Постановка задачи. 
Использование избыточного давления в системах централизованного теплоснабжения для производства электрической энергии

Известно, что при транспортировке рабочих и технологических жидкостей (водные среды, углеводороды и др.) для преодоления гидравлического сопротивления магистральных трубопроводов мощность насосных агрегатов выбирается исходя из требуемого давления среды для обеспечения самых удалённых объектов. Применительно к теплоснабжению, абоненты, расположенные близко к источнику тепла, вынужденно получают теплоноситель с избыточным давлением, которое попросту дросселируется и безвозвратно теряется в тепловых пунктах. В качестве примера на рис. 1 приведены значения потерь давления при дросселировании потоков теплоносителя на 17-ти характерных центральных тепловых пунктах (ЦТП), эксплуатирующихся в ОАО «МОЭК». Очевидно, значительная часть энергии, затраченной на создание магистрального перепада давления, является потерянной и составляет от 50 до 75% для всей представленной выборки тепловых пунктов [3].

В МЭИ был разработан способ получения электрической энергии на основе рекуперации избыточного магистрального давления жидкостей [4]. На основе результатов научных исследований была разработана и реализована на практике система рекуперации магистрального давления (СРД) в системах централизованного теплоснабжения. Система, схема которой показана на рис. 2, представляет собой совокупность гидроагрегата (гидротурбина и асинхронный генератор), запорно-регулирующей арматуры и блока автоматического управления.

СРД, выполняя функции демпфирующего устройства, обеспечивает снижение давления до требуемой величины. При этом весь избыточный перепад давления посредством гидроагрегата преобразуется в механическую энергию, которая, в свою очередь, преобразуется в электрическую с помощью асинхронного генератора. Вырабатываемая в СРД электроэнергия используется на собственные нужды или возвращается в централизованную сеть.

Общий вид установки на одном из ЦТП Москвы представлен на рис. 3. В качестве гидротурбины был использован насос, работающий в турбинном режиме, а в качестве генератора — серийный асинхронный двигатель [5]. Для того чтобы использовать весь диапазон избыточного давления (рис. 1), был выбран двухскоростной асинхронный двигатель (3000/1500 об/мин). Это позволило обеспечить выработку электроэнергии с максимальным КПД во всем диапазоне избыточных давлений. Мощность установок определяется параметрами технологических циклов, в которых они используются. В настоящее время на ЦТП ОАО «МОЭК» работают десять установок мощностью 4,75 и 9,5 кВт. Система автоматики и управления обеспечивает эксплуатацию установок без участия оператора.

Данные по выработке электроэнергии на этих установках приведены в табл. 1 и показаны на рис. 4.

Диаграммы выработки электроэнергии на этих установках представлены на рис. 4. За три года эксплуатации они выработали 135 МВт· ч электрической энергии. В среднем каждая установка выработала 13,5 МВт· ч электроэнергии, или 4500 кВт· ч в год. Если учесть, что в среднем одна двухкомнатная квартира потребляет в год примерно 1000 кВт· ч электроэнергии, то одна такая установка обеспечивает годовые потребности примерно пяти таких квартир.

В автоматическом режиме блок управления обеспечивает:

• — автоматический запуск СРД;
• — автоматический плановый останов СРД;
• — ограничение снизу минимального давления воды за турбиной;
• — максимальную мощность генератора и выбор рациональной частоты вращения;
• — автоматический останов СРД в аварийных ситуациях без вмешательства оператора.

Важно отметить, что система рекуперации давления может использоваться не только в системах теплои водоснабжения, но и в других технологических процессах, таких как транспортировка углеводородов или даже в системах стоков и сбросов.