автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Оптимизация энергосберегающих мероприятий по повышению надежности систем централизованного теплоснабжения

005004115

Сорокин Алексей Михайлович

ОПТИМИЗАЦИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ МЕРОПРИЯТИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Специальность: 05.14.14. - Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 1 ДЕК 2011

Улан-Удэ 2011

005004115

Работа выполнена на кафедре «Электрофикация и автоматизация сельского хозяйства» ФГОУ ВПО «Бурятская государственная сельскохозяйственная академия им.

В.Р. Филиппова»

Научный руководитель: Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Дамбиев Цырен Цыдэнович кандидат технических наук, доцент Балдаев Владимир Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Степанов Владимир Сергеевич

Ведущая организация:

кандидат технических наук Батухтин Андрей Геннадьевич Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ)

Защита состоится 16 декабря 2011 года в 14-00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.039.03 при Восточно - Сибирском государственном университете технологий и управления по адресу: 670013, г.Улан-Удэ, ул.Ключевская, 40 «В», ВСГУТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Восточно -Сибирского государственного университета технологий и управления. Автореферат разослан «/,9 » ноября 2011 года.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

Б.Б. Бадмаев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В настоящее время основной проблемой эксплуатации систем централизованного теплоснабжения от ТЭЦ является недопустимо высокий уровень износа теплоэнергетического оборудования и трубопроводов, что приводит к низкой надежности теплоснабжения. Поэтому сейчас актуальны исследования, направленные на создание систем защиты от повышенного давления и внедрение современных энергосберегающих технологий теплоснабжения.

Опыт эксплуатации систем теплоснабжения показывает, что резкие колебания давления могут привести к разрушению тепловой сети, функциональному отказу трубопроводной арматуры, насосов и даже к полному выходу из строя не только насосных станций, но и источников теплоснабжения, особенно в условиях износа оборудования.

Аварии, возникающие при резком повышении давления, наносят существенный экономический ущерб, вследствие затрат на их ликвидацию и перерывов в подаче тепла. В связи с этим важным становится вопрос защиты насосных станций, тепловых сетей, центральных тепловых пунктов от резкого повышения давления, а также обеспечение надежности теплоснабжения за счет возобновляемых источников энергии и энергосберегающих технологий.

Нестационарные процессы в системах теплоснабжения относятся к сложным динамическим процессам, которые определяются многообразными факторами, учет влияния которых затруднен.

Указанные обстоятельства создают необходимость дальнейшего развития натурных и численных методов исследования нестационарных процессов, а также внедрение современных энергосберегающих систем для автоматического регулирования теплоснабжения.

Целью работы является оптимизация энергосберегающих мероприятий по повышению надежности систем централизованного теплоснабжения. Для достижения указанной цели поставлены задачи:

1. Провести экспериментальное и теоретическое исследование нестационарных процессов в системах теплоснабжения от ТЭЦ.

2. Разработать методику расчета нестационарного гидравлического режима с учетом особенностей эксплуатации систем теплоснабжения ТЭЦ.

3. Провести испытания с комплексом мероприятий по защите от повышенного давления систем теплоснабжения ТЭЦ.

' 4. Усовершенствовать методику проведения экспериментов по регистрации основных причин повышения давления, возникающих при отключении одного или нескольких насосных агрегатов на действующих насосных станциях тепловых сетей и систем

теплопотребления.

5. Разработать рекомендации по внедрению современных энергосберегающих технологий в тепловых сетях и у потребителей.

Научная новизна работы.

- Разработана методика проведения натурных экспериментов по исследованию нестационарных процессов на действующих сетях систем теплоснабжения.

- Предложена методика расчета нестационарного гидравлического режима с учетом особенностей трубопроводной системы теплоснабжения от ТЭЦ.

- Разработан стенд для натурных испытаний систем защиты потребителей от повышенного давления на базе блочного теплового пункта.

- Разработана гидравлическая система защиты потребителя от превышения давления в тепловой сети.

Практическая ценность работы.

Предложены рекомендации для внедрения комплекса мероприятий по защите систем теплоснабжения на основе энергосберегающих технологий.

Для повышения надежности теплоснабжения города Улан-Удэ внедрена солнечная водонагревательная установка.

Результаты диссертации использованы для расчетов тепловых сетей г.

Улан-Удэ.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

- методика проведения натурных экспериментов по регистрации основных причин повышения давления, возникающих при отключении одного или нескольких насосных агрегатов на действующих насосных станциях ТЭЦ, тепловых сетей и систем теплоснабжения.

- система защиты потребителя на основе оптимизации

энергосберегающих мероприятий.

- гидравлическая система защиты потребителя от повышения давления .

- солнечная водонагревательная установка, позволяющая индивидуально обеспечить горячим водоснабжением отдельные объекты ЖКХ при аварийном отключении централизованного теплоснабжения.

Методология и достоверность исакедований.

В качестве инструментов решения поставленных задач использовались численные методы расчёта инженерных сетей, математические методы решения уравнений гидравлики и физики, использование пакетов прикладных программ.

Применение апробированных методов и программ определяет достоверность исследований.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы теплоэнергетики» (г. Челябинск, ЮУрГУ,2007г.), на 2-й международной научно-практической конференции (г. Санкт-Петербург 2010 г.), на 7-й Китайско-Российско-Монгольской научно-технической конференции (г. Маньчжурия, КНР, 2010г.), на научной конференции преподавателей, научных работников и аспирантов (г. Улан-Удэ, ВСГТУ, 2007-20 Юг.г.), на международной научно-практической конференции посвященной 80-летию БГСХА (г. Улан-Удэ, БГСХА, 2011г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и рекомендаций, списка литературы и 3 приложений. Объем работы 108 страниц, она содержит 2 таблицы и 25 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель и задачи исследования, приведены основные положения научной новизны полученных результатов и их практическая значимость.

В первой главе рассматривается анализ работы систем теплоснабжения в нестационарных гидравлических режимах. Проведенный анализ эксплуатации систем теплоснабжения показал, что ежегодно происходит очень большое количество аварий, которое возрастает из года в год. Причиной аварий являются внутрисистемные возмущения - волны повышенного или пониженного давления и вибрации, что особенно характерно в условиях большой изношенности теплоснабжающих трубопроводов. Отмечаются возможные аварийные ситуации в трубопроводных системах теплоснабжения при этих режимах. Приводятся примеры повреждения оборудования и типичные неисправности при повышении давления в системах теплоснабжения на тепловых электрических станциях.

Во второй главе приводятся теоретические основы воздействия колебательных возмущений давления в системах теплоснабжения от ТЭЦ.

Рассматриваются на основе известных уравнений [1] нестационарный гидравлический режим в трубопроводах систем теплоснабжения от ТЭЦ:

дР дР pW2dV п

— + у—--— ß (2)

{dt дх Mv dt

где:

Р - давление, Па;

V— объем теплоносителя,м3;

W- скорость распространения волны;

g - ускорение свободного падения, g = 9, 81 м /с;

z - высотная отметка трубы, м;

Му - коэффициент, учитывающий влияние возможных кавитационных явлений по длине трубопровода с разрывом сплошности потока.

Рассматривая уравнения 1 и 2 получим скорость распространения возмущения нестационарного гидравличесого режима:

1

W = —-

где: K=D/(6'-ETp), коэффициент, зависящий от типа труб и способа закрепления трубопровода; здесь:

Етр — модуль упругой деформации материала труб, Па;

5' - приведенная толщина стенок труб, м; определяется в зависимости от

наличия закрепления и типа труб.

Для решения уравнений характеристик повышения давления системы теплоснабжения ТЭЦ используем метод приближения в конечных разностях первого порядка, в этом случае формула построения уравнений имеет вид:

J f{x) dx « f{x0) • (*! - х0).

(4)

Далее рассматривается методика расчета нестационарного гидравлического режима с учетом особенностей эксплуатации систем теплоснабжения ТЭЦ. Рассматриваются расчеты зависимости скорости

распространения ударных волн от газосодержания. К особо значимым особенностям эксплуатации систем теплоснабжения ТЭЦ относится корррозионный износ трубопроводов и теплоэнергетического оборудования.

Для определения скорости коррозии на практике используются индикаторы коррозии, установленные в действующих трубопроводах. Однако, получаемые при таких испытаниях результаты, не учитывают влияния напряженного состояния, возникающего в стенках, на скорость коррозии.

Показано, что наиболее уязвимым звеном трубопроводов является зона сварного соединения.

С учетом изложенного, представляется целесообразным для трубопроводных систем централизованного теплоснабжения ограничить допустимую динамическую составляющую напряжения в стенке трубопровода из-за воздействия волновых и вибрационных процессов

величиной Д < 2-КЗ Мпа.

Также во второй главе рассмотрено влияние температурных полей в демпфирующей камере стабилизатора давления.

Проведен анализ современных устройств защиты от повышения давления в системах теплоснабжения. Исходя из полученной оценки температурных полей показано, что материалы упругих элементов стабилизаторов давления могут быть работоспособны до 110°С.

В третьей главе для выполнения расчетов параметров нестационарных режимов была разработана модель сети теплоснабжения от Улан-Удэнской ТЭЦ-2, позволяющая определить аварийные ситуации, связанные с отключением под нагрузкой сетевых и подкачивающих насосов ПНС-6/2, ПНС-6/4 и ПНС-6/6. Были проанализированы гидравлический режим, характеристики станционного оборудования, оборудования насосных станций, схема электроснабжения сетевых насосов ТЭЦ-2. Были проведены натурные испытания аварийных ситуаций для последующего моделирования.

Моделирование проводилось для существующей тепловой сети (теплотрасса №6 от ТЭЦ-2) города Улан-Удэ, план которой приведён на рис. 1.

, Г ТЭЦ-2

Рис. 1. Схема теплотрассы № 6 ТЭЦ-2 г.Улан-Удэ.

В результате чего был составлен перечень аварийных ситуаций:

1) Отключение двух сетевых насосов на ТЭЦ-2;

2) Отключение одного сетевого насоса на ТЭЦ-2 с автоматическим включением резерва (АВР);

3) Отключение одного сетевого насоса на ТЭЦ-2 без АВР;

4) Отключение одного сетевого насоса на ТЭЦ-2 с его последующим самозапуском;

5) Отключение трех сетевых насосов ТЭЦ-2 и насоса подпитки;

6) Отключение трех насосов на ПНС 6/2;

7) Отключение одного насоса на ПНС 6/2 с АВР

8) Отключение одного насоса на ПНС 6/2 без АВР;

9) Отключение одного насоса на ГШС 6/4 с АВР

10) Отключение одного насоса на ПНС 6/4 без АВР;

11) Отключение одного насоса на ПНС 6/6 с АВР;

12) Отключение одного насоса на ПНС 6/6 без АВР;

На рисунках 3 и 4 показано изменение давления на ТЭЦ-2 при отключении одного насоса на ПНС- 6/2 с автоматическим включением резерва и при отключении всех насосов на ПНС 6/2.

Рис.3

Изменение дааденмя нз 1Щ-2 при огел»еч»кми всех засосов «л ДНС-б/2

1Т \ Г .....^ " } 1, ; 1 :

Г»Г"Г"7~ X N Ч- ! 1 ' { ^

[ 1 п 1.. 1 1 I- 5 и1 | 1 |

|„4„ V

~. 1 1 1 ......!

|

1 1 1 , ¡1

1 «! ! т]

1ТПТ Т1 {

1 1 г ! : н 1 1 1 ! ГТ%П~7

! П : ! М 1 Ч. $ ; :

—

Рис. 4

Также рассматривается моделирование нестационарных гидравлических режимов, связанных с отключением электроэнергии. Известно, что кратковременное отключение электричества может стать причиной возникновения аварий на объектах тепловых сетей, перечень которых

рассматривается в диссертации.

Рельеф города Улан-Удэ (от ТЭЦ-2) характеризуется значительными перепадами высот, что повышает вероятность опасного повышения давления при нештатной работе на насосной станции. На рисунках 3, 4 показана аварийная ситуация в трубопроводной системе теплоснабжения от Улан-Удэнской ТЭЦ-2 при отключении насосов трех насосов на ПНС 6/2:

Рис.5. Изменение давление на Улан-Удэнской ТЭЦ-2 при одновременном отключении 3-х подкачивающих насосов на ПНС 6/2.

•Давление а обратном коллекторе ТЭЦ-2

•Давление в подающем коллекторе ТЭЦ-2

Рис.6. Изменение давление на Ш1С 6/2 при одновременном отключении 3-х подкачивающих насосов на ПНС 6/2.

При отключении трех насосов на ПНС 6/2 давление на всасе насосов за 0,5 с достигает значения установленных параметров регулятора рассечки, к 2,65 с процесса давление равно 7 атм, а на 25 сек - 9 атм. Регулятор рассечки на 0,5 сек. получает сигнал на закрытие и за следующие 45 сек. происходит постепенное снижение расхода до нудя.

На ТЭЦ-2 на 2-ой секунде опыта давление в обратном коллекторе резко уменьшается и за 3 с. достигает значения на 0,4 атм меньше атмосферного давления.

Как показали натурные испытания повышение давления в грубонроводныл системах теплоснабжения ТЭЦ происходят при нестационарных гидравлических режимах, возникающих при плановых и аварийных остановках насосных агрегатов, их пусках, изменении частоты вращения насосных агрегатов, закрытиях запорной арматуры, заполнениях грубо про водов водой и утечек воды через разрывы трубопроводов в следствии их износа.

Существующие средства ¡а щиты от повышения давления при нестационарных гидравлических режимах малоэффективны. В тоже время в области защиты трубопроводов централизованного теплоснабжения появляются принципиально ноте лодходы к созданию средств прелуиреждши.» аварии • стабилизаторов давления, также установки

частотных приводов, основанных на комплексном воздействии на волновую энергию в трубопроводе (изменение податливое™, приведенного гидравлического сопротивления и введение диссипативных элементов).

Далее рассматриваются наиболее эффективные на сегодняшний день способы защиты трубопроводных систем теплоснабжения ТЭЦ. Показана необходимость использования энергосберегающих технологий в трубопроводных системах теплоснабжения.

Для исследования автоматизированного теплоснабжения на ЦТП, определения полученной экономии электроэнергии, воды и тепла, сопоставления различных структур автоматизации были проведены натурные эксперименты на одном т центральных тепловых пунктов.

Все параметры выведены на компьютер, позволяющий оперативно демонстрировать и распечатывать показания в табличной и графической формах. Измерение показаний проходило на трубопроводах Ду 200 мм, центрального теплового пункта на двух системах теплоснабжения с помощью датчиков давления фирмы Honeywell:

- центральное отопление (ЦО);

- горячее водоснабжение (ГВС).

В испытания*, использовались насосы отопления марки КМ 100-80-160, мощностью N- 15кВт, Система теплоснабжения центрального отопления независимая: вода проходит от насосов ;ю замкнутому кругу, через водоводяной подогреватель центрального отопления (ВВП ЦО) аа ..тома и обратно к насосам (Рис.7).

Испытания на трубопроводах системы теплоснабжения ГВС производилось двумя способами, при закрытой задвижке с последующим открытием (Рис.8) и при открытой задвижке (Рис.9).

Рт 8 ГВС. В>!т?лхец»енФсоса г^ч? зада»*»® с и^р». I

Предложена и испытана гидравлическая система защиты для автоматического перекрытия подающего и обратного трубопроводов тепловой сети при росте давления в обратном трубопроводе выше критического. Обработаны результаты испытаний системы защиты потребителей от повышенного давления в тепловой сети в условиях большой изношенности.

Наиболее уязвимым местом систем горячего водоснабжения и систем отопления являются радиаторы, которые разрываются от высокого давления. Рост давления у потребителя происходит обычно в пределах 10-30 секунд, существующие технические средства позволяют за это время отсечь потребителя от тепловой сети и не допустить повреждения отопительных систем.

Рассмотрены две системы защиты: гидравлическая и электрогидравлическая, проведены сравнительные испытания этих схем на стенде (Рис. 10).

Натурные испытания показали, что гидравлическая система полностью отвечает требованиям к защите систем теплоснабжения (защита потребителя по обратной линии, независимость от эл. питания, отсутствие аварийных ситуаций при выходе из строя системы). Основным недостатком является расход теплоносителя при срабатывании системы.

0 - расходомер

Р ],Р3 - датчик давления; ск- сбросной клапан; ик - импульсный клапан

1 - эл. гидравлический клапан, 2 - обратный клапан, 3 - поршневой клапан, 4 - дроссели, 5 - дренаж

ВВП ГВС

—1X3-1

Рис.10. Стенд испытаний.

]--|--;-!---—-(-

} * 1 I У • 1 К* У- I ' т '

Рис. 11. Срабатывание системы защиты

В четвертой главе рассматривается эффективность работы систем теплоснабжения на основе энергосбережения. Проведены экспериментальные исследования для определения энергоэффективности эксплуатации систем теплоснабжения. Предложен энергосберегающий электропривод насосов холодного и горячего водоснабжения. (Рис.12). Осуществлена комплексная автоматизация насосов ХВС и ГВС путем применения частотного регулирования электродвигателей насосов для ЦТП.

Данное комплектное оборудование может служить основой замещения импортного оборудования при автоматизации ЦТП.

По сравнению с нерегулируемым режимом управления насосами получена экономия потребления:

- 36 % по электроэнергии (34,3% - ХВС, 44,5% - ПВС);

- 20,4% по воде;

- 29 % по теплоте.

Испытания показали, что комплексная автоматизация отличается высокой эффективностью - срок окупаемости комплектного энергосберегающего оборудования и затрат на его установку на данной ЦТП составляет 8,5 месяца.

Использование при автоматизации созданного комплектного энергосберегающего оборудования для управления насосами ХВС и ГВС на Д'ГП в составе автоматического регулятора приводов переменного тока (преобразователя частоты) типа «Универсал», станции 1руппового управления СГУ на 2 или 3 насоса и датчика технологического параметра (давления или температуры) на каждую из двух групп насосов (ХВС и ГВС) показало, что оборудование обладает высокой надежностью, отличается всеми необходимыми для энергосбережения функциями, доступно для управления оперативным и электротехническим персоналом ЦТП без дополнительного обучения, приспособлено к специфике эксплуатации в условиях ЦТП, а также дешевле зарубежных аналогов.

Моральное и физическое старение теплоэнергетического оборудования и систем теплоснабжения заставляют разрабатывать дополнительное оборудование для повышения надежности систем теплоснабжения. В данной работе для повышения надежности разработана солнечная водонагревательная установка, которая позволяет индивидуально обеспечить горячим водоснабжением отдельные объекты централизованного теплоснабжения в случае аварии на них.

В связи с этим был разработан экспериментальный стенд, представляющий собой солнечную водонагревательную установку с естественной циркуляцией, состоящую из солнечного коллектора (СК), бака аккумулятора и приборов регистрации температур (Рис.13). Для эксперимента использовался солнечный коллектор (СК), площадью 2 кв. метра, производства ООО «Центр энергоэффективных технологий» г, Улан-Удэ, поглощающая панель которого выполнена из параллельно расположенных медных трубопроводов ВЫЮ, припаянные к сборным медным трубопроводам Пайка осуществляется твердым припоем,

увеличивающим прочность изделия и стойкость к высоким температурам, которые могут возникнуть в СК. Медные трубопроводы БЫ 10 обжимаются медными пластинами с селективным покрытием для передачи тепловой энергии с поверхности пластин теплоносителю в трубе. Это покрытие имеет следующие энергетические характеристики: коэффициент поглощения солнечной энергии а = 95% и коэффициент излучения тепловой энергии е=5 %.

Рис.13. Экспериментальная СВНУ 2м2.

Корпус СК выполнен из фольгированяого полиуретана, закрытого листом 6 мм. поликарбоната. В бак-аккумулятор, изолированный 100 мм слоем изовера и 6 мм энергофлексом, вмонтированы датчики по трем зонам. В первой зоне датчик был размещен на расстоянии 15 см от дна бака, второй датчик в середине бака-аккумулятора и в третьей зоне на расстоянии 15 см от уровня поверхности воды в баке.

Эффективность СВНУ зависит не только от метеорологических и конструктивных параметров СК, но и режима работы: температуры и расхода теплоносителя.

Количество полезного тепла, Qпол, Вт*ч, вырабатываемое СК в часовом интервале за световой день, находим из выражения [1]: Опол = A-F'r . [ЭДтй) - U&m - rj]

где: Qm¡r полезная тепловая мощность СК Вт/м2;

Э;,- плотность потока суммарной (прямой и рассеянный) солнечной радиации в плоскости коллектора Вт/м2,

А - площадь СК;

т - пропускательная способность прозрачной изоляции;

а - поглощательная способность панели коллектора;

UL - общий коэффициент тепловых потерь, Вт/(м2 К); - температура теплоносителя на выходе из СК, К;

Tt¡ - температура окружающего воздуха, К ;

F¡( - коэффициент эффективности поглощающей панели.

Температура в баке в текущий час определяется из уравнения теплового баланса:

(,тс Д ^ = э* (ra )„-{ULÁ)- (Т6 -Т.); н а т

откуда:

Тб = Г„ + —i— \э),(т<х)„- A-U, {Т6НЛ„ -Г„)];

V -ср

Начальная температура в баке-аккумуляторе равна начальной температуре окружающей среды Тбнлч1=Та.

Рассчитываем Теых и Т6 для девяти часовых интервалов при следующих условиях:

Ul=4,5 Вт-чЛрад;

G=2,5 л/ч;

А=2 м2;

V= 100л.

Экспериментальные испытания проводились в период выбранных пятидневок. В каждый из пяти ясных дней производилось 9 замеров (температура воды на входе и выходе из СК, температура в баке-аккумуляторе по трем зонам). Значения температур фиксировались двумя солнечными контроллерами Resol BS4.

Полученные расчетные и экспериментальные значения приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Экспериментальные и расчетные данные теплотехнических _ характеристик СВНУ

Врем я Солнечная радиация, Вт*ч Температур а на выходе из СК, С0 Температур а бака- аккумулято ра QaKK, Вт*ч Qnojl, Вт*ч

3¡ Э1<,(тс<) расч. эксп. расч. эксп. расч. эксп. расч. эксп.

8-9 1009,1 817,4 23,7 23,6 22,7 23,6 406 417 737 744, 8

9-10 1516 1228 30,3 31,0 27,8 28,8 591, 6 603, 2 1084 ,5 1078 ,5

1011 1821,2 1475, 2 38,1 44,0 33,7 34,1 684, 4 614, 8 1262 ,9 1212 ,5

lili 1939,8 1571, 2 46,1 49,2 39,6 43,8 684, 4 825 1294 ,3 1267 ,8

1213 1896,3 1536 53,5 52,7 45,0 50,4 626 765 1204 1211

1314 1725,9 1398 56,6 58,8 49,4 56,1 510, 4 661, 2 1049 ,4 1030

1415 1401,5 1135, 2 58,0 59,5 52,0 59,1 301, 6 348 789, 5 776, 6

1516 1019,8 826 59,2 60,2 53,4 61,5 162 278, 4 486, 3 477, 8

1617 641 519,2 59,7 60,7 53,35 61,3 - - 188 179, 5

1718 276,5 224 59,3 58,2 53,2 60,4 - - - -

Итог о 13247, 1 3966 ,4 4512 ,6 8095 ,9 7978 ,5

На основании таблицы 1 определяем суточный к.п.д. СК и суточный к.п.д. СВНУ:

- суточный к.п.д. СК: Чек ~ ~ыГ;

_ ^пол

Э1

„ 1*Ш-061- „ = ^ = 0,60;

" 13247,1 13247,1

-суточный к.п.д. СВНУ: Лсвну-^р' ;

„ _3?6М. = 03 =

13247Д и>->> 13247Л

В результате эксперимента определены теплотехнические характеристики

термосифонной СВНУ:

- через 4 часа, после начала эксперимента, достигается расчетная температура 323-328 К и СВНУ работает 5-6 часов в установившемся режиме, при этом отбор воды не производится;

- время зарядки бака-аккумулятора по трем зонам: 1-я зона 5 часов, 2-я зона 7 часов и 3-я зона 8 часов;

- суточное количество полезного тепла, вырабатываемого СК, Вт*ч

7978.5, расчетное - 8095,9, % ошибки - 1,4;

- суточное количество аккумулируемого тепла (энергоемкость) Вт*ч

4512.6, расчетное - 3966,4, % ошибки - 12;

- суточный к.п.д. СК: т]ск = 0,6;

- суточный к.п.д, СВНУ: /?СШУ =0,34.

Основные выводы и результаты работы

1. Выполнены теоретическое и экспериментальное исследования нестационарных процессов с учетом особенностей эксплуатации систем теплоснабжения.

2. Разработана методика проведения натурных экспериментов по защите систем теплоснабжения ТЭЦ от повышенного давления.

3. Разработана и рекомендована гидравлическая система защиты от повышенного давления в системах теплоснабжения ТЭЦ.

4. Усовершенствована методика проведения эксперимента по регистрации основных параметров повышенного давления, которые возникают при отключении одного или нескольких насосных агрегатов систем теплоснабжения.

5. Разработан стенд для натурных испытаний систем защиты потребителей на базе блочного теплового пункта.

6. Предложен энергосберегающий электропривод насосов холодного и горячего водоснабжения. Осуществлена комплексная автоматизация насосов ХВС и ГВС путем применения частотного регулирования электродвигателей насосов для ЦТП.

7. Разработана и предложена солнечная водонагревательная установка позволяющая индивидуально обеспечить горячим водоснабжением отдельные объекты при аварийном отключении централизованного теплоснабжения в условиях Республики Бурятии.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Дамбиев Ц,Ц., Петухов В.А., Сорокин A.M. - Определение тепло технических харктеристик термосифонной солнечной водонагревательной установки в условиях Республики Бурятия.-Вестник международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности, Т.15, №¡4, Санкт-Петербург - Чита, 2010,- - С. 165171.

2. Дамбиев Ц.Ц., Сорокин A.M., Ступень А.Г., Федоров М.В. - Целевая программа энергосбережения Республики Бурятия до 2020 года. -УланУдэ: изд-во Правительства Бурятии, 2009, 210 стр.

3. Дамбиев Ц.Ц., Сорокин A.M., Петухов В.А., Федоров М.В. «Опыт использования солнечных коллекторов для теплоснабжения в условиях Республики Бурятия», Материалы 4-й Всероссийской научно-практической конференции «Энергетика в современном мире» -Чита,2009.- -С.9.

4. Сорокин A.M., Дамбиев Ц.Ц. «Методика расчета экономической эффективности ' проекта энергосбережения». [Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы теплоэнергетики».- Челябинск: изд-во ЮУрГУ,2007.- с.41-43.

5. Сорокин A.M., Дамбиев Ц.Ц., Балдаев В.А, Норбоев Ж.Д. Результаты испытаний по определению повышения давления трубопроводах на системах теплоснабжения горячего водоснабжения и центрального отопления в условиях большой изношенности.-Вестник ВСГУТУ № 4, 2011. - С 40 - 48.

6. Сорокин A.M., Дамбиев Ц.Ц., Балдаев В.А, Норбоев Ж.Д. Результаты испытаний системы защиты потребителей от повышенного давления в

тепловой сети в условиях большой изношенности.- Вестник ВСГУТУ № 4, 2011. - С 49-58. 7. Сорокин A.M., Балдаев В.А, Дамбиев Ц.Ц., Норбоев Ж.Д.

Комплектный энергосберегающий привод насосов холодного и горячего водоснабжения.- Вестник ВСГУТУ № 4,2011. - С 59 - 64.

Литература:

1. Л.Г.Лойцянский , Механика жидкости и газа: Учебник для ВУЗов. - 6-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука, 1987. - 840 с.

Формат 60x90 1/16

Усл. пл. 1,39. Тираж 100 экз.

Издательство ВСГТУ. 670013, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40

ФГБОУ ВПО «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления»

ФГБОУ ВПО «Бурятская государственная сельскохозяйственная академия

им. В.Р. Филиппова»

На правах рукописи

04201251770

С_о

Сорокин Алексей Михайлович

УДК 621.182 (075)

ОПТИМИЗАЦИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ МЕРОПРИЯТИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО

ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.14.14 - Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук1.

профессор Ц.Ц. Дамбиев Научный консультант кандидат технических наук,

доцент В.А. Балдаев

Улан-Удэ, 2011

Содержание

Введение 4

Глава 1. Анализ эксплуатации систем теплоснабжения. 6

1.1. Нестационарные режимы в системах теплоснабжения. 6

1.2. Защита трубопроводов от повышения давления. 7

1.3. Возможные аварийные ситуации при эксплуатации систем теплоснабжения. 10

1.4. Особенности эксплуатации систем теплоснабжения. 11

Глава 2. Теоретические исследования воздействия колебательных возмущений давления в системах теплоснабжения от ТЭС. 14

2.1. Неустановившееся напорное течение в трубопроводах систем теплоснабжения. 14

2.2. Начальные и граничные условия для проведения расчетов. 23

2.3. Разрывы сплошности потока. 26

2.4. Проведение расчета. 29

2.5. Особенности напорной системы теплоснабжения. 33

2.5.1. Влияние газосодержания в потоке трубопровода на скорость распространения ударной волны. 33

2.5.2. Учет коррозионного износа трубопроводов и теплоэнергетического оборудования. 37

2.6. Расчет температурных полей для современных устройств защиты от колебаний давления в системах теплоснабжения. 44

Глава 3. Экспериментальные исследования нестационарных процессов в системах теплоснабжения. 54

3.1. Результаты испытаний по определению повышения давления в трубопроводах на системах теплоснабжения ГВС и ЦО. 54

3.2. Результаты испытаний систем защиты потребителей от повышенного давления в тепловой сети. 60

3.3. Результаты испытаний расчетов нестационарных режимов работы тепловой сети от ТЭЦ. 77

3.3.1. Анализ возможных аварийных ситуаций в системах теплоснабжения и результаты исследования нестационарных гидравлических режимов. 80

3.3.2. Мероприятия по защите оборудования систем теплоснабжения от повышения давления сетевой воды и гидравлических ударов. 85

Глава 4. Внедрение энергосберегающих технологий в системах теплоснабжения. 87 4.1 Комплектный энергосберегающий электропривод насосов холодного и горячего водоснабжения. 87 4.1.1. Экспериментальное исследование эффективности комплексной автоматизации насосов холодного и горячего водоснабжения. 88 4.2. Энергосберегающая солнечная водонагревательная установка. 98 Заключение. 107 Список литературы. 108 Приложения. 120

Введение.

В настоящее время основной проблемой эксплуатации систем централизованного теплоснабжения от ТЭЦ является недопустимо высокий уровень износа теплоэнергетичебского оборудования и трубопроводов, что приводит к низкой надежности теплоснабжения. Поэтому сейчас актуальны исследования, направленные на создания систем защиты от повышенного давления и внедрению современных энергосберегающих технологий теплоснабжения.

Опыт эксплуатации систем теплоснабжения показывает, что резкие колебания давления могут привести к разрушению тепловой сети, функциональному отказу трубопроводной арматуры, насосов и даже к полному выходу из строя не только насосных станций, но и источников теплоснабжения, особенно в условиях износа оборудования.

Аварии, возникающие при резком повышении давления, наносят существенный экономический ущерб, вследствие затрат на их ликвидацию и перерывов в подачи теплоснабжения. В связи с этим важным становится вопрос защиты насосных станций, тепловых сетей, центральных тепловых пунктов от резкого повышения давления.

Нестационарные процессы в системах теплоснабжения относятся к сложным динамическим процессам, которые определяются многообразными факторами, учет влияния которых затруднен.

Указанные обстоятельства создают необходимость дальнейшего развития натурных и численных методов исследования нестационарных процессов, а также внедрению современных энергосберегающих систем для автоматического регулирования теплоснабжения.

Целью работы является оптимизация энергосберегающих мероприятий по повышению надежности систем централизованного теплоснабжения. Для достижения указанной цели поставлены задачи:

1. Провести экспериментальное и теоретическое исследование нестационарных процессов в системах теплоснабжения от ТЭЦ.

2. Разработать методику расчета нестационарного гидравлического режима с учетом особенностей эксплуатации систем теплоснабжения ТЭЦ.

3. Провести испытания с комплексом мероприятий по защите от повышенного давления систем теплоснабжения ТЭЦ.

4. Усовершенствовать методику проведения экспериментов по регистрации основных причин повышения давления, возникающих при отключении одного или нескольких насосных агрегатов на действующих насосных станциях тепловых сетей и систем теплопотребления.

5. Разработать рекомендации по внедрению современных энергосберегающих технологий в тепловых сетях и у потребителей.

В качестве научной новизны разработана методика проведения натурных экспериментов по исследованию нестационарных процессов на действующих сетях систем теплоснабжения.

Предложена методика расчета нестационарного гидравлического режима с учетом особенностей трубопроводной системы теплоснабжения от ТЭЦ.

Разработан стенд для натурных испытаний систем защиты потребителей от повышенного давления на базе блочного теплового пункта.

Разработана гидравлическая система защиты потребителя от превышения давления в тепловой сети.

Практическая ценность работы и реализация результатов.

Предложены рекомендации для внедрения комплекса мероприятий по защите систем теплоснабжения на основе энергосберегающих технологий.

Для повышения надежности теплоснабжения города Улан-Удэ внедрена солнечная водонагревательная установка.

Результаты диссертации использованы для расчетов тепловых сетей г. Улан-Удэ.

Глава 1. Анализ эксплуатации систем теплоснабжения.

1.1 Нестационарные гидравлические режимы.

Явление нестационарных гидравлических режимов постоянно привлекает внимание инженеров в связи с практическими аспектами. Основные физические и гидродинамические процессы, протекающие в элементах трубопроводных систем теплоснабжения при нестационарном гидравлическом режиме, уже изучены.

Н.Е. Жуковский решил задачу об определении параметров гидроудара (нестационарного гидравлического режима) в полной мере[40]. В дальнейшем эта задача обобщалась для случаев разветвленных трубопроводов [35], с учетом влияния вязких потерь напора [39,40], наличия демпферов [48] и так далее. Исследовались характеристики нестационарного гидравлического режима и в случае композиционных трубопроводов, с учетом влияния угла наклона армирующих волокон [40]. Решена задача об особенностях прямого гидравлического удара при течении вязкой жидкости в трубопроводах, выполненных из композиционного эластомера [51], которые обладают нелинейностью значительных по величине деформационных характеристик [92].

Также, Н.Е. Жуковский проводил исследования в области влияния воздушных колпаков, тупиковых ответвлений в трубопроводе и наличия разрывов стенок трубопровода на протекание процесса гидравлического удара. Ученым было предложено несколько методов по защите трубопроводов от последствий гидроудара, наиболее эффективными из которых были признаны такие как увеличение времени закрытия задвижек, установка воздушных колпаков определенных размеров и предохранительных клапанов.

Работа [40] положила начало переместительному методу рассмотрения гидравлического удара, сущностью которого является сопоставление величины напора при ударе для данной точки в некоторый момент времени, с напором в близлежащей точке в следующий момент времени. Промежуток ме-

жду моментами времени равен продолжительности пробега ударной волной расстояния между этими точками.

После Н.Е. Жуковского теория гидравлического удара получила интенсивное развитие уже во второй половине XX века. Разрабатывались различные методы расчета гидравлического удара с учетом потерь напора. Л.Бержерон [14], О.Шнидер [114], С.Ягер [113], А.А.Сурин [102], М.М.Андрияшев [7] в свою очередь разрабатывали и усовершенствовали графические методы. И такие методы расчета сыграли немаловажную важную роль для своего времени, но в связи с широким применением вычислительной техники при расчетах они применяются редко в виду их сложности и громоздкости.

Анализируя теоретические работы, посвященные динамике жидкости в трубопроводах, можно сделать вывод, что основное внимание в них уделялось вопросам расчета колебаний давления, расхода жидкости в простых трубопроводах, а также в системах с воздушными колпаками и аккумуляторами давления. Одновременно с этим экспериментальные исследования выявили существенное влияние на управление динамическими процессами сосредоточенной и распределенной перфораций, и геометрических параметров трубопроводной системы. Так, например, в работах [17,103] предложены методы расчета волновых процессов в трубопроводах с гасителями, т.е. сосредоточенная перфорация и упругость. В работах авторов [16, 17, 103] представлена задача анализа волновых процессов в трубопроводах с распределенными диссипативными элементами и упругими элементами различных типов, также предложено несколько методик расчета.

1.2. Защита трубопроводов от повышения давления.

Изучение перечня многочисленных работ по неустановившимся движениям жидкости позволяет рассматривать актуальный вопрос защиты трубо-

проводов от волновых и вибрационных процессов в различных отраслях промышленности, где особое внимание уделяется резонансным колебаниям.

Б.Ф. Гликман [21], К.С. Колесников [50] предложили методы по снижению резонансных частот и способы уменьшения частот собственных колебаний в жидкостных магистралях путем установки на входе в насос демпферов. В работе [103] определены три способа снижения частот собственных колебаний жидкости в трубопроводах, а именно:

- понижение распределенной упругости жидкости путем накачивания газа в жидкостную магистраль;

- введение сосредоточенной упругости за счет установки гидравлических

и газовых демпферов.

В этой же монографии представлены конструктивные варианты газовых, пружинных, сильфонных, смешанных демпферов применительно к жидкостным магистралям.

В своей работе В.В. Пилипенко[77] и М.А. Натанзон [75] рассмотрели вопрос влияния газовых демпферов, установленных в расходных магистралях, на процессы изменения давления на входах в насосы при работе мощных энергоустановок.

Средства защиты от пульсаций давления в трубопроводах представлены в работе В.П. Шорина [110]. Автор рассматривает функциональные особенности и принцип действия гасителей колебаний различных типов: газожидкостных гасителей емкостного типа, гасителей типа параллельного резонансного контура, гасителей инерционного принципа действия и гасителей с активным волновым сопротивлением.

С.Н. Ржевкин занимался изучением и созданием методов расчета одного из распространенных типов гасителей пульсаций давления - резонансных звукопоглощающих систем. Резонатор представлен в виде замкнутой полости с жесткими стенками, сообщающимся через узкий канал с трубопроводом, в котором необходимо устранить опасные пульсации давления.

На практике уменьшение количества процессов изменения давления в трубопроводной системе происходит в результате изменения конструкции трубопроводов, уменьшения уровня возмущающих сил за счет уравновешивания ротора насоса или компрессора, увеличения толщины стенки трубопроводов, их виброизоляции от источников возбуждения, оптимальной укладки трубопроводов и опор. Однако данные методы являются дорогостоящими.

В своей работе A.A. Самарин [92] предложил к применению известные способы гашения колебаний давления, проверенные в других областях техники, и непосредственно для теплоэнергетического оборудования.

В настоящее время приложением такого подхода является модель, описанная авторами [42], в которой показана, что в процессе расчета имеется возможность наблюдать в реальном времени распространение бегущих волн давления и скорости вдоль любого маршрута, построение графиков изменения давления для любой точки наблюдения и так далее.

Современные ученые часто обращают внимание на математическое упрощение расчета нестационарных процессов, и как следствие на моделирование при описании нестационарного гидравлического режима [60]. Необходимость в таком подходе возникает из-за того, что многие широко распространенные системы с распределенными параметрами содержат тысячи элементов и имеют значительные размеры. Из этой ситуации выход видится в разработке «оперативных» моделей, основанных на замене исходной системы на систему с сосредоточенными параметрами. При этом система подбирается так, чтобы параметры протекающих в ней процессов были как можно ближе к параметрам аналогичных процессов в исходной системе.

1.3 Возможные аварийные ситуации при эксплуатации теплоснабжения.

Нестационарные гидравлические режимы в системах теплоснабжения ТЭЦ возникают при отключении под нагрузкой сетевых или перекачивающих насосных групп вследствие отказов электроснабжения, при ошибочном закрытии запорной и регулирующей арматуры, а также при повторной конденсации вскипевшего теплоносителя по причине резких колебаний давления в системе теплоснабжения. Согласно статистическим данным, в течение года происходит 10 и более случаев потери собственных нужд на ТЭЦ и котельных по Российской Федерации. Значительно чаще происходят отказы электроснабжения подкачивающих насосных станций, групп сетевых и подпи-точных насосов источников систем теплоснабжения. Также нередки случаи несанкционированных действий персонала или посторонних лиц, приводящие к подобным аварийным ситуациям.

Аварии, вызванные гидравлическими ударами, сопровождаются разрушением теплофикационного оборудования источника теплоснабжения, теплопроводов, массовыми разрывами отопительных приборов потребителей, что приводит к порче имущества, ожоговому травматизму людей, как правило, длительному прекращению теплоснабжения, а в период стояния низких температур наружного воздуха - часто к невозможности восстановить теплоснабжение вплоть до потепления с тяжелейшими социальными последствиями. Разрывы сетевых станционных трубопроводов нередко приводят к затоплению сетевой водой источника тепловой энергии со стороны тепловых сетей с «посадкой на ноль».

Такие аварии встречаются в различных городах России (Приложение 1) и сопровождаются ожоговым травматизмом персонала и населения, приводят к серьезным материальным ущербам, социальным последствиям.

В процессе эксплуатации трубопроводных систем различного назначения неизбежно возникают интенсивные волновые (колебания давления, гид-

ю

роудары) и вибрационные процессы, которые приводят к возникновению переменных во времени напряжений в стенках трубопроводов и появлению, с течением времени, усталостных и коррозионно-усталостных трещин в местах сварных соединений или каких- либо малозаметных дефектов, являющихся концентраторами напряжений (царапины, задиры и пр.).

В последние годы, замена изношенных трубопроводов ведется крайне низкими темпами. При отсутствии регламентирующих ограничений на допустимые динамические нагрузки это приводит к ежегодному увеличению количества аварий на трубопроводах.

1.4 Особенности эксплуатации систем теплоснабжения.

В реальных (сложных) трубопроводных системах ТЭЦ специфика нестационарного гидравлического режима в основном определяется многократным наложением отраженных от конструктивных неоднородностей системы волн давления. Как и во многих других инженерных задачах, в сложных гидросистемах (трубопроводных системах ТЭЦ), простому решению препятствует многомерность, усугубляемая нелинейностью процессов. На переходные процессы оказывает влияние большое количество факторов, например, наличие в трубах растворенного в жидкости воздуха и другие явления.

Интенсивный гидроабразивный износ оборудования и трубопроводов теплоснабжения повышает чувствительность гидротранспортной системы к нестационарным гидравлическим режимам, при этом повышаются напряжения в стенках трубопроводов и оборудования, что приводит к частым отказам таких систем. Таким образом, проявление нестац