автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Исследование эффективности использования тепловой энергии промышленными и бытовыми потребителями с внедрением ИТП

На правах рукописи

ГЛУХОВ СЕРГЕЙ ВИТАЛЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ПРОМЫШЛЕННЫМИ И БЫТОВЫМИ ПОТРЕБИТЕЛЯМИ С ВНЕДРЕНИЕМ ИТП

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 2 ДЕН 2010

МОСКВА-2010

004615503

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения (ГОУ ВПО ОмГУПС (ОмИИТ)».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Лебедев Виталий Матвеевич. Официальные оппоненты:

доктор технических наук Сеннова Елена Викторовна, кандидат технических наук Побегаева Галина Александровна.

Ведущая организация:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Сибирская государственная автодорожная академия (СибАДИ).

Защита диссертации состоится 17 декабря 2010 г. в | Vчасов ос-минут, в ауд. 2516 на заседании диссертационного совета Д 218.005.08 при Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 127994, Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИИТа. Автореферат разослан I 7" ноября 2010 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря совета

Ученый секретарь диссертационного совета Д 218.005.08, доктор технических наук, профессор

и--'' Ю.П. Сидоров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. В соответствии с федеральным законом РФ № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности... » от 23 ноября 2009 г. сокращение потребления тепловой энергии во всех отраслях деятельности человека является в настоящее время приоритетной задачей. Основными инструментами повышения энергетической эффективности являются:

1) обязательное создание энергопаспортов для энергоемких потребителей;

2) обязательный учет всех потребляемых энергоресурсов;

3) внедрение дифференцированных тарифов на энергоресурсы;

4) ужесточение норм энергоэффективности для строящихся и реконструируемых объектов.

Одним из основных способов повышения энергоэффективности в системах теплопотребления (что подчеркивает его актуальность) является переход на местное качественно-количественное регулирование путем установки автоматических регуляторов.

На начальном этапе развитие автоматизации теплового потребления промышленных и бытовых потребителей в РФ происходило на базе центральных тепловых пунктов (ЦТП) с суммарной расчетной нагрузкой 12-20 ГДж/ч, далее, с середины 90-х гг. XX в., присоединение вновь строящихся потребителей к тепловым сетям производилось с обязательным внедрением автоматизированных индивидуальных тепловых пунктов (ИТП) с суммарной расчетной нагрузкой до 8 ГДж/ч, обеспечивающих не только экономичность при переходе на количественное регулирование, но и создание комфортных условий для проживания жителей.

Снижение удельного потребления тепловой энергии в целом по жилищно-коммунальной отрасли возможно лишь с комплексным внедрением автоматизированных ИТП, однако практика их эксплуатации показывает различную экономическую и энергетическую эффективность, механизм определения которой в настоящее время еще не выработан.

Целью настоящего исследования является определение зоны экономически эффективного внедрения автоматизации теплового потребления в ре-конструируемых отопительных системах в зависимости от их расчетных тепловых нагрузок, температурных графиков центрального качественного регулирования, а также климатических факторов.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1) проведена качественная оценка существующего состояния в теплоснабжении крупных городов;

2) выполнен анализ предпосылок формирования существующих систем транспорта теплоты и теплопотребления;

3) разработана методика определения величины перерасхода тепловой энергии за отопительный сезон при эксплуатации элеваторных установок присоединения систем отопления к тепловой сети по сравнению с внедрением установок автоматического регулирования теплового потребления при насосном смешении;

4) разработан алгоритм, на основе которого выполнен программный продукт для выбора схемы обвязки оборудования автоматизированного теплового пункта, а также типоразмера используемого оборудования;

5) определена степень экономической эффективности внедрения автоматического регулирования в узлах присоединения систем отопления.

Объектом исследования были тепловые пункты потребителей, оборудованные погодозависимыми регуляторами температуры теплоносителя и насосами смешения.

Методы исследования. Теоретическая часть работы основана на использовании метода статистического моделирования связи на основе корреляционно-регрессионного анализа, гидравлических расчетов- при турбулентном движении жидкости, а также методов экономического анализа.

Научная новизна диссертации состоит в создании научно-практических основ повышения эффективности теплопотребления у абонентов. В работе получены следующие основные результаты:

1) разработана методика, позволяющая аналитически определять величину перерасхода тепловой энергии при эксплуатации отопительных систем с элеваторными узлами смешения по сравнению с системами, оснащенными автоматическим регулированием отопительной нагрузки;

2) на основе действующей нормативно-технической документации разработаны алгоритм и щхнраммный продукт выбора схемного решения обвязки оборудования автоматизированного ИТП, его типоразмера с выбором оборудования;

3) определена экономическая эффективность внедрения автоматического регулирования отопительной нагрузки в тепловых пунктах реконструируемых потребителей.

Достоверность научных положений и результатов исследования подтверждается сопоставлением результатов расчетов с многочисленными экспериментальными данными и экспертными оценками.

Автор защищает:

1) методику определения величины перерасхода тепловой энергии при эксплуатации отопительных систем с элеваторными узлами смешения по сравнению с системами, оснащенными автоматическим регулированием отопительной нагрузки;

2) результаты исследований по предложенной методике в зависимости от местных условий;

3) разработанные алгоритм и программный продукт по выбору схемного решения обвязки оборудования тепловых пунктов, а также по определению его типоразмера;

4) результаты исследований по определению срока окупаемости внедрения автоматического регулирования отопительной нагрузки в тепловых пунктах потребителей в зависимости от величины тепловой нагрузки, температурных графиков регулирования источников теплоснабжения и климатических факторов.

Практическая ценность и реализация результатов исследований

состоит во внедрении разработанного алгоритма и, соответственно, программного продукта при выборе схемы и оборудования автоматизированного теплового пункта, при энергетических обследованиях систем теплопотребле-ния, при проектировании тепловых пунктов.

Разработанный программный продукт апробирован в ЗАО НПП «Ом-энергопром» при внедрении ИТП.

Личный вклад автора определяется тем, что он по существу излагаемых в диссертации вопросов разработал концепцию по определению потерь тепловой энергии при использовании элеваторных схем присоединения систем отопления, прогнозировал эти потери не только в отдельном регионе, но и в целом по России. Эффективность регулирования тепловой нагрузки потребителей изложена в публикациях автора, подтверждена опытом эксплуатации ИТП в системах теплоснабжения.

Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на всероссийских научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатерин-

5

бург, 2006), «Проблемы теплоэнергетики» (Челябинск, 2007, 2009); научно-практической конференции «Инновационные проекты и новые технологии для транспортного комплекса» (Омск, 2010); на расширенных заседаниях кафедры «Теплоэнергетика» ОмГУПСа (Омск, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ (из них одна статья - в издании, рекомендованном ВАКом).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 101 наименования, 12 приложений и содержит 165 страниц основного текста, 50 рисунков и 52 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и научная новизна исследования, предмтавлены практическая значимость результатов и личный вклад автора.

В первой главе рассмотрены состояние теплового хозяйства в целом по России и особенности системы теплоснабжения на примере г. Омска по цепочке «источник - транспорт теплоты - потребление».

Основными производителями тепловой энергии в нашей стране являются источники централизованного теплоснабжения с годовым отпуском тепла порядка 6900 млн ГДж. В России на ТЭЦ и котельные с располагаемой мощностью свыше 84 ГДж/ч приходится около 2/3 от общего полезного отпуска тепла потребителям, а свыше 10 % от суммарного полезного отпуска тепла приходится на котельные средней и малой мощности.

Совокупное потребление тепловой энергии централизованных источников жилищно-коммунальным хозяйством и сферой услуг составляет 40 % от ее полезного отпуска, что выше потребления тепловой энергии промышленностью (27 %).

Централизованным теплоснабжением в г. Омске охвачено около 95 % всех отапливаемых зданий. Доля отпуска тепла от ТЭЦ в Омске несколько выше, чем в среднем по России и составляет 66,4 %, остальная тепловая нагрузка обеспечивается котельными различных форм собственности. В структуре потребления тепловой энергии наибольшую долю занимает сектор ЖКХ (свыше 45 %).

Совокупная протяженность тепловых сетей в России составляет около 175000 км. Из них в настоящее время около 25 % нуждаются в замене. Потери тепловой энергии в отдельных системах теплоснабжения М01уг различаться в несколько раз и в целом по России остаются на уровне не менее 15 %. Основными проблемами систем теплоснабжения в России, в том числе и в

Омске, остаются недостаточность ремонта и резервирования, разноведомст-венность подчинения тепловых сетей в границах отдельно взятого муниципального образования.

Сравнение удельного расхода тепловой энергии на отопление жилых зданий с действующими нормативами в ряде муниципальных образований показывает значительный перерасход (в целом по России - 19,8 %), а удельный расход тепловой энергии превышает нормативный на 18 %. В Омске перерасход тепловой энергии на отопление жилых зданий совпадает со средним по России и составляет 19 %, а на нужды ГВС превышает нормативный на 30%.

Технический потенциал повышения эффективности использования тепловой энергии в целом по России оценивается на уровне 1925 млн ГДж/год, в том числе за счет внедрения систем автоматического регулирования потребляемой нагрузки - 670 млн ГДж/год (около 8 % от общего количества потребленной тепловой энергии).

Во второй главе проведен анализ формирования существующих систем теплоснабжения через развитие научно-технической мысли по следующим направлениям: разработка конструкций прокладок тепловых сетей, изоляции трубопроводов; методы борьбы с коррозией трубопроводов; выбор расчетной температуры теплоносителя и режимов теплоснабжения от источников; разработка схем тепловых сетей; определение тепловой нагрузки подключаемых потребителей; выбор схем присоединения потребителей.

Вопросы режима отпуска тепловой энергии и присоединения потребителей отражены в трудах ученых-теплоэнергетиков В. М. Чаплина, В. В. Дмитриева, Б. М. Аше, А. П. Казанцева, С. Ф. Копьева, Н. К. Громова, Н. М. Зингера, Л. С. Хрилева, Е. Я. Соколова, Я. А. Ковылянского, Е. П. Шубина, А. А. Ионина, Б. В.Яковлева, Е. В. Сенновой и др.

Основными при эксплуатации и проектировании тепловых сетей и систем теплопотребления на протяжении всего этапа исторического развития оставались задачи повышения экономичности и надежности.

Исходя из этого на определенных этапах развития систем теплоснабжения в качестве основного температурного графика отпуска тепловой энергии был принят график качественного регулирования по отопительной нагрузке с расчетной температурой теплоносителя в подающем трубопроводе до 150 °С (температура принята как наиболее экономичная в системах теплоснабжения от ТЭЦ и крупных котельных) и в обратном трубопроводе - 70 °С

7

(значение принято как оптимальное по затратам на сооружение отопительных систем).

Практически с самого начала развития централизованного теплоснабжения в России в качестве основной при присоединении систем отопления к тепловым сетям была принята зависимая схема с элеваторным смешением. Данная схема требовала минимальных затрат при монтаже и в процессе эксплуатации.

Однако постепенное удорожание топливных ресурсов вместе с развитием рынка автоматических регуляторов предопределили переход на местное качественно-количественное регулирование как более экономичное с установкой насосов смешения и автоматических регуляторов температуры.

В отличие от схем присоединения систем отопления развитие схем присоединения систем ГВС происходило по двум направлениям: открытое присоединение, как наиболее дешевое при монтаже и эксплуатации, и закрытое различных конструкций - более капиталоемкое, но обеспечивающее минимально возможный пропуск сетевой воды в тепловой сети и стабильность гидравли-ческих режимов.

Законодательно переход на местное качественно-количественное регулирование отопительной нагрузки был оформлен с середины 90-х гг. XX в. и затрагивал инженерную инфраструктуру вновь возводимых зданий, тогда как значительная часть действующих жилых зданий в России, ранее присоединенных к системам централизованного теплоснабжения (до 80 %), оборудована элеваторными узлами присоединения систем отопления с постоянным коэффициентом смешения.

В третьей главе представлена разработанная методика определения перерасхода тепловой энергии при эксплуатации отопительных систем с элеваторными узлами смешения по сравнению с системами, оснащенными автоматическим регулированием отопительной нагрузки; на основе действующей нормативно-технической документации предложены алгоритм и программный продукт определения схемного решения обвязки оборудования теплового пункта и выбора его типоразмера.

Методика определения величины перерасхода тепловой энергии исходит из того, что основным недостатком при эксплуатации элеваторных узлов в системах теплоснабжения является постоянный коэффициент смешения теплоносителя. При центральном качественном регулировании по отопительной нагрузке в тепловых сетях, обеспечивающих подачу теплоносителя со-

вместно для систем отопления и ГВС, минимальная температура теплоносителя на выходе от источника теплоснабжения должна поддерживаться на уровне не ниже 70 °С. В то же время при определенной температуре наружного воздуха согласно расчетным формулам температура теплоносителя в подающем трубопроводе может быть ниже 70 °С (особенно в осенний и весенний периода), поэтому теплоноситель подается в систему отопления с завышенной температурой и в течение значительного периода времени наблюдается перегрев отапливаемых помещений.

Одним из путей сокращения перегрева помещений является организация местного качественно-количественного регулирования температуры теплоносителя в тепловых пунктах присоединяемых потребителей.

В общем случае минимально возможное снижение потребления тепловой энергии при замене узлов присоединения систем отопления с элеваторным присоединением на узлы с автоматическим регулированием расхода и температуры теплоносителя можно определить при рассмотрении графика продолжительности сезонной тепловой нагрузки на отопление и температурного графика теплосети (рис. 1 и 2).

V

/

1 \ Ай 2

1 1 1

1 ! 1 1

и и. Г*. -10 -20 -30-37 • г ......... 1 " 00 20 п 00 30 ч- 10 40 )0 50( 0Пк.ее.

-30 -20 -10 \

с. \

л 0 ь. N \

Рис. 1. Построение графика продолжительности сезонной тепловой нагрузки на отопление при элеваторном присоединении систем отопления: п (^ - суммарный график продолжительности стояния наружной температуры, ДО - величина перерасхода тепловой энергии.

На рис.1 представлено построение графика продолжительности сезонной тепловой нагрузки на отопление для условий г, Омска при элеваторном присоединении систем отопления: 1 и 2 - действительные графики зависимости тепловой нагрузки на отопление от температуры наружного воздуха и продолжительности сезонной тепловой нагрузки; 3 и 4 - требуемое значение часовой и годовой нагрузки в диапазоне температур [t„x; tlaJ.

В левом верхнем квадранте рис. 1 построен график часового потребления тепловой энергии. Максимальное значение часового потребления соответствует расчетной тепловой нагрузке, которую можно найти из формулы, ГДж/ч:

Qop= х св(т1р - т2р) х 10'3, (1)

где GCB - расход сетевой воды, необходимый для передачи требуемого количества тепла, т/ч; т1р и х2р - расчетная температура теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах,°С; с„ - теплоемкость теплоносителя, кДж/(кг°С).

Минимальное значение часового потребления соответствует области наружной температуры от tliK- температуры начала/окончания отопительного периода до tH„ - температуры в точке излома температурного графика.

В период стояния данной наружной температуры температура теплоносителя в подающем трубопроводе поддерживается на уровне 70 °С, а в обратном трубопроводе - на уровне температуры т2и соответствующей значению по температурному графику в точке излома (рис. 2).

Минимальное значение часового потребления тепловой энергии на отопление определяется по формуле, ГДж/ч:

В диапазоне наружных температур [t„K ;t,»J требуемый часовой расход тепловой энергии на отопление ниже минимального значения (прямая 1 на рис. 1) определяется он по выражению, ГДж/ч:

Qo = Gcb-C.(t1-T2)-10-3, (3)

где ri и т2 - температуры теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах, принимаемая по графику центрального регулирования отопительной нагрузки без срезки на ГВС (1 и 2 на рис. 2), °С.

Tin <->Т2н

у

J-/

У' >' 2 1 1

1 1

Tlp

0.75

I2p

tHK

0 tHK -10

t»-C —

-20

-30

-37

S 0,0

. 01«' içy

0.25

Qui;

0

V

ч \ а= м

а ÂSL с

l 1

* 1 1

е

1000

2000 3000 n,4 —

4000 5000 BMtiOOO -=»

Рис. 2. Температурный график теплосети для климатических условий г. Омска: 1 и 2 — требуемое изменение температуры теплоносителя в теплосети в диапазоне температур [tm ;tHa].

Рис. 3. Интегральный график зависимости величины относительной тепловой нагрузки отопления от продолжительности отопительного периода.

В правом верхнем квадранте рис. 1, на основе данных климатических наблюдений о продолжительности стояния наружной температуры построен график продолжительности сезонной нагрузки на отопление. Площадь Д(2 на графике характеризует искомую величину перерасхода тепловой энергии, выраженную в ГДж/год.

Расчет величины перерасхода тепловой энергии за отопительный сезон, ГДж/год, целесообразно производить для относительной тепловой нагрузки - ГДж/ч

отопления О,-, определяемой из формулы тепловых потерь здания,

ГДж/ч

предложенной проф. Н. С. Еромолаевым: — О

О = = р

<5ор

(4)

где Ц, - усредненная расчетная температура внутреннего воздуха, принимается по действующим нормам проектирования; Ц - расчетная температура наружного воздуха для проектирования систем отопления, принимается согласно действующим нормам проектирования, °С; ^ - текущая температура наружного воздуха, °С.

На рис. 3 представлен график продолжительности сезонной относительной нагрузки на отопление, величина удельного перерасхода тепловой энергии Д<3, ГДж/(ГДж/ч), будет эквивалентна площади заштрихованной фи-

гуры Ь-с-с1-/-Ь, которую можно определить аналитически, воспользовавшись геометричес-ким смыслом определенного интеграла. Для этого необходимо выбрать функцию, по которой будет проводиться интегрирование, а также пределы инте1рирования.

Для нахождения функции интегрирования воспользуемся данными климатических наблюдений о средней продолжительности периода с температурой воздуха различных градаций за отопительный сезон. Например, для г. Омска также данные сведены в табл. 1.

Таблица 1

Продолжительность стояния наружной температуры за отопительный _сезон для г. Омска_

Диапазон температур наружного воздуха и "С Ниже -40 Ниже -32 Ниже -24 Ниже -16 Ниже -8 Ниже -4 Ниже 0 Ниже 4 Ниже 10

Количество часов стояния п,ч 9 167 561 1376 2595 3252 3576 4804 5826

Монотонно возрастающая зависимость числа часов стояния наружной температуры от температуры наружного воздуха ниже рассматриваемой описывается полиномом 6-й степени:

n(tH) = а0 + а, • tH + а2 • tj; + а3 • t* + а4 • + а5 • 4 + а6 ■ t* (5)

где ао, ai, аг, аз, гц, as, а« - коэффициенты полинома, которые были определены с помощью регрессионного анализа на основе программного продукта Microsoft Excel 2007, для г. Омска полученные данные сведены в табл. 2.

Таблица 2

Коэффициенты полинома, характеризующие закон изменения продолжительности стояния температур наружного воздуха в г. Омске, и значения

коэффициента детерминации

ао ai аг аз Э4 as 36 Коэффициент детерминации

4016,6 189,77 0,63 -0,09 -0,003 -8,39-Ю-5 -l.OÖ-lO"6 0,999847

Вычислив из уравнения (4) значение текущей температуры наружного воздуха и подставив в формулу (5), получим зависимость количества часов стояния наружной температуры ниже данной от относительной тепловой нагрузки

+а4(0Ч) -Ч)-0))4+а5»вр -^)-0))5 +а6((г„<6>

Таким образом, площадь а-Ь-/-с1-е-а под кривой п((}) на рис. 3 можно найти по выражению:

Они

|п(0)с1С>, (7)

Оме

где С? ж - значение относительной тепловой нагрузки при температуре наружного воздуха соответствующей началу/окончанию отопительного сезона (принимается по нормативно-технической документации); <311И - значение относительной тепловой нагрузки при температуре наружного воздуха ^ соответствующей точке излома температурного графика (см. рис. 2) определяется из уравнения, характеризующего зависимость температуры прямой сетевой воды Т1 в тепловых сетях при качественном регулировании по отопительной нагрузке, °С:

т,=1вр+дг:-д08+(5т;-^).д, (8)

где Зр 2р- - 1вр- температурный напор отопительных приборов в

расчетном режиме; 8тд= т1р -т2р-расчетный перепад температуры сетевой воды в подающем и обратном трубопроводах; ®'=т3р -т2р - расчетный перепад температур теплоносителя в нагревательных приборах потребителей; т1р,т2р,т3р- расчетная температура теплоносителя в подающем, обратном трубопроводах и после смесительного устройства (элеватора).

Искомую площадь Ь-с-<1-/- Ъ, соответствующую величине перерасхода тепловой энергии ЛС>, найдем из выражения, ГДж/(ГДж/ч):

= ^с-м-ь = - или (9)

Они Они Они

А0=_/пвь«10-п^^п^х^-^)-_} П(д)а0, (10)

Омк §ик

где пос - продолжительность отопительного сезона, принимаем по уравнению (5) на основе значения температуры наружного воздуха 1нк.

После интегрирования запишем окончательное выражение для определения величины перерасхода тепловой энергии, ГДж/(ГДж/ч):

AQ=MQ» - Q„k) - ~ (ао(1в» - U+- о+

вр нор ~

<)+f(C <)+f(ti-t5j+|(tL-t7j)) (11)

По предложенной методике был произведен расчет величины перерасхода тепловой энергии за отопительный сезон при эксплуатации систем отопления с элеваторным смешением теплоносителя присоединенных к тепловым сетям источников теплоснабжения с температурными графиками качественного регулирования отопительной нагрузки 150/70 "С, 140/70 °С, 130/70 °С, 115/70 °С, 105/70 °С и 95/70 °С для 39 населенных пунктов России с населением свыше 100 тыс. человек, наиболее полно характеризующих климатические условия в России. По результатам расчета был составлен рейтинг населенных пунктов по величине перерасхода тепловой энергии за отопительный сезон. Так, при температурном графике качественного регулирования величина перерасхода за отопительный сезон AQ на 1 ГДж/ч присоединенной отопительной нагрузки для г. Якутска составила 304,1 ГДж, для Омска - 221,5 ГДж, доя Москвы — 182,9 ГДж.

Далее проведен анализ процесса проектирования установок присоединения потребителей к тепловым сетям. Данный процесс рассмотрен в два этапа: выбор схемного решения обвязки оборудования теплового пункта и выбор типоразмера данного оборудования.

На выбор схемного решения и состава оборудования для конкретного теплового пункта оказывают влияние следующие факторы: тепловая нагрузка присоединяемых систем теплоиспользования; гидравлический режим тепловой сети в точке присоединения тешювого пункта; график регулирования температуры теплоносителя в системе централизованного теплоснабжения; тепловые и гидравлические особенности работы систем теплоснабжения в межотопительный период; гидравлическое сопротивление теплоиспользующих систем и температурные режимы их работы; схема распределения теплоносителя по тепловым сетям; геометрические характеристики отапливаемых зданий.

В результате анализа влияния данных факторов на формирование схемного решения обвязки оборудования, с учетом требований действующей нормативно-технической документации, был составлен алгоритм выбора схемы теплового пункта (рис. 4).

Рис. 4. Блок-схема алгоритма выбора схемного решения увязки оборудования теплового пункта: <5гес, (20Т - расчетная нагрузка на ГВС и отопление; Изд - высота присоединяемого здания; Р], Рг, Р* - давление в подающем и обратном трубопроводе теплосети; статическое давление теплосети

Данная блок-схема позволяет однозначно определить формирование функциональной схемы автоматизированного теплового пункта по следующим блокам (рис. 5):

Рис. 5. Схема увязки оборудования теплового пункта. В результате анализа влияния исходных данных на типоразмер оборудова-

ния был разработан алгоритм выбора оборудования теплового пункта, упрощенная структурная схема которого приведена на рис. 6.

Вспомогательные обозначения, применяемые на рис.4, сведены в табл. 3.

Таблица 3

Вспомогательные обозначения.

Обозначение на блок-схеме Описание

Для блока ввода и учета

а= 1 При закрытой схеме ГВС и зависимой схеме присоединения отопления

а= 2 При открытой схеме ГВС и зависимой схеме присоединения отопления

а = 3 При закрытой схеме ГВС и независимой схеме присоединения отопления

а = 4 При открытой схеме ГВС и независимой схеме присоединения отопления

Для блока согласования давлений

Ь = 1 Ь = 2 Блок в составе регулятора-перепада давлений Блок без дополнительного оборудования

Ь = 3 Ь = 4 Ь = 5 Блок в составе регулятора-перепада давлений, обратным клапаном, регулятором давления «до себя» Блок в составе регулятора-перепада давлений и регулятором давления «до себя» Блок в составе регулятора давления «до себя» и обратного клапана

Для блока присоединения вентиляции

с= 1 Присутствует с=2 Отсутствует

Для блока присоединения ГВС

По открытой схеме

<1 = 2 По закрытой одноступенчатой схеме

<1=3 По закрытой двухступенчатой схеме

<1 = 4 По закрытой одноступенчатой схеме с трубопроводами летнего ГВС

<1 = 5 По закрытой двухступенчатой схеме с трубопроводами летнего ГВС

Для блока приеоединения отопления

е = 1 По зависимой схеме

е = 2 По независимой схеме с подгоггочным насосом е = 3 По независимой схеме без подпиточного насоса

Рисунок 6 - Блок-схема алгоритма выбора оборудования теплового пункта

В четвертой главе на основе программного продукта, реализующего разработанные алгоритмы выбора схемного решения и оборудования, произведен подбор оборудования блока присоединения отопления по зависимой схеме в диапазоне расчетных нагрузок отопления 0,1 - 8 ГДж/ч при отпуске тепловой энергии источниками с температурными графиками качественного регулирования отопительной нагрузки 150/70 °С, 140/70 °С, 130/70 °С, 115/70 °С,105/70 °С и 95/70 °С. По каталогам фирм-производителей была определена стоимость данного оборудования и с учетом действующих сметных норм и правил определена стоимость монтажа для ранее рассматриваемых населенных пунктов; определены сроки окупаемости рассматриваемого оборудования в системах теплоснабжения населенных пунктов при централизованном теплоснабжении от источников с различными температурными графиками качественного регулирования по отопительной нагрузке; рассмотрен расчет окупаемости комплексного внедрения автоматизированных узлов присоединения систем отопления по зависимой схеме в тепловых пунктах существующих потребителей, оборудованных элеваторными узлами присоединения систем отопления.

Окупаемость мероприятий по внедрению автоматического регулирования; отопительной нагрузки в тепловых пунктах реконструируемых потребителей в зависимости от величины тепловой нагрузки потребителей, температурных графиков регулирования источников теплоснабжения, а также климатических факторов была определена из следующих выражений.

1) Ежегодный расчетный промежуточный доход за счет экономии энергоресурсов в течение всего срока эксплуатации оборудования автоматизированного теплового пункта определяется по формуле, тыс. р.:

ЛД^ДСКС;, (12)

где Ст - стоимость 1 ГДж тепловой энергии по регионам в текущих ценах, принята по данным Региональных энергетических комиссий, тыс.р.

2) Срок окупаемости инвестиций с учетом дисконтирования поступающих доходов, лет:

т ^ЬЕ-г-Тр) ПЗ)

1п(1+т) • U j

где г = 0,1 - норма дисконта, принимается согласно ставке рефинансирования Центробанка; Т0 - бездисконтный срок окупаемости, определяемый по формуле:

Т„ = К/ДД, (14)

где К - капитальные затраты, приняты как суммарная стоимость оборудования блока присоединения отопления и его монтажа.

В результате для 39 крупнейших населенных пунктов РФ была рассчитана окупаемость внедрения автоматического регулирования отопительной нагрузки при присоединении потребителей с расчетной нагрузкой отопления в диапазоне 0,1-8 ГДж/ч к тепловым сетям с температурными графиками качественного регулирования - 150/70 °С, 140/70 °С, 130/70 °С, 115/70 °С,105/70 °С и 95/70 °С.

Данные по окупаемости рассматриваемых мероприятий для Омска, Якутска и Москвы при температурном графике качественного регулирования источника теплоснабжения 130/70 °С приведены в табл. 4.

Таблица 4

Окупаемость инвестиций при внедрении автоматического регулиро-__вания в отопительных системах _

Срок окупаемости Населенные пункты

Омск Якутск Москва

менее 1 года 1 -2 года 2-3 года 3-4 года 4-5 лет 5-6 лет более 6 лет 5,8-6.36; 7,1-8,0 2,71-5,79 1,8-2,7 1,44-1,79 1,15-1,43 <1,15 3,43 - 8,0 1,4-3,42 0,87-1,39 0,66-0,86 0,47 - 0,65 <0,46 4,3 -8,0 2,4-4,29 1.7-2,39 1,47-1,69 1.08-1,46 <1,08

При расчете экономической эффективности комплексного внедрения автоматизированных узлов присоединения систем отопления по зависимой схеме за аналог была принята система теплоснабжения от муниципальной котельной г. Омска обеспечивающая тепловой энергией потребителей с суммарной нагрузкой 129,6 ГДж/ч по температурному графику качественного регулирования 130/70 °С.

В результате расчета срок окупаемости мероприятий по внедрению у потребителей 33 автоматизированных узлов присоединения систем отопления составил 5,3 года, а суммарное сокращение отпуска тепла потребителям - около 11300 ГДж/год, или 330 т.у.т.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведена качественная оценка существующего состояния в теплоснабжении крупных городов и выполнен анализ функционального развития тепловых сетей и систем теплопотребления.

2. Разработана методика определения перерасхода тепловой энергии при эксплуатации отопительных систем с элеваторными узлами смешения по сравнению с системами, оснащенными погодозависимыми регуляторами температуры теплоносителя и насосами смешения. Разработанная методика позволяет производить ранжирование населенных пунктов по величине перерасхода тепловой энергии за определенный промежуток времени в зависимости от климатических условий (особенно в осенний и весенний периоды).

3. На основании действующей нормативно-технической документации разработаны блок-схема алгоритма и программный продукт выбора схемы автоматизированного теплового пункта с выбором оборудования.

4. Определена экономическая эффективность ИТП в реконструируемых системах теплопотребления промышленных и бытовых потребителей (в частности, при температурных графиках регулирования с расчетной температурой в подающем трубопроводе менее 130 °С окупаемость мероприятий по внедрению автоматизации отопительной нагрузки для значительной части промышленных и бытовых зданий составляет не более 4 лет), изложен системный подход к решению задачи эффективного использования энергоресурсов. Использование (прогнозная оценка) программного продукта позволяет дать оценку экономии энергоресурсов как в целом по России, так и в каждом регионе.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Глухов С. В. Организация систем теплоснабжения с учетом современных технологий / С. В. Глухов// Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: Материалы всерос. науч.-техн. конф. (Уральский гос. техн. ун-т. Екатеринбург, 2006. С. 52,53.

2. Ресурсосбережение как стратегия развития стационарной теплоэнергетики на железнодорожном транспорте / В. М. Лебедев, С. В. Глухов и др.// Локомотив-информ. 2007. № 7. С. 14 - 17.

3. Глухов С. В. Модернизация тепловых схем промышленных предприятий с учетом схемы теплоснабжения города/ С. В. Глухов// Проблемы теплоэнергетики: Материалы всерос. науч.-техн. конф. / ЮжноУральский гос. ун-т. Челябинск, 2007. С. 37,38.

4. Лебедев В. М. Ресурсосбережение как стратегия развития ста-

ционарнойтеплоэнергетики на железнодорожном транспорте / В. М. Лебедев,

А. И. Володин, С. В. Глухов // Сборник докл./ МИИТ, 2008. С. 140 - 146.

5. Глухов С. В. Влияние температурного графика на экономичность работы потребителей промышленных предприятий / С. В. Глухов // Проблемы теплоэнергетики: Материалы всерос. науч.-техн. конф. / ЮжноУральский гос. ун-т. Челябинск, 2009. С. 49 - 51.

6. Глухов С. В. Вопросы развития систем теплоснабжения крупных городов / С. В. Глухов//Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта: сб. науч. статей аспирантов и студентов университета / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2009. Вып. 9. С. 43 - 47.

7. Лебедев В. М. Перевод теплоэнергетики промышленного предприятия на комбинированный способ производства тепловой и электрической энергии/В. М. Лебедев, В. В. Овсянников, С. В. Глухов //Те-плофизические основы энергетических технологий: Материалы регион, науч,-практ. конф. / Томский политехи, ун-т, 2009. С. 114 -120.

8. Стариков А. П. Модернизация систем теплоснабжения объектов железнодорожного транспорта / А. П. Стариков, С. В. Глухов,

A. Ю. Финиченко//Труды всерос. науч.-практ. конф. «Транспорт 2009»/ Ростовский гос. ун-т путей сообщения. Ростов-на-Дону, 2009. Ч. 3. С. 327 -329.

9. Глухов С. В. Оценка эффективности использования тепловой энергии в системах теплопотребления жилых зданий г. Омска / С. В. Глухов // Инновационные проекты и технологии в транспортной отрасли и промышленности: Сб. науч. статей аспирантов и студентов университета / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2010. Вып. 11. С. 12 - 17.

Ю.Лебедев В. М. О модернизации промышленной теплоэнергетики/В. М. Лебедев, С. В. Глухов, Е. В. Тимошина//Промышленная энергетика. 2010. № 3. С. 2 - 6.

И.Глухов С. В. Исследование степени эффективности внедрения автоматического регулирования в отопительных системах / С. В. Глухов,

B. М. Лебедев// Известия Транссиба. 2010. № 2. С. 64-70.

Глухов Сергей Витальевич

Исследование эффективности использования тепловой энергии промышленными и бытовыми потребителями с внедрением ИТП

05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

Подписано в печать н ,3-С'С Усл. пвч. л. /, ^ Заказ .у'УЗ

Формат бумаги 60x90 1/16 Тираж 80 экз.

127994, ул. Образцова, д.9, стр.9, УПЦ ГИ МИИТ 23

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СТРУКТУРА ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ В РОССИИ И В

КРУПНОМ ГОРОДЕ НА ПРИМЕРЕ Г. ОМСКА.

1.1 Анализ степени покрытия тепловых нагрузок от разноведомственных источников тепловой энергии.

1.2 Характеристика действующих систем передачи тепла потребителям.

1.3 Анализ эффективности использования тепловой энергии бытовыми потребителями.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ ДЕЙСТВУЮЩИХ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ.

2.1 Постановка задачи.

2.2 Системы передачи тепловой энергии.

2.2.1 Разработка конструкций прокладок тепловых сетей и изоляционных конструкций теплопроводов.

2.2.2 Методы борьбы с коррозией трубопроводов.

2.2.3 Выбор расчетных температур теплоносителя. Режимы теплоснабжения от источников тепловой энергии.

2.2.4 Разработка схем тепловых сетей.

2.3 Развитие систем теплопотребления.

2.3.1 Определение тепловых нагрузок подключаемых потребителей.

2.3.2 Выбор схем присоединения потребителей.

ГЛАВА 3. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМ ТЕПЛОИСПОЛЬЗОВАНИЯ.

3.1 Методика определения величины перерасхода тепловой энергии за отопительный сезон при эксплуатации элеваторных узлов присоединения систем отопления.

3.1.1 Определение температуры наружного воздуха в точках излома температурных графиков центрального качественного регулирования для климатических условий городов РФ.

3.1.2 Определение величины перерасхода тепловой энергии за отопительный сезон при присоединении систем отопления с помощью элеваторов.

3.1.3 Ранжирование населенных пунктов по величине перерасхода тепловой энергии на 1 ГДж/ч присоединенной отопительной нагрузки.

3.2 Методика подбора оборудования автоматизированных индивидуальных тепловых пунктов.

3.2.1 Анализ технических факторов влияющих на выбор схемного решения индивидуального теплового пункта.

3.2.2 Алгоритм выбора схемного решения увязки оборудования теплового пункта.

3.2.3 Анализ технических факторов влияющих на выбор типоразмеров оборудования теплового пункта.

3.2.4 Алгоритм подбора оборудования теплового пункта.

3.2.5 Разработка программы выбора схемы и состава оборудования теплового пункта.

ГЛАВА 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВНЕДРЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ОТОПИТЕЛЬНОЙ НАГРУЗКИ

В РЕКОНСТРУИРУЕМЫХ ТЕПЛОВЫХ ПУНКТАХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ.

4.1 Определение состава оборудования блока присоединения систем отопления по зависимой схеме в зависимости от расчетной отопительной нагрузки и температурных графиков регулирования тепловой нагрузки.

4.2 Определение сроков окупаемости при внедрении автоматизации отопительной нагрузки при реконструкции тепловых пунктов потребителей.

4.3 Расчет окупаемости мероприятий по комплексному внедрению автоматизации отопительной нагрузки.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ.

Актуальность исследования. В соответствии с федеральным законом РФ № 261 -ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности. » от 23 ноября 2009 г. сокращение потребления тепловой энергии во всех отраслях деятельности человека является в настоящее время приоритетной задачей. Основным инструментом повышения эффективности является:

1) обязательное создание энергопаспортов для энергоемких потребителей;

2) обязательный учет всех потребляемых энергоресурсов;

3) внедрение дифференцированных тарифов на энергоресурсы;

4) ужесточение норм энергоэфективности для строящихся и реконструируемых объектов.

Одним из основных способов повышения энергоэффективности в системах теплопотребления, и что подчеркивает его актуальность, является переход на местное качественно-количественное регулирование путем установки автоматических регуляторов.

На начальном этапе развитие автоматизации теплового потребления промышленных и бытовых потребителей в РФ происходило на базе центральных тепловых пунктов (ЦТП) с суммарной расчетной нагрузкой (12-20 ГДж/ч), далее с середины 90-х годов XX века присоединение вновь строящихся потребителей к тепловым сетям производится с обязательным внедрением автоматизированных индивидуальных тепловых пунктов (ИТП) с суммарной расчетной нагрузкой до 8 ГДж/ч, обеспечивающих не только экономичность при переходе на количественное регулирование, но и создание комфортных условий для проживания жителей.

Снижение удельного потребления тепловой энергии в целом по жилищно-коммунальной отрасли возможно лишь с комплексным внедрением автоматизированных ИТП, однако практика их эксплуатации показывает различную экономическую и энергетическую эффективность, механизм определения которых в настоящее время еще не выработан.

Целью настоящего исследования является определение зоны экономически эффективного внедрения автоматизации теплового потребления в реконструируемых отопительных системах в зависимости от их расчетных тепловых нагрузок, температурных графиков центрального качественного регулирования, а также климатических факторов.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1) проведена качественная оценка существующего состояния в теплоснабжении крупных городов;

2) выполнен анализ предпосылок формирования существующих систем транспорта теплоты и теплопотребления;

3) разработана методика определения величины перерасхода тепловой энергии за отопительный сезон при эксплуатации элеваторных установок присоединения систем отопления к тепловой сети по сравнению с внедрением установок автоматического регулирования теплового потребления при насосном смешении;

4) разработан алгоритм, на основе которого выполнен программный продукт для выбора схемы обвязки оборудования автоматизированного теплового пункта, а также типоразмера используемого оборудования;

5) определена степень экономической эффективности внедрения автоматического регулирования в узлах присоединения систем отопления.

Объектом исследования были тепловые пункты потребителей, оборудованные погодозависимыми регуляторами температуры теплоносителя и насосами смешения.

Методы исследования. Теоретическая часть работы основана на использовании метода статистического моделирования связи на основе корреляционно-регрессионного анализа, гидравлических расчетов при турбулентном движении жидкости, а также методов экономического анализа.

Научная новизна диссертации состоит в создании научно-практических основ повышения эффективности теплопотребления у абонентов. В работе получены следующие основные результаты:

1) разработана методика, позволяющая определять аналитически величину перерасхода тепловой энергии при эксплуатации отопительных систем с элеваторными узлами смешения, по сравнению с системами, оснащенными автоматическим регулированием отопительной нагрузки;

2) на основе действующей нормативно-технической документации разработан алгоритм и программный продукт выбора схемного решения обвязки оборудования автоматизированного ИТП, его типоразмера с выбором оборудования;

3) определена экономическая эффективность внедрения автоматического регулирования отопительной нагрузки в тепловых пунктах реконструируемых потребителей.

Достоверность научных положений и результатов исследования подтверждается сопоставлением результатов расчетов с многочисленными экспериментальными данными и экспертными оценками, а также опытом эксплуатации ИТП блочного типа, внедренными ЗАО Hi 111 «Омэнергопром» в тепловых пунктах ряда потребителей г. Омска.

Автор защищает:

1) методику определения величины перерасхода тепловой энергии при эксплуатации отопительных систем с элеваторными узлами смешения по сравнению с системами, оснащенными автоматическим регулированием отопительной нагрузки;

2) результаты исследований по предложенной методике в зависимости от местных условий;

3) разработанный алгоритм и программный продукт по выбору схемного решения обвязки оборудования тепловых пунктов, а также определению его типоразмера;

4) результаты исследований по определению срока окупаемости внедрения автоматического регулирования отопительной нагрузки в тепловых пунктах потребителей в зависимости от величины тепловой нагрузки, температурных графиков регулирования источников теплоснабжения, а также климатических факторов.

Практическая ценность и реализация результатов исследований состоит во внедрении разработанного алгоритма и соответственно программного продукта при выборе схемы и оборудования автоматизированного теплового пункта, при энергетических обследованиях систем теплопотребления, при проектировании тепловых пунктов.

Разработанный программный продукт апробирован в ЗАО HI 111 «Омэнергопром» при внедрении ИТП.

Личный вклад автора определяется тем, что он, по существу излагаемых в диссертации вопросов, лично разработал концепцию по определению потерь тепловой энергии при использовании элеваторных схем присоединения систем отопления, прогнозировал эти потери не только в отдельном регионе, но и в целом по России. Эффективность регулирования тепловой нагрузки потребителей изложена в статьях и научных сборниках, подтверждена опытом эксплуатации ИТП в системах теплоснабжения.

Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на всероссийских научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2006), «Проблемы теплоэнергетики» (Челябинск, 2007, 2009); научно-практической конференции «Инновационные проекты и новые технологии для транспортного комплекса» (Омск, 2010); на расширенных заседаниях кафедры «Теплоэнергетика» ОмГУПСа (Омск, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ (из них одна статья - в изданиях, рекомендованных ВАКом).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 101 наименования, 12 приложений и содержит 165 страниц основного текста, 50 рисунков и 52 таблицы.