• В 1994 году был выполнен рабочий проект технологического комплекса утилизации низкопотенциальной теплоты шахтной воды для шахты «Зенковская» АО «Прокопьевскуголь» теплонасосной установки мощностью 2,4 МВт [2], а в 1995 году – рабочий проект, предусматривавший применение тепловых насосов на шахте «Степановская» АО «Ростовуголь» для утилизации низкопотенциальной теплоты хозяйственно-бытовых стоков с целью улучшения температурного режима их очистки.
• В 1999 году для шахты «5–6» АО УК «Прокопьевск-уголь» была разработана технология утилизации низкопотенциальной теплоты (НПТ) шахтной воды (защищена рядом патентов РФ), конструкторская документация на спецоборудование, технический и рабочий проекты на внедрение технологии, позволяющей получать более 25 тыс. Гкал/год экологически чистой тепловой энергии [3]. Срок окупаемости проекта 4 года.
• В 2001 году на шахте «Осинниковская» ОАО «Кузнецкуголь» в Кемеровской области впервые в России была испытана опытно-промышленная установка по утилизации низкопотенциальной теплоты шахтных вод, которая полностью покрывает потребности горячего водоснабжения шахты и позволяет решить экологическую проблему: отключить шахтную котельную в летнее и осенне-весеннее время года, значительно снизить выбросы вредных веществ в атмосферу. В качестве теплового насоса был принят ТН 110 производства ЗАО «Энергия».

В свое время нами проведена технико-экономическая оценка утилизации низкопотенциальной теплоты при откачке воды из шахты «Глубокая» ОАО «Ростовуголь». Получаемую в результате тепловую энергию в 15 МВт рекомендуется использовать для отопления жилого фонда поселка шахты, с исключением из работы угольной котельной, что, в свою очередь, позволит значительно снизить вредные выбросы в атмосферу.

Шахтные воды имеют большой потенциал тепловой энергии. Предприятиями угольной отрасли ежегодно сбрасывается в открытые водоемы около 2 млрд м³ шахтных вод, из которых около 50 % являются нейтральными. С этими водами в окружающую среду сбрасывается более 50 млн ГДж низкопотенциальной теплоты, которая при благоприятных условиях может быть утилизирована.

Температурный режим шахтных вод определяется глубиной разработки на шахтном поле, технологией работ и зависит от времени года. Температура откачиваемой воды по различным шахтам составляет 11–30 °C.

Шахтные воды загрязнены механическими примесями, нефтепродуктами, другими специфическими загрязнителями. Состав шахтных вод формируется под влиянием разнообразных процессов, происходящих в самих подземных водах, а также под влиянием ряда естественных и искусственных факторов, влияющих на состав этих вод.

На большинстве шахт имеются установки по очистке шахтных вод от взвешенных веществ. На практике очистка шахтных вод от взвешенных веществ производится с использованием различных методов и сооружений, которые существенно отличаются друг от друга по эффективности и другим технико-экономическим показателям.

Проведенные исследования по определению количества взвешенных веществ в шахтных водах АО УК «Прокопьевскуголь» показали, что их содержание находится в пределах от 2?049 (шахта «Коксовая») до 19 мг/л (шахта «Ноградская»). Для утилизации теплоты шахтных вод необходимо создавать эффективные технологии по очистке шахтных вод от взвешенных веществ и теплообменные аппараты, эффективно работающие с загрязненными жидкостями.

Кроме шахтной воды на предприятиях угольной промышленности посредством тепловых насосов можно утилизировать низкопотенциальную теплоту оборотной воды технологического оборудования, хозяйственно-бытовых стоков и других источников низкопотенциальной теплоты. С использованием имеющихся источников низкопотенциальной теплоты разработана функциональная объектная модель системы теплоснабжения угольной шахты с тепловыми насосами (рис. 1).

Рисунок 1 (подробнее) Функциональная объектная модель системы теплоснабжения угольной шахты с тепловыми насосами

Утилизация хозяйственно-бытовых стоков

Значительным тепловым потенциалом располагают хозяйственно-бытовые стоки в коммунальном хозяйстве, за счет использования которых можно значительно снизить затраты на теплоснабжение.

Для снижения затрат на теплоснабжение была разработана технология утилизации низкопотенциальной теплоты неочищенных сточных вод, которая позволяет использовать бросовое тепло канализационных стоков для отопления и горячего водоснабжения, с использованием тепловых насосов.

Впервые в Российской Федерации указанная технология внедрена на РНС 3 «Гайва» МП «Пермводоканал» Перми. В течение 8 отопительных сезонов она полностью обеспечила потребности насосной станции в отоплении и горячем водоснабжении. В сравнении с электроотоплением себестоимость 1 Гкал тепловой энергии снизилась в 4,6 раза. Срок окупаемости проекта1 составил 1 год [4].

С использованием низкопотенциальной теплоты хозяйственно-бытовых стоков можно решить экологические проблемы, значительно снизить вредные выбросы в атмосферу в процессе теплоснабжения, вывести из работы котельные, работающие на угле и мазуте.

Технология утилизации низкопотенциальной теплоты очистных сооружений котельной № 35 г. Кунгура Пермского края позволила вывести из работы угольную котельную. Себестоимость выработки тепловой энергии снизилась почти в 9 раз, срок окупаемости проекта составил 1,5 года [5].

Проект утилизации технических стоков

Кроме того, разработан рабочий проект на внедрение технологии утилизации низкопотенциальной теплоты технических стоков на очистных сооружениях г. Кудымкар для теплоснабжения объектов очистных сооружений МУП «Кудымкарский водоканал», позволяющий вывести из работы угольную котельную².

Проект получил положительное решение государственной экспертизы краевого учреждения и в настоящий момент находится в стадии внедрения. Себестоимость выработки тепловой энергии снизится в 3,2 раза.

Существующая котельная ОС МУП «Кудымкарский водоканал» введена в эксплуатацию в 1983 году, оборудована четырьмя водогрейными чугунными котлами марки «Универсал 6». Проектная мощность котельной – 1,04 Гкал/ч. Присоединенная в настоящее время нагрузка составляет 0,15 Гкал/ч. Основное топливо – каменный уголь. Себестоимость вырабатываемой тепловой энергии – 2 800 руб./Гкал. Система пылегазоочистки дымовых газов отсутствует.

На территории предприятия имеется источник низкопотенциальной теплоты – загрязненные технические стоки. Использование последних в качестве источника тепловой энергии позволит ограничить или полностью отказаться от использования органического топлива, а также ликвидировать вредные выбросы в окружающую среду, получив экологически чистую тепловую энергию с себестоимостью значительно ниже себестоимости энергии, вырабатываемой угольной котельной.

Проектом предусмотрена замена действующего источника теплоснабжения зданий очистных сооружений (ОС) МУП «Кудымкарский водоканал» (производственный корпус, гараж, склад, мастерские, здание котельной) и усовершенствование существующей системы теплоснабжения с использованием технологии утилизации низкопотенциальной теплоты загрязненных технологических стоков и с применением современного электросберегающего оборудования. Технологическая схема утилизации низкопотенциального тепла очистных сооружений представлена на рис. 2.

Рисунок 2 (подробнее) Технологическая схема утилизации низкопотенциального тепла очистных сооружениях МУП «Кудымкарский водоканал» Пермского края

Технико-экономические показатели проекта

Тепловая мощность, утилизируемая из стоков – 0,158 Гкал/ч.
Температура воды низкопотенциального источника (на входе в ТН) – +7 °C. Температура воды низкопотенциального источника (на выходе в ТН) – +2 °C.
Суммарный годовой расход электрической энергии на привод агрегатов ТНС – 376,9?103 кВт/год.
Годовая стоимость электрической энергии на привод насосных агрегатов – 686,03 тыс. руб./год.
Годовое количество тепловой энергии, вырабатываемое ТНС – 813,6 Гкал/год.
Стоимость 1 Гкал тепловой энергии, вырабатываемой ТНС – 843 руб./Гкал.
Годовой экономический эффект – 1 592,22 тыс. руб.
Срок окупаемости проекта – 2,1 года.

Разработка и внедрение теплонасосных технологий

В последние годы выполнен большой объем научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию эффективных технологий, получено более 10 патентов. Ряд совместных работ были проведены новосибирским предприятием ЗАО «Энергия» и московским НПФ «ЭКИП».

Осуществлены следующие разработки:

• научные основы рационального применения теплонососных технологий (ТНТ);
• рекомендации по оценке эффективности применения этих технологий;
• методика и алгоритм выбора типов и параметров ТН для работы в различных условиях;
• модель и алгоритм оптимизации эколого-энергетических параметров теплоснабжения угольной шахты с утилизацией НПТ;
• ТЭО применения ТНТ в сфере ЖКХ;
• методические рекомендации по применению ТНТ в системах отопления и ГВС;
• технические средства для использования в ТНТ: спиральный теплообменник, кожухотрубный теплообменник, тонкослойный отстойник;
• программа для расчета параметров термодинамических циклов;
• новые энергосберегающие технологии с применением ТН, не уступающие уровню мировых стандартов.

Кроме того, по заказу Госстроя РФ в рамках НИР была произведена оценка экономической эффективности применения теплонасосных технологий в ЖКХ в соответствии с разработанной методикой оценки эффективности применения теплонасосных технологий [6].

Расчеты были произведены для случаев замещения теплонасосными технологиями традиционных источников тепловой энергии в системах теплоснабжения.

В качестве источников тепловой энергии для систем теплоснабжения рассматривались котельные, работающие на газе, угле и мазуте, и отопление электрокотлами. Мощность сравниваемых источников тепловой энергии была принята 1 Гкал/ч. Продолжительность работы в году составляет 5 496 ч, что соответствует продолжительности отопительного периода для Перми.

Полученные данные при установленных ценах топливно-энергетических ресурсов показывают, что эксплуатационные затраты при использовании теплонасос-ных технологий в качестве источника тепловой энергии в 3,7 раза меньше, чем при использовании электрообогрева; в 1,3 раза меньше, чем при использовании газовой котельной; в 2,4 раза меньше, чем при использовании мазутной котельной, и в 1,9 раза меньше, чем при использовании угольной котельной.

Внедрение теплонасосных технологий дает большой экономический эффект.

Использование возобновляемых источников энергии сдерживается отсутствием оптимальных технологий по утилизации низкопотенциальной теплоты и особенно экономичного технологичного теплообменного оборудования, которое могло бы длительное время работать без остановки и специальных методов очистки на загрязненных жидкостях. Поэтому разработка эффективных теплообменников, способных работать с загрязненными средами, представляет практический и научный интерес.

Нами выполняются теоретические исследования по интенсификации процесса теплообмена в рабочих каналах теплообменной аппаратуры методом искусственной турбулизации потока теплоносителя, для создания эффективного теплообменного аппарата, для утилизации НПТ шахтных вод, загрязненных хозяйственно-бытовыми стоками, взвешенными веществами и нефтепродуктами. Для теоретического анализа была создана математическая модель течения потока по поверхности с дискретными турбулизаторами.

Анализ литературных данных свидетельствует о большой работе, проводимой учеными и конструкторами по совершенствованию теплообменных аппаратов, увеличению интенсификации их теплообмена.

Следует отметить, что все работы выполнены для незагрязненных жидкостей.

В настоящее время широкое внедрение технологий утилизации низкопотенциальной теплоты в России сдерживается из-за перекоса цен на тепловую и электрическую энергию (за последние годы цена на электрическую энергию значительно выросла по сравнению с ценой на тепловую энергию и продолжает расти), отсутствия необходимых нормативно-законодательной базы и инвестиционного климата, а самое главное – недостаточной поддержки государственных и региональных органов власти.

С помощью теплонасосных технологий можно решить экологические проблемы, ликвидировать неэффективно работающие мелкие угольные мазутные котельные и установки, работающие на электрической энергии.

Литература

1. Закиров Д. Г., Рыбин А. И., Морозов Б. З.?Природоохранная ресурсосберегающая технология с применением тепловых насосов // Уголь. – 1991. – № 12.
2. Закиров Д. Г., Рыбин А. А. Энергосберегающая технология с утилизацией низкопотенциальной теплоты // Промышленная энергетика. – 1994. – № 6.
3. Закиров Д. Г., Нехороший И. Х., Малахов А. Н., Дружинин Л. Ф.?Утилизация низкопотенциального тепла шахтных вод – перспективное направление энергосбережения угольной отрасли // Уголь. – 2000. – № 11.
4. Закиров Д. Д. Утилизация низкопотенциального тепла источников горной промышленности для теплоснабжения угольных шахт // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Пермь, 2003.
5. Закиров Д. Г., Закиров Д. Д., Суханов В. С. Проблемы теплоснабжения в коммунальном хозяйстве и пути их решения с использованием тепловых насосов // Жилищно-коммунальное хозяйство. – 2002. – № 5.
6. НИР «Разработка методических рекомендаций по применению теплонасосных технологий и методики расчета технико-экономической эффективности ее использования в сфере ЖКХ». Научный руководитель Закиров Д. Г. Пермь, 2003

¹ Установка отопления и горячего водоснабжения : Патент на изобретение № 2155302 РФ / Закиров Д. Г., Рыбин А. А., Закиров Д. Д. – Опубл. в БИ № 24. 2000. Установка отопления и горячего водоснабжения : Патент на изобретение № 2178542 РФ / Закиров Д. Г., Рыбин А. А., Закиров Д. Д., Петин Ю. М., Деменева В. С. – Опубл. в БИ № 2. 2002.
² Патент РФ № 2480683 «Способ утилизации низкопотенциального тепла сточных вод» Закиров Д. Г., Боринских И. И., Закиров Г. Д., Мухамед- шин М. А., Голубков А. Н.