Повышение эффективности систем централизованного теплоснабжения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.04, кандидат технических наук Колосов, Михаил Викторович

• Колосов, Михаил Викторович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Колосов, Михаил Викторович

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

1 Анализ исследуемого объекта и постановка задачи

1.1 Производственная структура, состояние и перспективы развития систем теплоснабжения районов

1.2 Методики оценки энергетической эффективности систем централизованного теплоснабжения

1.2.1 Методики оценки энергетической эффективности источников теплоты в системах централизованного теплоснабжения

1.2.2 Методики оценки энергетической эффективности транспорта теплоты в системах централизованного теплоснабжения

2 Функциональная модель теплоснабжения

2.1 Функциональная структура системы теплоснабжения

2.1.1 Подсистема производства тепловой энергии

2.1.2 Подсистема транспорта тепловой энергии

2.2 Эксергетический анализ систем теплоснабжения

2.3 Эксергетический анализ температурного графика и критерий энергетической эффективности

3 Повышение эффективности транспорта тепловой энергии

3.1 Оптимизационные модели и методы проектирования и повышения эффективности тепловых сетей

3.2 Эксергетическая модель оптимизации конфигурации и ключевых проектных параметров тепловой сети

3.2.1 Определение тепловых потерь трубопроводов

3.2.2 Учет случайных факторов, влияющих на гидродинамический и тепловой режимы работы сети теплоснабжения

3.3 Экономическая модель оптимизации конфигурации и ключевых проектных параметров тепловой сети

4 Применение разработанного инструментария при оптимизации параметров теплосети

4.1 Постановка задачи и подготовка исходной информации

4.2 Реализация созданного алгоритма и анализ полученного решения

Основные выводы и рекомендации

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности систем централизованного теплоснабжения»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Россия располагает масштабным недоиспользуемым потенциалом энергосбережения, который по способности решать проблему обеспечения экономического роста страны сопоставим с приростом производства всех первичных энергетических ресурсов.

Высокая доля энергоемких технологий (энергоемкость национального дохода в России в 2 - 3 раза выше, чем в странах Западной Европы), непомерно расточительный характер энергопотребления (более трети всех потребляемых ресурсов расходуется нерационально), стремительный рост тарифов на тепловую и электрическую энергию, авторитетные экспертные оценки удручающего технического состояния основных производственных фондов и реальных перспектив развития ТЭК являются серьезнейшими препятствиями дальнейшего реформирования экономики [1].

Сибирь является по существу главной топливно-энергетической базой страны, здесь производится 77 процентов всех энергоресурсов страны, в том числе 27 процентов электроэнергии, добывается 91 процент газа, 69 процентов нефти, 61 процент угля. Несмотря на уникальные возможности по добыче и производству энергоресурсов, ТЭК Сибири переживает в настоящее время глубокий кризис. Все это является следствием перенапряжения производственного потенциала при постоянном остром недостатке инвестиций на его развитие, серьезных диспропорций между подготовкой запасов, добычей и переработкой энергоресурсов, производством и транспортом энергии, развитием производства и инфраструктуры. Есть и другая особенность - энергоемкость и электроемкость промышленного производства Сибири превосходит среднероссийский показатель на 13 - 14 процентов, при этом уровень цен на энергоресурсы не соответствует уровню эффективности использования топлива и энергии [2, 3].

По заключению специалистов Института стратегического управления планетарной ресурсо-энергетической и социально-гуманитарной деятельности человека, уже сегодня подавляющее число электростанций в стране работает в критическом, предаварийном режиме, 20 процентов основного генерирующего оборудования подлежит демонтажу по условиям безопасной эксплуатации. Около 45 процентов активной части основных производственных фондов в энергетике проработало более 20 лет. В нефтеперерабатывающей промышленности по большинству предприятий износ достиг 90 процентов их первоначальной стоимости. Шахтный фонд почти на 70 процентов состоит из шахт, введенных в эксплуатацию более тридцати лет назад, более 100 шахт необходимо закрывать как нерентабельные. К этому следует добавить техническую отсталость. В нефтяной и газовой промышленности только 10 - 14 процентов эксплуатируемого оборудования отвечает мировому уровню.

Все эти трудности в большей или меньшей степени характерны и для энергетики Красноярского края [4]. Как никогда обострился комплекс проблем, связанных с дефицитом тепла в Красноярске и других городах края. По-прежнему преобладают расточительные подходы в потреблении энергоресурсов. Отсутствует какая-либо система эффективных методов экономического стимулирования энергосбережения. В соответствии с требованиями СНиП предстоит решать непростую задачу снижения потерь через ограждающие конструкции зданий и сооружений. Расчеты и результаты теплоэнергетических испытаний показывают, что общие теплопотери зданий на 50 - 60 процентов выше нормативных [5].

Решение этих и других проблем в ТЭК края становится насущно необходимым и неотложным. Государственная Дума и Правительство Российской Федерации предпринимают конкретные шаги по переводу экономики России с энергорасточительного на энергосберегающий путь развития [6, 7]. Принят федеральный закон Российской Федерации № 261-ФЗ

«Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской федерации» от 23 ноября 2009 года [8]. Принято распоряжение Правительства Российской Федерации «Энергетическая стратегия России на период до 2030 года (ЭС-2030)» от 13 ноября 2009 г. №1715-р [9].

Низкий уровень инвестиций в энергетику приводят к старению основных фондов, их преждевременному выбытию из-за удлинения межремонтных периодов и уже в ближайшем будущем могут не позволить ТЭК играть ту важную роль в экономике Красноярского края и страны в целом, которую он все еще играет сегодня.

Вместе с тем, как показывает опыт и результаты работы так называемых "демонстрационных зон" в России, мероприятия, связанные с энергосбережением, способны компенсировать в среднем до 40 процентов необходимых инвестиций в энергетику только за счет без затратных и мало затратных проектов и программ.

Мировая практика показывает, что каждый доллар, вложенный в экономию энергии, приносит в конечном итоге четыре доллара в виде дополнительной прибыли предприятия. Не случайно в развитых странах энергосбережение справедливо относится к наиболее рентабельным видам бизнеса, а принцип минимизации энергетических затрат на единицу продукта становиться адекватным средством выхода из сырьевого тупика в инновационную перспективу [10].

Система централизованного обеспечения теплом потребителя 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. Мелентьев, А.П. Меренков, Е.В. Сеннова, В.А. Стенников, М.Н. Зингер и др.

Вместе с тем с изменениями экономических, социальных и иных условий в стране, многие вопросы требуют новых методических подходов и решений.

Проблема повышения эффективности коммунального и промышленного теплообеспечения является весьма актуальной для государства, региональных властей, энергетиков, коммунальных служб, населения.

Цель работы: заключается в развитии методов расчета кольцевых тепловых сетей с учетом повышения эффективности их функционирования.

Для реализации основной цели исследования в диссертационной работе поставлены следующие задачи:

структурный и функциональный анализ работы кольцевых тепловых сетей для обоснования критерия оптимизации системы теплоснабжения;

оптимизация характеристик и параметров системы теплоснабжения по энергетическим и экономическим показателям;

разработка рекомендаций по увеличению пропускной способности тепловой сети и повышению эффективности ее работы.

Объектом исследования являются кольцевые тепловые сети различной конфигурации.

Научная новизна работы определяется следующими положениями:

1. Впервые на базе структурного и функционального анализа и применения эксэргетического метода, предложен критерий оптимизации характеристик тепловой сети, позволяющий получить достоверную информацию о потенциале энергосбережения эксплуатируемых кольцевых тепловых сетей.

2. На базе численных исследований решена задача оптимизации характеристик тепловой сети, отличающаяся от известных учетом технических ограничений и позволяющая повысить точность расчетов при проектировании систем теплоснабжения.

3. Предложен метод выбора конструктивных параметров реконструируемых трубопроводов тепловых сетей, позволяющий проводить мероприятия по повышению пропускной способности с максимальной экономической эффективностью. Практическая значимость состоит в том, что предложенный метод оптимизации параметров новых и реконструируемых тепловых сетей, позволяющий уже на стадии проектирования точнее и наиболее полно учитывать индивидуальные особенности каждого конкретного объекта с целью улучшения технико-экономических характеристик тепловой сети и экономии энергетических ресурсов.

Достоверность полученных результатов подтверждается

удовлетворительным совпадением результатов расчета по предлагаемым методикам с расчетами потокораспределения на основе геоинформационной системы ZuluThermo в ходе апробации программного продукта. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы (91 наименований) и приложения. Объем диссертационной работы 118 страниц, включая список литературы - 6 страниц, 30 рисунков и 9 таблиц.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель исследований, выделены научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе дан обзор публикаций, посвященных исследованиям различных элементов системы централизованного теплоснабжения. Обсуждаются существующие методы оценки и показатели энергетической эффективности элементов теплоснабжения. Отмечается, что в изученной литературе показана ошибочность «физического» метода анализа технико-экономических показателей, но не предложено методики, отражающей действительную ценность разного рода энергий для системы теплоснабжения

в целом. Также не достаточно проработанным остается вопрос оптимизации параметров тепловых сетей контурного типа.

Во второй главе проводится структурный и функциональный анализ теплоэнергетического комплекса, дается описание энергетической эффективности систем теплоснабжения, а также описание разработанной модели для исследования системы централизованного теплоснабжения, которая включает модули, описывающие условия функционирования всех ее элементов на основе методов эксергетического анализа.

В третьей главе дается описание математической модели расчета характеристик элементов тепловых сетей с использованием методов оптимизации проектных решений по реконструкции и новому строительству тепловых сетей. Рассмотрены вопросы повышения энергетической, экономической эффективности и надежности теплоснабжения. В четвертой главе приводятся результаты расчетов, произведенные на разработанной математической модели системы централизованного теплоснабжения для климатических условий г. Красноярска. Показывается практическая реализуемость и эффективность предложенного инструментария для повышения эффективности выбора вариантов реконструкции систем теплоснабжения.

В заключении дается краткое описание основных результатов диссертационной работы.

1 АНАЛИЗ ИССЛЕДУЕМОГО ОБЪЕКТА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1 Производственная структура, состояние и перспективы развития систем теплоснабжения районов.

Изначально системы теплоэнергоснабжения сооружались и проектировались в расчете на номинальную (максимально расчетную) нагрузку, при этом перерасходы топливно-энергетических ресурсов, как правило, не являлись предметом пристального инженерного анализа. Эффективность теплосетей с учетом объектов теплопотребления, в отличие от зданий, затруднительно выразить существующими критериями. Для нахождения критических звеньев и максимальных резервов энергосбережения в коммунальном теплоэнергетическом комплексе необходимо рассмотреть эффективность использования энергоресурсов по всему технологическому комплексу - от источников до конечных потребителей, включая системы доставки и распределения энергоносителей.

Наряду с существенным ростом единичной мощности ТЭЦ росли магистральные и "вторичные" распределительные сети, к старым сетям подключались новые потребители пара и горячей воды. При этом удельная протяженность сетей на единицу установленной мощности, удельная выработка теплоты на 1 МВт практически не изменялись, что свидетельствует об определенной сбалансированности развития источников и потребителей. При этом совершенствование систем транспорта и распределения теплоты отставало от роста масштабов и сложности систем теплоэнергоснабжения в целом. Распределенные системы теплоснабжения крупных городов насчитывают тысячи точек присоединения разнородных потребителей, не оборудованных необходимыми регуляторами и приборами учета.

В этой связи актуальность системного подхода к энергосбережению в коммунальном комплексе уже не вызывает сомнений, тем более в рамках территориальных образований, крупных городов и мегаполисов. Интеграция знаний смежных наук в энерго- и ресурсосбережении требует единых методических подходов и предпосылок, согласованных технических, организационных, информационных решений, а разнообразие территориальных условий и параметров коммунальных потребителей затрудняет создание единых типологических моделей, способствующих выявлению максимальных непроизводительных потерь.

Все существующие в России системы централизованного теплоснабжения можно разделить на две группы. К первой группе относятся теплофикационные системы, в которых базовая нагрузка теплоснабжения (основная часть отопительной нагрузки и полная нагрузка горячего водоснабжения) покрывается за счет теплоты отбора пара или отработанных в газотурбинных установках (ГТУ) газов при комбинированной выработке теплоты и электроэнергии. Пиковая часть нагрузки в таких системах покрывается, как правило, от паровых котлов низкого давления или водогрейных котлов, осуществляющих раздельную выработку дополнительного количества теплоты в пиковом режиме. Ко второй группе относятся системы с теплоснабжением от районных котельных с паровыми или водогрейными котлами большой или средней мощности.

Системы централизованного теплоснабжения представляют собой сложный комплекс взаимосвязанных элементов, который включает в себя генерирующие мощности тепловой энергии (ТЭЦ, ТЭС АЭС, котельные), элементы системы транспорта теплоты от источника теплоснабжения к потребителю (магистральные и квартальные тепловые сети, индивидуальные и центральные тепловые пункты, насосные станции и проч.) и системы внутреннего теплоснабжения потребителей (отопительные и нагревательные приборы различных типов) [11].

В настоящее время в СЦТ имеется ряд наболевших проблем:

• большой износ основного и вспомогательного оборудования генерирующих мощностей, систем транспорта и потребления тепловой энергии;

• хроническое недофинансирование систем теплоснабжения и как следствие переход к работе в условиях частых аварийных режимов;

• отсутствие грамотного эксплуатационного персонала, способного эксплуатировать и поддерживать системы теплоснабжения в надлежащем состоянии;

• практический отказ государства от регулирования деятельности АО-энерго, эксплуатирующих генерирующие и транспортные мощности систем теплоснабжения и другие.

По мнению многих ученых и специалистов, такие вопросы необходимо рассматривать с системной точки зрения [12]. В любом случае проблема взаимодействия, взаимовлияния потребителей, распределенных сетей и источников энергии друг на друга существенно усложняется с ростом городов и приводит к нерасчетным режимам эксплуатации. Изначальная разнокачественность потребителей (зданий) приводит к тому, что здания по-разному реагируют на изменения температуры окружающей среды, при том, что система теплоснабжения в целом настроена на некоторые средние параметры зданий. Это создает дисбалансы энергопотребления, распределенные самым произвольным образом, что подтверждается показаниями приборов учета и систем регулирования.

Тепловое поведение распределенных потребителей - результат многофакторного взаимодействия типологических (архитектурно-строительных, инженерных характеристик) параметров зданий, неравномерности колебаний температуры окружающей среды, параметров теплоносителя, действий населения. Взаимовлияние потребителей ресурсов обусловлено их расположением, способом подключения к теплосети,

функционированием систем регулирования в зданиях и ЦТП, состоянием трубопроводной сети, перечисленными ранее особенностями зданий и территории.

При работе турбин ТЭЦ с завышенной температурой обратной сетевой воды необходимо оценить степень ее влияния на режимы работ турбоустановки. При работе турбины по тепловому графику это приводит к сокращению электрической мощности турбины, при работе по электрическому графику - растет доля электроэнергии, выработанной в конденсационном режиме с перерасходом топлива, увеличением выбросов в атмосферу. При этом в 2-2,5 раза возрастают затраты электроэнергии на перекачку теплоносителя [13]. Несоблюдение температурного графика, обусловленное разнокачественностью зданий, ухудшением состояния отопительных систем, ведет к недобору тепла потребителями и общесистемным негативным эффектам.

Проведение масштабных работ по энергосбережению в существующем коммунальном фонде ряда городов и регионов позволило накопить обширный материал, обобщение которого позволяет прояснить некоторые нерешенные вопросы и проблемы коммунального хозяйства [14, 15, 16].

Все выше сказанное в той или иной степени соответствует системе теплоснабжения г. Красноярска. В топливно-энергетический комплекс города входят крупные теплоэлектроцентрали: ТЭЦ-1 (пущена в 1943 году), ТЭЦ-2, ТЭЦ-3, ТЭЦ-4. Все они, за исключением ТЭЦ-3, расположены в правобережной части города (строящаяся ТЭЦ-4 — в городе Сосновоборске красноярской агломерации). ТЭЦ-1 расположена в юго-восточной части города, обеспечивает теплом Ленинский, Кировский, часть Свердловского района, посёлок Берёзовку; ТЭЦ-2 — Центральный, части Железнодорожного и Октябрьского районов; ТЭЦ-3 — Советский район. Помимо ТЭЦ, тепловую энергию вырабатывают районные котельные и электрокотельные.

Таблица 1 - Объемы выработки электрической и тепловой энергии филиалами ОАО «Енисейская ТГК (ТГК-13)» в г. Красноярске за 2007 -2009 гг.

2007 г. 2008 г. 2009 г. 2010 г.

Филиал Электроэнергия, млн. кВтч Тепловая энергия, тыс. Гкал Электроэнергия, млн. кВтч Тепловая энергия, тыс. Гкал Электроэнергия, млн. кВтч Тепловая энергия, тыс. Гкал Электроэнергия, млн. кВтч Тепловая энергия, тыс. Гкал

Красноярская ТЭЦ-1 2 083,5 4 624 2 374,384 4 526,1 2 161 4 538 1 997 4316

Красноярская ТЭЦ-2 2 404,7 3 498 2 676,836 3 656,4 2 635 3 749 2 677 3 831

Красноярская ТЭЦ-3 - 1 556 - 1 658,0 - 1 753 - 1 792

Красноярская теплосеть - 597 - 712,4 - 797 - 874

ВСЕГО 4488.2 10275 5051.22 10552.9 4797.075 10838.54 4 674 10813

Рисунок 1 - График распределения тепловой энергии филиалами ОАО «Енисейская ТГК (ТГК-13)» в г. Красноярске по годам.

Увеличение компанией отпуска тепловой энергии связано с понижением температуры наружного воздуха. Так, среднемесячная

температура воздуха в г. Красноярске в зимние месяцы 2007 г. была -7.7 °С, 2008 года составила-13.5 °С, 2009 года-16.4°С.

Рисунок 2 - График распределения электрической энергии филиалами ОАО «Енисейская ТГК (ТГК-13)» в г. Красноярске по годам.

Основной причиной сокращения объема выработки электроэнергии в 2009 году по сравнению с предыдущим годом объясняется общим снижением электропотребления промышленными предприятиями региона в условиях финансово-экономического кризиса. Кроме того, в первую половину 2009 года, до аварии на Саяно-Шушенкой ГЭС, при ее высокой загрузке, компания работала на минимальных нагрузках, выполняя задания Системного оператора. В 2010 году стабилизация экономической ситуации в производственном комплексе региона и рост энергопотребления привели к увеличению выработки электроэнергии относительно 2009 года. В то же время работа в режиме максимальных нагрузок электростанций Енисейской ТГК после аварии на Саяно-Шушенской ГЭС привела к увеличению количества ремонтов оборудования. В связи с этим компания не достигла планового значения по выработке электрической энергии.

Одним из направлений совершенствования системы теплоснабжения является повышение эффективности работы тепловых сетей. Тепловые сети,

эксплуатируемые «Красноярской теплосетью», расположены в городах Красноярск и Дивногорск Красноярского края. Численность населения городов, получающие тепловую энергию, составляет около 800 тысяч человек. Самым крупным потребителем тепловой энергии является жилищно-коммунальный сектор. Отличительной особенностью работы красноярской системы теплоснабжения от систем теплоснабжения западных регионов России является более высокая продолжительность отопительного сезона. В отличие от большинства соседних сибирских регионов, в Красноярске система горячего водоснабжения имеет открытый водоразбор, то есть вода, циркулирующая в тепловой сети, используется как для отопления, так и для горячего водоснабжения потребителей. Протяженность тепловых сетей: 544 км в двухтрубном исчислении (1088 км — в однотрубном), в том числе магистральных сетей — 168 км. В качестве теплоносителя используется вода, свойства которой можно взять из [17].

Для анализа работы системы теплоснабжения был рассмотрен Советский район г. Красноярска. Для обеспечения качественного и бесперебойного теплоснабжения потребителей Советского районов г. Красноярска с учетом подключения к тепловым сетям ОАО «Енисейская ТГК (ТГК 13)» вновь создаваемых и реконструируемых зданий и сооружений жилого, производственного и прочего назначения с заявленной на 2009-2010 гг. суммарной тепловой нагрузкой 350 Гкал/час, требуется реконструкция существующих тепловых сетей с одновременным увеличением диаметров трубопроводов и строительство новых тепловых сетей и насосных станций.

В стесненных условиях инфраструктуры Советского районов г. Красноярска замена трубопроводов существующих участков тепловых сетей на трубопроводы большего диаметра является наиболее эффективным решением проблемы увеличения пропускной способности тепловых сетей с целью подключения новых потребителей. Строительство новых тепловых сетей (по новому коридору) в городских условиях технически сложно

выполнимо и предполагает больший объем капитальных вложений, чем при реконструкции.

Также, положительным результатом проведения реконструкции участков тепловых сетей является ликвидация сверхнормативных потерь тепловой энергии, снижение расхода энергоресурсов, объёмов текущих ремонтов на тепловых сетях и повышение надежности их работы.

Рисунок 3 - Карта Советского района с указанием топологии тепловой сети.

16

1.2 Методики оценки энергетической эффективности систем

централизованного теплоснабжения.

1.2.1 Методики оценки энергетической эффективности источников теплоты в системах централизованного теплоснабжения.

Существует несколько методов определения энергетической эффективности источников теплоты [18, 19]. Необходимо отметить, что эффективность функционирования источников теплоты, вырабатывающих тепловую и электрическую энергию на одном потоке пара (ТЭЦ) и источников вырабатывающих эти виды энергии по раздельности: котельные и конденсационные электростанции (КЭС) в настоящее время определяют по разным методикам [20].

Энергетическая эффективность теплофикации оценивается по экономии топлива А В, получаемой при покрытии от ТЭЦ заданного энергопотребления (электрической и тепловой энергии) определенного числа потребителей, по сравнению с расходом топлива при раздельном методе удовлетворения этих же нагрузок.

Для оценки эффективности работы ТЭЦ используются энергетический и эксергетический метод и действующий метод ОРГРЭС.

На ТЭЦ одновременно осуществляется комбинированная и раздельная (производимая на конденсационном потоке пара) выработка энергии. Первая дает экономию топлива, а вторая, как правило, связана с его перерасходом. Оптимизация режима таких ТЭЦ заключается в увеличении комбинированной выработки энергии на базе общего теплопотребления и уменьшения раздельной выработки тепловой и электрической энергии. Для этой цели необходим единый показатель, который однозначно отражал бы эффективность ТЭЦ с точки зрения наибольшей экономии топлива.

17

К сожалению, многочисленные попытки найти такой абсолютный КПД ТЭЦ не увенчались успехом. Применяемый иногда полный КПД ТЭЦ т]тэц

равный отношению суммы выработанных электрической и тепловой энергии Э + 0 к израсходованной теплоте сгорания топлива В(2Ц является не совсем корректным, так как в отдельных случаях его значение может возрастать при уменьшении экономии топлива. Между тем положительным качеством этого коэффициента является отражение им полного баланса энергии при ее преобразовании на ТЭЦ [21].

В основе энергетического метода лежит коэффициент использования теплоты топлива:

к =2±2.

В()р

где <2 ~ количество отпущенной теплоты, кВт;

Э - количество отпущенной электроэнергии, кВт;

В - расход топлива, кг/с;

-низшая удельная теплота сгорания топлива, кДж/кг.

В этом методе электрическая энергия оценивается по тепловому эквиваленту и суммируется с теплотой. Энергетический метод основан на первом законе термодинамики. Он не учитывает качественных отличий различных видов энергии. Электрическая и тепловая энергия не являются равноценными видами энергии, поэтому их сравнение по тепловому эквиваленту не считается экономически объективным, хотя и не противоречит первому закону термодинамики.

Пользуясь только коэффициентом кит не всегда можно оценить эффективность ТЭЦ с точки зрения достигаемой экономии топлива. Введение дополнительно двух показателей эффективности ТЭЦ - КПД по

производству тепловой т]"'тэци электрической г/ \эц энергии, а также

обратных им величин - удельных расходов топлива на выработку теплоты Ьт и электроэнергии Ъэ не позволяет решать задачи выбора оптимальных режимов эксплуатации ТЭЦ. Дело в том, что значения данных показателей напрямую зависят от метода распределения топлива между этими видами энергии. Так, при «физическом» методе удельный расход топлива на выработку электроэнергии ЬТЭЦ практически не зависит от достигаемой его

экономии. В 1996 году ОРГРЭС (организация и рационализация государственных районных электростанций) разработал новый метод (далее метод ОРГРЭС). Расход топлива на электроэнергию вычисляется по формуле, кг/с:

Вэ = Вкэ,

где кэ - коэффициент отнесения расхода топлива, сжигаемого в энергетических котлах, на производство электроэнергии. Этот коэффициент определяется по формуле:

кэ =

Qэ + kQэíomP)

0-э ^бэ(отр) 2отр

где ()э - расход тепла на производство электроэнергии, кВт;

^Яэ(отр) ~ увеличение расхода тепла на производство электроэнергии

при отсутствии отпуска тепла внешним потребителям из теплофикационных отборов, кВт;

Qomp ~ отпуск тепла из теплофикационных отборов, кВт.

В этом случае количество топлива, относимого на производство тепловой энергии, составит, кг/с:

вт = в -в\

При использовании метода ОРГРЭС значение г)эТЭЦ возрастает почти в

2 раза, и на многих ТЭЦ оно даже выше, чем на современных КЭС. Более того, учет «ценности тепла» по этому методу приводит к тому, что при полной нагрузке отборов пара КПД по выработке тепловой энергии г/ттэц

становится больше единицы.

Кроме того, отсутствие научного обоснования использования величины АО ,, а также большая сложность вычислений снижает доверие к этому

(отр) '

методу. При этом метод ОРГРЭС не дает ТЭЦ большей свободы при определении стоимостных показателей по сравнению с физическим методом: все затраты оказываются привязанными к жесткому (условному) разделению расхода топлива в энергетическом котле между производством тепловой и электрической энергии. Таким образом, метод ОРГРЭС вызывает определенное сомнение в правомерности его применения.

Эксергетический метод был предложен специалистами ряда организаций для разделения расходов топлива в комбинированном производстве электрической и тепловой энергии в конце 80-х годов. Этот метод позволяет учитывать эксергию (работоспособность) того тепла, которое отдается потребителю из теплофикационных отборов ТЭЦ.

КПД ТЭЦ по эксергетическому методу оценивают по выражению:

Я.

тэц _ Э + Е

щ

где ЕТ- эксергия отпущенной потребителю теплоты, кВт.

По этому методу удельный расход топлива на единицу эксергии определяется по зависимости:

е Еэ+Ет'

где Вг - годовой расход условного топлива, т.у.т./год; Еэ - эксергия электрической энергии, кВт.

Значение Еэ вычисляется простым пересчетом единиц измерения, Ет - по формуле:

где г - порядковый номер отбора пара определенных параметров;

Q- количество теплоты, отбираемой из соответствующего отбора, кВт; те-эксергетическая функция, определяемая по формуле:

Т

г = 1 —.

в Гр

1ср

где Тос, Тср - температура окружающей среды и средняя температура пара соответственно, К.

Результаты эксергетического анализа комбинированной выработки тепла позволили выявить источники экономии топлива на ТЭЦ. Кроме того, эксергетический метод дает возможность дифференцированного подхода к отпускаемой от ТЭЦ теплоте разного потенциала. На основании эксергетических балансов котлов можно сделать вывод, что основным элементом потерь эксергии на ТЭЦ является котел, а не конденсатор.

Также эффективность ТЭЦ предлагается производить на основании двух показателей энергетического и эксергетического к.п.д., определяемых по выражениям:

тэц э + <2

Заключение диссертации по теме «Промышленная теплоэнергетика», Колосов, Михаил Викторович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Анализ существующих подходов и методов исследования систем централизованного теплоснабжения и ее элементов показал, что отсутствуют показатели энергетической эффективности систем централизованного теплоснабжения как единого комплекса. Причиной этого является то обстоятельство, что при определении к.п.д. системы не учитывалась ценность энергии - ее качественный показатель. Поэтому оценки энергетической эффективности системы теплоснабжения в целом не существует.

Широкая автоматизация планирования, проектирования и управления, которая проводится в настоящее время во всех областях народного хозяйства, не может не захватить и практику проектирования и эксплуатации теплофикационных систем и систем централизованного теплоснабжения. Несомненно, что получат массовое и систематическое применение современные математические методы и ЭВМ, прежде всего для оптимизации схем и параметров систем теплоснабжения, включая выбор оптимальной трассировки сетей, диаметров труб и напоров, размещения подстанций и других сетевых сооружений по трассе, а также для анализа нормальных и аварийных гидравлических режимов и других задач.

В ходе исследования были поставлены и решены следующие задачи:

1. Проведен структурный и функциональный анализ системы теплоснабжения, отличающийся применением методов эксергетического анализа позволяющий получить сведения о потенциале проведения энергосберегающих мероприятий;

2. Предложена методика оптимизации диаметров и напоров расширяемых и реконструируемых тепловых сетей, позволяющая уже на стадии проектирования наиболее полно учитывать индивидуальные особенности и экономические характеристики каждого конкретного объекта с целью улучшения технико-экономических характеристик тепловой сети и экономии энергетических ресурсов.

3. Создан программный продукт для исследования систем централизованного теплоснабжения. Произведен, расчет с использованием разработанного программного продукта системы централизованного теплоснабжения для климатических условий г. Красноярска. Сформулированы рекомендации по замене трубопроводов тепловой сети Советского района г. Красноярска для увеличения пропускной способности сети с одновременным повышением ее эффективности.

Изложенные в диссертации методы и алгоритмы направлены на решение указанных проблем, однако их полное разрешение требует дальнейшей работы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Колосов, Михаил Викторович, 2011 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. С.А., Солженицин. Энергоэффективная Россия. М. : McKinsey & Company, Inc, 2010. 160 с.

2. Национальный доклад - «Теплоснабжение Российской Федерации. Пути выхода из кризиса». Сайт журнала "Новости Теплоснабжения". [В Интернете] http://www.ntsn.ru/.

3. О.Ю., Михайлов. Информационно-методические и правовые проблемы повышения эффективности теплоснабжения в регионах. PocTemo.Ru. [В Интернете] rosteplo.ru.

4. Достижение науки и техники - развитию сибирских регионов: Материалы Всероссийской научно-практической конференции: В 3 ч. Ч. 1. Колосов М.В., Колосов В.В., Видин Ю.В. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2004. Резервы экономии топлива и проблемы экологической безопасности при эксплуатации малых котельных.

5. Концепция - развития теплоснабжения в России, включая коммунальную энергетику, на среднесрочную перспективу. Сайт журнала "Новости Теплоснабжения". [В Интернете] http://www.ntsn.ru.

6. Энергетическая стратегия - России на период до 2020 года. Министерство энергетики России. [В Интернете] http://www.mte.gov.ru/.

7. Федеральная целевая программа - "Энергоэффективная экономика" на 2002-2005 годы и на перспективу до 2010 года . Министерство энергетики РФ. [В Интернете] http://www.mte.gov.ru/.

8. Федеральный закон российской федерации N 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской федерации» от 23 ноября 2009 года. Федеральный закон Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. N 261-ФЗ "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации " — Российская Газета. [В Интернете] http://www.rg.ru/2009/ll/27/energo-dok.html.

9. Распоряжение Правительства Российской Федерации «Энергетическая стратегия России на период до 2030 года (ЭС-2030)» от 13 ноября 2009 г. №1715-р. ИЭС - Проекты - Энергетическая стратегия России - ЭС-2030. [В Интернете] http://www.energystrategy.ru/projects/es-2030.htm.

10. Эксергетический менеджмент и инновационное развитие экономики. В.М., Журавлев, ч. 2, Крсноярск : б.н., 2006 г., Т. Инновационное развитие регионов Сибири.

11. В.Е., Козин. Теплоснабжение. М. : Высш. школа, 1980. 409 с.

12. JI.C., Попырин. Исследование систем теплоснабжения. М. : Наука, 1989.217 с.

13. Д.П., Елизаров. Теплоэнергетические установки электростанций: Учебник для вузов. М. : Энергоатомиздат, 1982. 264 с.

14. VI-я Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «МОЛОДЕЖЬ И НАУКА». Колосов М.В., Борисов А.Н. Красноярск : б.н., 2010. Оценка энергетической эффективности источников теплоты в СЦТ.

15. 11-я Межд. НПК «Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах». Колосов М.В., Боисов А.Н. Пенза: б.н., 2010. Энерго- и ресурсосбережение в системах централизованного теплоснабжения.

16. Всероссийская научно-практическая конференция: «Технологии XXI века в энергетике и транспортных коммуникациях: проблемы и перспективы». Колосов М.В., Борисов А.Н. Сочи : б.н., 2010. Энергосбережение в системах централизованного теплоснабжения.

17. СЛ., Ривкин. Термодинамические свойства воды и водяного пара. М. : Энергоатомиздат, 1979. 84 с.

18. Мировски, Адольф. Материалы для проектирования котельных и современных систем отопления. Виссманн : ЭКОинформ, 2005. 298 с.

19. Мелентьев, JI.A. Методы математического моделирования в энергетике. Иркутск : Восточно-сибирское книжное издательство, 1966. 432 с.

20. United Nations Environment Programme. Cogeneration. The European Association for the Promotion of Cogeneration. [В Интернете] 2006 r. www.cogen.org/.

21. Г.В., Ноздренко. Расчет тепловой экономичности паротурбинного энергоблока на основе энергетического и эксергетического балансов. Новосибирск : б.н., 1997.

22. В.А., Кириллин. Техническая термодинамика. М. : Энергоатомиздат, 1983.414 с.

23. Ю.М., Варфоломеев. Отопление и тепловые сети. М. : Инфра-м, 2006. 480 с.

24. И.В., Беляйкина. Водяные тепловые сети. М. : Энергоатомиздат, 1988. 376 с.

25. И.В., Кузник. Централизованное теплоснабжение. Проектируем эффективность. М. : б.н., 2007. 100 с.

26. Н.М., Зингер. Гидравлические и тепловые режимы теплофикационных систем. М. : Энергоатомиздат, 1986. 320 с.

27. A.A., Ионин. Теплоснабжение. М. : Стройиздат, 1982. 337 с.

28. А.К., Тихомиров. Теплоснабжение района города. Хабаровск : Тихоокеан. гос. ун-та, 2006. 136 с.

29. Трубы с тепловой изоляцией из пенополиуретана-реалъный путь усовершенствования системы теплоснабжения. Майзель, И. JI. №2, М. : АВОК-ПРЕСС, 2002 г., Энергосбережение.

30. Г.А., Рябцев. Новый общий показатель эффективности работы теплосети. РосТепло.ги . [В Интернете] rosteplo.ru.

31. Гидравлический расчет в тепловых сетях: мертвый подход или живая модель? Ю.А., Первовский. № 01 (41), б.м. : журнал "Новости теплоснабжения", 2004 г.

32. М.А., Романович. Повышение эффективности систем централизованного теплоснабжения. Политерм. [В Интернете] politerm.ru.

33. В.В., Пырков. Особенности современных систем водяного отопления. Киев : Таю справи, 2003. 90 с.

34. В.М., Сливко. Оптимизация параметров теплоиспользования в системах централизованного теплоснабжения городов : Дис. д-ра техн. наук : 05.14.01. Саратов : б.н., 2002. 527 с.

35. Ю.Е., Николаев. Основы повышения эффективности теплоснабжающих комплексов городов : Дис. д-ра техн. наук : 05.14.01. Саратов : б.н., 2003. 363 с.

36. Джордж, Клир. Системология. Автоматизация решения системных задач. М. : Радио и связь, 1990. 536 с.

37. М.В., Казиев. Введение в системный анализ и моделирование. М. : Высш. шк., 2001.

38. Ф.И., Перегудов. Введение в системный анализ: Учебное пособие для вузов. М. : Высш. шк., 1989. 367 с.

39. С.Ю., Абрамов. Системный анализ, комплексное оценивание, совершенствование учета и управления в системах централизованного теплоснабжения : Дис. канд. наук : 05.13.01. Самара : б.н., 2007. 165 с.

40. К.Ф., Роддатис. Котельные установки. М. : Энергия, 1977. 432 с.

41. II Всероссийская конференция «Инновационная энергетика» (с международным участием). М.В., Колосов. Новосибирск: б.н., 2010. Эксергетический анализ - путь к реальной эффективности.

42. B.C., Белоусов. Энергетические методы анализа термодинамических процессов. Сведрловск : УПИ им. С.М. Кирова, 1985. 27 с.

43. И.П., Базаров. Термодинамика. М. : Высшая школа, 1991. 376 с.

44. Р., Кубо. Термодинамика. М. : Высш. школа, 1980. 307 с.

45. Гроот, С.Р. де. Термодинамика необратимых процессов. М. : Гос. изд. технико-теоретической литературы, 1956. 281 с.

46. Е.А., Guggenheim. Thermodinamics. An advanced treatment for chemists and physicists. Amsterdam : North-Holland physics publishing, 1987. 412 c.

47. М.И., Кручинин. Теоретические основы энерго- и ресурсосбережения. Иваново : б.н., 2007. 46 с.

48. Норматив потерь электроэнергии в электрических сетях. В., Воротницкий. №6 (24), М. : Новости электротехники, 2003 г.

49. Наука. Технологии. Инновации // Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых в 7-ми частях. . Колосов М.В., Карижский B.C., Вакарина М.И. Новосибирск : изд-во НГТУ, 2008. Будущее за мини -ТЭС.

50. Наука. Технологии. Инновации // Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых в 7-ми частях. Колосов М.В., Борисов А.Н. Новосибирск: изд-во НГТУ, 2009. Повышение эффективности энергоснабжения с использованием малой энергетики.

51. X Международная научно-практическая конференция "Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах". Колосов М.В., Дубовик П.С. Пенза : б.н., 2009. Тенденции развитии ветровой энергии.

52. Диффиренциация методов расчета тепловых сетей. Меренков, А.П. №5, М.: б.н., 1973 г., Журнал вычислительной математики и математической физики.

53. Элементы теории гидравлических цепей. Хасилев, В.Я. №1, М. : б.н., 1964 г., Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт.

54. О применении математических методов при проектировании и эксплуотации трубопроводных систем. Хасилев, В.Я. №2, М. : б.н., 1971 г., Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт.

55. М.И., Ромакин. Математический аппарат оптимизационных задач. М. : Статистика, 1975. 112 с.

56. Ф.П., Васильев. Численные методы решения экстремальных задач. М. : Наука, 1988. 552 с.

57. Ю.М., Ермольев. Методы стохастического программирования. М. : Наука, 1976. 240 с.

58. Д.Б., Юдин. Задачи и методы стохастического программирования. М. : Высш.школа, 1979. 629 с.

59. Е.Г., Гольштейн. Задачи линейного программирования транспортного типа. М. : Наука, 1969. 384 с.

60. Е.Я., Соколов. Теплофикация и тепловые сети. М. : Высш. шк., 2001. 359 с.

61. Определение фактических тепловых потерь через теплоизоляцию в сетях централизованного теплоснабжения. В.Г., Семенов. Новости теплоснабжения №4, М. : б.н., 2003 г.

62. М.В., Копко. Теплоизоляция теплопроводов теплосетей. Минск : УП "Технопринт", 2002. 70 с.

63. СНиП 41-02-2003 Тепловые сети. М. : б.н., 2003 г.

64. СНиП 41-03-2003 Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов. М. : б.н., 2004 г.

65. М.А., Васильева. Экономико-математические методы лптимизации ключевых параметров и конфигураций тепловых сетей : Дис. канд. экон. наук : 08.00.13. Новочеркасск : РГБ, 1999. 150 с.

66. Захаренко С.Е., Захаренко Ю.С., Пищиков М.А. Справочник строителя тепловых сетей. М. : Энергоатомиздат, 1984. 400 с.

67. Информационные материалы для строителей. Выпуск 1.4.2008, 4 квартал 2008г.» филиала ФГУ «ФЦЦС» по Красноярскому краю.

68. Б.А., Райзберг. Диссертация и ученая степень. Пособие для соискателей. М. : ИНФРА-М, 2003. 411 с.

69. А.И., Юфа. Комплексная оптимизация теплоснабжения. К. : Техника, 1988. 135 с.

70. В.М., Фокин. Основы энегросбережения и энергоаудита. М. : Издательство Машиностроение-1, 2006. 256 с.

71. Б.В., Сазанов, В.И., Ситас. Теплоэнергетические системы промышленных предприятий: Учеб. пособия для вызов. М. : Энергоатомиздат, 1990. 304 с.

72. JI.A., Мелентьев. Оптимизация развития и управления больших систем энергетики: Учебное пособие. М. : Высш. шк., 1982. 319 с.

73. Jalurie, Yogesh. Design and optimization of thermal systems, б.м. : CRC Press, 2009. 724 p.

74. Annamalai, Kalyan. Advanced thermodynamics engineeging. New York: CRC Press, 2002.312 c.

75. Е.Б., Триус. Задачи математического программирования транспортного типа. М. : "Совецкое радио", 1967. 204 с.

76. Himmelblau, David М. Applied nonlinear programming. Austin : McGraw-Hill book company, 1972. 525 p.

77. B.M., Алексеев. Оптимальное управление. M. : Физматлит, 2005. 384 с.

78. Ф.П., Васильев. Методы оптимизации. М. : Факториал Пресс, 2002. 823 с.

79. Филиал ОАО «Инжененерный центр ЕЭС» «Фирма ОРГРЭС».

Расчёт энергетической характеристики для системы транспорта тепловой энергии филиала "Красноярская Теплосеть" ОАО "Енисейская ТГК (ТГК-13)" по показателю Нормируемые потери тепловой энергии». М. : б.н., 2008. 80Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности №1 (57)М.Энергосбережение и водоподготовка

81. Костин, В.Н. Оптимизационные задачи электроэнергетики. Санкт-Петербург : РПТ РИО СЗТУ, 2003.

82. Данилов, O.JI. Практическое пособие по выбору и разработке энергосберегающих проектов. М. : б.н., 2006. 668 с.

83. Клименко, А.В. Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях. М. : б.н., 2010. 424 с.

84. Андрижиевский, А.А. Энергосбережение и энергетический менеджмент. М.: Высш. шк., 2005. 294 с.

85. Горнштейн, В.М. Методы оптимизации режимов энергосистем. М. : Энергия, 1981.336 с.

86. П.А., Костюченко. Практическое пособие по выбору и разработке энергосберегающих проектов. М. : изд. "Технопромстрой", 2006. 668 с.

87. В.А., Холоднов. Системный анализ и принятие решений. Компьютерное моделирование и оптимизация объектов химической технологии в MathCAD и Excel. Санкт-Петербург : б.н., 2007. 434 с.

88. Расчет разветвленных тепловых сетей на ПЭВМ. Ю.Л., Липовка. Красноярск: ГрасГАСА, 2000 г., Материалы XVIII региональной научно-технической конференции, с. 180-181..

89. Применение метода конечных элементов в расчетах теплоснабжающих систем. Ю.Л., Липовка. Челябинск: КрасГАСА, 1988 г., Повышение энергетической эффективности систем теплоснабжения и вентялиционных систем, с. 36-37..

90. Технико-экономическая оптимизация подбора диаметров трубопроводов для тепловых сетей. Ю.Л., Липовка. Красноярск : КрасГАСА, 2000 г., Материалы VXIII региональной научно-технической конференции, с. 179180..

91. Зингер Н.М., Бестолченко В.Г., Жидков A.A. Повышение эффективности работы тепловых пунктов. М. : Стройиздат, 1990. 188 с.