автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Разработка энергосберегающих методов и средств повышения качества эксплуатации оборудования теплоэнергетических систем

! : ЧУ-О/Х0М-0

мурманский государственный технический

университет

На правах рукописи

сабуров игорь вячеславович

РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ЭКСПЛУАТАЦИИ ОБОРУДОВАНИЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Специальность: 05.14.04- Промышленная теплоэнергетика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -кандидат технических наук, профессор Прохоренков A.M.

МУРМАНСК

1999

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 5

ГЛАВА 1. ЭНЕРГОРЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ, КАК РЕШАЮЩИЙ ФАКТОР ЭКОНОМИИ ТОПЛИВА И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КАЧЕСТВА ЭКСПЛУАТАЦИИ ОБОРУДОВАНИЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ 11

1.1. Современное состояние и особенности работы оборудования теплоэнергетических предприятий в условиях Крайнего Севера 11

1.2. Сравнительный анализ теплопотребления в регионах Крайнего Севера России и странах Скандинавии 24

1.3. Экологические аспекты деятельности теплоэнергетических предприятий 27

1.4. Задачи и методы исследования 29 Выводы по первой главе 33

ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ 34

2.1. Резервы энергосбережения при производстве тепловой энергии отопительными котельными 35

2.2. Мероприятия по энергосбережению в системе транспортировки и распределения тепла 48

2.3. Энергосберегающие мероприятия в секторе потребления тепловой энергии 54

Выводы по второй главе 61

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБЪЕКТОВ

ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ 63

3.1. Статическое моделирование режимов работы парового котла 63

3.2. Моделирование динамики парового котла 69

3.3. Моделирование работы тепловых сетей 8 5

3.4. Моделирование элементов тепловых сетей 88 Выводы по третьей главе 101

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ТРЕБОВАНИЙ К СИСТЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ

ПРОЦЕССАМИ ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ 103

4.1. Анализ динамических режимов работы парового котла, математическая обработка и статистический анализ экспериментальных данных 103

4.2. Обоснование выбора критериев оптимальности 110

4.3. Разработка структуры системы управления 111

4.4. Разработка модели нечёткого регулятора 118

4.5. Цели и задачи, решаемые автоматизированной системой управления на базе распределенной микропроцессорной системы 127

Выводы по четвертой главе 129

Глава 5. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ВНЕДРЕНИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ И ИНФОРМАЦИОННЫХ

ТЕХНОЛОГИЙ 130

5.1. Оценка эффективности работы паровых котлов после реконструкции 130

5.2. Оценка эффективности реконструкции тепловых сетей города 132

5.3. Оценка эффективности реконструкции сектора потребления тепловой энергии. 134

5.4. Оценка эффективности внедрения программного комплекса

гидравлических расчетов тепловых сетей 143

Выводы по пятой главе 150

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 151

ЛИТЕРАТУРА 153

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Результаты теоретических и экспериментальных

исследований работы теплоэнергетического оборудования 160 ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Результаты внедрения энергосберегающих и информационных технологий на теплоэнергетическом предприятии

ТЭКОС 181 ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Программа модели системы нечеткой логики и алгоритма

управления паровым котлом 195

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Акты внедрения результатов диссертационной работы 210

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время вопросам внедрения ресурсосберегающих технологий в России уделяется значительное внимание. Особенно остро этот вопрос стоит в районах Крайнего Севера. В качестве топлива для городских котельных используется мазут, который доставляется железнодорожным транспортом из центральных регионов России, что существенно повышает стоимость вырабатываемой тепловой энергии. Продолжительность отопительного сезона, особенно в условиях Заполярья, на 2 - 2,5 месяца длиннее по сравнению с центральными районами страны, что связано с климатическими условиями Крайнего Севера. При этом теплоэнергетические предприятия должны вырабатывать необходимое количество теплоты (пара, горячей воды) при определенных его параметрах -давлении и температуре для обеспечения жизнедеятельности всех городских инфраструктур. Снижение затрат на выработку отпускаемой потребителям тепловой энергии возможно только за счет экономичности сжигания топлива, рационального использования электроэнергии для собственных нужд предприятий, сведения потерь теплоты к минимуму на участках транспортировки (тепловые сети города) и потребления (здания, предприятия города), а также снижения численности обслуживающего персонала на участках производства.

Решение отмеченных выше задач возможно только за счет внедрения новых технологий, оборудования, технических средств управления, а также повышением эффективности эксплуатации объектов управления и средств их автоматизации, что в настоящее время является актуальной научно-технической проблемой. Значительным резервом повышения эффективности эксплуатации теплоэнергетических предприятий является их реконструкция. Она предусматривает проведение ремонтно-восстановительных работ основного и вспомогательного оборудования, замену морально устаревших средств контроля на новые, современные высокоточные датчики, надежные исполнительные механизмы и устройства, а

также микропроцессорные системы распределенного управления и контроля, позволяющие создавать информационно-управляющие комплексы.

В настоящее время отсутствует опыт комплексного подхода к решению задач энергосбережения на всех этапах производства, транспортировки и потребления тепловой энергии. Выполнение этих работ в настоящее время связано не только с экономическими, но и с объективными, техническими трудностями, связанными с необходимостью решения задач оптимизации динамических режимов работы парогенераторов отопительных котельных, а также балансировке и наладке тепловых и внутридомовых сетей, которые в процессе эксплуатации подвержены влиянию внешних возмущающих и управляющих воздействий. Отсутствует опыт проектирования и эксплуатации высокоточных систем управления и контроля, получающих информацию от датчиков в классе точности (0,001%-0,1%) от диапазона измерения. Поэтому внедрение новых технологий, позволяющих повысить экономическую эффективность работы теплоэнергетических предприятий, а также повысить качество управления и эксплуатации теплоэнергетических систем является актуальной задачей.

Отмеченные выше вопросы, вносимые в проблему внедрения ресурсо-энергосберегающих технологий, позволяют осуществить разработку комплексной программы реконструкции теплоэнергетических предприятий, отвечающую современным требованиям эксплуатации оборудования и систем.

Научная новизна:

- обоснованы основные направления внедрения энергосберегающих технологий в области производства, транспортировки и потребления тепловой энергии на объектах города Мурманска;

- проведен теоретический анализ и исследования физических особенностей работы котлов ГМ-50/14-250на базе их статических и динамических моделей, а также выполнены экспериментальные исследования теплоэнергетических сис-

тем, учитывающие влияние технологических факторов на работу оборудования в основных эксплуатационных режимах;

- получена замкнутая система уравнений для выполнения гидравлических расчетов тепловых сетей в режимах эксплуатации и наладки;

- получена замкнутая трехмерная система уравнений совместного теплообмена и гидродинамики для расчета нестандартных местных сопротивлений и запорной арматуры, замыкание осуществлялось с помощью к - 8 модели турбулентности, что позволило рассчитать поля давлений, скоростей и температур в расчетной области при сложных граничных условиях;

- выполнен комплексный анализ теплового режима работы потребителей (зданий), который позволило уточнить основные потери теплоты и способы их устранения, что дало возможность разработать комплекс энергосберегающих мероприятий и провести их экономическую оценку.

Практическая ценность полученных результатов заключается в следующем:

Проведен анализ ресурсов энергосбережения при выработке, транспортировке и потреблении тепловой энергии на объектах города Мурманска.

Разработаны рекомендации и проектные задания для реконструкции системы управления работы паровых котлов, которые включают: выбор критерия оптимального управления, разработку математической модели и реализацию модели нечеткого регулятора в классе "ситуация - стратегия управления - действие".

Разработаны рекомендации для модернизации системы трубопроводов тепловых сетей при их замене на новые с улучшенной изоляцией и контрольным кабелем и балансировкой сети Ленинского района с использованием разработанной математической модели и расчетно-информационного комплекса \\^1пР1ап.

Разработан комплекс мероприятий по уменьшению тепловых потерь жилых и общественных зданий на основе улучшения тепловых характеристик ограждающих конструкций зданий и совершенствование системы распределения теплоносителя при использовании модульных тепловых пунктов..

Реализация в промышленности. Результаты диссертационной работы внедрены и использованы при: реконструкционных работах на четырех паровых котлах ГМ-50/14-250 котельной «Северная», на тепловых сетях города Мурман-

ска при реконструкции сектора потребления тепловой энергии. Научно - технические исследования и внедрение результатов диссертационной работы выполнялось в рамках: Региональной программы Мурманской области по энергосбережению «Энергия -50», Гранта Российско - Американского Комитета Программы импорта энергосберегающих и природоохранных оборудования и материалов по контракту М^С) N0. МЕМО/З33/43 - 95/ЯБ, финансируемому Правительством США.

Автор защищает:

- разработку основных направлений внедрения энергосберегающих технологий в области производства, транспортировки и потребления тепловой энергии на объектах г. Мурманска;

- теоретические и экспериментальные исследования особенностей работы котлов ГМ-50/14-250, на базе которых проведена адаптация комплекса 1Х)С-3000 для управления эксплуатацией четырех котлов на котельной «Северная» г. Мурманска;

- разработанные математические модели для гидравлических расчетов тепловых сетей и определения потерь на нестандартных местных сопротивлениях и запорно-регулирующей арматуре с учетом их изменения в процессе эксплуатации;

- комплекс мероприятий и их экономическую оценку по уменьшению тепловых потерь зданий на основе улучшения характеристик ограждающих конструкций и совершенствования их систем распределения теплоносителя.

Целью диссертационной работы является:

Исследование и разработка научнообоснованных технологических и технических решений, методов и средств по модернизации основного оборудования теплоэнергетического предприятия и внедрение на этой основе ресурсо - энергосберегающих и информационных технологий при выработке, транспортировке и потреблении тепловой энергии на объектах города Мурманска.

Для достижения поставленной цели диссертационной работы необходимо решить следующий круг научно - технических задач:

- разработать и теоретически обосновать основные направления внедрения энергосберегающих технологий в области производства, транспортировки и потребления тепловой энергии на объектах города Мурманска,

- провести анализ ресурсов энергосбережения при выработке, транспортировке и потреблении тепловой энергии на объектах города Мурманска;

- рассчитать потенциал энергосбережения и снижения эксплуатационных затрат для:

- реконструкции систем управления паровыми котлами теплоэнергетического предприятия;

- замены трубопроводов тепловых сетей на новые с улучшенной изоляцией и контрольным кабелем;

- замены существующих тепловых пунктов на модульные тепловые пункты с использованием пластинчатых теплообменников;

- разработать комплекс мероприятий по энергосбережению в секторе потребления тепловой энергии

- провести математическую обработку и статистический анализ экспериментальных данных, полученных при исследовании процессов, протекающих в теплоэнергетических системах;

- разработать математическую модель парового котла в статических и динамических режимах работы, учитывающую влияние факторов на работу оборудования в основных эксплуатационных режимах;

- разработать математическую модель работы тепловых сетей, позволяющую осуществлять гидравлический и тепловой расчет сетей, а также решать задачи определения оптимальных режимов эксплуатации, наладки и проводить многовариантные расчеты установившихся нормальных и аварийных режимов работы оборудования;

- внедрить пакеты прикладных программ, позволяющих решать задачи гидродинамики, тепло и массообмена в тепловых сетях при сложных граничных условиях;

- сформулировать критерии качества управления оборудованием теплоэнергетических систем и разработать структуру системы управления с использованием модели нечеткого регулятора в классе «ситуация - стратегия управления - действие» для реализации автоматизированного управления котлов в основных эксплуатационных режимах работы;

- провести экспериментальные исследования и определить оценки эффективности работы оборудования после реконструкции источников, тепловых сетей и потребителей тепловой энергии.

ГЛАВА 1.

ЭНЕРГОРЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ, КАК РЕШАЮЩИЙ ФАКТОР ЭКОНОМИИ ТОПЛИВА И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КАЧЕСТВА ЭКСПЛУАТАЦИИ ОБОРУДОВАНИЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

1.1 Современное состояние и особенности работы оборудования теплоэнергетических предприятий в условиях Крайнего Севера

Мурманская область расположена на Кольском полуострове, на северо-западе России. Область занимает площадь 144 900 км2 и граничит с Карелией и Белым морем на юге, Баренцевым морем на севере, Финляндией на западе и Норвегией на северо-западе.

В Мурманской области проживает 1,048 миллиона жителей, 90 % которых живут в городах. В области расположены важные для России сырьевые ресурсы. Около 70 % фосфатов, 75 % слюды, около 40 % никеля и кобальта, 20 % рыбы и рыбопродукции от общего производства России.

Мурманск - важный портовый и промышленный город на северо-западе Кольского полуострова, областной центр. В городе около 500 000 жителей, проживающих в основном в блочных домах, включая жителей Колы, Мурмашей, небольших городков, расположенных к югу от Мурманска.

Сам Мурманск, насчитывающий около 406 000 жителей, протянулся по восточной стороне Кольского залива с севера на юг приблизительно на 30 км.

Общая мощность основных источников теплоснабжения города Мурманск составляет 1280 МВт, количество клиентов теплоснабжения около 3500. Общая протяженность тепловых сетей 245 км.

В городе имеется развитая система теплоснабжения, обеспечивающая теплом почти все здания. В городе имеется пять отдельных систем централизованного теплоснабжения и цепь промежуточных отопительных установок. Три системы централизованного теплоснабжения производительностью около 1000 МВт (860

Гкал/час) находятся в ведении АО "Колэнерго", четвертая (северная) система производительностью около 280 МВт (240 Гкал/час) - в ведении Государственного предприятия "ТЭКОС" и пятая система производительностью 31 МВт (27 Гкал/час) - в ведении Мурманского морского завода "Севморпуть".

Тяжелое нефтяное топливо (мазут) со средним содержанием серы до 3,5 % используется в качестве топлива на всех главных пяти городских котельных, каждая из которых работает на свою отдельную сеть теплоснабжения. Эти пять котельных также подают пар на близлежащие сооружения и предприятия.

Оценивая перспективы развития области, можно сделать вывод, что город Мурманск сохранит свое значение как портовый город для рыбопромыслового флота, транспортного (в том числе и арктического) флота, база ремонта судов и переработки рыбы. Область продолжит разработку и производство цветных металлов (медь, никель, кобальт, алюминий), апатитового концентрата. В ближайшее время реальным проектом станет освоение уже разведанных нефтегазовых месторождений на шельфе Арктических морей, для чего в городе будет создаваться соответствующая инфраструктура. По оценкам экспертов в Западных частях Северного Ледовитого океана находится до 40 % мировых запасов газа. На расстоянии 600 км от Мурманска на северо-восток расположено Штокмановское газовое месторождение, занимающее по своей величине пятое место в мире. Сейчас его изучением занимается Российская компания "Росшельф".

В конце 80-х годов администрацией города Мурманска, в связи со сложившимся дефицитом тепловой энергии, предусматривалось строительство в 90х годах новой теплоэлектростанции, работающей на мазуте и(или) природном газе производительностью 360 МВт (электрическая)/1190 МВт (тепловая) (1020 Гкал/ч) в южной части города приблизительно в 5 км от существующей теплосети. Такая станция позволила бы комп�