Внедрение тригенерационных установок как способ повышения эффективности энергосистем

Одной из наиболее заметных тенденций развития энергетики России является повышение коэффициента полезного действия современных энергосистем путем внедрения технологий комбинированного энергопроизводства. Раздельная генерация электрической и тепловой энергии в настоящее время отходит на второй план, уступая место когенерационным установкам, показатели эффективности которых, однако, в теплые сезоны года значительно падают в связи с отсутствием необходимости в отоплении различных помещений, что в свою очередь приводит к существенному росту теплового загрязнения окружающей среды. Инновационным инженерным решением подобной проблемы является применение тригенерационного комплекса.

Процесс тригенерации представляет собой совместное производство электрической, тепловой и холодильной видов энергии. При этом первые два полезных энергетических эффекта являются результатом преобразования первичного топлива в когенерационной установке, наиболее распространенным вариантом которой является газопоршневой электроагрегат, холод же — в зависимости от типа холодильной машины: абсорбционной (АБХМ) и парокомпрессионной (ПКХМ) соответственно — может генерироваться как из тепло-, так и из электроэнергии.

Рассмотрим цикл работы тригенерационной установки с применением АБХМ, как наиболее обоснованного с точки зрения эффективности утилизации тепла варианта. Принципиальная схема комплекса представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Принципиальная схема тригенерационной установки с АБХМ

Цикл начинается в когенерационной части установки: поршневой двигатель внутреннего сгорания преобразует количество теплоты, выделившееся при сгорании топлива, в механическую работу, поступающую на ротор генератора, где она и конвертируется в электроэнергию. При этом отработавшие газы, температура которых достигает 180 , поступают в рекуперативный теплообменник, отдавая тепло водяному пару, одна часть которого может идти в систему отопления или горячего водоснабжения, а другая поступает в абсорбционную холодильную машину, завершая процесс когенерации.

Принцип работы АБХМ заключается в следующем: поступающий из рекуперативного теплообменника пар становится причиной нагрева слабого раствора бромида лития LiBr, увеличивая его концентрации путем выпаривания воды, которая в свою очередь по патрубкам в газообразном состоянии отправляется в конденсатор, где под действием охлаждающей среды вновь становится жидкостью. Затем наступает следующий этап: после конденсатора в вакууме хладагент легко испаряется, поглощая тепло циркулирующей в другом контуре испарителя воды и генерируя холодильную энергию. Вновь образованный пар затем поступает в абсорбер, где поглощается концентрированным раствором бромистого лития, тем самым разбавляя его и замыкая рабочий цикл.

Одновременная выработка трех видов энергии значительно увеличивает эффективность устройства. В таблице 1 представлены значения КПД для установок раздельного производства тепловой и электрической энергии, когенерационных и тригенерационных комплексов. Для удобства сравнения установим электрическую мощность на выходе в 200 кВт, а тепловую — в 320 кВт, причем ее часть в системе с АБХМ может преобразовываться в холод. Данные значения распределения энергетических потоков берутся на основании технической документации тригенерационной установки, вырабатывающей данную мощность [4]. В качестве же КПД тепловой котельной и конденсационной электростанции используются усредненные величины.

Энергоэффективность различных типов установок

Согласно данным таблицы, КПД когенерационных и тригенерационных установок примерно равны между собой, а также их применение более чем в 1,5 раза продуктивнее раздельной генерации энергий. Однако системы, включающие в себя абсорбционные холодильные машины, обладают целым рядом других преимуществ над когенерационными комплексами. Основными из них являются:

— генерация дополнительного энергетического эффекта — холода;

— возможность учитывать сезонность потребности потребителей в тепловой или же, напротив, в холодильной энергии;

— круглогодичное условное постоянство КПД;

— повышение экологичности производства.

В заключение следует отметить, что применение тригенерационных систем постепенно находит все большее распространение в связи с тем, что по сравнению с традиционными генерирующими установками обладают беспрецедентной эффективностью, позволяя преобразовывать энергию первичного сырья с исключительно высоким КПД. Кроме того, они являются более экологичными, так как в значительной мере снижают уровень тепловых выбросов в окружающее пространство.

Литература:

1. Астапова, Ю. А. Когенеративные установки / Ю. А. Астапова, К. С. Шульга, А. А. Бубенчиков. — Текст: непосредственный // Потенциал современной науки. — 2014. — № 8. — С. 9–13.
2. Дзино, А. А. Абсорбционные холодильные машины: Учеб.-метод. пособие / А. А. Дзино, О. С. Малинина. — СПб: Университет ИТМО, 2015. — 68 c.
3. Зайнуллин, Р. Р. Опыт эксплуатации абсорбционных холодильных машин / Р. Р. Зайнуллин, А. А. Галяутдинов. — Текст: непосредственный // Инновационная наука. — 2016. — № 6. — С. 91–93.
4. Тригенерация. — Текст: электронный // INNIO: [сайт]. — URL: https://www.innio.com/ru/rucis/resheniya/proizvodstvo-elektroenergii/trigeneratsiya (дата обращения: 14.05.2021).