автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Энерго- и ресурсосбережение в системах отопительно-коммунальной теплоэнергетики

Введение

I. Анализ современных проблем и путей развития отопительнокоммунальной теплоэнергетики.

Выводы.

И. Сжигание природного газа в топках котлоагрегатов.

2.1. Основные положения.

2.2. Расчет теплот сгорания газообразного топлива.

2.3. Распространение пламени в газовоздушных смесях.

2.4. Аэродинамика газового факела.'.!.

2.5. Смесеобразование и горение при сжигании газообразного топлива в горелочных устройствах.

2.6. Выбор и компановка газовых горелок.

2.7. Вихревые газовые горелки.

Выводы.

III. Теплогенерирующие установки в системах теплоснабжения, работающие на газообразном топливе.

3.1. Основные положения.

3.2. Тенденции развития водогрейных теплогенерирующих установок.

3.3. Котельные агрегаты КСВ.

3.4. Котельные агрегаты ТВГ.

3.5. Котельные агрегаты КВ-ГМ.

3.6. Испытание и режимная наладка котлоагрегатов.

Выводы.

IV. Системы теплоснабжения и горячего водоснабжения. Увеличение срока эксплуатации трубопроводов и снижение эксплуатационных 100 затрат.

4.1. Основные положения.

4.2. Бесканальная прокладка тепловых сетей с предварительно нанесенной полимербетонной изоляцией.

4.2.1. Покрытие наружных поверхностей стенок труб полимербетонной изоляцией. Технологический процесс.

4.2.2. Применение труб с полимербетонной изоляцией.

4.3. Тепловая изоляция трубопроводов на основе жестких пенополиуретановых систем.

4.4. Стеклоэмалирование стенок труб. Технологический процесс остеклования труб.

4.4.1. Экспериментальное исследование гидравлического сопротивления стальных эмалированных трубопроводов.

4.4.2. Электроискровой метод контроля качества и сплошности силикатного покрытия труб.

Выводы.

Энергосбережение является важнейшим направлением реформирования жилищно-коммунального хозяйства, так как затраты на датирование теплоснабжения жилищного сектора и бюджетных организаций являются одной из основных расходных статей в бюджетах всех субъектов Российской Федерации.

Повышенный уровень энергопотребления в системах централизованного теплоснабжения связан с невысоким уровнем технологических процессов и самого оборудования. Основной проблемой теплоснабжения является низкий КПД котлоагрегатов и потери теплоты в тепловых сетях.

Технический уровень котельного парка на сегодняшний день не соответствует условиям эффективного использования топлива (учитывая, что проблемы отопительно-коммунальной энергетики не носят ярко выраженного территориального характера, а их решения в достаточной степени универсальны, анализ современных проблем и путей развития отопительно-коммунальной энергетики будет проведен лишь на примере деятельности коммунальных энергетических предприятий в городах Республики Татарстан, непосредственным участником которой на протяжении более, чем трех с половиной десятилетий являлся автор настоящего исследования). В частности, на балансе казанского предприятия тепловых сетей на данный момент находится 455 котлов. Из них более 50% были приняты от различных организаций и ведомств, морально и физически устарели, находятся в эксплуатации десятки лет, имеют в своем составе котлы устаревших марок выпуска 30-40-х годов и давно уже снятых с производства. Эти котлы имеют низкий КПД (60-65%). Их автоматика безопасности горения не соответствует современным требованиям органов госгортехнадзора, отсутствует докотловая обработка воды, что вызывает преждевременный выход из строя котлов. Для поддержания в рабочем состоянии устаревшего тепломеханического оборудования требуются значительные эксплуатационные затраты.

Для сжигания газообразного топлива в котлах старых конструкций применяются, как правило, газовые горелки, которым свойственны такие существенные недостатки, как - наличие неплотности в туннелях между рядами кирпичей, которые в свою очередь ведут к росту коэффициента избытка воздуха и появлению химической неполноты сгорания топлива и, как следствие, к значительным вредным выбросам в атмосферу. Температура газового коллектора в этом случае достигает 350 °С, при неблагоприятных условиях повышаясь до 500-700 °С, что зачастую приводит к короблению корпуса горелки, неравномерности поступления воздуха, удлинению факела и, как следствие, к нарушению режима горения. Ввиду несовершенства туннелей горелки велика вероятность ее разрушения и, соответственно, засорения.

Приходится констатировать, что отечественная промышленность не выпускает новых видов горелок, простых и надежных в эксплуатации, а также экономически оправданных. Газогорелочны-е устройства, предлагаемые западными фирмами-производителями, как правило, дорогостоящи и трудно адаптируемы к большинству находящихся в эксплуатации котлов.

В дополнение к тому, что используемая в настоящее время в подавляющем большинстве случаев изоляция трубопроводов (характеризуемая материалом и технологией нанесения) для транспортировки тепла и горячего водоснабжения предполагает значительные потери (особенно при ее намокании), оцениваемые до 30%, проблема транспортировки усложняется присутствием интенсивной коррозии внутренних и наружных поверхностей трубопроводов, обусловленной прежде всего воздействием кислорода и высокой температуры. Как следствие, срок службы трубопроводов в этом случае, оцениваемый в 5-10 лет, является крайне низким, а решение проблемы обеспечения теплом и горячей водой сверхзатратным.

Кроме того, наличие солей в воде приводит к отложениям на внутренней поверхности трубы, что значительно увеличивает гидравлическое сопротивление, а значит, и расходы на электроэнергию.

Поэтому формирование более полного представления о свойствах топлив, в том числе и газообразного; исследование процесса горения и разработка новых горелочных устройств; изучение, проектирование и изготовление современных котельных агрегатов с высоким КПД, обеспечивающих экологическую безопасность процесса, с высоким уровнем автоматизации и диапазоном регулирования производительности, отвечающих требованиям длительной надежности в эксплуатации и применимости в Российских условиях (качество воды, топлива и т. д.) и, наконец, решение проблемы эффективной изоляции поверхностей трубопроводов, представляют собой задачу в высшей степени актуальную.

По оценкам автора настоящего исследования [1,2,6] реконструкция и модернизация котлов с низким КПД с целью доведения этого показателя до 92% и более, может дать возможность сократить до 40% удельные затраты топлива на выработку 1 Гкал тепла, а также позволить без увеличения производственных площадей получить увеличение установленной мощности до 50%, резко сократив тем самым затраты и время на реконструкцию и капитальное строительство. По тем же оценкам [1,2,4-7] внедрение новейшей автоматики безопасности и регулирования тепловой энергии, учета топлива, выработки и отпуска тепла; докотловая обработка воды; утилизация тепла уходящих газов, могут позволить увеличить теплосъем еще на 15% от установленной мощности; тепловые потери с поверхностей трубопроводов могут быть снижены в 2-3 раза, а срок их службы может быть продлен до 3 050 лет.

Выводы

1, Отработана и реализована в серийном масштабе технология нанесения полимербетонной изоляции на трубопроводы. Полимербетонная изоляция трубопроводов позволяет значительно сократить тепловые потери, связанные с охлаждением перекачиваемого теплоносителя. Трубы в полимербетонной изоляции предназначены для прокладки теплопроводов подающих и обратных) в грунте бесканальным способом. При этом снижаются на 14-30% капиталовложения по сравнению с канальной прокладкой, годовые затраты на эксплуатацию меньше в 10 раз при гарантированном сроке нормальной эксплуатации более 30 лет.

2. Отработана и реализована в серийном масштабе технология нанесения пеногюлиуретановой изоляции на трубопроводы, Пенополиуретановая (на основе вспененной пластмассы) изоляция наиболее удобна при нанесении на трубопроводы методом напыления. Жесткий пенополиуретан прочно связывается с поверхностью и проявляет высокую химическую стойкость. Это позволяет использовать пенополиурегановую изоляцию при монтаже теплопроводов, емкостей для горячей воды в самых сложных производственных условиях. Покрытие пенополиуретановой изоляцией по наружной поверхности, как правило, выполняется из оцинкованной стали.

3. Отработана и реализована в серийном масштабе технология нанесения эмалевого покрытия поверхностей трубопроводов. Увеличение срока работы трубопроводов и снижение эксплуатационных затрат выполнено путем нанесения на внутренние и наружные поверхности трубопроводов стеклоэмалевого покрытия. Продолжительность эксплуатации эмалированной трубы увеличивается до 15-20 лег, тогда как обычные трубы Л выдерживают лишь 3-5 лег,

4. Создан экспериментальный стенд для исследования гидравлического сопротивления в трубопроводах,

5. Проведено исследование гидравлического сопротивления стальных сварных груб с эмалевым покрытием. Результаты исследований во всем диапазоне чисел Ке описаны соответствующими соотношениями,

6. Установлено, как следствие эмалирования внутренней поверхности трубопроводов, значительное снижение гидравлического сопротивления, позволяющее в итоге на практике использовать для перекачки теплоносителя низконапорные насосы, тем самым уменьшая расход электроэнергии на их привод.

Заключение.

Проведен подробный анализ современных проблем и путей развития отопительно-коммунальной теплоэнергетики, в частности объектами изучения явились состояние и тенденции развития котельно-топочной техники; состояние трубопроводов тепловых сетей; пути снижения тепловых потерь, увеличения срока службы тепловых коммуникаций, а также снижения капитальных затрат отопительно-коммунальной теплоэнерегетики.

В рамках вышеотмеченног о разработаны конкретные мероприятия по модернизации и техническому перевооружению энергетических хозяйств, среди которых следует выделить как основополагающие:

- формирование более глубоких представлений о свойствах топлив, как основа для автоматизации котельно-топочной техники и повыщения ее эффективности;

- разработка новых горелочных устройств, отвечающих задачам снижения недожега топлива, снижения длины факела, материагюемкости конструкции; способных работать на альтернативных видах топлива (мазут, дизельное топливо) и наконец позволяющих формировать модельные ряды, подходящие для широкого спектра ко1 лов;

- разработка новых современных котлов, оснащенных устройствами автоматической защиты, менее металлоемких и обладающих значительно большим КПД (более 90%);

- решение проблемы эффективной тепловой изоляции, коррозионной стойкости и увеличение срока эксплуатации тепловых сетей.

В плане реализации указанных мероприятий в рамках настоящей работы: впервые для расчета теплоты сгорания органических соединений была использована аддитивная схема через расчет групповых вкладов, значения которых являются постоянными, независимо от того, в линейной, разветвленной или циклической молекуле находится данная группа. Используя рассчитанные вклады были вычислены стандартные теплоты сгорания большого числа органических соединений; - разработаны и внедрены горелочные устройства, обладающие высокой эффективностью и низкими показателями вредных выбросов в атмосферу (вихревые газогорелочные устройства ЮМАС); - разработаны и внедрены в производство стальные отопительные котлы малой мощности (до 11,63 МВт), отличающиеся повышенной надежностью, простотой, эффективностью работы и повышенными экономическими показателями (КПД > 90%); - разработана и реализована технология нанесения тепловой изоляции (из пенополиуретана; полимербетона) и антикоррозионного покрытия (стеклоэмаль) на трубопроводах тепловых сетей. В последнем случае в рамках решения проблемы коррозионной стойкости внутренних поверхностей трубопроводов через их стеклоэмалирование не был упущен из виду и такой фактор, как изменение гидравлического сопротивления коммуникаций, влекущий за собой изменение энергозатрат на приводе перекачивающих средств. В частности, создан экспериментальный стенд по исследованию гидравлического сопротивления трубопроводов и на примере стальных стеклоэмалированных труб было установлено снижение гидравлического сопротивления, а соответственно и предполагаемых на практике энергозатрат.

119

Вышеотмеченные исследования с очевидностью показывают, что существуют значительные резервы повышения мощностей без привлечения дополнительных капитальных вложений и увеличения расхода топлива.

Вместе с тем, говоря о перспективе, можно отметить, что решение проблемы недожега топлива следует решать не только за счет стремления к совершенной гидродинамике, но и рассматривать, в частности, подход выявления оптимальных топливных композиций.

1. Казанское предприятие тепловых сетей / Государствершая власть в Российской Федерации. Законодательные власти ' России. (Сибирь). Федеральный справочник Ф. 48. -М.: Издательство Президент, 2001. С. 544545.

2. Кафиатуллин P.A. Чтобы было тепло в каждом доме / «Энергосбережение в Республике Татарстан», -2001. № 3 (4), сентябрь. -С. 31-34.

3. Кафиатуллин Р.А,, Сагадеев В.В. Водогрейные котлы работающие под наддувом на газообразном и жидком топливе / Всероссийская научная конференция. Тезисы докладов. Казань (КГТУ-КХТИ). 2000. -С. 192-193.

4. Кафиатуллин P.A. Основные направления энергоэффективности в коммунальной тегглоэгтергетике г, Казани / Научно-практическая конференция «Энергосбережение в химической технологии 2000>>, Казань, 2000,-С. 24-29,

5. Кафиатуллин P.A., Сагадеев В.В. Эффективная полимербетониая тепловая изоляция трубопроводов / III Всероссийская Научно-техническая конференция «Новые химические технологии: производство и применение», Пенза. 2000. -С. 18-19.

6. Кафиатуллин P.A. Основы послемонтажных испытаний, наладки, регулирования работы и эксплуатации систем теплоснабжения, Казань: ЦНТИ,2001,-1 19с,

7. Энергетическое топливо СССР (ископаемые угли, горючие сланцы, торф, мазут и горючий газ) Справочник. / И.И, Матвеева, Н.В. Новицкий, B.C. Вдовченко и др. М.: Энергия, 1979. -128 с.

8. Демидов П.Г. Горение и свойства горючих веществ. -М.: Изд-во коммун, хозяйства, 1962.-264 с.

9. Теплогенерирующие установки: Учебник для вузов / Делягин Г.И., Лебедев В.И., Пермяков Б.А.-М.: Стройиздат, 1986.-559 с.

10. Котельные установки: Учебник для вузов / Щеголев М.М., Гусев Ю.Л., Иванова М.С.-М.: Изд-во лит-ры по строительству, 1972.-383 с.

11. Д.М. Хзмалян, Я.А. Каган. Теория горения и топочные устройства. -М.: Энергия,'1976.-487 с.

12. Основы практической теории горения: Учебное пособие / Померанцев В В., Арефьев K.M., Ахмедов Д Б. и др. -Л.: Энергия, 1973. -264 с.

13. Г'офтман М.В. Прикладная химия твердого топлива. -М.: Изд-во лит. по черн. и цвет, металлургии, 1963.-597 с.

14. Белосельский Б.С, Соляков В.К. Энергетическое топливо. -М.: Энергия, 1980.-168 с.

15. Киреев В.А. Краткий курс физической химии. -М.: Химия, 1978.-624 с.

16. Колесов В. Основы термохимии.-М.: Изд-во МГУ, 1996. 205 с.

17. Карапетьянц М.Х. Химическая термодинамика. -М.: Химия, 1975. -584 с.

18. Говертон М.Т. Термодинамика для инженеров. -М.: Металлургия, 1966.-327 с. ,

19. Бенсон С. Термохимическая кинетика. -М.: Мир, 1971. -308 с.

20. Лебедев Ю.А., Мирощниченко Е.А. Термохимия парообразования органических веществ.-М.: Наука, 1981,-215 с.

21. Benson S.W., Cruickshank F,R., Golden D,M,, Haugen G,R., O'Neal HE., Rodgers A.S., Shaw R. and Walsh R. Addtivity Rules for The Estimation of

22. Эстеркин Р.И. Перевод промышленных котлов на газообразное топливо. -Л.: Энергия, 1967.-207 с.

23. Равич М*Б. Упрощенная методика теплотехнических расчетов. -М.: Изд-во АН СССР, 1961.-304 с.

24. Лавров Н.В., Попов В.М., Истомин Л.И., Шубников А.К. Сжигание горючих газов в топочных устройствах. -М-Л.: Энергия, 1966. -272 с.

25. Спиридонов Ю.А., Тинчурин Ф.З., Спиридонов А.Ю., Спиридонов М.Ю. Котел. Патент №2072063, 1997. Л

26. Кафиатуллин P.A., Спиридонов Ю.А. Смешение поперечных струй в вихревом потоке. Казань, 2002. 9 с. (Препринт Изд-во Казан, гос. техн. унта: №02П1).

27. Ахмедов Р.Б., Брюханов О.Н., Иссерлин A.C. и др. Рациональное использование газа в энергетических установках. Л.: Недра, 1990.

28. Зельдович Я.Б., Воеводский В.В. Тепловой взрыв и распространение пламени в газах. 1947. 294 с. (ММИ).

29. Шорин С.Н., Ермолаев О.Н. Характеристики горения и радиации турбулентного газового факела // Теплоэнергетика. -1959. -№ 2. -С. 57-62.

30. Кафиатуллин P.A., Сагадеев В.В. Энергоэкологическая оптимизация сжигания природного газа в котлах / Всероссийская научная конференция. Тезисы докладов. Казань. (КГТУ-КХТИ). 2000. -С. 194-195.

31. Стаскевич Н.Л., Северинец Г.Н., Вигдорчик Д.Я. Справочник по газоснабжению и использованию газа. -Л.: Недра, 1990. -762 с.

32. Монахов В.Т. Методы исследования пожарной опасности веществ. -М.: Химия, 1972, -416 с.

33. Абрамович F.H., Крашенников С.Ю., Секундов "А.Н., Смирнова И.П. Турбулентное смешение газовых струй. М.: Наука, 1974.

34. Spiridonov U.A. Mass transfer en driftiniq flow; problems, calculation, desiqninq. First Tatarstan Symposium on enerqy, enviromnent, economics. 1992.

35. Спиридонов Ю.А. Математическое моделирование процессов при поперечных струйных течениях. Межвузовский сборник научных трудов. «Интенсификация тепло- и электроэнергетических процессов». Казань. КФМЭИ, 1995.-С. 57-59.

36. Спиридонов Ю.А. Математическое моделирование процессов смешения турбулентных струй в сносящем потоке. Межвузовский сборник научных трудов. «Теплоэнергетика». Казань. КФМЭИ, 1997.-С. 80-84.

37. Эстеркин Р.И., Иссерлин A.C., Певзнер М.И. Теплотехнические измерения при сжигании газового и жидкого топлива. Справочное руководство. -Л.: Недра, 1981.-424 с.

38. Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод). Под ред. Н.В. Кузнецоваи др.-М.: Энергия, 1973.-450 с. А

39. Основы проектирования котельных установок: Учебное пособие / Ю.Л. Гусев-М.: Стройиздат, 1973.-248 с.

40. Сигал И.Я., Лавренцов Е.М., Косинов О.И., Домбровская Э.П. Газовые водогрейные промышленно-отопительные котлы. -Киев: Изд-во «Техника», 1967.-145 с.

41. Бузников Е.Ф., Роддатис К.Ф., Спейшер В.А. Перевод котлов ДКВ И ДКВР на газообразное топливо. -М-Л.: Энергия, 1964. -192 с.

42. Васильева И.А., Генджов С, Орлов A.B., Стефанов Б., Уренсон A.C. Определение температурного распределения в потоке горячего газа по контуру самообращенной спектральной линии // Доклады АН СССР. Серия «Техническая физика».-1982.-Т. 264.-№ 4.-С. 853-856.

43. Соболев H.H. Оптические методы измерения температуры пламени // Труды физ. ин-та им. П.Н. Лебедева АН СССР. -1956. -Т. 7. -С. 159-229.

44. Пеккер Я.Л. Теплотехнические расчеты по приведенным характеристикам топлива. -М.-Л.: Энергия, 1966. -160 с,

45. Внуков А.К. Теплохимические процессы в газовом тракте паровых котлов. -М.: Энергоиздат, 1981.-296 с.

46. Файерштейн Л.М,, Этинген Л,С., Гохбойм Г.Г. Справочник по автоматизации котельных,-М,: Энергия, 1972.-360 Ci

47. Волковыский Е.Г,, Шустер А,Г, Экономия топлива в котельных установках.-М.: Энергия, 1973,-304 с,

48. Тумановский А., Глебов В., Гуща В. Природоохранные мероприятия в энергетики России // Промышленная энергетика. -1995. -№ 2. -С. 40-44.

49. Макаров А.Н., Кривнев Е.И., Расчет распределения излучения факела в топке парового котла //Промышленная энергетика. -2000. № 11. -С. .33-36.

50. Овчинников В.А. Основные направления развития водогрейного котлостроения // Энергосбережение и водоподготовка, -2000. -№ 1. -С. 6266.

51. Гречко A.B. Об уменьшении выбросов оксидов азота в атмосферу при сжигании топлива //Промышленная энергетика. -1999. -№ 6. -С. 62-66,

52. Авторское свидетельство № 1257364 «Система горячего водоснабжения» / АндрейчЛк Ю,Н,, Кафиатуллин Р,А,, Морозов Н,Н,, Куницин В.А,, 1984.

53. Ибрагимов Н,Ю. Теплоотдача в криволинейных остеклованных теплообменных трубах // Промышленная энергетика. -1993, -№ 12, -С. 2428,

54. Ибрагимов Н,Ю. Определение оптимальной толщины стеклянного покрытия теплообменой трубы и теплопроводов // Промышленная энергетика.-1999,-№ 12,-С, 29-30,

55. Ибрагимов Н.Ю. Электроискровой метод контроля качества и сплошности силикатного покрытия труб // Промышленная энергетика. -2001. -№ 4. -С. 22-23.

56. Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция: Учебник для вузов / К.В. Тихомиров, Э.С. Сергеенко: -М.: Стройиздат, 1991. -480 с.

57. Теплоснабжение: Учебник для вузов / В.Е. Козин, Т.А. Левина, А.П. Марков, И.Б. Пронин, В.А. Слемзин: -М.: Высшая школа, -408 с.

58. Шираке З.Э. Теплоснабжение.-М.: Энергия, 1979.-256 с.

59. Щекин Р.В., Кореневский СМ., Бем Г.Е. и др. Справочник по теплоснабжению и вентиляции. -Киев: Будивельник, 1976. -416 с.

60. Мельников О.Н., Ежов В.Т., Блоштейн А.А. Справочник монтажника сетей теплоснабжения.-Л.: Стройиздат, 1980.-208 с.

61. Наладка сетей централизованного теплоснабжения. Справочное пособие / И.М. Сорокин, А.И. Кузнецов, Л.М. Александров, Л.А. Рогов: -М.: Стройиздат, 1979.-224 с.92; Правдин Б.М. Индустриальные способы изоляции теплопроводов. -Л.: Энергия, 1979. -96 с.

62. Каммерер И.С Теплоизоляция в промышленности и строительстве. -Л.: Стройиздат, -М.: 1965. -379 с.

63. Шубин Е.П. Основные вопросы проектирования систем теплоснабжения городов.-М.: Энергия, 1979.-360 с.

64. Воронков С.Т., Исэров Д.З., Каменецкий СП. Тепловая изоляция на электрических станциях. -М.-Л.: Энергия, 1965. 472 с

65. Голянд М.М. Расчет и испытания тепловой изоляции. -Л.: Гостоптехиздат, 1961.-316 с.

66. Сутоцкий Г.П., Василенко Г.В., Смиронова А.С. О причинах коррозии тепловых сетей // Промышленная энергетика. -1995. -№ 3. -С. 44-45.

67. Ковылянский Я.А., Умеркин Г.Х. Перспективы роста теплопотребления в России и возможные варианты размещения производств теплопроводов новых конструкций // Теплоэнергетика. -1998. -№ 4. -С. 13-15.

68. Слипченко B.C. Проблемы энергосбережения при теплоснабжении крупных городов (на примере Санкт-Петербурга) // Энергосбережение. -1998.-№7-8.-С. 13-14.

69. Старостенко И.Н. Перспективы развития систем транспорта тепла // Промышленная энергетика,-1 998.-№ 1.-С. 44-46.