автореферат диссертации по энергетике, 05.14.01, диссертация на тему:Использование избыточного магистрального давления теплоносителя для повышения надежности и экономичности систем централизованного теплоснабжения

На правах рукописи

ВОЖОВА Татьяна Александровна

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИЗБЫТОЧНОГО МАГИСТРАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ И ЭКОНОМИЧНОСТИ СИСТЕМ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Специальность - 05.14.01. Энергетические системы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005548422

Москва-2014

I ¿МАЯ 2214

005548422

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор кафедры

ГГГС ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» Куличихин Владимир Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор кафедры

Промышленной теплоэнергетики ГОУ МГИУ Корнеев Сергей Дмитриевич

кандидат технических наук, исследователь ООО «ЦЭНЭФ» Борисов Константин Борисович

Ведущая организация: ОАО «ВТИ» г. Москва

Защита диссертации состоится «26» июня 2014 г. в 12:00 в малом актовом зале на заседании диссертационного совета Д 212.157.14 при Национальном исследовательском университете «МЭИ» по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14.

Отзывы на автореферат диссертации (в 2-х экземплярах, заверенные печатью учреждения) просьба направлять по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет НИУ «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» (http://www.mpei.ru/).

Автореферат разослан «. » 2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.14

к.т.н., доц. Зверьков В.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В «Энергетической стратегии России на период до 2030 г.» определены приоритетные направления в развитии энергетического сектора страны, в числе которых важное место уделяется вопросам использования и развития нетрадиционных и возобновляемых источников энергии (НИВЭ), а также вторичных энергоресурсов (ВЭР). Такое направление характеризует мировые тенденции развития энергетики в целом. Использование НИВЭ и ВЭР в различных технологических системах существенным образом повышает их энергоэффективность, надежность и экологичность, что особенно важно для систем, имеющих ярко выраженный социально ориентированный характер, к которым, в первую очередь, относятся системы тепло- и водоснабжения.

В силу географического расположения в Российской Федерации доминирует холодный климат. Крайне низкие зимние температуры определяют среднегодовую температуру по всей территории России равную -5,5 °С, т.е. наша страна является самой холодной страной в мире.

Данный факт показывает, что для России проблема обеспечения потребителей тепловой энергией является одной из важнейших государственных задач, на решение которой вынужденно затрачиваются огромные финансовые и энергетические ресурсы.

Повышение эффективности и надежности систем централизованного теплоснабжения неразрывным образом связано с выполнением положений Федерального закона №261 от 23 ноября 2009 г. «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» и Федерального закона № 190-ФЗ «О теплоснабжении» от 27 июля 2010 г.

Централизованное теплоснабжение является наиболее эффективным способом обеспечения потребителей тепловой энергией в крупных городах.

Известно, что в системах централизованного теплоснабжения давление в магистральных трубопроводах рассчитывается из условий работоспособности

самых удаленных абонентов, поэтому потребители, расположенные ближе к источнику тепловой энергии, получают теплоноситель с избыточным давлением, которое необходимо дросселировать. На привод насосных агрегатов, обеспечивающих транспортировку теплоносителя, затрачивается огромное количество электроэнергии. В частности, в системе централизованного теплоснабжения г. Москвы суммарная установленная мощность сетевых насосов, эксплуатирующихся только на тепловых электростанциях ОАО «Мосэнерго» без учета РТС, КТС, мелких котельных ОАО «МОЭК» и самостоятельных производителей тепловой энергии, составляет более 500 МВт.

Актуальность темы диссертации определяется целесообразностью применения систем рекуперации традиционно теряемого избыточного магистрального давления теплоносителя для выработки электроэнергии в централизованном теплоснабжении. Использование таких систем позволяет решить вопросы энергосбережения, минимизации потерь энергии, ресурсосбережения.

Цель работы заключается в разработке комплекса методов и подходов, позволяющих повысить эффективность использования систем рекуперации избыточного магистрального давления в системах централизованного теплоснабжения.

Объектами исследования являются системы рекуперации давления (СРД), эксплуатирующиеся в различных системах централизованного теплоснабжения. Основными задачами работы являются:

• анализ рекуперационного потенциала избыточного давления рабочих жидкостей систем централизованного тепло- и водоснабжения;

• анализ и выявление закономерностей влияния' внешних и внутренних факторов на работоспособность, показатели качества и выход из строя элементов и узлов функционирующих СРД;

• разработка метода расширения рабочего диапазона эксплуатации СРД;

• проведение расчетно-теоретических и экспериментальных исследований СРД для определения моментных характеристик;

• разработка метода применения источника электроэнергии в виде СРД для привода аварийных насосов на примере центрального теплового пункта;

• разработка оригинальных схемных построений СРД, позволяющих повысить энергоэффективность централизованных систем теплоснабжения.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые выполнена оценка работоспособности СРД в качестве аварийного источника электроэнергии.

2. Разработан метод повышения надежности систем централизованного теплоснабжения с использованием аварийных насосов отопления, получающих электроэнергию от источника энергии, основанного на использовании избыточного магистрального давления теплоносителя. Доказано, что такое схемное построение гарантированно обеспечивает температурный режим в помещениях не ниже 8°С, предотвращающий возможность «разморозки» системы отопления.

3. Разработан метод расширения эффективной рабочей зоны функционирования СРД с учетом особенностей ее построения и эксплуатации, учитывающий влияние:

• количества каналов рабочего колеса на его моментные характеристики (уменьшение тормозной зоны до 20%)

• видов трансформации энергии в СРД (гидравлическая- механическая -электрическая) на увеличение интегрального КПД системы рекуперации давления до 70%

• последовательного включения агрегатов в системе на увеличение эффективной (до 30%) рабочей зоны функционирования СРД.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

Работа выполнялась по планам госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работ Научного центра «Износостойкость» и кафедры Промышленных теплоэнергетических систем Национального исследовательского университета «МЭИ».

Разработанные методы и экспериментальные исследования использованы для анализа и выработки рекомендаций эффективной эксплуатации СРД, установленных на теплоэнергетических объектах ОАО «МОЭК», ГУП «ЭВАЖД», НИУ «МЭИ».

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов определяется:

• использованием апробированных методик планирования и проведения исследований, методик анализа экспериментальных результатов, применением средств измерений необходимой точности;

• удовлетворительной сходимостью результатов исследований при многократных повторениях;

• корректным использованием апробированных пакетов расчетно-теоретических исследований тепло- и гидродинамических процессов.

Реализация работы. Результаты диссертационной работы использованы:

• при выработке рекомендаций по повышению эффективности и надежности эксплуатации СРД в ОАО «МОЭК»;

• при разработке аварийной системы теплоснабжения в рамках государственного контракта № 16.526.12.6003;

• при разработке методики повышения эффективности СРД в рамках государственного контракта № 16.526.12.6003.

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке специалистов по курсам «Нетрадиционные источники энергоснабжении», «Источники систем теплоснабжения промышленных предприятий» кафедры ПТС.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

• заседаниях научно-технического совета Научного центра «Износостойкость» НИУ «МЭИ», 2010-2013 гг.;

• заседаниях кафедры Промышленных теплоэнергетических систем НИУ «МЭИ», 2010-2013 гг.;

• XVI Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» 2010 г., Москва, НИУ «МЭИ»;

• ХЫ Всероссийской научно-практической конференции с элементами научной школы для молодежи. «Федоровские чтения - 2011» Москва, 2011г., НИУ «МЭИ»;

• Первой и второй Всероссийской научно-практической конференции «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем» - 2010 г., 2012 г., Москва, НИУ «МЭИ»;

На защиту выносятся:

• Результаты анализа рекуперационного потенциала объектов систем централизованного тепло- и водоснабжения;

• Результаты экспериментальных и расчетно-теоретических исследований гидродинамических качеств элементов СРД;

• Метод целенаправленной модернизации элементов СРД для расширения зоны эффективной эксплуатации;

• Метод повышения надежности систем централизованного теплоснабжения с использованием аварийных отопительных насосов центрального отопления, получающих электроэнергию от СРД;

• Новые оригинальные схемные построения СРД, обеспечивающие увеличение энергоэффективности систем центрального отопления.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 13 печатных трудов, из них в изданиях по перечню ВАК - 5 статей, 2 доклада, 3 патента на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников. Работа содержит 128

страниц основного машинописного текста, 58 рисунков, 17 таблиц, библиография содержит 132 наименования.

Автор выражает глубокую благодарность старшему научному сотруднику НЦ «Износостойкость» А.Г. Парыгину и доценту кафедры Промышленных теплоэнегетических систем Яворовскому Ю.В. за ценные консультации и советы, полученные во время выполнения работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования.

В первой главе выполнен анализ использования и перспектив применения НИВЭ и ВЭР в ЖКХ, показаны особенности и проблемы эксплуатации систем централизованного теплоснабжения.

Представлен анализ работы теплового пункта (ТП). Рассматриваются параметры теплоносителя на входе и выходе ТП. Отмечается, что теплоноситель, приходящий от источника теплоснабжения, обладает тепловой (2) и гидравлической мощностью (1).

Ге^ОагГС-Г,).-

Р^Ъ-АР, (2)

ДР,-*п,+Р№ (3)

где 7|, Тг - температура теплоносителя в подающем и обратном трубопроводе; вСЕТ - массовый и УСБТ объемный расходы теплоносителя; ср -теплоемкость воды; Р1гР2 - давление теплоносителя в подающем и обратном трубопроводе; АР, - потери давления; Рш - потери давления за счет местных сопротивлений на ТП; Р№ - потери давления на клапане запорно-регулирующем (КЗР).

Тепловая энергия расходуется на покрытие потребностей отопления и горячего водоснабжения, а гидравлическая энергия теплоносителя (2)

затрачивается на преодоление гидравлического сопротивления оборудования ТП (порядка 0,2 МПа), оставшееся избыточное давление дросселируется на КЗР (3).

Выполнен анализ систем, использующих избыточное давление технологических жидкостей. Отмечено, что наибольшее количество исследований функционирования подобных установок, применительно к системам водоснабжения, отражено в работах И. Шоукала (СИГМА, Чехия).

Отмечается, что в системах централизованного теплоснабжения (СЦТ) наиболее удаленные потребители находятся на значительном расстоянии от источника теплоснабжения, достигающего в отдельных случаях нескольких десятков километров.

Гидравлический расчет схемы централизованного теплоснабжения производится с учётом расположения самого удаленного потребителя и выполнения ряда необходимых требований (рис.1).

Известно, что каждый ТП имеет на входе дросселирующее устройство и, соответственно, на каждом ТП, а в г. Москве их только в системе ОАО «МОЭК» более 9500, происходят потери энергии.

Для оценки потерь энергии при дросселировании потока теплоносителя проведен сбор и анализ статистических данных ряда типовых центральных тепловых пунктов (ЦТП) г. Москвы. Статистическая обработка выполнена для 22 ЦТП четырех различных районов тепловых сетей. Средняя удаленность ЦТП от ТЭЦ 800 + 4000 м, расчетная тепловая нагрузка 1,5 8,0 Гкал/ч.

Рис. 1. Схема централизованного теплоснабжения

На рис. 2 представлена диаграмма дросселируемого давления на рассматриваемых ЦТП. Значения избыточного перепада давлений получены как разность полного и необходимого (0,2 МПа) перепадов давлений.

Оценка потерь гидравлической энергии теплоносителя осуществляется с учетом его расхода, значения которого существенно меняются (рис. 3). Эти изменения носят ярко выраженный суточный и сезонный характер и определяют интегральные потери энергии теплоносителя.

Рис. 2. Величина полного перепада давления теплоносителя, дросселируемого на рассматриваемых ЦТП

Рис. 3. Изменения среднесуточного расхода теплоносителя через ЦТП

Отмечено, что аналогичные потери гидравлической энергии характерны для систем водоснабжения. Рассмотрены особенности систем водоснабжения, определен рекуперационный потенциал на примере анализа работы Митинского регулирующего узла.

Показано, что для повышения эффективности систем централизованного теплоснабжения перспективно использовать традиционно теряемое избыточное магистральное давление теплоносителя. В качестве такого решения рассматривается система рекуперации давления.

Во второй главе рассмотрены структурная схема, особенности построения и принцип работы СРД. Отмечается, что СРД представляет собой гидродинамический регулятор, построенный на базе динамического насоса, работающего в турбинном режиме. Такая система обеспечивает для конкретного ЦТП требуемый закон регулирования давления теплоносителя. Принципиальная схема СРД представлена на рис 4.

Принцип работы СРД на ЦТП заключается в следующем: весь поток теплоносителя, проходя через рабочее колесо (РК) гидротурбины и создавая на нем вращательный момент, теряет часть энергии, понижая давление магистрали до требуемых значений. Механическая энергия, полученная РК от теплоносителя, передается через вал на электрогенератор, который вырабатывает электрическую энергию. Для удобства эксплуатации СРД дополнительно снабжена системой автоматического управления и мониторинга.

избыточное.

потребное

СРД =

гидротурбина

Г динамический насос

Г асинхронный | [ электродвигатель)

давление - электроэнергия

система управления ]

Рис. 4. Принципиальная схема СРД Рис. 5. Структурная схема СРД:

1 - подающая магистраль теплосети; 2- обратная магистраль теплосети; 3 - теплообменный аппарат; 4 - мини-гидротурбина; 5,6,8 - задвижки; 7 - КЗР; 9 -генератор; 10 - инвертор; 11 - датчик частоты; 13 -контроллер; 14 -счетчикэлектроэнергии; 15-датчик скорости вращения вала.

СРД подключается последовательно штатному дросселирующему устройству без изменений в технологических циклах подачи теплоты и горячей воды потребителю (рис. 5). Данная система может быть размещена как на «прямой», так и на «обратной» магистралях в зависимости от особенностей потребителя. Показано, что с целью минимизации стоимости СРД в качестве гидротурбины используется динамический насос со специально спроектированным РК. Для устранения конфликтных ситуаций с генерирующими компаниями СРД электрически коммутируется после штатного счетчика электроэнергии. Такое включение позволяет всю вырабатываемую СРД электроэнергию тратить на собственные нужды и не передавать ее во внешнюю сеть.

В третьей главе отмечается, что проблема повышения надежности эксплуатации ЦТП была и остается актуальной задачей, стоящей перед

эксплуатирующим персоналом теплоснабжающих организаций. Ее острота усиливается в последнее время в связи с износом оборудования и приводит к необходимости получения достоверных данных о состоянии тепломеханического оборудования, которое на ряде ЦТП имеет критический износ. Размещение СРД на ЦТП увеличивает количество установленного оборудования, но при этом СРД повышает надежность работы отдельных элементов оборудования ЦТП, что в интегральной оценке приводит к повышению надежности работы всего теплового пункта.

Анализ работы СРД выполнен на десяти ЦТП ОАО «МОЭК». Все СРД установлены на обратном трубопроводе. Рассматривались: пять установок СРД-2-80-65-5,0/4,5 и пять установок СРД-2-100-80-8,5/9,5, мощностью 4.5 и 9.5 кВт, соответственно. Анализ работы СРД дополнительно включал пуско-наладочный период. Недовыработка электроэнергии установками в этот период была связанна со следующими обстоятельствами: ремонт соединительной муфты - 49%, ремонт гидроагрегатов-17%, ремонт КЗР-17%, плановый ремонт ЦТП-17%.

На рис. 6 представлен анализ выявленных характерных ограничений, препятствующих эффективной работе СРД.

малый перепад Р 43%

поломка подшипников 14%

Рис. б. Характерные «ограничения» Рис. 7. Характерная зависимость момента на

эффективной работы СРД валу гидротурбины от расхода теплоносителя

через ЦТП

Дополнительно были определены конструктивные недостатки проектных решений и дефекты монтажа опытной партии СРД, проблемы ее электромеханической части и автоматики. В качестве ограничений рассматривались особенности эксплуатации ЦТП, которые связаны со значительными изменениями расхода теплоносителя в течение суток, а также в

летний период работы ЦТП, характеризующийся малым расходом теплоносителя. В связи с этим гидравлическая турбина СРД попадает в тормозную зону, в которой не происходит выработки электроэнергии.

Проведенный анализ позволил определить основные подходы и направления совершенствования СРД и, как следствие, повышение вырабатываемой ею мощности. В качестве приоритетных направлений отмечается уменьшение тормозной зоны гидротурбины на основе совершенствования РК и разработка новых схемных построений СРД, включая турбонасосные решения, позволяющие повысить эффективность СРД на 20-30% при работе в системе отопления.

Момент на валу гидротурбины, применяемой в СРД, определяется уравнением Эйлера:

М=рУ(Си1Я,-Си2К1) (4)

При этом теоретический напор, необходимый для работы данной турбины, будет равен:

Н,=Щг=(и}Си1 - и2Си2)/§ (5)

где Си1 и Си2 проекции абсолютной скорости на окружное направление, [/; и и2 переносная скорость, Н, и Н теоретический и полный напоры, -гидравлический КПД, К - радиус рабочего колеса. Индекс 1 соответствует входу в колесо гидротурбины, 2- выходу.

Уравнение (5) устанавливает связь перепада давления Д P=pgH, срабатываемого в СРД, от расхода теплоносителя при постоянной частоте вращения ротора (рис. 7). Область отрицательных значений теоретического напора при малых расходах определяет отрицательные значения крутящего момента на рабочем колесе гидротурбины, т.е. тормозную зону.

Наличие тормозной зоны не позволяет получить полезную работу гидротурбины в области малых расходов теплоносителя.

На рис. 7 представлена характерная зависимость момента на валу гидротурбины М-/(У) от расхода теплоносителя через ЦТП. Здесь кривая М0 -исходная моментная характеристика, имеющая тормозную зону левее точки Т0. При этом полезная мощность, которую можно получить с использованием конкретной гидротурбины, эквивалентна площади Бо- Следует отметить, что во всем диапазоне значений V частота вращения ротора гидротурбины п может существенно отличаться от оптимальной синхронной частоты, позволяющей получать «качественную» (50 Гц) электроэнергию с максимальной мощностью. С этой целью предложено схемное разбиение рабочей зоны на синхронные частоты и применение многоскоростных генераторов, при этом щ > щ > щ. Переменная частота вращения генератора позволяет расширить эффективную рабочую зону СРД. Однако, переход на меньшую частоту вращения при неизменном моменте приводит к уменьшению вырабатываемой мощности N (т.к. М=Мса) . Применение ступенчатого регулирования частоты вращения генератора позволяет вырабатывать электроэнергию практически во всем диапазоне расходов теплоносителя.

Отмечено, что плавное регулирование частоты возможно при использовании инвертора, однако такое решение экономически целесообразно только для СРД мощностью Ы> 30кВт.

Показано, что уменьшение тормозной зоны достигается различными способами, в том числе совершенствованием лопастной системы СРД, при этом важное значение имеет вид моментной характеристики, отличающийся от исходной кривой Мо (рис. 7).

Выполнены расчетно-теоретические и экспериментальные исследования по расширению рабочей зоны СРД, построенной на базе насоса К 50-32-125 с использованием программного комплекса Р1о\у\15юп и экспериментального стенда НИУ «МЭИ», моделирующего работу систем тепло- и водоснабжения.

Метод расширения рабочей зоны СРД основан на целенаправленном изменении треугольников скоростей на выходе из РК гидромашины в соответствии с уравнением (4).

Показано, что одним из направлений уменьшения циркуляционной составляющей абсолютной скорости на выходе Си2 и, как следствие, увеличения момента М, является увеличение расходной составляющей абсолютной скорости Ст2 , что в реальных условиях может реализовываться за счет уменьшения ширины РК на входе и уменьшения количества рабочих каналов в РК. На первом этапе осуществлялась проверка достоверности использования программного комплекса БЬу/Шоп для получения моментных характеристик. Проводились сравнения расчетных и экспериментальных данных, выполнены расчетно-экспериментальные исследования исходного варианта РК базового насоса К 5032-125, работающего в турбинном режиме, показавшие хорошую согласованность полученных результатов.

Модификация лопастной системы для увеличения Ст2 выполнена путем уменьшения количества рабочих каналов в РК. В исходном варианте в РК было 6 каналов, в модифицированном - 3, соответственно.

Такая модификация достигалась «заваркой» рабочих каналов на входе и выходе из РК.

На рис. 8 представлены результаты целенаправленного расширения рабочей зоны СРД. Хорошее совпадение расчетных и экспериментальных моментных характеристик позволило уменьшить количество экспериментальных исследований и число изготовленных модифицированных РК.

М 2 5 Моментныв мрактеристики модифицированного коласа

1: 1 -! 1 " 1 . •0,5

9 10 11 12 15 1« 16 1$ 17 19 19 20 21 22

—Расчетная арлсгеоисгик» —Э*спеснмб«Т8п»н1ииаип«исп1к» | V ( ц ^

в/жсель

-[ ОД "}.-

J

-Ф

Рис. 8, Сравнение моментных характеристик модифицированного РК

аварийный насос

Рис. 9. Вариант подключения СРД на ЦТП: 1 дроссель, 2 - тегоюобменный аппарат, 3 - СРД, 4 -потребитель теплоты, 5 - аварийный насос, 6 -циркуляционный отопительный насос, 7 - аварийная электрическая цепь

Отмечается, что в результате модификации РК расширение рабочей зоны увеличилось по эксперименту на 18 %, по расчету - на 16%.

Оценка точности результатов экспериментальных исследований проводилась в соответствии с ГОСТ 6134-87 «Насосы динамические. Методы испытаний» и ГОСТ 26945-86 «Турбины гидравлические вертикальные». Предельная относительная погрешность измерений значения момента ДМ составляет 1.5%.

В четвертой главе отмечается, что на ЦТП часто возникают проблемы с электроснабжением, обусловленные различными факторами как технического, так и экономического характера.

Отсутствие электроснабжения на ЦТП приводит к остановке насосов, и, как следствие, прекращению циркуляции теплоносителя системы отопления, что в итоге требует слива теплоносителя. Выполнение этой процедуры с запозданием может являться причиной «разморозки» системы теплоснабжения здания и разрушения ее отдельных элементов. Отсутствие отопления в домах при низких температурах вызывает социальную напряженность, сопровождающуюся большими финансовыми потерями.

К сожалению, такие ситуации возникают у потребителя не только по техническим причинам, но и в связи с экономической несбалансированностью выполнения договорных отношений производителей и продавцов тепловой энергии.

Изложенные ситуации демонстрируют необходимость получения аварийного источника электроэнергии на ЦТП для гарантированного обеспечения работы насосов систем отопления при возникновении таких обстоятельств. Показано, что в данном случае перспективным и высокоэффективным источником электроэнергии является СРД. На рис. 9 представлен один из вариантов подключения СРД с аварийным отопительным насосом, работающим за счет электроэнергии, вырабатываемой генератором СРД.

Расчет работоспособности такой системы в зимний период был выполнен на примере функционирования внутридомовой системы отопления двух типовых

Рис. 10. Изменение температуры воздуха в помещении при аварийном режиме работы

Рис. И. СРД с двумя ГА: 1 - магистраль теплосети; 2 - КЗР; 3 - ГА2; 4 -генератор; 5 - гидравлический переключатель; 6 - коммутатор; 7 - контроллер; 8 - датчик давления; 9 -ГА1.

16-ти этажных жилых зданий. На рис. 10 представлены зависимости снижения температуры внутреннего воздуха при аварийном режиме работы. Отмечается, что данное схемное построение гарантированно обеспечивает температурный I режим в помещениях в соответствии с нормативными значениями. Во всем диапазоне возможных располагаемых мощностей от аварийного источника электроэнергии температура воздуха в помещении не опускается ниже 8°С.

I

Показано, что увеличение КПД любой системы, которой является и система отопления, связано не только с повышением эффективности элементов такой схемы, но и с её структурными изменениями. Для увеличения рабочей зоны СРД в летний период эксплуатации ЦТП предложена схема, основанная на использовании двух параллельно расположенных гидроагрегатов различных параметров. Такое схемное решение позволяет СРД эффективно работать во всей зоне расходов теплоносителя. Вновь разработанные схемные решения подтверждены патентами.

В пятой главе проведена оценка технико-экономической эффективности использования СРД на ЦТП.

В условиях технологического цикла и оборудования ЦТП она проведена на основе комплексной оценки характеристик, оказывающих положительные моменты на работу ЦТП.

Расчеты выполнены на примере СРД 100-80-160/2. Рассчитывались среднестатистическая выработка электроэнергии в летний и зимний период эксплуатации, экономия условного топлива, экономия от уменьшения вредных выбросов. Дополнительно показано, что размещение СРД на ЦТП повышает надежность и ресурс штатного оборудования (КЗР и ТА). Отмечается, что при экономической оценке эффективности дополнительно необходимо учитывать работу СРД в качестве аварийного источника электроэнергии, предотвращающего значительные вторичные потери, связанные с «разморозкой» систем отопления и необходимостью в экстренных случаях эвакуации населения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Выполнен анализ рекуперационного потенциала систем теплоснабжения по использованию избыточного магистрального давления для выработки электроэнергии, в частности, располагаемая мощность достигает до 30% от потребностей характерного теплового пункта.

2. Определены особенности эксплуатации и проведен анализ работоспособности СРД в условиях функционирования ОАО «МОЭК».

3. Проведены расчетно-теоретические и экспериментальные исследования по определению моментных характеристик СРД (рабочее колесо гидротурбины) с использованием РЬууУЪюп.

4. Разработаны новые схемные построения СРД и получены патенты на полезные модели, позволяющие значительно расширить (до 30%) эффективность работоспособности СРД.

5. Предложен метод целенаправленного расширения (до 20%) эффективной рабочей зоны СРД в зависимости от сезона и особенностей построения систем теплоснабжения.

6. Разработан метод создания аварийной системы внутридомовой циркуляции теплоносителя путем использования электроэнергии, вырабатываемой СРД.

7. Подтверждена экономическая эффективность применения СРД в системах централизованного теплоснабжения.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Волков A.B., Рыженков В.А., Парыгин А.Г., Волкова Т.А. О повышении эффективности систем теплоснабжения на основе преобразования избыточного давления сетевой воды в электроэнергию // «Энергосбережение и водоподготовка», 2010, № 1, с. 32-34.

2. Волков A.B., Рыженков В.А., Парыгин А.Г., Волкова Т.А. Повышение надежности и экономичности систем централизованного теплоснабжения на основе эффективного использования избыточного магистрального давления // «Надежность и безопасность энергетики», 2010, № 2, с. 45-47.

3. Парыгин А.Г., Волкова Т.А., Куличихин В.В. Использование автономных источников электроэнергии для повышения надежности функционирования систем теплоснабжения // «Надежность и безопасность энергетики», 2012, № 4, с. 52-54.

4. Парыгин А.Г., Волкова Т.А., Куличихин В.В. О энергонезависимости и надёжности тепловых пунктов // «Энергетик», 2013, №3, с. 41-43.

5. Парыгин А.Г., Волкова Т.А., Куличихин В.В. Энергобезопасность присоединенных систем отопления при перебоях электроснабжения тепловых пунктов // «Естественные и технические науки», 2013, № 2, с. 358-362.

6. Куличихин В.В., Парыгин А.Г., Волкова Т.А. Повышение эффективности централизованного теплоснабжения за счет использования избыточного магистрального давления// «Новое в российской электроэнергетике», № 12,2011, с. 5-10.

7. Волкова Т.А., Яворовский Ю.В. Решение вопроса энергоэффективности систем теплоснабжения на основе использования избыточного магистрального давления теплоносителя. Тез. докл. 16-й межд. научно-техн. конф. студентов и аспирантов 25 -26.02.2010, Москва, МЭИ 2010, т. 2, с. 466-467.

8. Волков A.B., Рыженков В.А., Щербаков С.Н., Парыгин А.Г., Волкова Т.А. Повышение эффективности систем теплоснабжения на основе рекуперации избыточного магистрального давления в электрическую энергию // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем». ЭНЕРГО-2010, Том 1., с. 211-213.

9. Пуговкин Е.Г., Волкова Т.А., Хованов Г.П. Повышение надежности и эффективности систем тепло- и водоснабжения на основе использования избыточного магистрального давления. Федоровские чтения - 2011. XLI Всероссийская научно-

практическая конференция с элементами научной школы для молодежи. Москва 9-11.11. 2011, с. 70-71.

10. Парыгин А.Г., Волкова Т.А., Волков A.B. Повышение эксплуатационной надежности и эффективности систем теплоснабжения с независимой схемой подключения потребителей// «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем» Труды Второй Всерос. науч.-прак. конф. 4-6.06.2012, Москва, МЭИ, 2012 г., с. 385-386.

11. Патент РФ № 110433 / А. Г. Парыгин, В. А. Рыженков, Т.А. Волкова и др. Колесо центробежного насоса для работы на турбинных режимах // Бюл. Изобретения. 2011, №32.

12. Патент РФ № 119074 / А. Г. Парыгин, В. А. Рыженков, Т.А. Волкова, Г.П. Хованов Система рекуперации избыточного давления магистральных сетей тепло- и водоснабжения// Бюл. Изобретения. 2012, №22.

13. Патент РФ № 2469243 / А. Г. Парыгин, В. А. Рыженков, Т.А. Волкова и др. Устройство снижения потребления электроэнергии тепловым пунктом // Бюл. Изобретения. 2012, №34.

Подписано в печать Л6.0У • ЛОЩзак. ЛИ-t Тир. JOO_ П.л. Полиграфический центр МЭИ ~~и 1

Красноказарменная ул.,д.13

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «Национальный исследовательский университет МЭИ»

04201458375

На правах рукописи

ВОЛКОВА Татьяна Александровна

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИЗБЫТОЧНОГО МАГИСТРАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ И ЭКОНОМИЧНОСТИ СИСТЕМ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Специальность - 05.14.01. Энергетические системы и комплексы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., проф. Куличихин В.В.

Москва - 2014

СОДЕРЖАНИЕ

Основные условные обозначния и сокращения................................... 4

ВВЕДЕНИЕ................................................................................ 7

1. Особенности и проблемы эксплуатации систем централизованного

тепло- и водоснабжения....................................................... 12

1.1. Проблемы использования избыточного давления рабочих жидкостей и газов различных технологических цикло........ 13

1.2. Особенности построения систем централизованного теплоснабжения........................................................ 16

1.2.1 Возможности преобразование избыточного давления на тепловых пункта....................................................... 20

1.2.2 Сезонные особенности работы теплового пункта.............. 22

1.2.3 Проблемы использования избыточного магистрального давления для получения электроэнергии на тепловых пункта 24

1.3 Особенности построения систем централизованного

водоснабжения.......................................................... 25

1.3.1. Возможности преобразование избыточного давления магистральных водоводов в электроэнергию.................... 25

1.3.2. Проблемы использования избыточного магистрального давления для получения электроэнергии в системах централизованного водоснабжения ................................ 29

1.4. Определение диапазона потерь избыточного магистрального давления теплоносителя в эксплуатирующихся системах тепло- и водоснабжения и оценка их рекуперационного потенциала............................................................... 30

1.4.1. Анализ диапазона потерь избыточного магистрального давления теплоносителя в эксплуатирующихся системах теплоснабжения........................................................ 30

1.4.2. Оценка рекуперационного потенциала избыточного магистрального давления в эксплуатирующихся системах теплоснабжения......................................................... 36

1.4.3. Анализ диапазона потерь избыточного магистрального давления в эксплуатирующихся системах водоснабжения ... 40

1.4.4. Оценка рекуперационного потенциала избыточного магистрального давления в эксплуатирующихся системах водоснабжения.......................................................... 42

2 Структурная схема и принцип работы системы рекуперации

избыточного давления.......................................................... 45

2.1 Гидродинамический регулятор давления........................ 45

3. Работа СРД и основного оборудования в условиях эксплуатации на

ЦТП................................................................................ 49

3.1 Анализ основных подходов повышения надежности

эксплуатации тепломеханического оборудования на ЦТП ... 49

3.2 Анализ повреждаемости элементов СРД в условиях функционирования систем теплоснабжения..................... 49

3.2.1 Анализ недостатков конструкции и эксплуатационных характеристик СРД-2.................................................. 60

3.2.2 Перспективные направления совершенствования СРД........ 61

3.3 Основные направления и подходы расширения эффективной зоны эксплуатации СРД............................................. 62

3.3.1 Анализ тормозной зоны гидротурбины СРД..................... 62

3.4 Расчетно-экспериментальные исследования СРД............... 68

3.4.1 Применение программного комплекса FlowVision при исследовании гидродинамических процессов.................... 68

3.4.2 Экспериментальный стенд для исследований СРД в

системах тепло- и водоснабжения.................................. 72

3.4.3 Применение программного комплекса Flow Vision для получения моментных характеристик............................. 76

3.4.4 Расширение эффективной рабочей зоны рабочего колеса

СРД........................................................................ 80

3.4.5 Оценка точности экспериментальных исследований........... 86

4. Работа СРД в качестве аварийного источника электроэнергии....... 92

4.1 Современные проблемы отсутствия электроэнергии на ЦТП 92

4.2 Работа СРД в качестве аварийного источника электроэнергии.......................................................... 94

4.3 Разработка высокоэффективных схемных построений СРД

для систем теплоснабжения.......................................... 103

5. Технико-экономические и экологические аспекты использования

СРД в системах теплоснабжения............................................ 109

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................... 114

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ............................... 115

Основные условные обозначния и сокращения

2 - тепловой поток; О - массовый расход; V - объемный расход; Ук- расход через рабочее колесо; Н- напор;

Нг -теоретический напор; Ы- мощность (потребляемая);

п- частота вращения приводного двигателя насосного агрегата; 11 - коэффициент полезного действия; г\г- гидравлический коэффициент полезного действия; Сд С2 - абсолютная скорость;

Си1, Сиг -проекции абсолютной скорости на окружное направление;

Ст1> Ст2 — расходная составляющая абсолютной скорости;

и1 1/2 -переносная скорость;

^¥2 - относительная скорость;

Я - радиус рабочего колеса;

ра - атмосферное давление;

р— давление;

I- температура воды в системе отопления; т- температура сетевой воды;

к - гидравлические потери на отдельных участках гидросистемы; оз- угловая частота вращения;

7Д2ДЗД ЗД - одно, двух, трех и трехмерные нестационарные методы теплогидродинамических расчетов; у- коэффициент кинематической вязкости;

у,д- дифференциальные операторы Гамильтона и Лапласа соответственно; Ее - число Рейнольдса; % - ускорение свободного падения;

рН— кислотно-щелочной показатель среды;

V - скорость потока;

р - динамический коэффициент вязкости; /ит - коэффициент турбулентной вязкости; р - плотность;

V - оператор Гамильтона;

С^ - коэффициент турбулентной вязкости;

£ - скорость диссипации турбулентной энергии; к - турбулентная энергия; М - момент на валу; Мтр- момент трения; Г - циркуляция;

КТС - квартальная теплоснабжающая станция;

РТС - районные теплоснабжающие станции;

ТЭЦ - теплоэлектроцентраль;

ТЭС - тепловая электрическая станция;

ГРЭС - государственная районная электрическая станция;

ТА - теплообменный аппарат;

НВИЭ - нетрадиционные и возобновляемы источники энергии;

ВИЭ - возобновляемы источники энергии;

ВЭР - вторичный энергоресурс;

ПАВ - поверхностно - активное вещество;

ТП - тепловой пункт;

ЦТП - центральный тепловой пункт;

ИТП - индивидуальный тепловой пункт;

ЦО - система централизованного отопления;

ХВС - система холодного водоснабжения;

ГВС - система горячего водоснабжения;

КЗР - клапан запорно-регулирующий;

СРД - система рекуперации давления;

ГА - гидроагрегат;

РК - рабочее колесо;

РУ - распределительный узел;

ПЭС - передвижная электростанция;

НСД - насос среднего давления;

НВД - насос высокого давления;

ЭТ - электротормоз;

ИКМ - измерителем крутящего момента;

СЦТ - система централизованного теплоснабжения.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящей работе осуществлен анализ эффективности использования традиционно теряемого избыточного магистрального давления рабочей среды применительно к системам централизованного тепло- и водоснабжения.

Определены основные пути совершенствования, повышения надежности и энергоэффективности систем рекуперации избыточного давления с разработкой новых схемных построений для использования в системах централизованного теплоснабжения.

Актуальность проблемы.

Разработка и совершенствование систем, использующих нетрадиционные и возобновляемые источники энергии, вторичные энергоресурсы, является одной из приоритетных задач «Энергетической стратегии России на период до 2030 года», в которой отмечается необходимость замедления темпов роста затрат на распределение и транспортировку электрической и тепловой энергии, а также возникающих при этом потерь.

Максимально эффективное использование природных энергетических ресурсов способствует устойчивому росту экономики, повышению качества жизни населения страны.

Использование, традиционно теряемого, избыточного магистрального давления технологических жидкостей в различных линиях и циклах позволяет решать вопросы энергосбережения, обеспечивая уменьшение потерь энергии и экономию сотен тонн условного топлива.

Обеспечение потребителя тепловой энергией и водоснабжением является важнейшей народно-хозяйственной задачей, от решения которой во многом зависит динамичное, поступательное развитие экономики страны, комфортное и достойное проживание населения. Данное требование может быть достигнуто кардинальным повышением технического уровня систем теплоснабжения на основе инновационных, высокоэффективных технологий и оборудования, изменением структуры систем теплоснабжения, включая рациональное сочетание

системного и элементного резервирования, оснащением системами, исключающими аварийные ситуации.

Гарантированное и бесперебойное функционирование различных технологических циклов связано как с созданием новой, так и совершенствованием существующей техники и систем в целом.

С достаточной степенью уверенности можно утверждать, что для самой холодной страны в мире, которой является Российская Федерация, проблема надежного теплоснабжения является приоритетной национальной задачей.

Методы и методики, новые технологические решения, позволяющие повышать надежность, экономичность и экологическую безопасность объектов тепло- и водоснабжения, всегда будут актуальными и перспективными.

Цель работы.

Целью работы является разработка комплекса методов и подходов, позволяющих повысить эффективность использования систем рекуперации избыточного магистрального давления для централизованного тепло- и водоснабжения. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

• выполнить анализ рекуперационного потенциала избыточного давления рабочих жидкостей систем централизованного тепло- и водоснабжения;

• провести анализ и выявить закономерности влияния внешних и внутренних факторов на работоспособность, показатели качества и выход из строя элементов и узлов функционирующих систем рекуперации давления (СРД);

• разработать метод расширения рабочего диапазона эксплуатации СРД;

• выполнить расчетно-теоретические и экспериментальные исследования СРД для определения моментных характеристик;

• разработать модель применения независимого источника электроэнергии в виде СРД для привода аварийных насосов на примере функционирования центрального теплового пункта (ЦТП);

• разработать оригинальные схемные построения СРД, позволяющие повысить энергоэффективность систем централизованного теплоснабжения.

Научная новизна.

Разработаны методы и подходы по повышению эффективности использования систем рекуперации избыточного магистрального давления для систем централизованного тепло- и водоснабжения, заключающиеся в следующем:

1. Впервые выполнена оценка работоспособности СРД в качестве аварийного источника электроэнергии.

2. Разработан метод повышения надежности систем централизованного теплоснабжения с использованием аварийных насосов отопления, получающих электроэнергию от источника энергии, основанного на использовании избыточного магистрального давления теплоносителя. Доказано, что такое схемное построение гарантированно обеспечивает температурный режим в помещениях не ниже 8°С, предотвращающий возможность «разморозки» системы отопления.

3. Разработан метод расширения эффективной рабочей зоны функционирования СРД с учетом особенностей ее построения и эксплуатации, учитывающий влияние:

• количества каналов рабочего колеса на его моментные характеристики (уменьшение тормозной зоны до 20%)

• видов трансформации энергии в СРД (гидравлическая- механическая -электрическая) на увеличение интегрального КПД системы рекуперации давления до 70%

• последовательного включения агрегатов в системе на увеличение эффективной (до 30%) рабочей зоны функционирования СРД.

Практическая ценность работы.

Работа выполнялась по планам госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работ Научного центра «Износостойкость» и кафедры Промышленных теплоэнергетических систем Национального исследовательского университета «МЭИ».

Разработанные методы и экспериментальные исследования послужили основой для минимизации потерь и повышения надежности эксплуатации систем теплоснабжения и выработки рекомендаций по эффективной эксплуатации систем рекуперации магистрального давления, функционирующих на теплоэнергетических объектах ОАО «МОЭК», ГУП «ЭВАЖД», НИУ «МЭИ».

Достоверность научных положений и практических результатов.

В работе применялись современные, апробированные на множественных тестовых сравнениях методы расчетных исследований и измерений, обеспечивающие высокую степень точности получаемых результатов. Хорошая согласованность качественных, и, во многих случаях, количественных результатов с расчетными методами и опытными данными других авторов.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на:

1. Заседаниях научно-технического совета Научного центра «Износостойкость» НИУ «МЭИ», 2010 - 2013 гг.;

2. Заседаниях кафедры Промышленных теплоэнергетических систем НИУ «МЭИ», 2010-2013 гг.;

3. XVI Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» 2010 г., Москва, НИУ «МЭИ»;

4. ХЫ Всероссийской научно-практической конференции с элементами научной школы для молодежи. «Федоровские чтения - 2011» Москва, 2011г., НИУ «МЭИ»;

5. Первой и второй Всероссийской научно-практической конференции «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем» - 2010 г., 2012 г., Москва, НИУ «МЭИ»;

Публикации.

По материалам диссертационной работы опубликовано 13 печатных трудов, из них в изданиях по перечню ВАК - 5 статей, 2 доклада, 3 патента на полезную модель.

Автор выражает глубокую благодарность старшему научному сотруднику НЦ «Износостойкость» А.Г. Парыгину и доценту кафедры Промышленных теплоэнегетических систем Яворовскому Ю.В. за ценные консультации и советы, полученные во время выполнения работы.

и

1. Особенности и проблемы эксплуатации систем централизованного тепло- и водоснабжения

В силу географического расположения в Российской Федерации преобладает холодный климат. Крайне низкие зимние температуры определяют среднегодовую температуру по всей территории России —5,5 °С, наша страна является самой холодной страной в мире /87/.

Данный факт показывает, что для России проблема обеспечения потребителей тепловой энергией является одной из важнейших государственных задач с ярко выраженным социальным характером, на решение которой затрачиваются огромные финансовые ресурсы. Рациональное решение этой задачи определяет устойчивое развитие страны.

Данное обстоятельство наглядно демонстрирует, что повышение энергоэффективности и надежности систем теплоснабжения для нашей страны всегда будет являться одной из самых актуальных народно-хозяйственных задач. Повышение эффективности и надежности систем централизованного теплоснабжения неразрывным образом связано с выполнением Федерального закона №261-ФЗ от 23 ноября 2009 г. «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» и Федерального закона № 190-ФЗ «О теплоснабжении» от 27 июля 2010 г.

По критериям термодинамической эффективности централизованное теплоснабжение является самым эффективным способом обеспечения потребителей тепловой энергией /91/.

Известно, что в системах централизованного теплоснабжения при транспортировке теплоносителя затрачивается огромное количество электроэнергии на привод насосов. В частности, в системе централизованного теплоснабжения г. Москвы суммарная установленная мощность сетевых насосов, функционирующих только на тепловых электростанциях ОАО «Мосэнерго», без

учета РТС, КТС, мелких котельных ОАО «МОЭК» и самостоятельных производителей тепловой энергии составляет около 500 МВт /21/.

Другим продуктом, необходимым для жизнедеятельности человека, является вода, потребность в которой обеспечивается на основе хорошо организованной системы водоснабжения.

Система централизованного водоснабжения служит для распределения подачи воды от источника в водоводы под определенным давлением. Наличие в одном распределительном узле нескольких водоводов, требующих различные давления, приводит к необходимости дросселирования отдельных водоводов и, как следствие, к энергетическим и экономическим потерям.

1.1 Проблемы использования избыточного давления рабочих жидкостей и газов р