РАЗРАБОТКА КОГЕНЕРАЦИОННОЙ ОПРЕСНИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

В настоящее время существуют регионы, которые требуется обеспечить как автономным энергоснабжением, так и снабжением пресной водой. В таком случае целесообразно совместить электроснабжение и снабжение пресной водой, поэтому рассматривается когенерационная установка. Но здесь тепловая энергия будет использоваться не на нагрев теплофикационной воды для отопления, как в стандартной схеме, а на нагрев морской воды для ее опреснения.

В южных приморских регионах, которые  часто являются курортной зоной, в основном наблюдается наплыв туристов в летний период. Поэтому, в зимний период снижается необходимость пресной воды из-за сокращения количества людей. Соответственно, излишнюю теплоту на опреснение в зимний период можно использовать на отопление.

Актуальность в возобновлении водного ресурса и в обеспечении электроэнергией наблюдается в Крыму. Здесь особенно возрастает потребность в установках с комбинированной выработкой электроэнергии и пресной воды. Уровень газификации Крыма – около 80%, имеются собственные источники газа, поэтому для разработки автономной установки следует рассматривать газотурбинную технологию.

Далее примем для рассмотрения небольшой город (численностью до 5000 человек), расположенный на крымском побережье. Населенный пункт не конкретизирован; например, это может быть поселок городского типа численностью населения 3000 человек и наличием нескольких гостиниц (отелей, санаториев и пр.) с вместимостью до 2000 человек суммарно.

Для частичного решения проблемы нехватки пресной воды и для обеспечения электроэнергией населенного пункта предложена схема когенерационной опреснительной установки с использованием газопоршневого агрегата и выпарной установки с барометрическим конденсатором (рисунок 1).

Рисунок 1. Принципиальная схема когенерационной опреснительной установки

1 – насосная группа, 2 – газопоршневой агрегат (ГПА), 3 – охлаждение рубашки (ОР), 4 – охлаждение масла (ОМ), 5 – котел-утилизатор (КУ), 6 – дымовая труба, 7 – выпарная установка, 8 – циркуляционный насос, 9 –барометрический  конденсатор (БК), 10 – ловушка-брызгоулавливатель, 11 – вакуум-насос, 12 – барометрический ящик, 13 – гидроаккумулятор, ОГ – отходящие газы, УГ– уходящие газы, БТ – барометрическая труба.

Эксплуатация когенерационной опреснительной установки по предложенной схеме осуществляется следующим образом. Исходная морская вода насосной группой 1 подается в теплообменники контура охлаждения газопоршневого агрегата 2 (ГПА), где, нагреваясь, охлаждает рубашку двигателя 3 (ОР) и масло 4 (ОМ). Затем подогретая исходная вода поступает в выпарной аппарат 7. В качестве греющего пара в выпарном аппарате выступает полученный в котле-утилизаторе 5 пар.

Отходящие дымовые газы (ОГ) от газопоршневого агрегата поступают в котел-утилизатор 5 (КУ). Циркулирующая в отдельном контуре вода за счет теплоты отходящих газов нагревается до состояния пара в котле-утилизаторе, поступает в выпарной аппарат 7, конденсируется, отдавая теплоту нагретой исходной морской воде, и циркуляционным насосом 8 снова подается в котел-утилизатор 7.

Процесс выпаривания исходной морской воды осуществляется под вакуумом в непрерывнодействующей выпарной установке с вынесенной греющей камерой. Получившийся при выпаривании морской воды вторичный пар отделяется от жидкости в сепараторе (не изображен на схеме) и направляется в барометрический конденсатор с сегментными полками 9 (БК), который используется для конденсации вторичного пара и создания разрежения в установке. Вторичный пар, поступающий через нижний штуцер БК навстречу каскадному потоку воды, конденсируется. Смесь конденсата и воды сливается самотеком в барометрическую трубу и далее – в барометрический ящик 12. Барометрические труба и ящик играют роль гидравлического затвора, препятствующего прониканию наружного воздуха в аппарат. Из барометрического ящика вода удаляется насосом 1 на дальнейшую обработку, приготовление питьевой воды. Для накапливания полученного дистиллята предусмотрен бак-аккумулятор 13, который также служит для поддержания давления в напорной системе водоснабжения.

Вместе с паром и охлаждающей водой в барометрический конденсатор попадает некоторое количество воздуха; кроме того, воздух подсасывается через неплотности фланцевых соединений. Присутствие неконденсируемых газов может вызвать значительное снижение разрежения в конденсаторе. Поэтому неконденсируемые газы отсасывают вакуум-насосом 11, отделяя от увлеченных брызг воды в брызгоуловителе-ловушке 10. Отсюда вода также стекает в вертикальную барометрическую трубу и барометрический ящик.

При разработке вышеописанной схемы был проведен ее оценочный расчет исходя из потребности в электроэнергии. Согласно данным Федеральной службы государственной статистики [1] производство электроэнергии на душу населения в Республике Крым составляет 976,9 кВт∙ч/чел за 2017 год. Следовательно, среднее потребление электроэнергии в Крыму на одного человека в сутки равно 2,7 кВт∙ч/чел. Тогда необходимая электрическая мощность ГПУ для предполагаемого населенного пункта должна быть равна 13,5 МВт. Для обеспечения такой мощности подобрано 7 двигателей отечественного производителя ЗАО «Трансмашхолдинг» единичной мощность 2250 кВт (1 двигатель резервный). Стоимость одного двигателя составляет 50,5 млн руб., а назначенный срок службы 20 лет.

Хозяйственно-питьевое водопотребление принято по нормам [4, 5] на одного человека в средние сутки и равно 190 л.

Среднесуточный объем водопотребления, м³/сут, на хозяйственно-питьевые нужды определен по формуле:

где q_Ж — норма удельного водопотребления, л/(сут·чел), соответствующая табл. 1.1 [2]; N — рас­четное число жителей.

Тогда по формуле (1) расчетное потребление питьевой воды на населенный пункт численностью 5 тыс. человек равно:

При предварительном расчете когенерационной опреснительной установки по разработанной схеме солёность морской воды принята нормальной (3,5 %). Температура исходной воды – средняя температура морской воды Крымского побережья, которая равна 15°С. Для расчета теплообменных аппаратов использованы формулы из [2, 3].

Когенерационная опреснительная установка при работе по разработанной схеме позволит вырабатывать 13,5 МВт электроэнергии и 360 м³/сут пресной воды при расходе газа 450 нм³/ч. Такие значения позволяют обеспечить предполагаемый населенный пункт электроэнергией на 100% и питьевой водой на 38%. При этом такая установка окупится менее чем за 5 лет. Таким образом, можно сделать вывод о целесообразности разработки когенерационной опреснительной установки, которая может работать не только на территории Крыма, но и в любом регионе, расположенном на берегу морей и океанов.

Список литературы:

1. База данных Федеральной службы государственной статистики. URL:  http://www.gks.ru/free_ doc/new_site/business/it/mon-sub/1.4.3.xls
2. Бакластов A.M., Горбенко В.А., Данилов О.Л. и др.: Под ред. Бакластова A.M.. Промышленные тепломассообменные процессы и установки. / М.:Энергоатомиздат,1986.- 328 с.
3. Бородкин А.А., Портнов В.Д., Сасин В.Я., Фёдоров В.Н. / Расчёт тепломассообменных аппаратов- М.: МЭИ, 1997. – 54 с.
4. СНиП 2.04.02 — 84 «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения»
5. СНиП 2.04.01-85 «Внутренний водопровод и канализация зданий»