Исследование энергетической эффективности систем централизованного теплоснабжения как единого комплекса тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.03, кандидат технических наук Домрачев, Дмитрий Борисович

• Домрачев, Дмитрий Борисович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Домрачев, Дмитрий Борисович

Введение

ГЛАВА 1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ПОДХОДОВ И МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

1.1. Предпосылки создания методики оценки энергетической эффективности СЦТ

1.2. Методики оценки энергетической эффективности элементов систем централизованного теплоснабжения 10 1.2.1. Методики оценки энергетической эффективности источников теплоты в СЦТ

1.2.1.1. Оценка энергетической эффективности ТЭЦ

1.2.1.2. Оценка энергетической эффективности котельных

1.2.1.3. Математические модели источников тепловой энергии

1.2.2.1. Методики оценки энергетической эффективности тепловых сетей

1.2.2.2. Математические модели тепловых сетей

1.2.3.1. Методики оценки энергетической эффективности потребителей тепла

1.2.3.2. Математические модели потребителей тепла

1.3. Методики оценки энергетической эффективности систем централизованного теплоснабжения

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

И ИХ ЭЛЕМЕНТОВ

2.1. Разработка математической модели СЦТ. Описание задач, решаемых с ее помощью

2.2. Модуль источника теплоты

2.3. Модуль тепловых сетей

2.4. Модуль потребителя теплоты

2.5. Определение параметров работы системы теплоснабжения в отопительном сезоне

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ЖИЛОГО

РАЙОНА Г. ИРКУТСКА

3.1. Теплоисточник

3.1.1. Расчет поправок температурного графика

3.1.2. Задача определения оптимальной загрузки котлоагрегатов

3.2. Тепловые сети

3.2.1. Определение влияния увлажнения изоляции на величину теплопотерь

3.2.2. Сравнение теплопотерь трубопроводами различной прокладки

3.2.3. Сравнение теплопотерь трубопроводами с минераловатной и пенополиуретановой изоляцией

3.2.4. Сравнение гидравлического сопротивления трубопровода с различным сроком эксплуатации

3.3. Потребитель теплоты

3.3.1. Исследование влияния вариантов заполнения светового проема на величину инфильтрационных потерь теплоты

3.3.2. Сравнительный анализ теплопотерь зданий потребителя

3.4. Определение минимально необходимых затрат теплоты на отопление и эффективности СЦТ и ее элементов 102 Заключение 105 Список использованной литературы 107 Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование энергетической эффективности систем централизованного теплоснабжения как единого комплекса»

Проблема бесперебойного и эффективного обеспечения теплом потребителей системами централизованного теплоснабжения (СЦТ) в климатических условиях Сибири и крайнего севера России в настоящее время является чрезвычайно злободневной.

Система централизованного обеспечения теплом потребителей представляет собой сложный технологический комплекс, объединяющий в себе теплоисточник, тепловые сети и системы внутреннего теплоснабжения разного рода потребителей. Над повышением эффективности работы этого комплекса и его подсистем работало и работает большое число ученых и специалистов: А.И. Андрющенко, В.М. Бродянский, Е.Я.Соколов, Ю.П.Соловьев, JI.A. Мелентьев, А.П. Меренков, Е.В. Сеннова, В.А. Стенников и др. Вместе с тем с изменением экономических, социальных и иных условий в стране, многие вопросы требуют новых методических подходов и решений.

В настоящее время в СЦТ России наблюдается кризисная ситуация. Ее предпосылки назревали давно, но в отличие от ряда других областей народного хозяйства не проявлялись из-за большой инерционности систем энергетики. Главные причины тяжелой ситуации, сложившейся в системах теплоснабжения - затянувшийся общий экономический кризис в России и практический отказ государства от регулирования деятельности естественных монополий в том числе и энергетики.

Изношенность основных фондов генерирующих мощностей достигла более 50 %, систем транспорта теплоносителя — 30 %. Потери потребителей тепла вследствие низкого термического сопротивления ограждающих конструкций могут достигать до 80 % подведенного к ним тепла.

В связи с этим многие ученые и специалисты пытаются найти эффективные решения накопившихся проблем, рассматривают возможность перехода на различные схемы децентрализованного теплоснабжения.

Для сравнения систем теплоснабжения различного типа, объективного сопоставления существующих и вновь проектируемых систем теплоснабжения необходим инструмент, позволяющий определять термодинамическую и технико-экономическую эффективность той или иной системы и производить выбор наиболее полно отвечающий этим критериям.

Попытки создать такой инструмент неоднократно предпринимались многими специалистами. Однако, как правило, рассматриваемые ими системы не включали потребителя тепловой энергии в виде расчетного блока, функционирование которого зависит от внешних параметров и параметров взаимосвязей с другими элементами системы. Потребители были представлены обычно заданной тепловой нагрузкой, рассчитанной по укрупненным показателям, либо нормами потребления теплоты.

Цель работы:

Разработка вычислительного инструмента и проведение исследований систем централизованного теплоснабжения как единого комплекса, включающего потребителей тепла в виде расчетного блока.

Научная новизна работы определяется следующими положениями:

1. Автором предложены критерии энергетической эффективности систем теплоснабжения, а также их конечного звена — потребителя, что позволило рассматривать системы теплоснабжения как единый комплекс.

2. Разработана математическая модель для исследования СЦТ, которая включает модули, описывающие условия функционирования всех ее элементов, включая потребителя, с учетом основных внешних параметров и параметров взаимосвязей друг с другом.

3. Создан программно-вычислительный комплекс для исследования систем централизованного теплоснабжения.

Практическая значимость работы состоит в том, что предложенные соискателем инженерные методики оценки энергетической эффективности СЦТ и ее элементов: распределения нагрузки между котлоагрегатами котельной для отыскания режима работы источника с минимальными расходами топлива, а также моделей и программных средств для расчетов гидравлических режимов, теплопотерь в элементах СЦТ могут быть полезны проектным и эксплуатационным организациям и фирмам, решающим задачи теплоснабжения.

В частности разработанные методики и программные продукты используются в Иркутском государственном унитарном предприятии жилищно-коммунального хозяйства при проведении энергетических обследований, а также при проектировании котельных и тепловых сетей. Результаты исследований используются также в учебном процессе кафедры «Теплогазоснабжение, вентиляция и охрана воздушного бассейна» при изучении студентами дисциплин «Теплоснабжение» и «Теплогазоснабжение и вентиляция» (см. Приложения).

В главе 1 дан обзор публикаций, посвященных исследованиям различных элементов СЦТ. Обсуждаются существующие методы оценки и показатели энергетической эффективности элементов системы теплоснабжения. Отмечается, что в изученной литературе отсутствует показатель для оценки энергетической эффективности потребителей тепла и СЦТ в целом. На основании обзора литературы сформулированы основные задачи, решаемые в диссертации.

В главе2 дается описание разработанной математической модели СЦТ, включающей модули теплоисточника, тепловых сетей и потребителей теплоты, а также созданного на ее основе программно-вычислительного комплекса (ПВК) СЦТ. Описывается структура ПВК и заложенные в него расчетные алгоритмы, учитывающие взаимосвязи между всеми элементами системы. Описывается методика определения энергетической эффективности потребителя тепла по значениям энергетического КПД, рассчитываемого на основе минимально необходимых затрат теплоты на отопление. Дается методика их расчета для потребителей, размещенных в различных регионах. На основе величины минимально необходимых затрат тепла на отопление предлагается оценивать энергетическую эффективность систем теплоснабжения в целом. Детально описывается полный спектр возможностей модели СЦТ, показывается связь между составляющими звеньями системы. В главе 3 приводятся результаты расчетов, произведенные на разработанной математической модели СЦТ для климатических условий г. Иркутска. Показывается специфика распределения тепловых потерь по звеньям СЦТ. Указывается особенность определения тепловых потерь в сетях при наличии участков с повышенной влажностью. Исследуется инфильтрационная составляющая и составляющая потерь ограждающими конструкциями в тепловой нагрузке потребителей. Дается сравнительный анализ тепловых потерь всех звеньев СЦТ, эффективности работы каждого из них и всей системы в целом.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты исследований.

В приложении приведены акты об использовании результатов работы.

Личный вклад автора заключается в реализации новой постановки исследований систем теплоснабжения, разработке математической модели и программно-вычислительного комплекса СЦТ, а также в проведении исследований на модели и анализе полученных результатов.

Заключение диссертации по теме «Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение», Домрачев, Дмитрий Борисович

Заключение

1. Анализ существующих подходов и методов исследования СЦТ и ее элементов, показал, что отсутствуют показатели энергетической эффективности систем централизованного теплоснабжения как единого комплекса. Причиной этого является то обстоятельство, что при определении КПД системы неизвестно, что считать и как устанавливать «полезно использованное тепло» у потребителей. Поэтому оценки энергетической эффективности системы теплоснабжения в целом не существует.

2. Соискателем предложена методика оценки термодинамической эффективности потребителя тепловой энергии по значениям энергетического КПД, рассчитываемого на основе минимально необходимых затрат теплоты на отопление. Предложена методика расчета величины минимально необходимых затрат тепла на отопление для потребителей, размещенных в различных регионах. Это позволило рассчитывать КПД как потребителей тепла, так и системы теплоснабжения в целом. На основе этой методики была разработана математическая модель СЦТ, включающая модули источника тепла, тепловых сетей, а также и потребителей тепла в явном виде. В модели согласовано рассчитываются параметры всех элементов системы при изменении климатических и иных факторов.

3. На основе созданной модели был разработан программно-вычислительный комплекс и проведены исследования системы теплоснабжения жилого района для климатических условий г. Иркутска в результате исследований были рассчитаны значения КПД элементов и системы теплоснабжения в целом, которые для отопительного периода составили: для теплоисточника 64,8 %, тепловых сетей - 91,3 %, потребителя - 49,5 %, системы теплоснабжения в целом - 29,3 %.

4. Разработанная модель позволяет решать также частные задачи по элементам системы теплоснабжения. В ходе исследований на модели были поставлены и решены другие задачи:

- разработан и реализован на конкретном примере алгоритм поиска оптимальной загрузки котлоагрегатов по критерию минимального расхода топлива в целом по источнику с определением получаемой при этом экономия топлива. Она может достигать 3 % и более от суммарного расхода топлива на котельной;

- установлены значения поправок для температурного графика. При качественном способе регулирования отпуска теплоты корректировка температурного графика достигает 4 °С, при количественно-качественном способе - совпадает с графиком;

- произведено сравнение теплопотерь трубопроводами тепловых сетей различных способов прокладки и разными типами теплоизоляции. Данные о чрезвычайно высоких потерях тепла в тепловых сетях, приводимых в целом ряде публикаций [41,42,55,58], не подтверждаются расчетами на модели.

Сравнение теплопотерь трубопроводами различных способов прокладки пока зало, что наибольшие потери происходят при наемном способе прокладки от 135 кВт (dy=350 мм) до 232 кВт (dy=lООО мм), наименьшие — при подземной прокладке в непроходных каналах от 99 кВт (dy=350 мм) до 147 кВт (dy=1000 мм). Теплопотери трубопроводов dy=350 мм с минераловатной изоляцией при 100 % ее влажности не превышают 32% от величины транспортируемого по нему тепла. Потери тепла трубопроводами с ППУ изоляцией существенно (минимум в 1,78 раза при сухой изоляции) ниже потерь аналогичного трубопровода с минераловатной изоляцией. Прове денные исследования показали, что назрела необходимость разработки единой метов дики расчета теплопотерь при транспорте теплоносителя;

- осуществлен анализ теплопотерь зданиями различной конфигурации. Расчетами на модели установлено, что теплопотери зданий различной этажности и конфигурации одинакового объема могут существенно отличаться. Инфильтрационная составляющая в тепловой нагрузке потребителя весьма значительна и может достигать сорока и более процентов. Применение в зданиях тройного остекления, вместо двойного, сокращает инфильтрационные потери почти в 2 раза, а при установке герметичных стеклопакетов сводит данную составляющую почти к нулю, что создает определенный дискомфорт для пребывания людей в помещении. Это обстоятельство ограничивает сферу применения герметичных стеклопакетов в зданиях с естественной вентиляцией.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Домрачев, Дмитрий Борисович, 2005 год

1.В., Паюсте Б.Я. Задачник по процессам тепломассообмена: Учеб. пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1986, 144 с.

2. Акуловцев Е. В. Современные заполнения оконных проемов // Сборник научных трудов международной конференции «Современные сложные системы управления», Воронеж. 2003. с. 113-115.

3. Андрющенко А. И. Метаморфозы теплофикации и пути совершенствования систем теплоснабжения городов // Новости теплоснабж. 2003. - № 12.-С. 11-14.

4. Андрющенко А.И. Основы термодинамических циклов теплоэнергетических установок. М: Высшая школа, 1968

5. Андрющенко А.И., Николаев Ю.Е., Семенов Б.А., Гордеев А.Г. Принципы создания высокоэкономичных систем централизованного теплоснабжения городов // Промышленная энергетика 2003, № 5 с. 8-12

6. Андрющенко А.И. О показателях эффективности эксплуатации промышленных паротурбинных ТЭЦ// Промышленная энергетика — 2001, № 2 с. 2-5

7. Андрющенко А.И. Показатели совершенства тепловых сетей ТЭЦ и их эксплуатации. Материалы межд. конференции «Технические, экономические и экологические проблемы энергосбережения». Саратов, 2001, с.6-9

8. Антонова Е.О., Бахмат Г.В., Степанов О.А. Теплообмен при трубопроводном транспорте нефти и газа. Спб.: Недра, 1999

9. Балуев Е.Д. Перспективы развития централизованного теплоснабжения// Теплоэнергетика. 2001, №11, с.51-54

10. Беляев B.C., Хохлова Л.П. Проектирование энергоэкономичных и энергоактивных гражданских зданий. М.: Высш. шк., 1991

11. Богуславский Л.Д. Экономия теплоты в жилых зданиях -М.:Стройиздат, 1990

12. Бродянский В.М., Фратшер В., Михалек К. Эксергетический метод и его