Тепловые электростанции принципиально делятся на конденсационные электростанции (КЭС) и тепловые электростанции (ТЭС), в зависимости от их назначения. КЭС предназначена только для выработки электрической энергии, в то время как ТЭС специализируется на выработке не только электрической энергии, но и тепловой, в виде горячей воды и/или пара. На российских ТЭС преимущественно используется органическое топливо, которое имеет устойчивую тенденцию к удорожанию, поэтому важным направлением развития отечественной энергетики является повышение эффективности топливоиспользования ТЭС.  Одним из способов реализации данного направления является внедрение тепловых насосов на ТЭС.

В 2022 году в России было выработано электроэнергии 1170 млрд. кВт∙ч, из них 738 млрд. кВт∙ч на ТЭС, 199 млрд. кВт∙ч на ГЭС, 224 млрд. кВт∙ч на АЭС и 9 млрд.  кВт∙ч с использованием возобновляемых источников энергии. В процессе производства электроэнергии колоссальное количество низкопотенциальной энергии не используется и выбрасывается в окружающую среду, поэтому следует сократить выбросы низкопотенциальной энергии, путём использования вспомогательного оборудования, что как минимум приведёт к уменьшению выбросов тепла, а в лучшем случае и к увеличению производства электрической и/или тепловой энергии. В ходе работы станции образуется большое количество вторичных энергетических ресурсов (ВЭР), эксергия которых теряется. Бывают высокопотенциальные и низкопотенциальные ВЭР, к высокопотенциальным относятся потери с уходящими газами, к низкопотенциальным потери с охлаждающей водой при конденсации рабочего тела в конденсаторе.

Использование ВЭР возможно с помощью специального утилизационного оборудования, например, для утилизации высокопотенциальных ВЭР используют котлы утилизаторы, а для низкопотенциальных ВЭР – тепловые насосы. В системе охлаждения электрогенераторов низкопотенциальная теплота отводится в окружающую среду с охлаждающей водой из системы технического водоснабжения. В данном случае, можно рассмотреть подключение контура с тепловым насосом, который будет греть сетевую воду, за счёт использования ВЭР после системы охлаждения электрогенераторов. Данный способ не только позволит снизить тепловые выбросы в окружающую среду, но и увеличит теплоотпуск от ТЭЦ [1].

Тепловой насос — это устройство, которое играет ключевую роль в управлении тепловой энергией на предприятии. Его основная функция заключается в перемещении тепловой энергии из одной области в другую, что позволяет оптимизировать работу различных систем на ТЭЦ, таких как системы отопления и охлаждения. Это достигается за счет использования принципов термодинамики, которые позволяют тепловому насосу эффективно извлекать тепло из одного источника и передавать его другому.

Тепловые насосы могут использоваться для отопления и охлаждения различных компонентов ТЭЦ, включая электрогенераторы. В процессе отопления тепловые насосы могут извлекать избыточное тепло, которое обычно теряется в процессе производства электроэнергии, и использовать его для обогрева зданий, помещений или технологических процессов на ТЭЦ. Это позволяет значительно снизить потребление дополнительного топлива и уменьшить эксплуатационные расходы. Кроме того, тепловые насосы могут эффективно циркулировать тепло в системе отопления, обеспечивая равномерное распределение тепловой энергии по всему объекту. В процессе охлаждения тепловые насосы играют важную роль в предотвращении перегрева электрогенераторов, что является одной из ключевых задач на ТЭЦ. Они могут использоваться для отвода избыточного тепла от генераторов, поддерживая их оптимальную рабочую температуру и предотвращая возможные поломки или снижение эффективности. Также тепловые насосы могут использоваться для охлаждения помещений, где находятся важные электронные и электрические компоненты, что помогает поддерживать стабильную работу всего оборудования [2].

Рисунок 1. Схема теплового насоса на ТЭЦ

Использование тепловых насосов на ТЭЦ приносит множество преимуществ. Во-первых, они позволяют значительно повысить общий коэффициент полезного действия (КПД) теплоэлектроцентрали за счет оптимального использования тепловой энергии. Во-вторых, использование тепловых насосов снижает потребление топлива и электроэнергии, что приводит к снижению эксплуатационных затрат и уменьшению воздействия на окружающую среду. В-третьих, благодаря более эффективному использованию энергии и снижению потребления топлива, тепловые насосы помогают уменьшить выбросы парниковых газов и других вредных веществ, способствуя экологической устойчивости предприятия [3].

Система охлаждения электрогенератора представляет собой несколько контуров охлаждающих сред.  Первый контур охлаждает непосредственно электрогенератор, отводит теплоту от нагревающихся элементов, второй же контур необходим для отвода теплоты от охлаждающего агента, если не отводить теплоту из первого контура, то охлаждающий агент первого контура со временем нагреется и перестанет охлаждать, что приведёт к перегреву электрогенератора и как следствие к неработоспособному состоянию. В качестве охлаждающих агентов в электрогенераторах применяется воздух, водород, дистиллированная вода и трансформаторное масло.

В основном применяют жидкостное или газовое охлаждение. Газовое включает в себя использование воздуха или водорода в качестве охладителя. Так как водород взрывоопасен и для хранения необходимо поддерживать в сжатом состоянии, поэтому исходя из требований безопасности и простоты использования, применяют воздух.

Охлаждение электрогенераторов может осуществляться путём отвода теплоты от проводников обмотки по каналам или косвенно от поверхности ротора и статора. В процессе охлаждения воздух забирает теплоту с элементов генератора и как следствие нагревается. Теплоту необходимо отводить, для этого на ТЭС используют водо-водяные теплообменники, которые забирают теплоту из воздуха, и затем дальше эта теплота сбрасывается в градирни, тем самым воздух в теплообменниках охлаждается, и затем дальше используется для охлаждения электрогенератора. Используемый воздух для охлаждения должен быть обеспылен, поэтому нельзя использовать воздух из помещения, так как даже небольшое количество пыли, способно за короткое время вывести систему охлаждения из строя.

Рисунок 2. Генератор с воздушной системой охлаждения.

Что касается жидкостного охлаждения, то используют дистиллированную воду или трансформаторное масло. Система водяного охлаждения должна быть оборудована: трубопроводами подачи и слива дистиллята, основными резервными насосами дистиллята, механическими, магнитными и ионитными  фильтрами дистиллята  от  газовых примесей,  расширительным  баком  с защитой дистиллята от внешней среды, основными и резервными  теплообменниками для охлаждения дистиллята, предупредительной  сигнализацией и защитой, контрольно-измерительными приборами и реле автоматики для контроля и управления системой водяного охлаждения и  управления  системой  водяного  охлаждения, устройствами обнаружения  утечки водорода в тракт водяного охлаждения обмоток статора, контрольными трубками с кранами (для удаления воздуха из системы водяного охлаждения обмотки статора во время заполнения её дистиллятом) [4].

Рисунок 3. Принцип работы генератора на жидкостном охлаждении

Парокомпрессионный тепловой насос является одной из наиболее распространенных и эффективных систем для охлаждения электрогенераторов. Его работа основана на использовании хладагента, который циркулирует в замкнутом контуре и проходит через четыре основных этапа: испарение, сжатие, конденсация и расширение.

Рисунок 4. Схема работы парокомпрессионного теплового насоса

На этапе испарения хладагент в жидком состоянии поступает в испаритель, расположенный рядом с электрогенератором. В испарителе хладагент поглощает избыточное тепло, выделяемое генератором, и испаряется, переходя в газообразное состояние. Этот процесс сопровождается поглощением большого количества тепла, что позволяет эффективно охлаждать генератор. Затем газообразный хладагент направляется в компрессор, где он сжимается, что приводит к значительному повышению его давления и температуры. Сжатый и нагретый хладагент выходит из компрессора и направляется к конденсатору. В конденсаторе горячий газообразный хладагент отдает тепло окружающей среде или другой системе, где это тепло может быть полезно использовано. В процессе отдачи тепла хладагент охлаждается и конденсируется, переходя обратно в жидкое состояние. Конденсация сопровождается выделением тепла, которое может быть использовано для обогрева помещений или для других нужд. После этого жидкий хладагент проходит через расширительный клапан, где его давление и температура снижаются. Охлажденный хладагент снова поступает в испаритель, и цикл повторяется [5].

Абсорбционный тепловой насос является альтернативной системой охлаждения, использующей тепло для приведения в действие цикла охлаждения, что особенно полезно в условиях, где доступно избыточное тепло. Работа абсорбционного теплового насоса включает четыре основных этапа: испарение, абсорбция, десорбция и конденсация.

На этапе испарения хладагент, обычно вода или аммиак, испаряется в испарителе, поглощая тепло от электрогенератора. Этот процесс охлаждает генератор, так как тепло, выделяемое им, используется для испарения хладагента. Затем газообразный хладагент направляется в абсорбер, где он смешивается с абсорбентом, например, раствором воды и бромида лития или раствором аммиака и воды. В абсорбере происходит процесс абсорбции, при котором хладагент поглощается абсорбентом, образуя раствор. Этот процесс сопровождается выделением тепла, которое отводится с помощью системы охлаждения. Образовавшийся раствор направляется в генератор, где он нагревается внешним источником тепла, например, паром или горячей водой. При нагреве хладагент выделяется из раствора в виде пара, оставляя концентрированный абсорбент. Этот процесс называется десорбцией. Пары хладагента затем направляются в конденсатор. В конденсаторе пары хладагента охлаждаются и конденсируются, переходя обратно в жидкое состояние. Конденсированная жидкость затем возвращается в испаритель через расширительный клапан или дроссель, где её давление и температура снижаются, и цикл повторяется [6].

Рисунок 5. Схема абсорбционного теплового насоса

Применение тепловых насосов для охлаждения электрогенераторов может значительно улучшить их работу и общую эффективность. Использование тепловых насосов позволяет повысить общую энергоэффективность системы, так как они используют избыточное тепло, которое в противном случае было бы потеряно. Это также приводит к сокращению эксплуатационных затрат на охлаждение за счет уменьшения потребности в электроэнергии для традиционных систем охлаждения и использования доступного избыточного тепла. Поддержание оптимальных температурных условий позволяет увеличить срок службы электрогенераторов, снижая тепловой износ и перегрев компонентов. Внедрение тепловых насосов способствует снижению выбросов углекислого газа благодаря более эффективному использованию энергии и уменьшению потребности в дополнительных источниках энергии для охлаждения. Кроме того, за счет стабильного и эффективного охлаждения надежность работы электрогенераторов может повыситься, что снижает вероятность аварий и незапланированных простоев. Эти данные демонстрируют значительные преимущества использования тепловых насосов для охлаждения в энергетической отрасли, хотя конкретные результаты могут варьироваться в зависимости от условий эксплуатации, типа теплового насоса и характеристик электрогенераторов [7].

Использование тепловых насосов для охлаждения электрогенераторов представляет собой эффективное и инновационное решение, обеспечивающее оптимальные рабочие условия для оборудования и способствующее повышению общей энергоэффективности тепловых электростанций. Внедрение как парокомпрессионных, так и абсорбционных тепловых насосов позволяет эффективно удалять избыточное тепло, предотвращая перегрев и продлевая срок службы генераторов. Парокомпрессионные тепловые насосы работают через цикл испарения, компрессии, конденсации и расширения, обеспечивая надежное и стабильное охлаждение. Абсорбционные тепловые насосы, использующие тепло для приведения в действие цикла охлаждения, являются особенно полезными в условиях, где доступно избыточное тепло, что дополнительно снижает эксплуатационные затраты и усиливает энергоэффективность. В конечном итоге, использование тепловых насосов для охлаждения электрогенераторов не только поддерживает их функциональность и долговечность, но и способствует более рациональному использованию тепловой энергии и снижению потребления ресурсов для охлаждения, что делает этот подход важным элементом в современных энергосистемах.