автореферат диссертации по энергетике, 05.14.01, диссертация на тему:Обоснование приоритетных направлений совершенствования теплоисточников небольшой мощности со слоевым сжиганием бурых углей

На правах рукописи

ЕРМАКОВ Михаил Викторович

ОБОСНОВАНИЕ ПРИОРИТЕТНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕПЛОИСТОЧНИКОВ НЕБОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ СО СЛОЕВЫМ СЖИГАНИЕМ БУРЫХ УГЛЕЙ

Специальность 05.14.01 - Энергетические системы и комплексы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иркутск-2005

Работа выполнена в Институте систем энергетики им. ЛА Мелентьева СО РАН

Научный руководитель:

доктор технических наук Филиппов СП.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Таиров ЭА кандидат технических наук Буйнов Н.Е.

Ведущая организация:

Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН

Защита диссертации состоится 22 июня 2005 г. в 1400 на заседании диссертационного Совета Д 003.017.01. при Институте систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН в к.355 (664033, Иркутск, ул. Лермонтова 130, ИСЭМ СО РАН, факс: (395-2) 42-6796)

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим присылать по указанному адресу ученому секретарю Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН.

Автореферат разослан 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Обшая характеристика работы

Актуальность темы

Теплоисточники на основе водогрейных котлов со слоевым сжиганием угля получили большое распространение в системах централизованного и децентрализованного теплоснабжения небольшой мощности. В реальных условиях эксплуатации такие теплоисточники характеризуются низкой энергетической, экономической и экологической эффективностью. Многочисленными натурными измерениями установлено, что КЦД водогрейных котлов небольшой мощности (0,3-3 МВт) со слоевыми топками при использовании низкокачественных восточно-сибирских углей составляет 30-60%, максимальная достижимая в эксплуатации тепловая мощность котлов ниже проектной (часто в 1,5-2 раза). Мелкие угольные источники в наибольшей степени ответственны за высокие концентрации в атмосферном воздухе многих населенных пунктов Восточной Сибири таких опасных загрязнителей как моноксид углерода, сажа, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), включая бенз(а)пирен.

Разработка базовых принципов технологии слоевого сжигания угля и конструкций котлов со слоевыми топками относится ко второй половине XIX - первой половине XX веков (в России это работы Л.К Рамзина, А.С. Предводителева, Г.Ф. Кнорре и многих других). Однако затем в связи с переориентацией энергетических котлов на пылеугольное сжигание научное внимание к технологии слоевого сжигания угля повсеместно было ослаблено, что стало причиной накопления технической отсталости в данной сфере. В то же время, коренным образом изменились требования к угольным теплоисточникам небольшой мощности, в частности, резко возросла роль экономических факторов, потребители стали более требовательными к надежности и качеству теплоснабжения, наблюдается неуклонное ужесточение природоохранного законодательства, повышаются социальные требования к условиям труда в угольных котельных.

На основе прогнозов развития энергетики Российской Федерации и ее регионов можно заключить, что котлы со слоевым сжиганием угля останутся на достаточно длительную перспективу для обширных территорий страны базовым оборудованием для теплоснабжающих систем небольшой мощности. Следовательно, проблема совершенствования таких котлов остается актуальной, и ее решение должно базироваться на прочной научной основе. При этом первоочередными являются задачи вы-

яснения влияния технических характеристик и условий эксплуатации котлов на эффективность теплоисточников и получения соответствующих количественных оценок. Важность данных задач обусловлена известными особенностями слоевого способа сжигания углей и слоевых котлов малой мощности в целом. В частности, сложностью обеспечения их герметичности и чистоты поверхностей нагрева в реальных условиях эксплуатации. Полученные результаты позволят сформулировать требования к таким теплоисточникам для нынешних условий хозяйствования и приступить к разработке соответствующего котельного оборудования.

Цель работы

1. Получение новых знаний о влиянии внутренних физико-технических и конструкционно-компоновочных и внешних системных факторов на энергетическую, экономическую и экологическую эффективность применения слоевых котлов небольшой мощности.

2. Выработка научно обоснованных рекомендаций по комплексному совершенствованию теплоисточников с котлами со слоевым сжиганием низкокачественных углей мощностью 0,3-3 МВт для реальных условий эксплуатации.

Научная новизна работы определяется следующими положениями:

1. Впервые применена системная методология для анализа эффективности и выбора направлений развития угольных теплоисточников на основе слоевых котлов небольшой мощности. Она заключается в комплексном рассмотрении физико-технических, конструкционно-компоновочных и технико-экономических факторов, определяющих эффективность использования слоевых котлов и теплоисточников в целом. Дана математическая постановка задачи выбора и обоснования направлений совершенствования теплоисточников путем разработки новых серийных котлов.

2. Анализ эффективности котельной техники небольшой мощности и предложения по ее совершенствованию базируются на результатах многолетних инструментальных исследований многочисленных теплоисточников, функционирующих на территории Сибири, а также на результатах опытно-промышленной эксплуатации нескольких десятков котлов конструкции ИСЭМ СО РАН при сжигании в них местных низкокачественных углей.

3. Получены новые количественные результаты при исследовании зависимостей производительности и экономичности слоевых котлов от характера и величины избытков воздуха в газовом тракте котлов, а также от состояния поверхностей нагрева (внутреннего и внешнего загрязнения), т.е. от ключевых факторов, определяющих эффективность небольших угольных котлов в реальных условиях эксплуатации.

4. Впервые сформирована взаимосогласованная система базовых физико-технических и конструкционно-компоновочных принципов разработки высокоэффективных теплоисточников на основе водогрейных котлов теплопроизводительностью 0,3-3 МВт со слоевыми топками, предназначенных для сжигания низкокачественных углей Восточной Сибири.

Практическая значимость работы. Результаты работы легли в основу разработанной в ИСЭМ СО РАН при непосредственном участии автора серии водогрейных котлов тепловой мощностью 0,3, 0,5, 1, 1,5, 2 и 3 МВт. С 1999 г. более 100 котлов этой серии введены в эксплуатацию в Иркутской области. Результаты работы использовались при подготовке «Программы энергосбережения Иркутской области на период до 2005 года», «Программы реконструкции жилищно-коммунального хозяйства Иркутской области на 2000-2003 гг.», «Программы реконструкции коммунальной теплоэнергетики Иркутской области на 2003-2007 гг.».

Автор защищает:

1. Методологический подход к обоснованию приоритетных направлений совершенствования угольных теплоисточников с котлами со слоевым сжиганием низкокачественных углей для систем теплоснабжения небольшой мощности.

2. Результаты исследования влияния избытков воздуха на экономичность и максимальную производительность котлов небольшой мощности со слоевыми топками для различной структуры присосов воздуха и разных ограничений на параметры тя-годутьевых машин.

3. Результаты исследования воздействия наружного и внутреннего загрязнения поверхностей нагрева слоевых котлов на технико-экономические характеристики теплоисточников.

4. Взаимосогласованную систему базовых физико-технических, конструкционно-компоновочных и технико-экономических принципов разработки высокоэффективных водогрейных котлов небольшой мощности (0,3-3 МВт) для слоевого сжигания низкокачественных углей Восточной Сибири.

Апробация работы. Материалы, составляющие диссертацию, опубликованы в 12 печатных работах. Кроме того, они обсуждались:

• на международной конференции «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» (Иркутск, ИрГТУ, 2002 г.);

• на международной конференции «Энергосберегающие технологии и окружающая среда» (Иркутск, ИрГУПС, 2004 г.);

• на российско-японском семинаре по инновационным технологиям (Иркутск, 2003 г.);

• на всероссийских научно-практических конференциях «Теплоисточник в коммунальной энергетике» (Иркутск, 2001,2002,2003 гг.);

• на совместном заседании Совета РАН по проблемам развития энергетики России и Научного совета РАН по комплексным проблемам энергетики по теме «Проблемы теплоснабжения России» (Москва, 2003 г.);

• на заседаниях Ученого совета и секции Ученого совета ИСЭМ СО РАН (Иркутск, 2000-2004 гг.);

• на конференциях научной молодежи ИСЭМ (Иркутск, 2002,2003,2004 гг.).

Коллектив авторов, включая автора диссертационной работы, за разработку и внедрение котлов конструкции ИСЭМ отмечен премией губернатора Иркутской области по науке и технике за 2002 г. На физико-технические принципы и конструкционно-компоновочные решения, применяющиеся при разработке котлов, коллективу разработчиков, включая автора работы, выдан патент Российской Федерации № 2238480 с приоритетом от 25.12.2002 г.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Текст диссертации изложен на 136 страницах, включает 36 рисунков и 14 таблиц. Список литературы содержит 109 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации; представлены постановки задач исследований и методы их решения; поясняется новизна методических и расчетных исследований; приведены основные положения, выносимые на защиту, содержание и структура диссертации.

В первом разделе на основе анализа результатов многочисленных натурных инструментальных исследований, выполненных автором с совместно с коллегами в 1999-2004 гг., показано, что главными причинами низкой эффективности малых угольных теплоисточников являются, во-первых, их техническое несовершенство и, во-вторых, неудовлетворительный уровень эксплуатации, во многом обусловленный недостаточной квалификацией обслуживающего персонала и отсутствием у него стимулов к эффективной работе. На основе обзора литературы и патентных исследований выявлены основные тенденции в развитии котлов со слоевыми топками начиная с 20-х годов XX века. Из них следует отметить интенсификацию процесса горения топлива в слое, интенсификацию теплообмена со стороны газов и улучшение работы котлов на неподготовленной воде.

Показано, что котлы со слоевыми топками, выпускаемые отечественными заводами, пока не в полной мере удовлетворяют требованиям потребителей. Они характеризуются высокой ценой, требуют высокого уровня эксплуатации и спроектированы преимущественно для сжигания качественных каменных углей. Импортные котлы чрезвычайно дороги и требуют подготовленного высококачественного угля. Поэтому в эксплуатирующих организациях страны продолжается практика кустарного изготовления в больших количествах котлов собственных конструкций, специализированных для сжигания местных углей. Как показал анализ, такие котлы имеют низкий КЦД, высокие выбросы вредных веществ в атмосферу, малые сроки службы. Но они дешевы, просты в изготовлении и монтаже, неприхотливы в эксплуатации, обладают хорошей ремонтопригодностью. В условиях дешевизны топлива и металла и мощного дотирования коммунальных теплопроизводителей из местных бюджетов такая практика имела экономический смысл. Однако с развитием рыночных отношений, сопровождающихся резким ростом цен на топливо и металл и ужесточением бюджетной политики, эта практика становится экономически порочной.

Из нерешенных научных проблем можно выделить необходимость а) разработки методологического обеспечения системных исследований применительно к рассматриваемой области, б) тщательного выяснения причин низкой эффективности малых угольных теплоисточников в реальных условиях эксплуатации и в) поиска наиболее рациональных направлений существенного повышения эффективности таких теплоисточников.

Второй раздел посвящен разработке методических положений исследований, методике моделирования и описанию математической модели и вычислительной системе на ее основе. Поставленные в диссертационной работе задачи решаются автором в рамках комплексного подхода к прогнозированию развития энергетических технологий и систем, разработанного в ИСЭМ СО РАН (Л.С. Беляев, Б.М. Каганович, СП. Филиппов).

Состав объектов исследований и структура их внешних связей представлены на рис. 1 и 2. Необходимость учета внешних (системных) факторов вызвана тем, что во многих случаях они могут оказывать определяющее влияние на параметры, режимы работы и уровень эксплуатации котлов и, в конечном счете, на технико-экономические характеристики теплоисточника и системы теплоснабжения в целом. При этом важнейшими системными характеристиками теплоисточника являются: а) технико-экономические показатели (КПД, удельные капиталовложения, удельная себестоимость производства тепловой энергии, штатный коэффициент и т.д.); б) расходные характеристики (удельные расход электроэнергии на собственные нужды); в) экологические показатели (удельные выбросы вредных веществ в атмосферу и др.).

Рис. 1. Состав объектов исследований.

Рис. 2. Структура внешних связей.

Общая схема решения задачи повышения эффективности теплоисточника включает в себя физико-технические, схемно-параметрические, конструкционно-компоновочные и технико-экономические исследования. Она предусматривает исследование влияния внешних, системных условий и требований на внутренние характеристики котлов (конструкционно-компоновочные решения, физико-технические параметры), а также внутренних параметров котлов на системные характеристики теплоисточника (рис. 3). Согласно этой схеме математическая постановка задачи будет иметь следующий вид:

тт 3 = + Вы,И,т)

где - число рассматриваемых вариантов соответственно конструк-

тивных решений, сочетаний цен на материалы и оборудование, сочетаний цен на топливо и электроэнергию, видов топлива, эксплуатационных условий серии котлов (степень загрязнения поверхностей нагрева, объем присосов воздуха по газовому тракту); - весовые коэффициенты, определяющие вероятность

Корректировка конструкционно-компоновочных решений

работоспособен

Рис. 3. Принципиальная блок-схема решения задачи повышения эффективности теплоисточника путем разработки новых котлов.

реализации соответствующих условий; - коэффициент дисконтирования и условно-постоянных издержек; Ку - капиталовложения в рассматриваемый вариант конструктивного решен^; 5™ - варианты сочетаний цен соответственно на материалы и оборудование и топливо и электроэнергию; - вектор независимых (оптимизируемых) конструктивно-компоновочных параметров (шаги и диаметры труб, ширина и высота газоходов и т.д.); 9 - вектор задаваемых параметров, учитывающих нагрузку теплоисточника, характеристики воды и топлива, характеристики трудовых ресурсов, климатические условия и т.д.; х' - векторная функция зависимых конструктивных параметров, получаемых в результате конструкторского расчета, которые включают площади поверхностей нагрева, длины труб, живые сечения, габариты котла и т.д; - годовые эксплуатационные издержки; - расходы соответственно

топлива и электроэнергии на собственные нужды, зависящие от вида топлива и эксплуатационных условий.

Основным инструментом для проведения исследований, направленных на решение поставленных в диссертационной работе задач, является математическая модель слоевого котла. Модель позволяет: а) выполнить конструкторский расчет новых котлов; б) подготовить предложения по модернизации существующих котлов; в) исследовать влияние внешних факторов на параметры котлов; г) объяснить результаты испытаний эксплуатируемых и опытно-промышленных котлов.

Базовая версия математической модели слоевого котла выполнена в имитационной постановке. Для решения некоторых проблем использовалась версия модели котла в оптимизационной постановке.

На основе математической модели слоевого котла разработана вычислительная система, которая обеспечивает высокую степень интерактивности проведения многовариантных исследований, дает возможность быстрого просмотра результатов расчета, позволяет легко и быстро вносить изменения в расчет, обеспечивает визуализацию конструкторских и компоновочных решений, получаемых в результате расчетов. Система позволяет:

• исследовать и учитывать в процессе проектирования ненормативные (реальные) режимы работы слоевых котлов малой мощности;

• проводить экспресс-расчеты (тепловой, аэродинамический и гидравлический) котла и его отдельных элементов при изменении независимых параметров и конструк-тивно-компоновочныхрешений;

• автоматизировать с минимальными трудозатратами и затратами времени выполнение многовариантных расчетов котлов.

В третьем разделе представлены результаты исследования влияния присо-сов воздуха на экономичность и максимальную производительность слоевых котлов небольшой мощности. Натурными измерениями выяснено, что сверхнормативные присосы воздуха - одна из основных

причин низкой экономичности водогрейных котлов малой мощности. Расчетными исследованиями определено, что в результате избыточных присосов воздуха снижается температура в топке, изменяются температурные напоры в топке и конвективных газоходах, увеличиваются объем дымовых газов и сопротивление газового тракта. Это ведет к снижению тепловой эффективности котла (рис. 4), росту потребления электроэнергии на удаление дымовых газов и снижению максимальной доступной мощности котла, особенно при наличии ограничений на производительность и напор дымососа (рис. 5). Наиболее вредными являются сверхнормативные при-сосы воздуха в топочную камеру.

Кюффщюп ипыш воадуы в угодила пи

Рис. 5. Влияние присосов воздуха на максимальную мощность котла при ограничении производительности дымососа; присосы: а - в топку, б - в опускной газоход, в- в подъемный газоход, г- везде поровну.

Таблица 1

Влияние избытка воздуха в котел на себестоимость производства тепловой энергии.

Показатель Коэффициент избытка воздуха

1,6* 2 3 4 5

I. При отсутствии ограничений на производительность дымососа

Тепловая мощность котла, МВт (Гкал/ч) 2,33 2,24 2,06 1,90 1,77

(2,0) (1,93) (1,77) (1,63) (1,52)

Дефицит тепловой мощности, % 0 3,5 11,5 18,5 24,0

Производство тепловой энергии, ТДж/год 25,12 24,24 22,23 20,47 19,09

(Гкап/год) (6000) (5790) (5310) (4890) (4560)

КПД котла 80,4 77,5 71,0 65,5 61,0

Дополнительная мощность дымососа, кВт 0 1,2 6,4 15,0 27,0

Удельная себестоимость производства 91,0 94,8 104,1 113,2 121,3

тепловой энергии, руб/ГДж (руб/Гкал) (381) (397) (436) (474) (508)

Прирост себестоимости, % 0 4,3 14,6 24,4 33,4

II. При наличии ограничений на производительность дымососа

Тепловая мощность котла, Гкал/ч 2,33 2,00 1,31 0,98 0,77

(2,0) (1,72) (1,13) (0,84) (0,66)

Дефицит тепловой мощности, % 0 14,0 43,5 58,0 67,0

Производство тепловой энергии, ГДж/год 25,12 21,60 14,19 10,55 8,29

(Гкап/год) (6000) (5160) (3390) (2520) (1980)

Удельная себестоимость производства 91,0 102,0 124,4 135,4 142,4

тепловой энергии, руб/ГДж (руб/Гкал) (381) (427) (521) (567) (596)

Прирост себестоимости, % 0 12,1 36,8 49,0 56,4

Примечание: * Проектные данные.

Следует отметить, что проблема избыточных присосов особенно актуальна для малых котлов, поскольку даже незначительные неплотности в них приводят к большому удельному поступлению лишнего воздуха в газовый тракт и к существенному ухудшению эффективности (табл. 1). Представленные в табл. 1 технико-экономические исследования выполнены при следующих исходных данных: мощность котла- 2,3 МВт; расчетное топливо - азейский уголь; цена угля в котельной -400руб/т; цена электроэнергии- 80 коп/кВтч; проектная величина условно-постоянных расходов в котельной - 59,7 руб/ГДж (250 руб/Гкал); капиталовложения в дополнительную тепловую мощность - 2,58 млн. руб/МВт; величина амортизационных отчислений - 5% для дополнительных котлов и 10% для вновь устанавливаемых

дымососов. Для обеспечения сопоставимости результатов расчетов рассмотренные варианты приводились к одинаковому производственному эффекту путем ввода дополнительной тепловой мощности с проектными показателями, принятыми для рассматриваемой котельной.

В четвертом разделе представлены результаты расчетных исследований влияния наружного и внутреннего загрязнений поверхностей нагрева слоевых котлов на технико-экономические характеристики теплоисточников. Эта проблема особенно остро стоит для котлов малой мощности, так как в них обычно нет возможностей для регулярной очистки поверхности нагрева от золы и сажи и отсутствует водоподготов-ка. Расчеты выполнялись с применением полной формы уравнения теплопередачи через многослойную стенку, поскольку используемые в нормативном методе теплового расчета котельных агрегатов коэффициенты загрязнения подразумевают регулярную очистку поверхностей нагрева от золы и сажи и применение химически обработанной воды.

Результатом роста наружных отложений являются снижение КПД котла и его максимально достижимой в эксплуатации мощности (рис. 6). Основные причины тому - рост температуры и объема уходящих газов из-за снижения тепловосприятия поверхностей.

При увеличении толщины наружных отложений до 5 мм (в реальных условиях толщина отложений часто бывает существенно больше) и отсутствии ограничений на производительность и напор тягодутьевых машин КПД котла уменьшается 1,4 раза. Уменьшение проходного сечения конвективного газохода и рост объема дымовых газов приводят к увеличению аэродинамического сопротивления газового тракта котла почти в 4 раза и росту потребляемой электрической мощности в 9 раз. Наличие ограничений на производительность и напор дымососа ведет к более существенному снижению мощности котла (в 1,4 раза), но к меньшему уменьшению КПД котла (до 70% вместо 58% при отсутствии ограничений), поскольку температура уходящих газов растет не так быстро как при отсутствии таких ограничений (соответственно, до 330°С вместо 570°С при толщине загрязнения 5 мм).

Рис. 6. Зависимость КПД и максимальной мощности котла от толщины слоя наружных загрязнений поверхностей нагрева.

Влияние накипи на тепловую эффективность котла менее значительно, чем влияние наружных отложений, поскольку теплоотдача со стороны воды гораздо эффективнее, чем со стороны газов. В результате КПД котла уменьшается всего на 6% при толщине накипи 5 мм.

Однако рост внутренних отложений ведет к уменьшению сечения труб, что оказывает существенное влияние на гидравлическое сопротивление котла (рис. 7). При толщине накипи 5 мм оно увеличивается почти в 6 раз (с 1,9 до 11 атм). При этом потребляемая насосом электрическая мощность возрастает с 4 до 22 кВт. Поскольку запас по напору у насосов ограничен, то увеличение гидравлического сопротивления приведет к снижению мощности котла. Так как в малых котельных котловой контур

обычно объединен с тепловой сетью и нередко отсутствует обводной контур котлов по воде, то следствием роста гидравлического сопротивления котла становится снижение расхода воды в тепловой сети и, значит, дополнительное сокращение отпуска тепла потребителям.

Рис. 7. Зависимость сопротивления гидравлического тракта котла от толщины накипи.

Чрезвычайно важным является влияние внутренних отложений на надежность котла. При увеличении толщины накипи происходит перегрев металла стенки трубы, что в итоге может привести к пережогу труб. Результаты количественных оценок влияния толщины и теплотехнических свойств накипи на температуру стенки трубы приведены на рис. 8. Важнейшей характеристикой накипи является ее теплопроводность, которая зависит от химического состава накипи, который определяется солевым составом нагреваемой воды.

Рис. 8. Зависимость температуры стенки трубы от толщины внутренних отложений при теплопроводности котельной накипи: а - 0,8 Вт/(м • °С), б - 0,2 Вт/(м • °С).

Пунктирной линией показана температура стенки трубы, выше которой происходит пережог труб.

На основе выполненных исследований сделаны следующие выводы: 1) образование в трубах поверхностей нагрева котлов накипи с низкой теплопроводностью толщиной выше 2,5-3 мм будет приводить к пережогу труб; 2) накипь с большой теплопроводностью (0,8 Вт/(м ,0С)) не представляет опасности с точки зрения возможности пережога труб даже при толщине 5-10 мм; 3) для оценки потенциальной опасности пережога труб и учета ее в процессе эксплуатации котлов необходимо определить солевой состав используемой воды и коэффициент теплопроводности накипи.

В пятом разделе приведена разработанная взаимосогласованная система базовых физико-технических и конструкционно-компоновочных принципов разработки высокоэффективных теплоисточников на основе водогрейных котлов небольшой мощности для слоевого сжигания низкокачественных углей Восточной Сибири. Она включает: 1) механизация технологических процессов; 2) создание горячей зоны горения слоя топлива; 3) устройство горячей топочной камеры; 4) турбулизацию продуктов сгорания в топочном объеме; 5) обеспечение высокой скорости дымовых газов по все длине конвективного газохода; 6) обеспечение высокой скорости воды в эк-

ранных трубах и трубных пучках конвективных поверхностей нагрева; 7) устройство многоходового конвективного газохода; 8) обеспечение высокой газовой плотности котла; 9) минимизацию шага труб в топочных экранах; 10) облегчение доступа к конвективным поверхностям; 11) применение модульного принципа конструкции котла.

Как показала практика, реализация этих принципов в конструкциях котлов в совокупности с выбором оптимальных значений термодинамических и аэро- и гидродинамических параметров теплоносителей (греющего и нагреваемого) обеспечивают высокую тепловую, экономическую и экологическую эффективность производства тепловой энергии в котлах небольшой мощности при использовании каменных и бурых углей низкого качества, высокую надежность и ремонтопригодность котлов, а также простоту их изготовления и монтажа.

В данном разделе приведены результаты выбора оптимального уровня температуры уходящих газов для разрабатываемых котлов, предназначенных для эксплуатации в коммунальных котельных в условиях Восточной Сибири и сжигании в них местных углей. Исследования выполнялись с использованием разработанной вычислительной системы. Температура уходящих газов является ключевым параметром, определяющим энергетическую и экономическую эффективность котлов. Она напрямую зависит от величины площади поверхностей нагрева. Эта зависимость является нелинейной. При снижении Т^ ниже 200°С площадь поверхностей нагрева резко возрастает, а прирост КПД существенно замедляется. Увеличение площади поверхностей нагрева ведет, во-первых, к увеличению расхода металла и труда на их изготовление, во-вторых, к увеличению габаритов котла и, следовательно, необходимых строительных объемов здания котельной и, в-третьих, к росту трудозатрат в последующий монтаж котла. В результате повышение КПД котла и соответствующая экономия топлива достигаются увеличением стоимости теплоисточника.

Для существующих и перспективных условий (соотношение стоимости металла и топлива равно около 80, что соответствует, в частности, цене котловой трубы 25 тыс. руб/т и топлива 300 руб/т) экономически оптимальное значение Т^ находится в диапазоне

Рис. 9. Зависимость приведенных затрат от температуры уходящих газов.

Однако, имеются технические ограничения на нижнюю границу Ту,. Выбор слишком низкой Ту,- для номинальной нагрузки (ниже 130- 140°С) может привести к тому, что на частичных нагрузках котла (40-60% от номинальной и ниже) будет происходить конденсация влаги на поверхности последних конвективных пакетов, а также в газоходе и дымовой трубе. Вследствие этого резко возрастет опасность сернокислотной коррозии металлических поверхностей с быстрым выходом их из строя.

При Т^ = 150°С срок окупаемости капиталовложений в дополнительные конвективные поверхности нагрева составит приблизительно 2 года.

В данном разделе также даны описания конструкции слоевых водогрейных котлов тепловой мощностью от 0,5 до 3 МВт, разработанных на основе сформулированных выше принципов. В котлах используются 2 вида механических топочных устройств: цепная решетка прямого хода конструкции Кусинского машиностроительного завода (в котлах мощностью 1,74, 2,33 , 3,49 МВт) и решетка с шурующей планкой конструкции Братского котельного завода (в котлах мощностью 0,58 и 1,16 МВт). Котлы установлены на реальных объектах и успешно эксплуатируются. Теплотехнические испытания опытно-промышленных образцов котлов подтвердили высокую эффективность заложенных в их конструкцию принципов. Котел мощностью 1,16 МВт принят предприятиями Иркутской области к серийному изготовлению.

Основные результаты работы.

1. Разработан оригинальный методологический подход к обоснованию приоритетных направлений совершенствования котлов со слоевым сжиганием низкокачественных углей для систем теплоснабжения небольшой мощности. Подход базируется

630 ---.-1-1-1-,-

100 125 150 175 200 225 250 275 300 Температура уходящих газов, С

на системной методологии, которая в данном случае предусматривает комплексное рассмотрение взаимного влияния внутренних (физико-технических, конструкционно-компоновочных) и внешних (системных) факторов, определяющих эффективность использования котлов в системах теплоснабжения в целом. Отличительной особенностью подхода является комбинирование расчетных исследований, выполняемых с использованием математических моделей, с натурными экспериментами, проводимыми на разработанных котлах. Результаты испытания котлов используются для корректировки расчетных зависимостей.

2. Разработана математическая модель котла со слоевым сжиганием угля, представляющая собой систему алгебраических и трансцендентных уравнений, балансовых условий, а также линейных и нелинейных ограничений, с помощью которых описываются протекающие в котле процессы горения, тепло- и массообмена, течения греющего и нагреваемого теплоносителей в каналах, их связей с конструкционно-компоновочными решениями и тепловым состоянием поверхностей нагрева и др. Выполнена компьютерная реализация модели котла, предназначенная для проведения теплового расчета топочной камеры и конвективных поверхностей нагрева, аэродинамического расчета газового тракта, гидродинамического расчета водяного тракта, а также расчета на прочность элементов поверхностей нагрева и конструкции котла.

3. На основе математической модели котла разработана вычислительная система, включающая помимо расчетных модулей также блоки автоматизации расчетов, визуализации результатов исследований и подготовки конструкторской документации, а также интерфейс. Оригинальность вычислительной системы заключается в предоставляемых ею возможностях проведения многовариантных расчетных исследований и подготовки на их базе конструкторской документации. При этом имеются возможности анализа работы котлов на переменных нагрузках, в непроектных и аварийных условиях, а также имитации реальных условий эксплуатации котла (сжигание непроектного топлива, сверхнормативные присосы воздуха, непроектный расход нагреваемого теплоносителя, интенсивное шлакование поверхностей нагрева, большие внутренние отложения и т.д.) и получения оценок отклика состояния котла на неквалифицированные действия оператора.

4. Исследовано влияние избытков воздуха на экономичность и максимальную производительность угольных котлов небольшой мощности для различной структуры

присосов воздуха и разных ограничений на параметры тягодутьевых машин. Наибольшее негативное влияние оказывает поступление избыточного воздуха в топочную камеру. В этом случае при увеличении избытка воздуха за котлом с нормативной величины 1,6 до 5 КПД котла падает с 80 до 51%, максимальная тепловая мощность снижается в 1,3-3 раза, а себестоимость производимой тепловой энергии возрастает на 33-56%, соответственно, при отсутствии и наличии ограничений на производительность дымососа.

5. Изучено влияние наружного загрязнения поверхностей нагрева летучей золой и сажей на характеристики котлов. Определено, что рост толщины наружных отложений до 5 мм ведет к уменьшению КПД котла с 80 до 58%, а его максимальной производительности в 1,4 раза.

6. Исследовано воздействие внутреннего загрязнения поверхностей нагрева солевыми отложениями на характеристики котлов. Показано, что образование в трубах поверхностей нагрева котлов накипи с низкой теплопроводностью толщиной выше 2,5-3 мм будет приводить к пережогу труб. Накипь с большой теплопроводностью не представляет опасности с точки зрения возможности пережога труб даже при толщине до 5-10 мм.

7. Впервые сформирована взаимосогласованная система базовых физико-технических и конструкционно-компоновочных принципов разработки высокоэффективных теплоисточников на основе водогрейных котлов тепловой производительностью 0,3-3 МВт со слоевыми топками, предназначенных для сжигания низкокачественных углей Восточной Сибири.

8. На основе технико-экономического анализа определена оптимальная температура уходящих газов для слоевых котлов малой мощности. Согласно расчетам, для существующих и перспективных условий она находится в диапазоне 130-150°С. При этом срок окупаемости капиталовложений в дополнительные конвективные поверхности нагрева составит приблизительно 2 года.

9. Результаты выполненных расчетных исследований и натурных экспериментов послужили основой для разработки конструкций котлов мощностью от 0,57 до 3,5 МВт (0,5-3 Гкал/ч), предназначенных для эффективного сжигания низкокачественных углей Восточной Сибири. В общей сложности к настоящему времени изготовлено бо-

лее 100 таких котлов. Котлы смонтированы и эксплуатируются в различных населенных пунктах Иркутской области.

10. Внедрение разработанных котлов в коммунальную теплоэнергетику Иркутской области обеспечивает сокращение потребления топлива, снижение себестоимости производимой тепловой энергии, сокращение дотаций (субсидий) из бюджетов разного уровня, направляемых на покрытие расходов по теплоснабжению бюджетных организаций и населения. Широкое применение разработанных котлов позволяет значительно сократить выбросы вредных веществ в окружающую среду. Как показали инструментальные измерения, замена действующих котлов на новые приводит к уменьшению выбросов моноксида углерода в 4-6 и более раз, сажи - в 20-40 раз, ПАУ, включая бенз(а)пирен - в 30-50 раз. Значительно улучшилось качество теплоснабжения в местах установки новых котлов. Кардинально изменились в лучшую сторону условия труда в модернизированных котельных. В результате повышения производительности труда увеличилась зарплата эксплуатационного персонала, что способствовало прекращению текучести кадров. Повысился технический уровень эксплуатации. У персонала появились стимулы к высокоэффективной работе.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Филиппов СП., Наумов Ю.В., Иванов А.А., Ермаков М.В. и др. Анализ причин низкой энергетической и экологической эффективности угольных котельных небольшой мощности и поиск основных путей их устранения // Энергетика России в XXI веке: проблемы и научные основы устойчивого и безопасного развития: Сборник докладов Всероссийской конференции, Иркутск, Россия. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН,

2001.-С. 120-126.

2. Филиппов СП., Ермаков М.В. Технико-экономические проблемы коммунальной теплоэнергетики Иркутской области // Теплоисточник в коммунальной энергетике: Сборник докладов научно-практической конференции. - Иркутск: ИрГТУ,

2002. -С 6-15.

3. Ермаков М.В., Наумов Ю.В., Филиппов СП. Исследование влияния присосов воздуха в котел на его тепловую экономичность и максимальную мощность // Тепло-

источник в коммунальной энергетике: Сборник докладов Всероссийской научно-практической конференции. - Иркутск: ИрГТУ, 2002. - С. 30-40.

4. Ермаков М.В. Влияние присосов воздуха на тепловую экономичность и максимальную эффективность котла // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири: Сборник докладов международной конференции. - Иркутск: ИрГТУ, 2002. - С. 32-38.

5. Ермаков М.В. Исследование влияния избытка воздуха на эффективность работы водогрейных котлов // Системные исследования в энергетике. Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН. Вып.32. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2002. - С. 104 -110.

6. Ермаков М.В. Выбор оптимального вида и размера конвективной поверхности нагрева водогрейных котлов // Системные исследования в энергетике. Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН. Вып.ЗЗ. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2002. - С. 88 -94.

7. Филиппов СП., Павлов П.П., Ермаков М.В. Анализ технико-экономической эффективности систем коммунального теплоснабжения малой мощности // Теплоисточник в коммунальной энергетике: проблемы эксплуатации и применение новых технологий при реконструкции: Сборник докладов и тезисов V научно-практической конференции. - Иркутск: издательство Riso, 2003. - с. 8-17.

8. Ермаков М.В. Перевод паровых котлов барабанного типа в водогрейный режим // Теплоисточник в коммунальной энергетике: проблемы эксплуатации и применение новых технологий при реконструкции: Сборник докладов и тезисов VI научно-технической конференции. - Иркутск: издательство Riso, 2004. - С. 36-38.

9. Ермаков М.В. Проблемы повышения эффективности котельных небольшой мощности в иркутской области // Системные исследования в энергетике. Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН. Вып.34. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2002.- С. 101107.

Ю.Филиппов СП., Наумов Ю.В., Ермаков М.В. Влияние присосов воздуха на производительность и экономичность слоевых котлов // Теплоэнергетика. - 2005. -№2.-С. 116-121.

П.Наумов Ю.В., Павлов П.П., Ермаков М.В. Разработка и применение высокоэффективных малых котлов на низкокачественных углях // Энергосберегающие технологии и окружающая среда // Сборник докладов конференции.- Иркутск: Ир-. ГУПС,2004.-С.108-1П.

12.Filippov S.P., Naumov Yu.V., Ermakov M.V. Effect of Excess Air on the output and efficiency of boilers with stoker combustion of low-grade coals // Thermal Engineering. - 2005. - Vol. 52, №. 2, - P. 116-121.

Подписано к печати Формат 60x84/16 Заказ Noifä

Тираж 100 экз.

Отпечатано в Институте систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН

сГ' n0i

аттглмш t У О X

V

09 ИЮН 2005

1. ПРОБЛЕМЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ УГОЛЬНЫХ ТЕПЛОИСТОЧНИКОВ НЕБОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ, СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ.

1.1. Роль слоевых котлов небольшой мощности в системах теплоснабжения Иркутской области.

1.2. Технические проблемы угольных теплоисточников малой мощности.

1.3. Экономические проблемы угольных теплоисточников малой мощности.

1.4. Экологические проблемы угольных теплоисточников малой мощности.

1.5. Анализ тенденций в развитии котлов со слоевым сжиганием низкокачественных углей.

1.6. Постановка задач.

2. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ОБОСНОВАНИЮ ПРИОРИТЕТНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ УГОЛЬНЫХ ТЕПЛОИСТОЧНИКОВ НЕБОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ

2.1. Базовые положения.

2.2. Общая схема исследований.

2.3. Математическая модель слоевого котла и вычислительная система на ее основе.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРИСОСОВ ВОЗДУХА НА ЭКОНОМИЧНОСТЬ И МАКСИМАЛЬНУЮ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ СЛОЕВЫХ КОТЛОВ НЕБОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ.

3.1. Исходные предпосылки.

3.2. Влияние присосов воздуха на КПД котла.

3.3. Влияние присосов воздуха на максимальную мощность котла при отсутствии ограничений на производительность и напор дымососа.

3.4. Влияние присосов воздуха на максимальную мощность котла при ограничении производительности дымососа.

3.5. Технико-экономические оценки.

3.6. Выводы.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НАРУЖНОГО И ВНУТРЕННЕГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ НАГРЕВА СЛОЕВЫХ КОТЛОВ НА ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛОИСТОЧНИКОВ.

4.1. Исходные положения.

4.2. Влияния наружного загрязнения поверхностей нагрева на КПД и производительность котла.

4.3. Влияния внутреннего загрязнения поверхностей нагрева на технико-экономические характеристики теплоисточников.

5. ВЫБОР ПРИОРИТЕТНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СЛОЕВЫХ КОТЛОВ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЙ ПРИМЕНЕНИЯ.

5.1. Базовые физико-технические принципы создания высокоэффективных слоевых водотрубных котлов малой мощности на низкокачественных углях.

5.2. Выбор оптимальной температуры уходящих газов.

5.2.1 КПД котла и площадь конвективных поверхностей нагрева

5.2.2 Металлоемкость конвективной части котла.

5.2.3 Приведенные затраты в конвективную часть котла.

5.2.4 Окупаемость капвложений в конвективную часть котла

5.3. Разработка конструкций слоевых котлов малой мощности для различных условий применения.

5.3.1 Механизированные котлы с цепной решеткой прямого хода

5.3.2 Механизированные котлы с шурующей планкой.

5.4. Практические результаты внедрения разработанных котлов.

Актуальность темы.

Теплоисточники на основе водогрейных котлов со слоевым сжиганием угля получили большое распространение в системах централизованного и децентрализованного теплоснабжения небольшой мощности, особенно в районах с отсутствием природного газа, которые охватывают значительную часть территории Российской Федерации. Низкая энергетическая эффективность большинства таких систем во многом, часто в решающей степени, обусловлена неудовлетворительными характеристиками теплоисточников в реальных условиях эксплуатации [1,2].

В результате многочисленных натурных измерений, выполненных в 1995-2004 гг. специалистами ИСЭМ СО РАН (Ю.В. Наумов, А.А. Иванов, П.П. Павлов и др.), выяснено, что характеристики отопительных котлов в реальных условиях эксплуатации зачастую кардинальным образом отличаются от проектных значений в худшую сторону. Согласно полученным данным реальные КПД водогрейных котлов небольшой мощности (0.3-3 МВт) со слоевыми топками при использовании низкокачественных восточно-сибирских углей оказались в диапазоне 30-60% против нормативных 75-80%. Максимальная достижимая в эксплуатации тепловая мощность котлов часто также была существенно (до полутора-двух раз) ниже проектной, что приводило к появлению дефицита и снижению качества отпускаемой в сеть тепловой энергии [3].

Угольные теплоисточники небольшой мощности характеризуются плохими экологическими показателями. Натурными измерениями и численными экспериментами доказано (С.П. Филиппов, А.В. Кейко, А.Г. Горшков, JI.A. Белых и др.) [4, 5], что именно мелкие источники в наибольшей степени ответственны за высокие концентрации в атмосферном воздухе многих населенных пунктов Восточной Сибири таких опасных загрязнителей как моноксид углерода, сажа, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), включая бенз(а)пирен.

Главными причинами низкой эффективности (энергетической, экономической, экологической) малых угольных теплоисточников являются, во-первых, их техническое несовершенство и, во-вторых, низкий уровень эксплуатации, во многом обусловленный недостаточной квалификацией обслуживающего персонала и отсутствием у него стимулов к эффективной работе.

Разработка базовых принципов угольных котлов со слоевыми топками (далее - слоевых котлов) относится ко второй половине XIX и началу XX веков. К середине XX века в стране и за рубежом был накоплен огромный научный и технический потенциал в области технологий слоевого сжигания твердого топлива и конструирования слоевых котлов (работы JI.K Рам-зина, А.С. Предводителева, Г.Ф. Кнорре и многих других) [6-22]. Однако затем на протяжении более чем 50 лет основная масса научных исследований и опытно-конструкторских работ была сосредоточена в области пылеугольных крупнотоннажных технологий сжигания угля. Недостаток научного внимания в нашей стране к проблемам мелких теплоисточников на угле привел к тому, что до сих пор в них используются технологии сжигания и конструкции котлов середины и даже начала прошлого века.

В то же время, коренным образом изменились требования к угольным теплоисточникам небольшой мощности. Во-первых, изменились условия хозяйствования, и потому резко возросла роль экономических факторов. Особенно актуальными они стали для небольших систем теплоснабжения в отдаленных районах страны (Восточная Сибирь, Дальний Восток) в условиях постоянного роста цен на топливо и металл, транспортных тарифов, а также стоимости рабочей силы. Во-вторых, потребители становятся более требовательными к надежности и качеству теплоснабжения. В третьих, стали реальностью экологические ограничения. Более того, имеет место неуклонное ужесточение природоохранного законодательства. Наконец, в-четвертых, повышаются социальные требования к условиям труда в угольных котельных.

В последние годы отечественные котельные заводы (прежде всего Бийский) прилагают большие усилия для разработки новых, более современных, угольных котлов для коммунальной теплоэнергетики [23]. Однако выпускаемые котлы пока не в полной мере удовлетворяют требованиям потребителей. Они характеризуются высокой ценой, требуют высокого уровня эксплуатации и спроектированы, в основном, для сжигания высококачественных каменных углей и угольного концентрата.

Поэтому в эксплуатирующих организациях страны продолжается практика кустарного изготовления в больших количествах котлов собственных конструкций, специализированных для сжигания местных углей. Как показывает анализ, такие котлы имеют низкий КПД, высокие выбросы вредных веществ в атмосферу, малые сроки службы. Но они дешевы, просты в изготовлении и монтаже, неприхотливы в эксплуатации, обладают хорошей ремонтопригодностью. Например, в Иркутской области популярны так называемые котлы «Димакова», известные во множестве модификаций, спроектированные местным изобретателем Димаковым без каких-либо теплотехнических расчетов и обоснований. В условиях дешевизны топлива и металла и мощного дотирования коммунальных теплопроизво-дителей из местных бюджетов такая практика имела экономический смысл. Однако с развитием рыночных отношений, сопровождающихся резким ростом цен на топливо и металл и ужесточением бюджетной политики, эта практика становится экономически порочной.

На основе прогнозов развития энергетики Российской Федерации и ее регионов (А.А. Макаров, Б.Г. Санеев) [24, 25] можно заключить, что котлы со слоевым сжиганием угля останутся на достаточно длительную перспективу для обширных территорий страны базовым оборудованием для теплоснабжающих систем небольшой мощности. Следовательно, задача совершенствования таких котлов остается актуальной. Но такое совершенствование должно базироваться на прочной научной основе. При этом первоочередными являются задачи выяснения влияния технических характеристик и условий эксплуатации котлов на эффективность теплоисточников и получения соответствующих количественных оценок. Важность данной задачи обусловлена рядом особенностей слоевого способа сжигания углей и слоевых котлов малой мощности в целом. В частности, сложностью обеспечения их герметичности и чистоты поверхностей нагрева в реальных условиях эксплуатации. Полученные результаты позволят сформулировать требования к таким теплоисточникам для нынешних условий хозяйствования и приступить к разработке соответствующего котельного оборудования.

Объектом исследования в диссертационной работе являются теплоисточники на основе водогрейных котлов тепловой мощностью от 0.3 до 3 МВт со слоевым сжиганием низкокачественных углей.

Предметом исследований в работе являются физико-технические, конструкционно-компоновочные и технико-экономические характеристики теплоисточников со слоевыми котлами при различных условиях эксплуатации.

Цели и задачи исследований.

Основными целями диссертационной работы являются:

1) получение новых знаний о влиянии внутренних (физико-технических и конструкционно-компоновочных) и внешних (системных) факторов на энергетическую, экономическую и экологическую эффективность применения слоевых котлов небольшой мощности;

2) выработка научно-обоснованных рекомендаций по комплексному совершенствованию теплоисточников с котлами со слоевым сжиганием низкокачественных углей тепловой мощностью от 0.3 до 3 МВт для реальных условий эксплуатации.

Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи:

1. разработать методику комплексной оценки эффективности теплоисточников небольшой мощности со слоевыми котлами;

2. определить причины низкой эффективности существующих угольных теплоисточников небольшой мощности со слоевыми котлами в реальных условиях эксплуатации;

3. получить количественные оценки влияния ключевых физико-технических факторов, в частности, избытков воздуха по газовому тракту котла, наружного и внутреннего загрязнения поверхностей нагрева на экономичность и максимальную производительность слоевых котлов небольшой мощности;

4. обосновать предложения по совершенствованию угольных теплоисточников небольшой мощности со слоевыми котлами, предназначенных для сжигания низкокачественных углей Восточной Сибири.

Научная новизна работы определяется следующими положениями:

1) Впервые применена системная методология для анализа эффективности и выбора направлений развития угольных теплоисточников на основе слоевых котлов небольшой мощности. Она заключается в комплексном рассмотрении физико-технических, конструкционно-компоновочных и технико-экономических факторов, определяющих эффективность использования слоевых котлов и теплоисточников в целом.

2) Анализ эффективности котельной техники небольшой мощности и предложения по ее совершенствованию базируются на результатах многолетних инструментальных исследований многочисленных теплоисточников, эксплуатируемых в действующих системах теплоснабжения на территории Сибири, а также результатах опытно-промышленной эксплуатации нескольких десятков котлов конструкции ИСЭМ СО РАН при сжигании в них местных низкокачественных углей.

3) Получены новые количественные результаты при исследовании зависимостей производительности и экономичности слоевых котлов от характера и величины избытков воздуха в газовом тракте котлов, а также от состояния поверхностей нагрева (внутреннего и внешнего загрязнения).

4) Впервые сформирована взаимосогласованная система базовых физико-технических и конструкционно-компоновочных принципов разработки высокоэффективных теплоисточников на основе водогрейных котлов теплопроизводительностью 0.3-3 МВт со слоевыми топками, предназначенных для сжигания низкокачественных углей Восточной Сибири.

Практическая значимость работы.

Результаты работы легли в основу разработанной в ИСЭМ СО РАН при непосредственном участии автора серии водогрейных котлов тепловой мощностью 0.5, 1, 1.5, 2 и 3 МВт. Котлы этой серии введены в эксплуатацию в Иркутской области. Кроме того, результаты работы использовались при подготовке «Программы энергосбережения Иркутской области на период до 2005 года», «Программы реконструкции жилищно-коммунального хозяйства Иркутской области на 2000-2003 гг.», «Программы реконструкции коммунальной теплоэнергетики Иркутской области на 2003-2007 гг.».

Методы исследований, использованные в работе: методология системных исследований в энергетике, методы технико-экономического анализа энергоустановок, методы термодинамического и кинетического анализа многокомпонентных гетерогенных физико-химических систем, методы математического моделирования сложных теплоэнергетических установок; методы теплового, аэродинамического и гидродинамического расчетов котельных агрегатов, методы расчета на прочность элементов конструкций.

Положения, выносимые на защиту.

1. Методологический подход к обоснованию приоритетных направлений совершенствования угольных теплоисточников с котлами со слоевым сжиганием низкокачественных углей для систем теплоснабжения небольшой мощности.

2. Результаты исследования влияния избытков воздуха на экономичность и максимальную производительность котлов небольшой мощности со слоевыми топками для различной структуры присо-сов воздуха и разных ограничений на параметры тягодутьевых машин.

3. Результаты исследования воздействия наружного и внутреннего загрязнения поверхностей нагрева слоевых котлов на технико-экономические характеристики теплоисточников.

4. Взаимосогласованная система базовых физико-технических, конструкционно-компоновочных и технико-экономических принципов разработки высокоэффективных теплоисточников на основе водогрейных котлов небольшой мощности (0.3-3 МВт) для слоевого сжигания низкокачественных углей Восточной Сибири.

Достоверность полученных результатов и выводов подтверждена данными стендовых испытаний разработанных котлов, выполненных на Братском котельном заводе (ЗАО «СТО», г. Братск), а также результатами многолетней эксплуатации большого количества котлов, изготовленных разными производителями и установленных в различных коммунальных и промышленных котельных Иркутской области.

Апробация работы.

Основные результаты работы обсуждались:

• на международной конференции «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» (Иркутск, ИрГТУ, 2002 г.);

• на международной конференции «Энергосберегающие технологии и окружающая среда» (Иркутск, ИрГУПС, 2004 г.);

• на российско-японском семинаре по инновационным технологиям (Иркутск, 2003 г.);

• на всероссийских научно-практических конференциях «Теплоисточник в коммунальной энергетике» (Иркутск, 2001, 2002, 2003 гг.);

• на совместном заседании Совета РАН по проблемам развития энергетики России и Научного совета РАН по комплексным проблемам энергетики по теме «Проблемы теплоснабжения России» (Москва, 2003 г.);

• на заседаниях Ученого совета и секции Ученого совета ИСЭМ СО РАН (Иркутск, ИСЭМ СО РАН, 2000-2004 гг.);

• на конференциях научной молодежи ИСЭМ СО РАН (Иркутск, 2002, 2003,2004 гг.).

Котлы конструкции ИСЭМ, при разработке которых использованы результаты настоящей работы, и автор работы отмечены премией губернатора Иркутской области по науке и технике за 2002 г.

На физико-технические принципы и конструкционно-компоновочные решения, применяющиеся при разработке котлов, коллективу разработчиков, включая автора работы, выдан патент Российской Федерации № 2238480 с приоритетом от 25.12.2002 г.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 12 печатных работах.

Личный вклад автора.

Диссертационная работа выполнена в Институте систем энергетики им. Л. А. Мелентьева СО РАН и является частью исследований, проводимых в отделе научно-технического прогресса в энергетике. Все исследования по теме диссертации выполнены лично автором, либо при его непосредственном участии. В частности, анализ современного состояния котельной техники в системах теплоснабжения в Восточной Сибири подготовлен по материалам обширных натурных обследований котельных, проведенных автором совместно с Ю.В. Наумовым, А.А. Ивановым, П.П. Павловым. Математическая модель слоевого котла разработана автором совместно с В.И. Самусевым. Термодинамические и кинетические исследования процессов слоевого сжигания угля выполнены совместно с А.В. Кейко с использованием термодинамических моделей экстремальных промежуточных состояний - МЭПС (Б.М. Каганович, С.П. Филиппов, Е.Г. Анциферов) и кинетической модели - NICK (А.В. Кейко). Методический подход к системному обоснованию направлений развития котельной техники небольшой мощности на угле, базовые физико-технические и конструкционно-компоновочные принципы высокоэффективных водогрейных котлов для слоевого сжигания низкокачественных углей Восточной Сибири сформированы автором по результатам обсуждений с С.П. Филипповым и Ю.В. Наумовым. Защищаемые положения получены автором лично.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Текст диссертации изложен на 135 страницах, включает 36 рисунков и 14 таблиц. Список литературы содержит 110 наименований.

Выводы:

1) образование в трубах поверхностей нагрева котлов накипи с низкой теплопроводностью толщиной выше 2.5-3 мм будет приводить к пережогу труб;

2) накипь с большой теплопроводностью не представляет опасности с точки зрения возможности пережога труб даже при толщине 5-10 мм;

3) для оценки потенциальной опасности пережога труб и учета ее в процессе эксплуатации котлов необходимо предварительно определить солевой состав используемой воды и, следовательно, химический состав накипи и ее коэффициент теплопроводности.

5. ВЫБОР ПРИОРИТЕТНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СЛОЕВЫХ КОТЛОВ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЙ ПРИМЕНЕНИЯ

5.1. Базовые физико-технические принципы создания высокоэффективных слоевых водотрубных котлов малой мощности на низкокачественных углях

В результате проведенных расчетных исследований и натурных экспериментов автором предложены следующие физико-технические принципы, которые необходимо учитывать при разработке слоевых котлов малой мощности на низкокачественных углях.

1. Механизация подачи топлива в котел, процесса его сжигания и удаления шлака из котла.

Реализация этого принципа уменьшает влияние человеческого фактора на процесс. При использовании топки с шурующей планкой улучшается процесс горения топлива, хоть топливо и подается периодически. Время между подачами топлива сокращается, при этом выравниваются характеристики котла, повышается эффективность его работы. При использовании в качестве топочного устройства цепной решетки процесс горения стационарный, котел работает с постоянными характеристиками. Использование любого вида механических решеток значительно повышает эффективность сжигания низкокачественного топлива в слоевых котлах.

2. Создание горячей зоны горения слоя топлива.

Применение этого решения обусловлено необходимостью сжигания в разрабатываемых слоевых котлах малой мощности углей низкого качества: многозольных, с большим содержанием мелочи, с большой влажностью. Для создания горячей зоны на колосниковой решетке (в месте зажигания и горения твердого топлива) предлагается установка в нижней части топочной камеры теплоотражающих экранов и зажигательного пояса. Это позволяет ускорить прогрев и воспламенение свежего топлива и повысить устойчивость его горения. Следствием является обеспечение высокой скорости и полноты сжигания низкокачественного твердого топлива. В результате уменьшаются потери тепла топлива с механическим и химическим недожогом и повышается КПД котла.

3. Устройство горячей топочной камеры.

Обеспечивается это требование выбором соответствующего объема топочной камеры и обмуровки части экранных труб. При этом происходит выравнивание полей температур в топочной камере и, как следствие, уменьшение образования продуктов неполного сгорания топлива.

4. Турбулизация продуктов сгорания в топочном объеме.

Турбулизация продуктов сгорания в топочном объеме обеспечивается выбором а) конфигурации и компоновки теплоотражающих экранов, б) скорости первичного воздуха, в) места ввода и траектории вторичного воздуха, г) места размещения газового окна.

Результатом реализации данного решения является обеспечение хорошего перемешивания продуктов сгорания и воздуха в топочном объеме для выравнивания в нем полей температур и концентрации окислителя, создания во всем топочном объеме окислительной среды с целью повышения полноты сгорания горючих компонентов, уменьшения образования сажи, полициклических ароматических углеводородов, включая бенз(а)пирен и других продуктов неполного горения, а также оксидов азота. Также повышается КПД котла за счет дополнительного уменьшения потерь тепла с механическим и химическим недожогом.

5. Обеспечение высокой скорости дымовых газов по всей длине конвективного газохода.

Это достигается устройством конвективного газохода переменного сечения и применением плотных трубных пучков в конвективных поверхностях нагрева. При этом повышается коэффициент теплоотдачи от газов к стенке труб. В результате удается повысить КПД котла и сократить площадь конвективной поверхности нагрева.

6. Обеспечение высокой скорости воды в экранных трубах и трубных пучках конвективных поверхностей нагрева.

Применение этого принципа обусловлено необходимостью повышения срока службы котла при использовании воды неудовлетворительного качества (с большим содержанием солей жесткости). Повышение скорости воды в трубах ведет к уменьшению отложения солей на их внутренней поверхности. В результате обеспечивается надежное охлаждение металла труб, следствием чего является увеличение надежности котла и срока его службы.

7. Устройство многоходового конвективного газохода.

Реализация данного принципа позволяет уменьшить габариты котла.

Кроме того, наличие поворота газов обеспечивает внутреннюю сепарацию золовых частиц из дымовых газов в конвективных газоходах (использование инерционного и гравитационного механизмов сепарации). Это облегчает работу внешних золоулавливающих устройств и увеличивает экологическую чистоту дымовых газов.

8. Обеспечение высокой газовой плотности котла

Высокая газовая плотность котла достигается путем применения газонепроницаемой обшивки, например, стального листа, что сокращает при-сосы воздуха в топочную камеру, уменьшает потери тепла с дымовыми газами и, следовательно, повышает КПД котла.

9. Минимизация шага труб в топочных экранах

Применение топочных экранов с предельно малым шагом труб, определяемым возможностями применяемой технологией сварки, позволяет смягчить требования к тепловой изоляции топочной камеры и, как следствие, использовать легкую и недорогую изоляцию.

10. Облегчение доступа к конвективным поверхностям нагрева.

Реализуется данное решение путем устройства в конвективном газоходе специальных дверей, обеспечивающих осмотр и очистку теплообмен-ных труб, что упрощает обслуживание котла.

11. Применение модульного принципа конструкции котла.

Реализация модульного принципа конструкции топочного устройства, топочных экранов и трубных пучков конвективных пакетов упрощает и удешевляет изготовление, доставку и монтаж котла, а также последующие его обслуживание и ремонт.

Представленные выше принципы закреплены в соответствующем патенте [100].

Как показывает практика, реализация в совокупности представленных выше технических и компоновочных решений и выбор оптимальных значений термодинамических и аэро- и гидродинамических параметров теплоносителей (греющего и нагреваемого) обеспечивает высокую тепловую, экономическую и экологическую эффективность производства тепловой энергии в котлах небольшой мощности при использовании каменных и бурых углей низкого качества, высокую надежность и ремонтопригодность, а также простоту изготовления и монтажа, что будет продемонстрировано в последующих разделах диссертационной работы.

5.2. Выбор оптимальной температуры уходящих газов

Температура уходящих газов является для угольных котлов малой мощности ключевым параметром, определяющим их энергетическую и экономическую эффективность.

Значение температуры уходящих газов, а, следовательно и КПД котла, напрямую зависит от величины площади конвективных поверхностей нагрева. Причем, эта зависимость является нелинейной (см. рис. 5.1), и при снижении температуры уходящих газов ниже 200°С площадь поверхностей нагрева резко возрастает.

Увеличение площади конвективных поверхностей нагрева ведет, во-первых, к увеличению расхода металла и труда на их изготовление, во-вторых, к увеличению габаритов котла и, следовательно, необходимых строительных объемов здания котельной и, в-третьих, к росту трудозатрат в последующий монтаж котла. В результате повышение КПД котла и соответствующая экономия топлива достигается увеличением стоимости теплоисточника. Но и стоимость топлива, как и металла, постоянно растет. Следовательно, оптимальное значение температуры уходящих газов зависит от соотношения стоимостей топлива и металла.

Таким образом, задача выбора температуры уходящих газов (и, соответственно, КПД котла) является оптимизационной. Кроме того, она является еще и динамической, поскольку со временем меняются стоимости топлива и металла, а также соотношение между ними.

Для решения данной задачи были проведены тепловые расчеты котла мощностью 1.16 МВт (1 Гкал/ч) конструкции ИСЭМ при разных температурах уходящих газов. Расчеты проводились с использованием разработанной математической модели котла. Топливом служат низкокачественные энергетические угли Восточной Сибири (азейский, мугунский).

5.2.1 КПД котла и площадь конвективных поверхностей нагрева

В табл. 5.1 и на рис. 5.1 и 5.2 представлены результаты расчетов температуры уходящих газов и полного КПД котла от величины суммарной площади конвективных поверхностей нагрева.

При расчете полного КПД котла определялись потери с уходящими газами. Другие составляющие потерь принимались по нормативному методу теплового расчета котлоагрегатов: потери с химическим недожогом - 1%; потери с механическим недожогом - 5%; потери от наружного охлаждения котла и со шлаком - 5%.

В сумме все принятые потери, не связанные с температурой уходящих газов, равны 11 %.

Из рис. 5.1 и 5.2 видно, что уменьшение температуры уходящих газов ниже 200-150°С (что соответствует повышению КПД котла выше 80-82%) требует значительного увеличения площади конвективных поверхностей нагрева. Другими словами, в области температур уходящих газов ниже 200°С прирост КПД достигается все более и более высокой ценой. Это хорошо иллюстрируют рис. 5.3 и 5.4, на которых представлены зависимости суммарной площади конвективных поверхностей нагрева и КПД котла от температуры.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработан оригинальный методологический подход к обоснованию приоритетных направлений совершенствования котлов со слоевым сжиганием низкокачественных углей для систем теплоснабжения небольшой мощности. Подход базируется на системной методологии, которая в данном случае предусматривает комплексное рассмотрение взаимного влияния внутренних (физико-технических, конструкционно-компоновочных) и внешних (системных) факторов, определяющих эффективность использования котлов в системах теплоснабжения в целом. Отличительной особенностью подхода является комбинирование расчетных исследований, выполняемых с использованием математических моделей, с натурными экспериментами, проводимыми на разработанных котлах. Результаты испытания котлов используются для корректировки расчетных зависимостей.

2. Разработана математическая модель котла со слоевым сжиганием угля, представляющая собой систему алгебраических и трансцендентных уравнений, балансовых условий, а также линейных и нелинейных ограничений, с помощью которых описываются протекающие в котле процессы горения, тепло- и массообмена, течения греющего и нагреваемого теплоносителей в каналах, их связей с конструкционно-компоновочными решениями и тепловым состоянием поверхностей нагрева и др. Выполнена компьютерная реализация модели котла, предназначенная для проведения теплового расчета топочной камеры и конвективных поверхностей нагрева, аэродинамического расчета газового тракта, гидродинамического расчета водяного тракта, а также расчета на прочность элементов поверхностей нагрева и конструкции котла.

3. На основе математической модели котла разработана вычислительная система, включающая помимо расчетных модулей также блоки автоматизации расчетов, визуализации результатов исследований и подготовки конструкторской документации, а также интерфейс. Оригинальность вычислительной системы заключается в предоставляемых ею возможностях проведения многовариантных расчетных исследований и подготовки на их базе конструкторской документации. При этом имеются возможности анализа работы котлов на переменных нагрузках, в непроектных и аварийных условиях, а также имитации реальных условий эксплуатации котла (сжигание непроектного топлива, сверхнормативные присосы воздуха, непроектный расход воды, интенсивное шлакование поверхностей нагрева, большие внутренние отложения и т.д.) и получения оценок отклика состояния котла на неквалифицированные действия оператора.

4. Исследовано влияние избытков воздуха на экономичность и максимальную производительность котлов небольшой мощности со слоевыми топками для различной структуры присосов воздуха и разных ограничений на параметры тягодутьевых машин. Постановка данной задачи вызвана тем, что длительная эксплуатация котлов с высокими сверхнормативными избытками воздуха стала повсеместным явлением в коммунальных котельных небольшой мощности на угле. Результатом такого хозяйствования являются снижение энергетической эффективности производства тепловой энергии в системах централизованного теплоснабжения, увеличение ее себестоимости, образование дефицита тепловой мощности, недоотпуск тепловой энергии потребителям и ухудшение ее качества (занижение параметров теплоносителя).

Как показали исследования, наибольшее негативное влияние на экономичность и максимальную мощность котлов оказывает поступление избыточного воздуха в высокотемпературную зону (в топочную камеру). В этом случае при увеличении избытка воздуха за котлом с нормативной величины 1.6 до 5 КПД котла падает с 80 до 51%, максимальная тепловая мощность снижается в 1.3-3 раза, а себестоимость производимой тепловой энергии возрастает на 33-56%, соответственно, при отсутствии и наличии ограничений на производительность дымососа.

5. Изучено влияние наружного загрязнения поверхностей нагрева летучей золой и сажей на характеристики котлов. Показано, что при увеличении толщины наружных отложений с 1 до 5 мм (в реальных условиях толщина отложений часто бывает существенно больше) КПД котла уменьшается 1.4 раза (с 80 до 58%). Из-за снижения тепловосприятия поверхностей нагрева температура уходящих газов возрастает в 3 раза, что ведет к росту их объема в 2.4 раза. Уменьшение проходного сечения конвективного газохода вследствие увеличения толщины отложений и рост объема дымовых газов приводят к увеличению аэродинамического сопротивления газового тракта котла почти в 4 раза. В результате потребляемая электрическая мощность тягодутьевых машин увеличивается в 9 раз (при отсутствии ограничений на производительность и напор дымососа). При наличии таких ограничений в 1.4 раза уменьшается максимальная производительность котла (с 1.5 до 1.06 Гкал/ч) и с 80 до 70% КПД котла.

6. Исследовано воздействие внутреннего загрязнения поверхностей нагрева солевыми отложениями на характеристики котлов. Показано, что образование в трубах поверхностей нагрева котлов накипи с низкой теплопроводностью толщиной выше 2.5-3 мм будет приводить к пережогу труб. Накипь с большой теплопроводностью не представляет опасности с точки зрения возможности пережога труб даже при толщине 5-10 мм. Для оценки потенциальной опасности пережога труб необходимо для каждой котельной на основе химического анализа используемой воды определять тип накипи и на этой основе готовить рекомендации по безопасной эксплуатации котлов.

7. Впервые сформирована взаимосогласованная система базовых физико-технических и конструкционно-компоновочных принципов разработки высокоэффективных теплоисточников на основе водогрейных котлов тепловой производительностью 0.3-3 МВт со слоевыми топками, предназначенных для сжигания низкокачественных бурых.

8. На основе технико-экономического анализа определена оптимальная температура уходящих газов для слоевых котлов малой мощности. Согласно расчетам, для существующих и перспективных значений массового соотношения стоимости металла и угля оптимальная температура уходящих газов находится в диапазоне 130-150°С. При этом срок окупаемости капиталовложений в дополнительные конвективные поверхности нагрева в случае реконструкции существующих котлов составит приблизительно 2 года.

При окончательном выборе проектного значения температуры уходящих газов необходимо принимать во внимание технические ограничения. Выбор слишком низкой температуры уходящих газов для номинальной нагрузки (ниже 130-140°С) может привести к тому, что на частичных нагрузках котла (40-60% от номинальной и ниже, на которой котлы малой мощности в коммунальных котельных работают значительную часть отопительного периода) будет происходить конденсация влаги на поверхности последних конвективных пакетов, а также в газохода и дымовой трубе. Вследствие этого резко возрастает опасность сернокислотной коррозии металлических поверхностей с быстрым выходом их из строя.

9. Результаты выполненных автором расчетных исследований и натурных экспериментов послужили основой для разработки конструкций котлов мощностью от 0.57 до 3.5 МВт (0.5-3 Гкал/ч), предназначенных для эффективного сжигания улей Восточной Сибири плохого качества. Всего при участии автора разработано 6 моделей котлов для различных условий применения: 1) с механизированными топками с цепной решеткой прямого хода мощностью 1.5, 2 и 3 Гкал/ч, 2) с механизированными топками с шурующей планкой мощностью 0.5 и 1 Гкал/ч и 3) с ручной загрузкой угля мощностью 0.5 Гкал/ч.

В общей сложности к марту 2005 г. изготовлено более 110 таких котлов. Котлы смонтированы и эксплуатируются в различных населенных пунктах Иркутской области.

Ю.Внедрение разработанных котлов в коммунальную теплоэнергетику Иркутской области обеспечивает сокращение потребления топлива, снижение себестоимости производимой тепловой энергии, сокращение дотаций (субсидий) из бюджетов разного уровня, направляемых на покрытие расходов по теплоснабжению бюджетных организаций и населения. Широкое применение разработанных котлов позволяет значительно сократить выбросы вредных веществ в окружающую среду. Как показали инструментальные измерения, замена действующих котлов на новые приводит к уменьшению выбросов моноксида углерода в 4-6 и более раз, сажи - в 20-40 раз, ПАУ, включая бенз(а)пирен - в 30-50 раз. Значительно улучшилось качество теплоснабжения в местах установки новых котлов (пос. Новомальтинск, пос. Пивовариха и др.). Кардинально изменились условия труда в котельных, где установлены новые котлы. В результате повышения производительности труда увеличилась зарплата эксплуатационного персонала.

1. Филиппов С.П., Наумов Ю.В., Иванов А.А., Павлов П.П. Основные пути повышения энергетической и экологической эффективности угольных котельных небольшой мощности// Энергетическая эффективность. - 1999. - №2 (23). - С.5-7.

2. Стратегия экологически чистого энергоснабжения региона озера Байкал/ Заключительный отчет проекта ТАСИС No.ESIB9304. Иркутск.: Сиб. энергет. ин-т, 1997. - 198 с.

3. Филиппов С.П., Наумов Ю.В., Ермаков М.В. Влияние присосов воздуха на производительность и тепловую экономичность слоевых котлов // Теплоэнергетика. 2005. - №2. - С. 116-121.

4. Моделирование рассеивания выбросов от объектов энергетики в атмосфере г.Иркутска / Отчет проекта ТАСИС No.ESIB9304. Иркутск.: Сиб. энергет. ин-т, 1997. - 52 с.

5. Филиппов С.П., Павлов П.П., Кейко А.В., Горшков А.Г., Белых JI.A. Экспериментальное определение выбросов сажи и ПАУ котельными и домовыми печами// Известия РАН. Энергетика.- 2000.- №3. -С. 108-118.

6. Кнорре Г.Ф. Топочные процессы. M.-JL: ГЭИ, 1959.

7. Кнорре Г.Ф. Метод изучения работы слоя при фазовых процессах сжигания топлива // Труды ЛОТИ. 1932. - №3.

8. Предводителев А.С. Процессы горения угля, сб. под ред. А.С. Предводителева. М.: ОНТИ. - 1938.

9. Рамзин JI.K. Значение топочного пространства и определение его размеров // Известия теплотехнического института. 1925. - №2. - С.22-27.

10. Рамзин JI.K. Потери от уноса при сжигании топлив, их размеры и значение // Известия теплотехнического института. 1925. - №3. - С.4-9.

11. Новаковский В.Н., Фаерштейн Д.Г. О выборе рационального метода сжигания украинских бурых углей для котлов малой мощности // Известия теплотехнического института 1934. — №10. - С.33-36.

12. Ромм Э.И., Темнов П.А. Технико-экономическое сравнение методов сжигания подмосковного угля, челябинского угля и сортированного антрацита под котлами производительностью 20-90 т/ч // Известия теплотехнического института. 1934. - №7. - С. 1-7.

13. Отчет Теплотехнического Института об опытах сжигания мелочи Подмосковного угля на цепных решетках с горячим дутьем на Государственной Каширской Районной Электрической Станции// Известия теплотехнического института. 1925. - №5.

14. Рамзин JI.K. Сжигание низкосортных топлив в СССР // Известия теплотехнического института. 1928. - №8. - С.29-35.

15. Рамзин JI.K. Сравнительная экономичность сжигания типичных видов топлива // Известия теплотехнического института. 1929. - №2. - С.З— 18.

16. Рамзин JI.K. Предварительные данные о качествах русских топлив. // Известия теплотехнического института. 1925. - №2. - С. 1-8.

17. Предтеченский А.А. О Подмосковном угле и сравнении его с другими видами топлива// Известия теплотехнического института.- 1925.— №2. — С.9—15.

18. Рамзин JI.K. Сжигание пылевидного топлива// Известия теплотехнического института. 1926. - №8. - С. 1-9.

19. Рамзин JI.K. Сжигание антрацитовых штыбов и бурых углей в пылевидном состоянии// Известия теплотехнического института. 1928. — № 8. - С.3-29.

20. Козлинский Г.Ю. Описание опытов и эксплуатационные наблюдения// Известия теплотехнического института. 1925.- № 5.- С. 1019.

21. Рамзин Л.К. Обработка результатов испытаний и выводы из них // Известия теплотехнического института. 1925. - № 5. - С.85-90.

22. Котлы ОАО «Белэнергомаш» для коммунальной энергетики / Теплоисточник в коммунальной энергетике. Сборник докладов и тезисов V научно-практической конференции. Иркутск, издательство Riso, 2003. — С.45-50.

23. Энергетическая стратегия России на период до 2020 года. Утверждена распоряжением Правительства РФ №1234-р от 28.08.2004 г. // Прил. к общ.-дел. журн. «Энергетическая политика». М.: ГУ ИЭС, 2003. — 136 с.

24. Энергетика России. Стратегия развития. (Научное обоснование энергетической политики) М.: ГУ ИЭС Минэнерго России, 2003. - 800 с.

25. Техническая оценка котлов малой и средней мощности: Отчет проекта ТАСИС NO.ESIB9304. Иркутск.: Сиб. энергет. ин-т, 1996. - 60 с.

26. Сравнительные балансовые испытания котлов малой мощности: Отчет / ИСЭМ СО РАН Иркутск, 2001. - 19 с.

27. Экологические характеристики теплоисточников малой мощности/ Филиппов С.П., Павлов П.П., Кейко А.В., Горшков А.Г., Белых Л.И. -ИСЭМ СО РАН. Иркутск, 1999. - 44 с. (Препринт № 5 ИСЭМ).

28. Загрязнение диоксинами и родственными соединениями окружающей среды Иркутской области (гигиенические аспекты проблемы). Методическое пособие / Мамонтова Е.А., Мамонтов А.А., Тарасова Е.Н., Филиппов С.П. и др. Иркутск: ИГ СО РАН, 2000. - 47 с.

29. Энергетика XXI века: системы энергетики и управление ими / С.В. Подковальников, С.М. Сендеров, В.А. Стенников и др.; Отв. ред. Н.И. Воропай. Новосибирск: Наука, 2004. - 364 с.

30. Оценка технических и экологических характеристик г. Иркутска: Отчет проекта ТАСИС No.ESIB9304. Иркутск.: Сиб. энергет. ин-т, 1996.-32 с.

31. Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод). Под ред. Н.В. Кузнецова и др. М.: Энергия, 1973. - 273 с.

32. Межгосударственный стандарт ГОСТ 30735-2001. Котлы отопительные водогрейные теплоизводительностью от 0.1 до 3.0 МВт. Общие технические условия.

33. Григоров С.Н., ЗуевЮ.Р., МингалевЮ.В. Котел водогрейный. пат. РФЖ2001122421.

34. Кузин Н.А. и др. Водогрейный котел и способы его работы, — пат. РФ№2001126252.

35. Горошкин Г.В. и др. Водогрейный котел. пат. РФ№2177116.

36. Побегалов С.А. Водогрейный блок-котел. пат. РФ№21182286.

37. Воробьев A.M., Кореннов А.Н., Баранов В.П. Котел водогрейный. — пат. РФ№2002108074.

38. Богданов В.И. Водогрейный котел. пат. РФ№2002109741.

39. Казаков С.А. Котел водогрейный. пат. РФ№2002120842.

40. Минаев Д.Э., Минаев Э.Д. Водогрейный котел (Варианты). пат. РФ№2001126487.

41. Самусенко В.А., Кулеш А.Н. Отопительный котел. пат. РФ№2002101401.

42. Каменских Г.Г. и др. Вертикальный водогрейный котел.- пат. РФ№2001100598.

43. Петелин Б.М. Стальной котел на чугунной топке. пат. РФ№2156407.

44. Лихачев В.К., Чижов В.В. Водогрейный котел пат. РФ№2199701

45. Габидулин Р.А., Бовкун В.В., Ворожцов М.С. пат. РФ№2001113597.

46. Захваткин С.С. Котел. пат. РФ№2133406.

47. Трусов С.А. и др. Водогрейный котел. пат. РФ№2150047.

48. Михеев В.В. Водогрейный котел. - пат. РФ№2164642.

49. В.Н. Мухаметкулов, А.Л. Наумов Тенденции развития рынка котлов малой мощности в России // Новости теплоснабжения. 2001 - №9. -С.

50. Новые водогрейные котлы // Новости теплоснабжения. 2004. -№11.-С.

51. Е.Н. Сахаров. Область применения, специфика работы и конструктивные особенности слоевых топок с плотным слоем для торфа и бурых углей // Новости теплоснабжения. 2002. - №2. - С. 19-21.

52. Е.Н. Сахаров. Область применения, специфика работы и конструктивные особенности слоевых топок с плотным слоем для антрацита // Новости теплоснабжения. 2002. - №3. - С. 19-21.

53. Е.Н. Сахаров. Область применения, специфика работы и конструктивные особенности камерных факельных топок с прямым вдуванием // Новости теплоснабжения. 2002. - №4. - С.23-25.

54. Е.Н. Сахаров. Область применения, специфика работы и конструктивные особенности камерных топок с мельницами-вентиляторами // Новости теплоснабжения. 2002. - №5. - С.23-21.

55. Е.Н. Сахаров Специфика работы и конструктивные особенности слоевых топок с кипящим слоем // Новости теплоснабжения. 2002. — №6.-С. 16.

56. Я.М. Щелоков, JI.C. Бычков, В.А. Медведев. Эксплуатационные характеристики новой беспровальной водоохлаждаемой колосниковой решетки // Новости теплоснабжения. 2003. - №8. - С.24-25.

57. С.Н. Кузьмин, Е.В. Будкова и др. Твердотопливный водогрейный котел с топкой полукипящего слоя // Новости теплоснабжения. 2002. — №6. - С.14-15.

58. А.В. Власюк, П.Ю. Зембицкий и др. Опыт сжигания низкосортного топлива в топках «кипящего слоя» отопительных котлов мощностью до 1 МВт // Новости теплоснабжения. 2001 - №10. - С.

59. В.А. Мунц, Н.Ф. Филипповский, В.А. Медведев. Сжигание рядовых углей в слое на неподвижной колосниковой решетке повышенного аэродинамического сопротивления / Вестник УГТУ-УПИ: Теплоэнергетика. Екатеринбург. ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2004. С. 17-20.

60. А.И. Цыпленков, Ю.И. Гнедочкин. О надежности источников тепла // Новости теплоснабжения. 2003. - №12. - С.34-35.

61. A.M. Картышов. Оценка экономической эффективности модернизации котлов HP-18 и ЗИО-бО// Новости теплоснабжения. 2002.- №4.-С.25-27.

62. Е.А. Прокофьев. Опыт модернизации котлов HP-18 в котельной НПК «Курс-ОТ» // Новости теплоснабжения. 2002. -№4. - С.28.

63. А.П. Баскаков. Неотложные проблемы энергетики жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ) России / Вестник УГТУ-УПИ: Теплоэнергетика. Екатеринбург. ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2004. С.6-12.

64. Листратов И.В. и др. Опыт промышленного внедрения чистой угольной технологии кипящего слоя на водоугольном топливе// Малая энергетика: труды Международной научно-практической конференции. Москва, 2004. - С.52-57.

65. Каганович Б.М., Филиппов С.П., Кавелин И.Я. Прогнозные исследования технологий использования угля. Иркутск: СЭИ СО АН СССР, 1984.-219 с.

66. Методические вопросы долгосрочного прогнозирования новых энергетических технологий / Кавелин И .Я., Крутов А.Н., Филиппов С.П. // Методические вопросы системных исследований в энергетике. Иркутск: СЭИ СО АН СССР, 1986. — С.81-91.

67. Пути перехода к чистому энергоиспользованию: Два методических подхода / Беляев Л.С., Каганович Б.М., Крутов А.Н., Филиппов С.П., Мартинсон Д., Мюллер М. Вагнер Г.И, Вальбек М. // Известия АН СССР. Энергетика и транспорт. 1987. - №4. - С.11-22.

68. Wege zu einer umweltfreundlicheren Energieversorgung zwei methodische Losungsansatze / Belyaev L.S., Kaganovich B.M., Krutov A.N., Filippov S.P., Martinsen D., Muller N., Wagner H.J., Walbeck M. // Brennstoff- Warme - Kraft. - 1987. -№3. P.80-85.

69. Каганович Б.М., Филиппов С.П., Анциферов Е.Г. Эффективность энергетических технологий: термодинамика, экономика, прогнозы.-Новосибирск: Наука, 1989. 256 с.

70. Системные исследования проблем энергетики / Л.С. Беляев, Б.Г. Сане-ев, С.П. Филиппов и др.; Под ред. Н.И. Воропая. Новосибирск: Наука, 2000. - 558 с.

71. Мировая энергетика и переход к устойчивому развитию. / Беляев JI.C., Марченко О.В., Филиппов С.П. Новосибирск: Наука, 2000. -269 с.

72. Integrated energy systems studies in USSR and FRG/ Belyaev L.S., Kavelin I.Ya., Kaganovich B.M., Filippov S.P., Bundschuh V., Martinsen D., Wagner H.J, Walbeck M. Julich, FRG, KFA, 1989. - 34 p.

73. Беляев JI.C, Филиппов С.П. Изучение долгосрочных тенденций в развитии мировой энергетики// Известия РАН. Энергетика.- 1996. — №3. С. 10-21.

74. Belyaev L.S., Filippov S.P., Marchenko O.V. Possible role of nuclear energy and power from space in 21st century // Proc. 5th Symp. on World Energy System. Canada, Toronto, 1996. - P. 143-150.

75. Belyaev L.S., Filippov S.P., Marchenko O.V. Possible role of power from space in the 21st century// Proc. of the SPS-97 Conf. (Montreal, Canada, Aug. 24-28, 1997), Canadian Aeronautics and Space Institute, 1997, P.35-40.

76. Беляев JI.C., Марченко O.B., Филиппов С.П. Исследование тенденций и масштабов развития ядерной энергетики мира в XXI в. // Известия вузов. Ядерная энергетика. 1997. - № 1. - С.4-9.

77. Scenarios of nuclear power growth in the 21st century / Zaleski C.P., Belyaev L.S., Filippov S.P. etc. // Paris: University of Paris IX Dauphine, 2002.-76 p.

78. Филиппов С.П., Каганович Б.М., Павлов П.П. Термодинамический анализ развития энергетических технологий // Системные исследования в энергетике в новых социально-экономических условиях, Новосибирск: Наука. 1995. - С. 162-176.

79. Филиппов С.П., Каганович Б.М., Кейко А.В. Термодинамический анализ экологической безопасности энергетики // Системные исследования в энергетике в новых социально-экономических условиях, Новосибирск: Наука. 1995. - С.97-106.

80. Каганович Б.М., Филиппов С.П. Анализ технических и экологических проблем энергетики методами равновесной термодинамики // Известия РАН. Энергетика. 2000. - № 6. - С. 13-21.

81. Каганович Б.М., Филиппов С.П., Анциферов Е.Г. Моделирование термодинамических процессов. Новосибирск: Наука, 1993. - 101 с.

82. Filippov S. P., Kaganovich В.М., Yablonsky G.S. Modeling of incomplete equilibria in industrial and environmental systems and processes: A theoretical framework // AES Journal. 1999. - Vol. 39. - P.261-266.

83. Горбань A.H., Каганович Б.М., Филиппов С.П. Термодинамические равновесия и экстремумы: Анализ областей достижимости и частичных равновесий в физико-химических и технических системах. Новосибирск: Наука, 2001. - 296 с.

84. Kaganovich В.М., Filippov S.P. Development of equilibrium thermodynamic models for studying technical and environment problems in energy // Int. J. Global Energy Issues, vol. 20, No.4, 2003, p. 326-339.

85. Аэродинамический расчет котельных агрегатов (нормативный метод). Под ред. С.И. Мочана. М.-Л.: ГЭИ, 1961.

86. Гидравлический расчет котельных агрегатов (нормативный метод). Под ред. В.А. Локшина и др. М.: Энергия, 1978. - 256 с.

87. Теплотехнический справочник. Под общ. ред. В.Н. Юренева и П.Д. Лебедева. В 2-х т. Т.2. изд. 2-е, перераб. М.: «Энергия», 1976. -896 с.

88. Ермаков М.В., Иванов А.А., Наумов Ю.В и др. Стальной водогрейный котел малой мощности для слоевого сжигания твердого топлива. — пат. РФ№2238480 с приоритетом от 25.12.2002 г.

89. Ермаков М.В. Исследование влияния избытка воздуха на эффективность работы водогрейных котлов // Системные исследования в энергетике. Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН. Вып.32. Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2002. - С. 104-110.

90. Ермаков М.В. Выбор оптимального вида и размера конвективной поверхности нагрева водогрейных котлов // Системные исследования в энергетике. Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН. Вып.ЗЗ.- Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2002. С.88-94.

91. Ермаков М.В. Проблемы повышения эффективности котельных небольшой мощности в иркутской области // Системные исследования в энергетике. Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН. Вып.34. Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2002. - С. 101-107.

92. Наумов Ю.В., Павлов П.П., Ермаков М.В. Разработка и применение высокоэффективных малых котлов на низкокачественных углях // Энергосберегающие технологии и окружающая среда // Сборник докладов конференции. Иркутск: ИрГУПС, 2004. - С. 108-111.

93. Filippov S.P., Naumov Yu.V, Ermakov M.V. Effect of Excess Air on the output and efficiency of boilers with stoker combustion of low-grade coals // Thermal Engineering, Vol. 52, No. 2, 2005, pp. 116-121.

94. Мелентьев JI.A. Системные исследования в энергетике. М.: Наука, 1983.-456 с.

95. Теоретические основы системных исследований в энергетике / Под ред. JI.C. Беляева и Ю.Н. Руденко. Новосибирск: Наука, Сиб. отделение, 1986.

96. В 2000-2003 гг. Институтом систем энергетики им. JI.A. Мелентьева совместно с ЗАО «СТО» была выполнена указанная работа. В этой работе использовались результаты оптимизационных расчетов конструкций котлов, проведенных М.В. Ермаковым.

97. МИШ «Иркутсктеплоэнерго» намерено устанавливать и вводить в эксплуатацию котлы разработки ИСЭМ СО РАН и ЗАО «СТО».1. И.о. главного инжен1. В.П. Хлызов

98. Исп. начальник TJIO Заколюжин А.И. т. 20-94-50о внедрении результатов работы М.В. Ермакова

99. За проведенную работу М.В. Ермакову вместе с коллективом авторов была присуждена премия губернатора Иркутской области по науке и технике за 2002 г.

100. Председатель комитета по ЖКХ администрации Иркутской областит€ШЙЯЖШ ФВДЮАШЩШш ш ш шш $