Для тепловых электростанций (ТЭС) более высокая эффективность работы может быть достигнута за счёт использования высокотемпературных аккумуляторов тепла (AT). Постоянно увеличивающаяся цена на органическое топливо, а также цена за вредные выбросы, делают технологию AT перспективной для большинства ТЭС. Технология низкотемпературных AT (до 100 еС) хорошо известна и применяется почти на каждой ТЭС в мире для сглаживания пиков тепловых нагрузок. Последние исследования, проведенные в США и Великобритании, выявили огромный потенциал использования AT — около 108 ГДж/год. Температуры выше 500-600 еС, а также температурный интервал 100-300 еС были признаны главными направлениями дальнейших разработок [1].
Если низкотемпературные AT участвуют в сглаживании пиков тепловых нагрузок, то высокотемпературные AT могут обеспечить сглаживание пиков электрической энергии и более эффективную работу ТЭС в условиях циклических процессов (нагрузок) [2].
Идея высокотемпературных AT (в основном паровых) для ТЭС и АЭС изучается и разрабатывается уже на протяжении более 50 лет. Несколько проектов было реализовано в Германии и Финляндии. Однако технология аккумуляции тепла высоких параметров не так легка, как может показаться. Во-первых, для достижения ощутимого эффекта от аккумуляции необходим достаточно большой объем AT. В случае с пароводяным аккумулятором это означает использование емкостей, которые должны выдерживать давление до 100 бар. При этом объем баков может достигать 5000 мЗ. Присутствие таких объемов горячей воды под огромным давлением небезопасно для ТЭС или АЭС, и может привести к катастрофическим последствиям в случае малейшего повреждения баков. В температурном диапазоне 400-500 еС возможно использование расплавов соли или органических соединений. При этом необходима организация отдельного контура с дополнительным теплообменным оборудованием. С учетом того, что теплоемкость солей и органики меньше скрытой теплоты парообразования у воды, схемы получаются достаточно громоздкими. Более того, не до конца решён вопрос коррозии и вопросы взаимодействия различных веществ с водой.
Рабочая температура расплавов составляет около 800 еС. Использование расплавов показало высокую эффективность для сглаживания пиков солнечной активности. Существует также технология использования расплавов металлов. Эффективность схем с расплавами металлов более высока из-за более высокой теплопроводности, однако стоимость жидких металлов очень высока. Расплавы соли и металлов очень перспективные теплоносители, однако эффективный диапазон работы находиться за пределами рабочих температур ТЭС и АЭС.
В последнее время все более популярны, становятся материалы с изменяемой фазой, а именно, парафины. Скрытая теплота фазового перехода позволяет обеспечить постоянную температуру зарядки и разрядки, что позволяет повысить эффективность схемы. Эффективный рабочий диапазон составляет 100 ~ 250 еС. Однако, на сегодняшний день, не существует ещё не одного коммерческого реализованного проекта [3].
Идея авторов состоит в использовании модулей с материалами с изменяемой фазой в высокотемпературных пароводяных аккумуляторах. Применение таких модулей позволяет сократить количество горячей воды, используемой в AT при неизменной тепловой мощности.
Для исследования режимов работы тепловой схемы ТЭС с ТА авторами была разработана модель схемы для турбины Siemens мощностью 42,6 МВт работающей с 3 котлоагрегатами Rowitec (Рисунок 1). Параметры свежего пара 62 бар и 417 еС. Регенеративная схема представлена подогревателем низкого давления (ПНД) и деаэратором, работающим на постоянном давлении 2,6 бар. В модели использованы фактические расходные характеристики турбоагрегата. Адекватность номинальной модели (без AT) на всех режимах проверена по фактическим данным. Модель создана в программном продукте Solvo®.
В течение часов ночного провала нагрузки AT заряжается дополнительным паром из отбора посредством дополнительного подогревателя зарядки. Слив дренажа в деаэратор является наиболее эффективным для данной схемы. При зарядке происходит уменьшение выработки электроэнергии, однако нагрузка котла изменяется незначительно, оставляя фактор загрузки стабильным. В течение пиков электропотребления питательная вода проходит через дополнительный теплообменник, где нагревается горячей водой AT.
Проходя через нерегулируемый ПНД, более нагретая по сравнению с номинальным режимом питательная вода требует меньшее количество пара. Высвобожденный пар, продолжая движение по турбине, вырабатывает дополнительную электроэнергию. В течение полного дневного цикла увеличения и уменьшения электрической нагрузки коэффициент использования установленной мощности основных агрегатов и вспомогательного оборудования возрастает, что приводит к более эффективному использованию рабочих мощностей. Результаты использования AT в рассмотренной схеме показали увеличение эффективности ТЭС в среднем на 0,5 %. Прирост мощности в режиме разрядки составляет около 3 МВт (около 7%). Мощность AT около 8 МВт, необходимая ёмкость баков составляет около 3000 м3.
Несмотря на положительный эффект, решение по AT неоднозначно и сильно зависит от особенностей схемы. Например, тепловая мощность AT сильно зависит от того насколько необходимо «срезать» пики и провалы нагрузки, что, в свою очередь, зависит от состояния рынка электроэнергии. Более того, возвращаясь к вышеизложенным факторам, большая ёмкость водяных AT создает проблемы безопасности.
В этой ситуации модули с материалом с изменяемой фазой могут решить проблему большого объема горячей воды.
Исследования по использованию отдельных таких модулей проведены только в области тепловых солнечных электростанций. Исследования применения материалов с изменяемой фазой в области ТЭС на органическом топливе и АЭС не проводились. Данный вопрос требует детальной проработки и постановки эксперимента. Несмотря на то, что системы с использованием материалов с изменяемой фазой очень часто предлагаются, не один проект не реализован в промышленном масштабе из-за низкой теплопроводности материалов. Тем не менее, исследования по интенсификации теплопроводности [4] продолжаются и предлагаются различные способы увеличения эффективности систем с материалами с изменяемой фазой [5].
Для тепловых электростанций (ТЭС) более высокая эффективность работы может быть достигнута за счёт использования высокотемпературных аккумуляторов тепла (AT). Постоянно увеличивающаяся цена на органическое топливо, а также цена за вредные выбросы, делают технологию AT перспективной для большинства ТЭС. Технология низкотемпературных AT (до 100 еС) хорошо известна и применяется почти на каждой ТЭС в мире для сглаживания пиков тепловых нагрузок. Последние исследования, проведенные в США и Великобритании, выявили огромный потенциал использования AT — около 108 ГДж/год. Температуры выше 500-600 еС, а также температурный интервал 100-300 еС были признаны главными направлениями дальнейших разработок [1].
