Разработка способов повышения эффективности работы внутренних и внешних контуров теплосетей ТЭЦ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.04, кандидат технических наук Панамарев, Юрий Сергеевич

• Панамарев, Юрий Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Панамарев, Юрий Сергеевич

Введение.

1. Обзор работ в области создания математических и компьютерных моделей тепловых и гидравлических сетей, а также исследований режимов работы внутренних контуров теплосетей электрических станций.

1.1. Развитие теории гидравлических сетей.

1.2. Проблемы и особенности внутренних контуров теплосетей электрических станций.

1.3. Анализ работы теплосети Самарской ТЭЦ.

2. Принципы разработки математических и компьютерных моделей тепловых и гидравлических систем.

2.1. Математическая модель и методика расчета сложных гидравлических систем.

2.2. Характеристика программы расчета гидравлических сетей.

2.3. Гидравлические характеристики элементов расчетной схемы.

3. Анализ гидравлических режимов работы теплосети.

3.1. Удельные затраты мощности по всем элементам теплосети.

3.2. Использование параллельно работающих насосов.

3.3. Изменение схемы регулирования насосов ППН.

3.4. Изменение схемы подпитки теплосети.

3.5. Изменение характеристики насосов.

4. Исследование температурных режимов работы теплосети.

4.1. Особенности работы внутреннего контура теплосети

Сам ТЭЦ.

4.2. Обоснование возможности работы теплосети без пиковых котлов.

4.3. Анализ работы теплосети с пиковыми котлами.

5. Разработка компьютерной модели системы, состоящей из насосов с регулируемым и нерегулируемым приводом.

5.1. Исследование совместной работы насосов с регулируемым и нерегулируемым приводом.

5.2. Исследование системы двух параллельно соединенных насосов (один с регулируемым приводом) при постоянном напоре на их выходе.

5.3. Исследование системы двух параллельно соединенных насосов (один с регулируемым приводом) при переменном напоре на их выходе.

5.4. Применение регулируемого привода на втором подъеме насосов теплосети Самарской ТЭЦ.

5.5. Об эквивалентности расчетов затрат мощности по кривой КПД и кривой мощности при смене числа оборотов насоса.

5.6. Технико - экономическое обоснование внедрения регулируемого частотного привода на сетевых насосах Самарской

6. Принципы построения оптимальных внешних теплосетей ТЭЦ с минимальными гидравлическими сопротивлениями.

6.1. Разработка компьютерной модели первого, второго и третьего 118 тепловыводов внешней теплосети от Самарской ТЭЦ.

6.2. Анализ эпюр распределения давлений на тепловыводах в 125 существующем варианте их работы.

6.3. Разработка оптимального варианта работы внешних теплосетей ТЭЦ с минимальными гидравлическими сопротивлениями.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка способов повышения эффективности работы внутренних и внешних контуров теплосетей ТЭЦ»

Актуальность темы

Для эффективного решения широкого круга проблем управления развитием и функционированием тепловых систем энергетики (ТСЭ) требуется разработка и внедрение новых информационных энерго- и ресурсосберегающих технологий. Особенно остро эти проблемы обозначились в последние десятилетия, когда в новых экономических условиях обострившиеся противоречия между поставщиками и потребителями вызвали организационное расчленение технологически связанных систем на фоне повышения степени износа и общего старения оборудования.

Для решения указанных проблем большое значение имеют компьютерные модели, позволяющие полностью воспроизводить технические процессы, протекающие в конкретных энергетических системах. Такие модели особенно полезны при решении задач реконструкции и развития внутренних и внешних контуров теплосетей ТЭЦ.

При проектировании многих схем тепловых электрических станций проектными институтами, как правило, производится расчет и привязка новых схем к существующим схемам поэтапно по мере введения в строй оборудования очередных проектов расширений и увеличений тепловой и электрической нагрузок. При этом производятся расчёты отдельных, как правило, незамкнутых схем, с заданными или предполагаемыми расходами и давлениями на входе и выходе, на основании которых производится выбор необходимого оборудования, трубопроводов и разработка схемных решений. Расчёты с целью определения расходов воды и давлений в различных точках всей системы не производятся в связи с невозможностью их выполнения с помощью известных графических или аналитических методов, применяемых при параллельном и последовательном соединении элементов сети. В связи с этим возникают схемные изменения, которые приводят к нежелательным распределениям давлений, расходов, температур и к невозможности их регулирования при эксплуатации систем ТЭЦ.

Одним из примеров такого подхода к проектированию может служить схема внутреннего контура теплосети Самарской ТЭЦ (СамТЭЦ). Основное проектирование проводилось Белвнипиэнергопромом с частичными перепланировками и изменениями, выполненными по проектам специалистов ТЭЦ. Шесть очередей расширения, неоднократное увеличение тепловых нагрузок, расходных и гидравлических характеристик потребителей и их количества, проведение модернизаций схемы, необходимость которых вызвана введением новых участков - всё это привело к созданию сложнейшей многомерной сети с несколькими замкнутыми контурами внутри неё. Такая сеть становится трудно управляемой с точки зрения поддержания различных температур и давлений на различных тепловыводах станции. В связи с чем, приходится применять регулирование давления, при котором происходит существенная потеря напора, создаваемого насосами. Например, расчеты, проведенные на компьютерной модели Самарской ТЭЦ, показали, что при регулировании давления происходит потеря 40,7 % энергии, затрачиваемой насосами. Следует отметить, что указанные проблемы характерны не только для Самарской ТЭЦ, но и подавляющего большинства других станций, которые работают в основном в теплофикационном режиме, или теплосети которых спроектированы с применением коллекторных связей и подвергавшиеся реконструкциям в процессе эксплуатации, например Минская ТЭЦ, Вильнюсская ТЭЦ, Гомельская ТЭЦ, Сызранская ТЭЦ, Пензенская ТЭЦ, Саратовская ТЭЦ-5, Астраханская ТЭЦ, Энгельсская ТЭЦ и др.

Целью работы является разработка математических и компьютерных моделей внешних и внутренних контуров теплосетей ТЭЦ.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

Экспериментальные и теоретические исследования внутренних и внешних контуров теплосетей электрических станций с целью разработки с наиболее эффективных режимов работы оборудования, а также для поддержания заданных температур и давлений на тепловыводах.

Расчёт и анализ вариантов реконструкций теплосетей ТЭЦ с целью улучшения гидравлического и температурного режимов работы, а также для повышения эффективности и экономичности работы оборудования.

Исследование совместной работы насосов с регулируемым и нерегулируемым приводами.

Разработка методов построения оптимальных схем внешних теплосетей ТЭЦ.

Научная новизна

1. Предложены математические и компьютерные модели внешних и внутренних контуров теплосетей ТЭЦ, основанные на математическом аппарате теории графов, отличающиеся возможностью расчета расходов и давлений в любой точке сети, рассматриваемой в виде единой гидравлической системы.

2. На основе компьютерной модели выполнена оценка распределения затрат энергии, потребляемой насосами, на различных элементах оборудования теплосети (тепловыводы, подогреватели, пиковые котлы, трубопроводы, регуляторы давления, и регулируемые задвижки).

3. Проведены исследования совместной работы насосов с регулируемым и нерегулируемым приводами, позволяющие определить энергосберегающие режимы при работе группы насосов.

4. Предложены принципы построения рациональных схем внешних теплосетей ТЭЦ, обеспечивающих минимальные потери напора за счет уменьшения гидравлических сопротивлений.

Методы исследования

Для решения задач в диссертационной работе использовались методы математического и компьютерного моделирования, натурные испытания на ТЭС.

Достоверность результатов и выводов работы

Достоверность результатов обосновывается адекватностью математических моделей, использованных в диссертации, физическим процессам, протекающим в гидравлических сетях, а также применением стандартных методов исследования и корректным использованием математического аппарата при проведении необходимых расчетов.

Представленная работа является обобщением теоретических и экспериментальных исследований, выполненных автором на кафедре «Теоретические основы теплотехники и гидромеханика» Самарского государственного технического университета. Исследования проводились согласно планам единого заказ-наряда № 551/02 Минвуза России, а также по планам научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ «РАО ЕЭС» России (реестры за 2001-2004 гг.). Практическая ценность работы

Разработанная в диссертации математическая и компьютерная модель внешнего и внутреннего контуров теплосетей ТЭЦ позволяет: определять расходы и давления воды в любой точке теплосети (в том числе и на тепловых выводах) при любом составе работающего оборудования; рассчитывать общие и удельные затраты электроэнергии; определять расходы и давления на входе и выходе каждого насоса, а также их коэффициент полезного действия; осуществлять имитационные эксперименты работы теплосети с целью выбора оптимального состава оборудования и схем его включения; рассчитывать температурный режим работы теплосети; рассчитывать эффективность тепловой изоляции трубопроводов по известным конструктивным характеристикам изоляции и теплофизическим свойствам изоляционных материалов; проводить расчет наиболее эффективных вариантов реконструкции теплосети; использовать математическую модель для создания базы данных о состоянии теплосети ТЭЦ; выполнять исследования совместной работы насосов с регулируемым и нерегулируемым приводами для определения границ регулирования и экономического обоснования применения частотного привода.

Результаты работы могут быть использованы в проектных организациях и конструкторских бюро, где разрабатывается и проектируется теплоэнергетическое оборудование. Теоретические и практические результаты могут быть использованы также в учебном процессе при подготовке студентов вузов по специальностям "Тепловые электрические станции", "Промышленная теплоэнергетика", "Энергетические системы и комплексы".

Реализация результатов работы

Результаты работы использованы при построении компьютерных моделей теплосетей Тольяттинской ТЭЦ и Самарской ГРЭС, теплосетей г. г. Самары, Тольятти, Саратова, Ульяновска, цирксистем Новокуйбышевских ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2, цирксистемы Тольяттинской ТЭЦ (соответствующие акты внедрения приведены в приложениях диссертации).

Основные положения, выносимые на защиту

Результаты разработки математической и компьютерной модели внешнего и внутреннего контуров теплосетей ТЭЦ.

Результаты экспериментальных исследований температурных и гидравлических режимов работы внутреннего и внешнего контуров теплосетей ТЭЦ с разработкой выводов и рекомендаций, а также для идентификации компьютерных моделей.

Результаты теоретических исследований гидравлических и температурных режимов работы внутренних контуров теплосетей ТЭЦ на компьютерной модели, позволившие выявить основные причины недостаточно эффективной их работы.

Результаты разработки различных вариантов реконструкции внутреннего контура теплосети СамТЭЦ с целью повышения надёжности работы оборудования и снижения затрат электроэнергии на собственные нужды при перекачке сетевой воды.

Результаты исследований совместной работы насосов с регулируемым частотным и нерегулируемым приводами.

Результаты разработки принципов построения оптимальных схем внешних теплосетей ТЭЦ с минимальными гидравлическими сопротивлениями.

Личный вклад автора состоит:

- в формулировке цели и постановке задач исследования;

-разработке математической и компьютерной модели внутреннего и внешнего контуров теплосети ТЭЦ;

- проведении экспериментальных исследований теплосети СамТЭЦ;

- проведении идентификации компьютерной модели по результатам натурных испытаний;

- разработке и анализе различных вариантов реконструкции внутреннего контура теплосети СамТЭЦ;

- разработке методики анализа совместной работы частотно регулируемого и нерегулируемого приводов с оценкой экономического эффекта от внедрения.

Апробация работы

Основные результаты работы были доложены и обсуждены на Международной научно-технической конференции "Проблемы энергосбережения. Теплообмен в электротермических и факельных печах и топках". Тверь, ТГТУ. 2001; III Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности теплоэнергетического оборудования». Иваново, ИГЭУ. 2002; IV Российской научно-технической конференции «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности». Ульяновск, 2003; Международной научно-практической конференции «Проблемы развития централизованного теплоснабжения». Самара, ОАО СМУЭК. 2004. Публикации

По результатам выполненных исследований опубликовано 12 научных работ, в том числе 4 статьи в центральных журналах. Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, списка использованной литературы. Работа изложена на 156 страницах основного машинописного текста, содержит 26 рисунков, 54 таблицы. Список использованной литературы включает 61 наименование.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Панамарев, Юрий Сергеевич, 2007 год

1. Гидравлические цепи. Развитие теории и приложения /Н.Н.Новицкий,Е.В.Сеннова, М.Г.Сухарев и др. -Новосибирск: Наука, Сибирскаяиздательская фирма РАН. 2000.-273 с.

2. Максименко Ф.Е. Различные расчеты по курсу водопроводов.-М.: Типолит. Рихтер, 1910.-102 с.

3. Меренков А.П. Дифференциация методов расчета гидравлических сетей // Жури, вычисл. математики и мат. физики.- 1973. Т. 13, Я25.С. 1237-1248.

4. Меренков А.П. Применение ЭВМ для оптимизации разветвленных тепловых сетей // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1963, №4.С.531-538.

5. Меренков А.П и др. Применение теории и методов расчета гидравлических цепей к системам с неизотермическим течением газа //Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1971, №6. 129-138.

6. Меренков А.П. и др. Об автоматизированных системах программ для расчета гидравлических режимов трубопроводных сетей // Изв. АНСССР. Энергетика и транспорт. 1973, №3. 126-131.

7. Меренков А.П., Сидлер В.Г. Идентификация трубопроводных систем // Фактор неопределенности при принятии решений в больших системахэнергетики. -Иркутск: СЭИ СО АН СССР. 1974. 149-162.

8. Сухарев М.Г. Об одном методе расчета газосборных сетей на вычис- лительных машинах // Изв. вузов. Нефть и газ. 1965, №6. 48-52.

9. Сухарев М.Г., Ставровский Е.Р. Оптимизация систем транспорта газа.- М.: Недра. 1975. -278 с.

10. Сухарев М.Г., Ставровский Е.Р. Расчеты систем транспорта газа с помощью вычислительных машин. -М.: 1971.-206 с.

11. Сухарев М.Г., Ставровский Е.Р., Брянских В.Е. Оптимальное развитие систем газоснабжения.-М.: Недра, 1981.-294 с.

12. Хасилев В.Я. Линейные и линеаризованные преобразования схем гидравлических цепей // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1964,№2.С.231-243.

13. Хасилев В.Я. Элементы теории гидравлических цепей.//Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1964, X2l. 69-88.

14. Хасилев В.Я. Элементы теории гидравлических цепей: Авторефер. дисс... д-ра техн. наук.- Новосибирск: Секция техн. Наук Объединенногоученого совета СО АН СССР, 1996.-98 с.

15. Евдокимов А.Г., Тевяшев А.Д., Дубровин В.В. Моделирование и оптимизация потокораспределения в инженерных сетях.- М.:Стройиздат. 1990.-368 с.

16. Математическое моделирование и оптимизация систем тепло,-водо,- нефте,-и газоснабжения / А.П. Меренков, Е.В. Сеннова, СВ. Сумарокови др. Новосибирск: ВО «Наука». Сиб. изд. фирма. 1992.- 407 с.

17. Меренков А.Н., Хасилев В.Я. Теория гидравлических цеией.- М.: Наука, 1985.-280 с.

18. Сеннова Е.В., Сидлер В.Г. Математическое моделирование и оптимизация развивающихся теплоснабжающих систем.- Новосибирск:Наука, 1987.-221 с.

19. Сидлер В.Г. Разработка и применение методов идентификации параметров гидравлических сетей: Автореф. дис. канд. техн. наук.-Томск, 1977.-20 с.

20. Евдокимов А.Г., Тевяшев А.Д. Оперативное управление потокорас- пределением в инженерных сетях.- Харьков: Вища школа. 1980.-144 с.

21. Сумароков С В . Математическое моделирование систем водоснабжения.- Новосибирск: Наука. 1983.-167 с.

22. Щербаков В.Н. Вопросы идентификации параметров гидравлических сетей: Дис. канд.техн.наук.-Томск, 1979.-215 с.

23. Эгильский И.С Автоматизированные системы управления техноло- гическими процессами подачи и распределения воды. -Л.: Стройиздат.1988.-216С.

24. Дубинский А.В., Сиперштейн Б.И., Берман Р.Я. О методе гидравлического расчета газопроводных систем // Транспорт и хранениегаза.-1974.№7.С25-30.

25. Нанкратов B.C., Дубинский А.В., Сиперштейн Б.И. Ннформационно- вычислительные системы в диспетчерском управлении газопроводами. -Д.: «Недра», 1988.-246 с.

26. Хаймер Ю. Оперативные методы анализа и оптимизации контроля режимов работы систем газоснабжения ГДР: Авторефер. дис...канд.техн. наук.-М.: 1979.-22с.

27. Морев А.А., Сидлер В.Г., Новицкий Н.Н. Системная идентификация многониточных нефтепроводов //Транспорт и хранение нефти инефтепродуктов. 1982. №111. с. 6-7.

28. Ощепкова Т.Б. Оптимизация разветвленных и многоконтурных трубопроводных систем: Автореф. дис... канд. техн. наук.- Новосибирск:Инс-т математики СО АН СССР, 1983.-22 с.

29. Сумароков СВ. Метод решения многоэкстремальной сетевой задачи // Экономика и мат. методы. 1976. Т.12, Хо5. 1016-1018.

30. Меренкова Н.Н., Сеннова Е.В., Стенников В.А. Схемно-структурная оптимизация систем централизованного теплоснабжения // Электронноемоделирование. 1982, Ш6. 76-82.

31. Некрасова О.А., Хасилев В.Я. Оптимальное дерево трубопроводной системы// Экономика и мат. методы. 1970. Т.4, №3. 427-432.

32. Храмов А.В. Оптимальный синтез многоконтурных систем с нафуженным резервированием: Автореф. дис...канд. техн. наук.-Новосибирск: Ин-т математики СО АН СССР. 1983.-24 с.

33. Сеннова Е.В. Оптимизация развития и реконструкции теплоснабл^ающих систем с учетом надежности: Автореф. дис... д-ра техн. наук.-Иркутск,1990.-50С.

34. Сеннова Е.В., Ощепкова Т.Е., Мирошниченко В.В. Методические и практические вопросы построения надежных теплоснабжаюш,их систем// Изв. РАН. Энергетика. 1999, .№4. 65-75.

35. Сумароков СВ. Оптимальный синтез многоконтурных систем централизованного снабжения. Автореф. дис... д-ра техн.наук. Иркутск:СЭИ СО АН СССР. 1992.-42 с

36. Взаимосогласование общеэнергетических и отраслевых решений на современном этапе развития ЕСГ/В.А. Ефремов, Н.И.Илькевич, А.Н.Мерен-ков и др.// Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1990, JSr23. 14-23.

37. Надежность систем энергетики: достижения, проблемы, перспективы /Г.Ф.Ковалев, Е.В. Сеннова, М.Б. Рельсов и др./Нод ред. Н.И.Воропая.Новосибирск: Наука. Сиб.предприятие РАН. 1999. -434 с.

38. Зингер Н.М., Андреева К.С, Вульман Ф.А. Расчет многокольцевых гидравлических сетей на ЭВМ «Урал»//Теплоэнергетика. 1960, №1. 44-52.

39. Абрамов Н.Н. Теория и методика расчета систем подачи и распределения воды. Стройиздат, 1972.286 с.

40. Картвелишвили Н.А. Динамика напорных трубопроводов. -М.: Энергия. 1979.

41. Ильин. Расчет совместной работы насосов, водопроводных сетей и резервуаров. Госстройиздат УССР. Киев. 1963.169

42. Прегер Е.А. Аналитические зависимости между параметрами лопастных насосов. В сб.Трудов ЛИСИ. вып.2О. Изд. ЛИСИ, 1955.

43. Коваленко А.Г., Туева Н.С. Система синтеза и анализа гидравлических сетей. - Вычислительный центр АН СССР. Москва, 1989. -70 с.

44. Старк СБ. Основы гидравлики, насосы и воздуходувные машины. М. металургиздат. 1954. 368 с.

45. Васильева М.Е. Экономико-математические методы оптимизации ключевых параметров и конфигурации тепловых сетей. Автореф. дисс.канд. экон. наук. Новочеркасск, 1999.

46. Чапаев Д.Б. Характеристики внутренней коррозии и надежности тепловых сетей крупного города. Автореф. дисс. канд. экон. наук.Новосибирск, 2004.

47. Шнайдер Д.А. Автоматизация управления системами теплоснабжения промышленных объектов при низкотемпературных режимах. Автореф.дисс. канд. экон. наук. Челябинск, 2003.

48. Кудинов В.А., Коваленко А.Г., Колесников СВ., Панамарёв Ю.С Разработка компьютерной модели и исследование режимов работыциркуляционной системы Новокуйбышевской Т Э Ц - 2. Известия АН.Энергетика, N 6,2001. С 118-124.

49. Панамарёв Ю.С. Гидравлический и температурный расчёт работы теплосети Самарской ТЭЦ. Международная научно-практическаяконференция «Проблемы развития централизованного теплоснабжения».2004г. г. Самара, стр. 192-197.

50. Панамарёв Ю.С, Кожин В.Ю. Гидродинамический и тепловой расчёт теплообменника ПСВ-500-14-23 и проведение его модернизации.Международная научно-практическая конференция «Проблемы развитияцентрализованного теплоснабжения». 2004г. г. Самара, стр. 292-299.

51. Панамарёв Ю.С, Кудинов В.А. Моделирование гидравлических и температурных потоков внутреннего контура теплосети Самарской ТЭЦ.Международная конференция посвященная 70-летию В.И. Юдовича, г.Ростов-на-Дону, 2004 г. стр.29.

52. Панамарёв Ю.С, Кудинов В.А., Чиликин Ю.П., Котов В.В. Расчет гидравлических режимов работы теплосети Самарской ТЭЦ с помощьюкомпьютерной модели.-М.:Теплоэнергетика. №5. 2005г. стр.35-39.

53. Панамарёв Ю.С, Кожин В.Ю., Модернизация теплообменника ПСВ- 500-14-23, его гидродинамический и тепловой расчёт. Журнал Энергетик№ 7, 2005 г. стр. 35-37.

54. Трубопроводные системы энергетики: Управление развитием и функционированием Н.П. Повицкий, Е.В. Сеннова, М.Г Сухарев и др.-Новосибирск: Наука, 2004.-46 с.

55. Меренков А.П., Хасилев В.Я. Теория гидравлических цепей.-М.: Наука, 1985.-278 с.

56. Новицкий Н.Н. Оценивание параметров гидравлических цепей. Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1998.- 214 с.

57. Дикин И.И. Исследование зада.ч оптимального программирования методом внутренних точек // Сб. науч. тр. «Методы оптимизации».-Иркутск: СЭИ СО РАН СССР.- 1975.-е. 108.If I

58. Дикин И.И. Зоркальцев В.И. Итеративное решение задач математического нрограммирования (методы внутренних точек).-Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1980.-144 с.

59. Зингер Н.М. Гидравлические и тенловые режимы тенлофикационных систем.- М.: Энергоатомиздат,.1986.-320 с.

60. Манюк В.И. и др. Наладка и эксплуатация водяных тепловых сетей: Справочник.- М.: Стройиздат, 1988.-432 с.

61. Математическое моделирование и оптимизация систем тепло-, водо-, нефте-, и газоснабжения /А.Н. Меренков, Е.В Сеннова и др.-Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1992.- 40 с.

62. Е.В Сеннова, В.Г. Сидлер Математриеское моделирование и оптимизация развивающихся теплоснабжающих систем.- Новосибирск:Наука, Сибирское отделение, 1987.- 222 с.

63. Гидравлические цепи. Развитие теории и приложения /Н.М. Новицкий, Е.В. Сеннова, М.Г Сухарев и др.- Новосибирск: Наука, Сиб. отделение,2000.- 273 с.

64. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети.- М.: Энергия, 1975.- 376 с. пг.