автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Разработка и исследование устройств, снижающих энергетические затраты при поддержании теплогидравлического режима тепловых сетей

На правах рукописи

ТАМБОВСКИЙ Алексей Алексеевич

ЛГа^1-

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ УСТРОЙСТВ, СНИЖАЮЩИХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЗАТРАТЫ ПРИ ПОДДЕРЖАНИИ ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКОГО РЕЖИМА ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ

Специальность: 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

4856555

О з [/¡(;р 20|1

Воронеж - 2011

4856555

Работа выполнена в ГОУВПО «Липецкий государственный технический университет»

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Губарев Василий Яковлевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Жучков Анатолий Витальевич; кандидат технических наук Кондратьев Григорий Витальевич

Ведущая организация ГОУВПО «Тамбовский государственный

технический университет»

Защита состоится «17» марта 2011 г. в 1200 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.05 ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет».

Автореферат разослан «17» февраля 2011 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Бараков А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Экономия топливно-энергетических ресурсов рассматривается в Федеральной программе «Энергетическая стратегия России до 2020 года» в качестве основного фактора повышения конкурентоспособности отечественной продукции и снижения загрязняющего воздействия на окружающую среду. Анализ энергетических потерь в тепловых сетях различного назначения показывает, что их значительную часть составляют избыточная подача тепла потребителям, превышение расчетных затрат энергии на перекачку теплоносителя, потери тепла и воды, связанные с несанкционированным вмешательством абонентов в работу оборудования тепловых сетей. Величина этих потерь напрямую связана с состоянием гидравлического режима в тепловых сетях, эксплуатационный ресурс которых практически исчерпан.

Различные средства регулирования (регуляторы расхода, регуляторы давления, средства местного регулирования отпуска тепла и т.д.) позволяют поддерживать заданный теплогидравлический режим тепловых сетей, что обеспечивает расходы и давления по участкам сети и, тем самым, обеспечивает экономию потребляемой тепловой энергии, а также снижает затраты на перекачку теплоносителя. Однако технико-экономическая целесообразность применения средств автоматического регулирования не всегда оправдана, что связано, в основном, с существенной изношенностью основного оборудования тепловых сетей, абонентских вводов и котельных, а также неустойчивостью регулирующего оборудования к несанкционированному вмешательству, высокой стоимостью систем регулирования и необходимостью их постоянного обслуживания.

В этой связи весьма перспективными, на наш взгляд, являются кавитационные ограничители расхода, в которых постоянство расхода возникает из-за гидродинамических особенностей течения при больших перепадах давления. Достоинства данных устройств обусловлены такими их свойствами, как отсутствие движущихся частей, невозможность несанкционированного вмешательства в их работу, высокая точность и воспроизводимость характеристик и т.д. Из известных схем и конструкций устройств подобного типа следует выделить ограничители утечек теплоносителя, в которых ограничение наступает за счет кризиса истечения вскипающего потока в среду с давлением ниже давления насыщения, поскольку теплоносители в трубопроводах обладают высокими температурами и давлениями. Однако, несовершенство существующих устройств и отсутствие методик их расчета препятствуют широкому и разностороннему применению

ограничителей подобного типа. В связи с этим тема диссертации представляется актуальной.

Работа выполнялась в соответствии с научным направлением ГОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет» «Исследование кавитационных течений жидкостей и характеристик кавитационных ограничителей расхода в системах транспорта и распределения энергоносителей металлургического производства и функциональных характеристик систем», номер НИР: 1.1.07.

Цель работы. Исследование и разработка устройств поддержания гидравлического режима тепловых сетей на оптимальном уровне. Для достижения этой цели поставлены и решены следующие задачи:

- анализ существующих представлений о методах и средствах поддержания тепловых и гидравлических режимов и управления тепловыми сетями;

- экспериментальное и теоретическое исследование гидравлических характеристик кавитационных ограничительных устройств;

- разработка метода расчета и конструирования ограничителей для их работы в сети;

- усовершенствование математической модели системы теплоснабжения с использованием кавитационных ограничителей расхода и моделирование гидравлических режимов при присоединении новых абонентов к действующей тепловой сети.

Научная новизна.

В результате экспериментальных исследований получены зависимости гидравлических характеристик кавитационных ограничителей расхода от конструктивных параметров ограничителей и перепада давления.

Усовершенствована методика расчета гидравлических режимов тепловых сетей, учитывающая характеристики кавитационных ограничителей.

Разработана методика расчета геометрических параметров ограничителя для работы в тепловых сетях.

Практическая значимость. Полученные зависимости являются надежной теоретической базой для определения геометрических параметров ограничителей кавитационного типа. Разработанные методики расчета тепловых сетей при установке ограничителей могут быть использованы как при проектировании новых, так и при оптимизации существующих систем теплоснабжения.

Результаты исследований применялись для оптимизации систем теплоснабжения ОАО «Липецкэнерго» и МУЛ «Липецктеплосеть».

Достоверность результатов.

Достоверность подтверждается соответствием расчетных и экспериментальных результатов. Достоверность обеспечивается применением фундаментальных законов гидродинамик, использованием аттестованных приборов и апробированных расчетных методик.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных конференциях: V Международной научно-практической конференции «Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах» (Пенза, 2004); Международной конференции «Энергетика и энергоэффективные технологии» (Липецк, 2006).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 5 научных работ, в том числе 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1] - методика расчетного исследования влияния несанкционированного снижения сопротивления абонентских вводов на гидравлический режим тепловой сети; [2] - разработка методики проектирования ограничителей для установки в тепловых сетях; [4] -разработка методики анализа данных о суточном водопотреблении горячей воды; [5] - разработка математической модели тепловой сети и расчетное исследование гидравлических режимов.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 58 наименований. Основная часть работы изложена на 97 страницах, содержит 29 рисунков, 3 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цель и задачи исследования, представлена научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе содержится анализ литературных источников, посвященных оптимизации теплового и гидравлического режима систем теплоснабжения.

Из анализа публикаций следует, что:

- текущее состояние систем теплоснабжения характеризуется крайней изношенностью, трубопроводы не выдерживают расчетных давлений и

температур, из-за этого приходится снижать температуру и увеличивать количество циркулирующего теплоносителя, есть предложения использовать тепловые сети только для покрытия базовой части тепловой нагрузки;

- в условиях крайней изношенности тепловых сетей возрастает количество аварий, производятся временные переключения подачи тепла и не осуществляются регулировки тепловых сетей, из-за этого нарушается гидравлический режим и нарушается теплоснабжение потребителей;

- потребители систем теплоснабжения из-за недостатка подачи тепла выводят из строя оборудование сетей, отвечающее за гидравлический режим, или нарушают его регулировки.

Даже простейшая тепловая сеть представляет собой сложную систему взаимозависимых гидравлических контуров, а абонентские системы являются составляющими каждого из них. Поэтому любое изменение в гидравлических характеристиках одной абонентской установки может привести к перераспределению подачи теплоносителя по системе теплоснабжения в целом. Исключения влияния отдельных абонентов или их групп на работу тепловой сети добиваются с помощью различных технических решений, однако они весьма сложны, дороги и подходят только для систем теплоснабжения больших эксплуатационных районов.

Вторая глава посвящена исследованию гидравлических режимов модели тепловой сети при присоединении нового абонента. Рассматриваются основные возможности нарушения гидравлического режима системы теплоснабжения. При этом оценивается возможный ущерб от попыток компенсации недостаточной подачи тепла самовольными действиями абонентов на примере системы теплоснабжения одного из населенных пунктов. Показано, что существуют потенциальные возможности экономии энергии, при ограничении перерасходов. Рассматриваются основные способы снижения перерасходов.

Для выяснения влияния структурных изменений тепловой сети на обеспеченность абонентов в работе проведены вычислительные эксперименты с использованием специально разработанной программы расчета тупиковых систем теплоснабжения, которая основана на применении метода эквивалентных сопротивлений.

Расчет тупиковых сетей может проводиться методом эквивалентных сопротивлений. Предполагается, что режим течения теплоносителя турбулентный в квадратичной области сопротивления, для которого справедливы следующие формулы.

Потери напора по длине трубопровода (формула Вейсбаха - Дарси)

Ь о ■

= 2 • О)

вн

Коэффициент гидравлического трения, формула Альтшуля:

Я. = 0,11 •

68

К 1

0Д5

Ке + Б

(2)

Установление режима движения жидкости зависит от формы канала, шероховатости и скорости. Предельное число Рейнольдса, разграничивающее переходный и установившийся турбулентный режим будет равно:

Б

Яе =560--^. (3)

пр N.

При V = 0,415-10 — иК = 0,0005 м (для новых труб) \у = 0,4648 м/с.

С э пр

Обычно скорость теплоносителя превышает , поэтому значение числа Ле

пр

68

достаточно велико, что позволяет выражением ^ в формуле (2) пренебречь, тогда:

Х = 0,11

ГШ

О

Ч. вп/

0,25

(4)

Расчетным участком считается такой участок трубопровода, где расход или диаметр остается постоянным. Точка, отделяющая один расчетный участок от другого, или место присоединения потребителя является узлом. Отношение падения напора на участке к квадрату расхода теплоносителя через него (сопротивление участка) можно найти по формуле:

0Д5

ЬК

8 = 0,88--2-г—52*. (5)

Р-я-ОУ

Отношение потерь напора на абонентской установке к квадрату расхода теплоносителя (сопротивление потребителя) определяется по формуле:

ДЬ

Б =

аб

Р\2.

(«я

(6)

Тупиковая схема системы теплоснабжения это система трубопроводов включенных последовательно и параллельно. Система из любого числа п

5

параллельно соединенных трубопроводов может рассматриваться как один

трубопровод с эквивалентным сопротивлением:

8 -(?)

экв / \

Ёлк

1=1

V /

Сопротивление системы из нескольких последовательно соединенных различных трубопроводов расчитывается исходя из того, что через все участки идет одинаковый расход, а сумма потерь давления на отдельных участках составляет потери давления на всей системе.

Б = У Б. (8)

ЭКВ ¿^ 1

¡-1

Систему, содержащую последовательно включенные и параллельно включенные трубопроводы, можно представить как один трубопровод с некоторым эквивалентным сопротивлением и найти общий расход для данной трубопроводной системы, имея перепад давлений в источнике.

Метод эквивалентных сопротивлений позволяет вести расчет потокораспределения даже в сильно разветвленных тепловых сетях вручную при условии, что режим течения на всех участках автомоделей.

Однако, это условие не всегда выполняется, так как в некоторых случаях наблюдается течение не только в области гладких труб, но и ламинарное течение. При этом зависимости перепадов давлений от скоростного напора будут другими. Учесть зависимость гидравлического сопротивления от режима течения можно путем введения соответствующих поправок и последующего пересчета, то есть методом последовательных приближений. Однако, выполнить такие расчеты вручную для разветвленных тепловых сетей практически невозможно, поэтому для дальнейших исследований была разработана программа, в которой был предусмотрен итерационный подбор сопротивлений в зависимости от режима течения, а также предусмотрена возможность моделирования присоединения нового абонента к заданной тепловой сети и подбора его сопротивления.

С помощью программы были проведены расчеты гидравлических режимов тепловых сетей при присоединении нового абонента и при изменении сопротивлений абонентских вводов. В результате этих расчетов, проведенных на модельных и действующих тепловых сетях, а также при обследовании

6

действующих тепловых сетей, было установлено, что присоединение новых абонентов к тепловым сетям осуществляется без последующей оптимизации гидравлического режима. В результате этого при присоединении нового абонента недостаток подачи теплоносителя у остальных абонентов увеличивается. Для обеспечения таких проблемных абонентов теплом источники теплоснабжения увеличивают параметры теплоносителя (температуру сетевой воды и располагаемый напор). При этом наряду с обеспечением теплом проблемных абонентов, возникают перерасходы теплоносителя у остальных абонентов. Применение регуляторов расхода является одним из способов избежать этой проблемы и связанных с ней энергетических потерь. В настоящее время для этой цели применяются механические регуляторы расхода типа УРРД и РР.

Регуляторы расхода, несмотря на приемлемые технические характеристики, требуют периодической перенастройки и ремонта. Они подвергаются износу и неустойчивы к вандализму. Поэтому на кафедре промышленной теплоэнергетики ГОУВПО «Липецкий государственный технический университет» разработано новое устройство для поддержания гидравлических режимов, которое названо «Ограничитель расхода сетевой воды», так как оно предназначено для ограничения потребителей с избыточной подачей теплоносителя.

В третьей главе приведен анализ некоторых работ, посвященных исследованию адиабатного истечения вскипающей жидкости из каналов и сопел. Из этих работ следует, что при значительной степени недогрева до температуры насыщения истечение жидкости подчиняется гидравлическим законам течения. При температурах, близких к температуре насыщения, в каналах происходят кризисные явления, способствующие «запиранию» потока. Эти явления и послужили-причиной использования коротких каналов и сопел в качестве ограничителей расхода в тепловых аккумуляторах и при разрывах трубопроводов с горячей водой. Истечение горячей воды из каналов, сопел и диафрагм исследовалось при атмосферном давлении среды за соплом. При этом температура жидкости была такова, что давление ее насыщения намного превосходило давление окружающей среды. В работе применяется подобный принцип для создания ограничителя расхода в системе теплоснабжения. Основным отличием условий работы ограничителей является то, что они работают в среде с давлением, значительно превышающим давление насыщения жидкости.

На рис. 1 представлена принципиальная схема исследуемых ограничителей. Вначале были получены результаты в виде зависимости расхода от давлений на входе и выходе из ограничителей. Графики этих

7

зависимостей представлены на рис. 2,3.

Для удобства дальнейшего анализа эти зависимости были представлены в виде гидравлических характеристик, т. е. зависимостей перепада давления на ограничителе от расхода через него. На рис. 4 представлены такие зависимости для ограничителя с диаметром цилиндрического канала 4,0 мм.

трех видов:

а) пропорциональная характеристика (кривая 1) характеризуется зависимостью перепада давления от расхода в степени 1,5-5- 2,1, получается при малых перепадах давления;

б) ограничение расхода (кривая 2, 2', 2"), которое характеризуется постоянным расходом, зависящим от входного давления; ограничение наступает при уменьшении давления на выходе при постоянном давлении на входе, когда перепад давления на ограничителе превышает определенную величину;

в) мягкое ограничение (кривая 3), которое характеризуется зависимостью перепада давления от расхода в степени 2,7 + 3,1; получается при нулевом избыточном давлении. В этом случае величина перепада давления численно равна избыточному давлению на входе.

Рис.2. Графики зависимостей расхода через ограничитель от давления на выходе.

1 - давление на входе 200 кПа;

2 - давление на входе 400 кПа;

3 - давление на входе 800 кПа

Рис. 3. Графики зависимостей расхода через 3 . ограничитель от давления 25 . на входе. ^ 1-избыточное давление "а на выходе 0,0 кПа; 5 '5 ■

2 - избыточное давление 2 1 на выходе 200 кПа.; а п с

3 - избыточное давление на выходе 400 кПа 0 ■

0

Расходы равны расходам ограничения при данном давлении на входе в режиме «ограничения». Характеристикой мягкого ограничения эта кривая названа из-за меньшей интенсивности возрастания расхода при возрастании перепада давления, чем в случае «пропорциональной характеристики».

Ограничитель выполняет свою функцию (ограничение расхода) при работе в режимах «мягкого» или «жесткого» ограничения. В режиме «жесткого ограничения» характеристика ограничителя подобна гидравлической характеристике регулятора расхода, то есть имеет ветвь постоянного расхода и постоянного сопротивления, а также минимальный перепад ограничения. Поэтому наиболее эффективен ограничитель, имеющий наименьшее значение перепада ограничения.

Для поиска более эффективной конструкции были исследованы ограничители диаметром цилиндрического канала 5,0 мм с разными углами конфузорного входа. Полученные характеристики представлены на рис. 5. Как видно, наилучшими характеристиками обладают ограничители, имеющие конфузор с малой конусностью или не имеющие его. Это справедливо как для характеристики «мягкого» ограничения, так и для характеристики жесткого ограничения. В первом случае мы имеем более высокую жесткость характеристики, во втором - мньшие значения минимальных перепадов ограничения.

Для выяснения характера течения в ограничителе было проведено фотографирование потока внутри ограничителя, изготовленного из органического стекла, отдельные фотографии представлены на рис. 6. Из них видно, что кавитация возникает непосредственно в диффузоре. Протяженность навигационного участка зависит от противодавления. В цилиндрическом канале и непосредственно у выхода из конфузора поток сохраняет сплошность несмотря на отдельные кавитационные возмущения на выступах и впадинах.

Проводились измерения давлений на срезе конфузора на одном из ограничителей совместно со снятием характеристик.

9

у

г т

200 400 200 000

Давление на входе, кПа

Рис. 4. Характеристики ограничителей расхода с диаметром цилиндрического канала 4,0 мм.

1 - пропорциональная характеристика;

2 - ограничение расхода с напором на входе 840 кПа; 2' - ограничение расхода с напором на входе 700 кПа; 2" - ограничение расхода с напором на входе 500 кПа;

3 — мягкое ограничение

В режиме ограничения, как мягкого, так и жесткого, давление на срезе конфузора оказалось равно давлению насыщенного пара воды при ее температуре. Поскольку давление на срезе конфузора не меняется в режиме ограничения, а поток сохраняет сплошность, мы можем рассматривать конфузор как насадок, из которого вода истекает в среду с давлением равным давлению насыщения.

Расход ограничения в этом случае определяется по формуле:

Минимальный перепад ограничения определяется:

2

р • W

ДР • -цил. (10)

min огр. ¿.

Данные о коэффициентах расхода насадков при расчете расходов ограничения приводятся в справочной литературе. На рис. 7, 8 представлено сравнение гидравлических характеристик, полученных расчетом, и опытных данных. Как видно из рис. 7,8, совпадение расчетных характеристик с данными опытов удовлетворительное.

Рис. 5. Поля характеристик ограничителей 1,2,3 - с углом конусности конфузорного входа 180°; 1а, 2а, За - с углом конусности конфузорного входа 30°

800 кПа ■ 400 кПа

Р>х- 800 кПа р - 200 кПа

вых.

Рис.6. Фотографии потока внутри ограничителя, изготовленного из органического стекла

Рис. 7, Сравнение результатов расчета и опыта. Ограничитель диаметром цилиндрического канала 4,0 мм.

+ - эксперимент; - - расчет

Щ 800

>я

а боо

№

йЗ

1400 и g 200

9

St в

О

/

4 4 —=r

* - -4 *

7? ,v

0,4

0,8

Расход, м"7ч

1.2

1,6

Рис. 8. Сравнение результатов расчета и опыта. Ограничитель диаметром 6,0 мм. + - эксперимент; - - расчет

800 1|б00

1>

. 1400

а> Я

Ш з

| в 200

О,

0

Я о-

и: сз

г*

г 4

i

+ 1

0,5 1 1,5

2,5

3,5

Расход,м /ч

В четвертой главе даются методика выбора размеров ограничителя для работы в тепловой сети, результаты анализа влияния установки ограничителей на гидравлический режим тепловой сети при присоединении нового абонента и результаты внедрения ограничителей при оптимизации гидравлического режима тепловой сети от «Первого коллектора» котельной «Привокзальная» г. Липецка.

Методика выбора размера ограничителя для работы в тепловой сети показана на блок-схеме (рис. 9). Для того, чтобы поставить ограничитель у абонента О, необходимо получить режим давлений при расчетном расходе теплоносителя у абонента О. Для этого необходимо провести математическое или экспериментальное моделирование этого режима. В результате получения режима давлений можно, согласно разработанной методике расчета, получить конструктивные параметры ограничителя и его гидравлические характеристики (минимальный перепад ограничения). Далее производится сравнение минимального перепада ограничения, полученного из расчета ограничителя, и перепада давлений, которое должно иметь дроссельное устройство, устанавливаемое у абонента Б. Если перепад на дроссельном устройстве больше минимального перепада ограничения, то ограничитель работоспособен.

Методы подбора ограничителей для работы в сети и расчета гидравлических режимов тепловых сетей с установленными ограничителями применялись при моделировании гидравлических режимов при присоединении нового абонента и при оптимизации гидравлических режимов действующих сетей.

При присоединении нового абонента к действующей изначально отрегулированной тепловой сети у ранее присоединенных абонентов снижается подача тепла.

1 (

53

Рабочая точка ограничителя

Рис. 9. Блок-схема методики выбора размеров ограничителей

Наиболее простым решением по обеспечению проблемных абонентов теплом является повышение параметров теплоносителя на источнике, так как это увеличивает температурные напоры у всех систем отопления, включенных в тепловую сеть. Проблемные абоненты могут получить при этом необходимое количество тепла, а остальные - избыточное.

На практике повышение температуры ограничивается степенью износа теплопроводов. При этом существуют тепловые сети, в которые приходится подавать воду со сниженной температурой, что компенсируют увеличением расхода теплоносителя, в результате в тепловой сети появляются перерасходы сетевой воды. Это является причиной энергетических потерь, связанных с повышением затрат на Перекачку теплоносителя и перерасходом тепла на отопление.

В работе были проведены расчеты гидравлических режимов модельной тепловой сети при наличии ограничителей и без них. Расчеты показали, что, применяя ограничители при определенных условиях, можно достичь 20 % экономии затрат на перекачку теплоносителя.

При оптимизации гидравлического режима тепловой сети «От первого коллектора» котельной «Привокзальная» было принято решение установить ограничители у абонентов с заниженным сопротивлением абонентских вводов. На рис. 10 показана диаграмма расходов для абонента с избыточной подачей теплоносителя и его соседей.

Фактический расход до установки ограничителей

Расчетный расход

Фактический расход после установки ограничителей

Рис. 10. Сравнение расходов у абонентов тепловой сети от «Первого коллектора» котельной «Привокзальная» до и после установки ограничителей

Как видно из диаграммы, установка ограничителя дает увеличение расхода сетевой воды у проблемных абонентов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Рассматриваемые в данной работе ограничители могут работать как при падении давления за ними, так и при повышении давления перед ними. При использовании вместо конфузорного перехода внезапного сужения можно снизить минимальный перепад ограничения на величину до 15%, благодаря чему увеличивается его энергетическая эффективность.

2. Установлено, что режим работы ограничителя зависит от давления теплоносителя на входе и перепада давлений между входом и выходом. При этом наилучшими характеристиками обладают ограничители, не имеющие конфуз"ора.

3. Рассмотренные в работе ограничители расхода способны снизить перерасходы теплоносителя до 30 % и обеспечить до 20 % экономии затрат на перекачку.

4. Результаты использованы при оптимизации гидравлических режимов системы теплоснабжения эксплуатационного района от «Первого коллектора» котельной «Привокзальная».

Основные обозначения

ЛЬ - потери напора по длине трубопровода, Па; Х- коэффициент гидравлического трения; Ъ- длина участка трубопровода, м; Овн - внутренний

Ц

диаметр трубопровода, м; р - плотность теплоносителя, кг/м3; w- скорость

теплоносителя в сечении трубопровода, м/с; Кэ- абсолютная эквивалентная

р

шероховатость, м; Re- критерий Рейнольдса; Ah - потери напора на

аб

Р

абонентской установке при расчетных условиях, Па; G - расчетный расход

через абонентскую установку м3/с; wnp - предельная скорость теплоносителя,

определяющая режим течения, м/с; v- кинематическая вязкость теплоносителя, м2/с; S - гидравлическое сопротивление участка трубопроводной системы, Па/(м3/с)2; SaR- гидравлическое сопротивление абонентской установки,

Па/(м3/с)2; Gap6 - расчетный расход теплоносителя через абонентскую установку,

м3/с; S31CB - эквивалентное гидравлическое сопротивление тепловой сети,

Па/(м3/с)2; гидравлическое сопротивление i-ro участка тепловой сети,

Па/(м3/с)2; Vorp - объемный расход ограничения, м3/с; D^ - диаметр цилиндрического канала ограничителя, м; Цконф - коэффициент расхода конфузора, при кавитационном течении; Рв® - абсолютное давление на входе в ограничитель, Па; Рвх - избыточное давление на входе в ограничитель, Па; Рвых - избыточное давление на выходе из ограничителя, Па; Рнп - давление насыщенного пара воды, Па; APmin - перепад давления на ограничителе, Па; -коэффициент местного сопротивления ограничителя; w^ - скорость теплоносителя в цилиндрическом канале ограничителя, м/с;

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах: Публикации'в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Губарев В.Я. Нарушение гидравлического режима тепловых сетей при выводе из строя элеваторов на абонентских установках / В.Я. Губарев, A.A. Тамбовский // Энергосбережение и водоподготовка. 2007. №2. С. 69-70.

2. Губарев В.Я. Выбор размеров кавитационных ограничителей для работы в системе теплоснабжения / В.Я. Губарев, В.В. Логинов, A.A. Тамбовский // Энергосбережение и водоподготовка 2008. №4. С. 48-49.

Статьи и материалы конференций

3. Тамбовский A.A. Оценка потерь теплоносителя в открытых системах теплоснабжения / A.A. Тамбовский И Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах: сб. докл. V Междунар.

15

науч.-практ. конф. Пенза: ГАСУ, 2004. С. 87-90.

4. Исследование потерь теплоносителя из-за несовершенства гидравлического режима тепловой сети / В.Я. Губарев, A.A. Тамбовский, В.А. Стерлигов, ЕМ. Крамченков // Энергетика и энергоэффекгивные технологии: сб. докл. Междунар. науч.-техн. конф., посвященной 50 - летаю ЛГТУ. Липецк: ЛГТУ, 2006. С. 144-146.

5. Губарев ВЛ. Динамика гидравлического режима тепловой сети при присоединении новых абонентов / В.Я. Губарев, A.A. Тамбовский // Энергетика и энергоэффективные технологии: сб. докл. Междунар. науч.-техн. конф., посвященной 50 - летаю ЛГТУ. Липецк: ЛГТУ, 2006. С. 172-175.

Подписано в печать 21.01.2011 Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 85 экз. Заказ О ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ И ПОДДЕРЖАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ.

1.1. СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ.

1.2. СИСТЕМА ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ КАК

ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ.

1.2.1. ОСОБЕННОСТИ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ КАК ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ.

1.2.2. ВОЗМУЩАЮЩИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ.

1.3. ПОТОКОРАСПРЕДЕЛЕНИЕ, ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ СЕТЕЙ.

1.4. РЕЖИМЫ ПОТРЕБЛЕНИЯ ВОДЫ И ТЕПЛА СИСТЕМАМИ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ.

1.5. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ.

2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ И АБОНЕНТОВ.

2.1. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РЕЖИМА.

2.1.1. ОБЕСПЕЧЕННОСТЬ АБОНЕНТОВ, НЕОБХОДИМЫЙ НАПОР СЕТЕВЫХ НАСОСОВ И НЕОБХОДИМАЯ МОЩНОСТЬ.

2.1.2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТУПИКОВОЙ ТЕПЛОВОЙ СЕТИ.

2.1.3. РАЗРЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ СЕТИ.

2.2. СЕТЬ ПРИ ПРИСОЕДИНЕНИИ НОВОГО АБОНЕНТА.

2.3. СЛИВЫ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ И УМЕНЬШЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ АБОНЕНТСКИХ ВВОДОВ.

2.4. СПОСОБЫ ПОДДЕРЖАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ.53 3. ИССЛЕДОВАНИЕ КАВИТАЦИОННОГО

ОГРАНИЧИТЕЛЯ РАСХОДА.

3.1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ.

3.2. ОПИСАНИЕ ОПЫТНОЙ УСТАНОВКИ.

3.3. ЗАВИСИМОСТИ РАСХОДА ОТ ДАВЛЕНИЯ.

3.4. ХАРАКТЕРИСТИКА ОГРАНИЧИТЕЛЯ РАСХОДА.

3.5. КАВИТАЦИОННЫЙ ПОТОК В ОГРАНИЧИТЕЛЕ.

3.6. ДАВЛЕНИЕ НА СРЕЗЕ КОНФУЗОРА.

3.7. РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОГРАНИЧИТЕЛЯ.

3.8. ЭКСПЕРИМЕНТЫ С РАЗЛИЧНЫМИ КОНФУЗОРАМИ.

4. ВЫБОР РАЗМЕРОВ ОГРАНИЧИТЕЛЕЙ.

4.1. ВЫБОР РАЗМЕРОВ ОГРАНИЧИТЕЛЯ.

4.2. МЕТОДИКА ПОДБОРА ОГРАНИЧИТЕЛЯ

ДЛЯ РАБОТЫ В СЕТИ.

4.3. ПРИМЕР ПРИМЕНЕНИЯ ОГРАНИЧИТЕЛЕЙ

В ПРАКТИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

Актуальность темы. Экономия топливно-энергетических ресурсов рассматривается в Федеральной программе «Энергетическая стратегия России до 2020 года» в качестве основного фактора повышения конкурентоспособности отечественной продукции и снижения загрязняющего воздействия на окружающую среду. Анализ энергетических потерь в тепловых сетях различного назначения показывает, что их значительную часть составляют избыточная подача тепла потребителям, превышение расчетных затрат энергии на перекачку теплоносителя, потери тепла и воды связанные с несанкционированным вмешательством абонентов в работу оборудования тепловых сетей. Величина этих потерь напрямую связана с состоянием гидравлического режима в тепловых сетях, эксплуатационный ресурс которых практически исчерпан.

Различные средства автоматизации (регуляторы расхода, регуляторы давления, средства местного регулирования отпуска тепла и т.д.) позволяют поддерживать заданный теплогидравлический режим тепловых сетей, что обеспечивает режим расходов и давлений по участкам сети и, тем самым, обеспечивает экономию потребляемой тепловой энергии, а также снижает затраты на перекачку теплоносителя. Однако технико-экономическая целесообразность применения средств автоматического регулирования не всегда оправдана, что связано, в основном, с существенной изношенностью основного оборудования тепловых сетей, абонентских вводов и котельных, не устойчивостью регулирующего оборудования к несанкционированному вмешательству, высокой стоимостью систем и необходимостью их постоянного обслуживания.

В этой связи весьма перспективными, на наш взгляд, являются кавитационные ограничители расхода, в которых постоянство расхода возникает из-за гидродинамических особенностей течения при больших перепадах давления. Достоинства данного устройства обусловлены такими его свойствами, как отсутствие движущихся частей, невозможность несанкционированного вмешательства в работу устройства, высокая точность и воспроизводимость характеристик и т.д. Из известных схем и конструкций устройств подобного типа следует выделить ограничители утечек теплоносителя, в которых ограничение наступает за счет кризиса истечения вскипающего потока в среду с давлением ниже давления насыщения, поскольку теплоносители в защищаемых таким образом трубопроводах обладают высокими температурами и давлениями. Однако недостаточная изученность процессов течения вскипающих жидкостей, препятствует широкому и разностороннему применению ограничителей подобного типа. В связи с этим тема диссертации представляется актуальной.

Работа выполнялась в соответствии с научным направлением «Исследование кавитационных течений жидкостей и характеристик кавитационных ограничителей расхода в системах транспорта и распределения энергоносителей металлургического производства и функциональных характеристик систем», номер государственной регистрации НИР: 1.1.07. Цель работы. Исследование и разработка методов и устройств поддержания параметров гидравлического режима сетей на требуемом уровне. •Для достижения этой цели поставлены и решены следующие задачи:

- анализ существующих представлений о методах и средствах поддержания тепловых и гидравлических режимов и управлении тепловыми сетями;

- экспериментальное и теоретическое исследование гидравлических характеристик кавитационных ограничительных устройств; разработка метода расчета и конструирования ограничителей для работы в сети;

- усовершенствование математической модели системы теплоснабжения с учетом использования кавитационных ограничителей расхода и моделирование гидравлических режимов при присоединении нового абонента в условиях действующих сетей.

Научная новизна.

Новые экспериментальные и теоретические результаты по исследованию характеристик кавитационных ограничителей расхода применительно к условиям тепловых сетей.

Усовершенствована методика расчета гидравлических режимов тепловых сетей с учетом характеристик кавитационных ограничителей.

Разработана методика расчета геометрических параметров ограничителя для работы в тепловых сетях.

Практическая значимость. Разработанные устройства, методика их расчета и проектирования могут быть использованы как для работы на новых системах теплоснабжения, так и для корректировки режимов работы действующих систем.

Экспериментальное применение ограничительных устройств и новых подходов к управлению гидравлическими режимами подтвердило их эффективность.

Получены теоретические и экспериментальные результаты, показывающие, что использование ограничителей позволяет увеличить энергетическую эффективность транспорта тепла потребителям.

Результаты исследований применялись в рамках хоздоговорных работ с ОАО «Липецкэнерго», МУП «Липецктеплосеть» и др. На защиту выносятся:

Результаты экспериментальных исследований гидравлических характеристик кавитационных ограничителей при температурах тепловых сетей.

Методика расчета характеристик кавитационных ограничителей при температурах тепловых сетей.

Метод расчета гидравлических режимов в тепловых сетях при наличии ограничителей.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных конференциях: V Международной научно-практической конференции «Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах» (Пенза, 2004); Международной конференции «Энергетика и энергоэффективные технологии» (Липецк, 2006). Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ, в том числе 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1] - методика расчетного исследования влияния несанкционированного снижения сопротивления абонентских вводов на гидравлический режим тепловой сети; [2] - разработка методики проектирования ограничителей для установки в тепловых сетях; [4] -разработка методики анализа данных о суточном водопотреблении горячей воды; [5] — разработка математической модели тепловой сети и расчетное исследование гидравлических режимов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 58 наименований. Основная часть работы изложена на 97 страницах, содержит 29 рисунков, 3 таблицы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Нарушения гидравлического режима тепловых сетей, которые связаны с недостатком подачи тепла абонентам, могут быть причиной дополнительных потерь тепла и теплоносителя и усугубления нарушения гидравлического режима сети. Потери эти обусловлены взаимодействием тепловой сети и абонента в условиях недостатка подачи тепла. Предотвращение нарушения гидравлического режима системы теплоснабжения в целом возможно путем построения иерархии внутри тепловой сети. Одним из технических средств ее осуществления является ограничитель расхода. Важным критерием энергетической эффективности такого ограничителя является минимальный перепад давлений, при котором он вступает в работу.

2. Рассматриваемые в данной работе ограничители могут работать как при падении давления за ними, так и при повышении давления перед ними. Их гидравлическая характеристика может быть рассчитана по простой методике. При использовании вместо конфузорного перехода внезапного сужения можно существенно снизить минимальный перепад ограничения, благодаря чему увеличивается его энергетическая эффективность.

3. Рассмотренные в работе ограничители расхода способны существенно снизить перерасходы при малых энергозатратах.

4. Практические результаты достигнуты при нормализации гидравлических режимов систем теплоснабжения города Липецка. Одним из примеров является улучшение теплоснабжения абонентов эксплуатационного района от Первого коллектора котельной Привокзальная.

1. Губарев В.Я. Нарушение гидравлического режима тепловых сетей при выводе из строя элеваторов на абонентских установках / В.Я. Губарев, A.A. Тамбовский // Энергосбережение и водоподготовка. 2007. №2. С.69-70.

2. Губарев В.Я. Выбор размеров кавитационных ограничителей для работы в системе теплоснабжения / В.Я. Губарев, В.В. Логинов, A.A. Тамбовский // Энергосбережение и водоподготовка. 2008. №4. С. 48-49.

3. Теплоснабжение: учебник для вузов / A.A. Ионин, Б.М. Хлыбов, В.Н. Браттенков и др.; под ред. А. А. Ионина. М.: Стройиздат, 1982. 336 с.

4. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети / Е.Я. Соколов. М.: Госэнергоиздат, 1963. 392 с.

5. Зингер Н.М. Тепловые и гидравлические режимы теплофикационных систем /Н.М. Зингер. М.: Энергоатомиздат, 1986. 320 с.

6. Громов Н.К. Абонентские устройства тепловых сетей / Н.К. Громов. М.: Энергия, 1974. 272 с.

7. Зингер H. M. Повышение эффективности работы тепловых пунктов / Н.М. Зингер, В.Г. Бестолченко, A.A. Жидков. М.: Стройиздат, 1990. 188 с.

8. Хлыбов Б.М. Новый режим регулирования отпуска тепла для открытых систем теплоснабжения с непосредственным водоразбором / Б.М. Хлыбов // Водоснабжение и санитарная техника. 1958. №2. С. 30 33.

9. Автоматизированные системы теплоснабжения и отопления / С.А. Чистович, В.К. Аверьянов, Ю.А. Темпель, С.И. Быков. Л.: Стройиздат, 1987. 249 с.

10. Монахов Г.В. Моделирование управления режимами тепловых сетей / Г.В. Монахов, Ю.А. Войтинская. М.: Энергоатомиздат, 1995. 224 с.

11. Чистович С.А. Научно- технические задачи автоматизации систем теплоснабжения // Изв. АН СССР: Энергетика и транспорт. 1984. №1, С. 99 -107.

12. Ю.А. Войтинская. Оперативное выяление повреждений в открытых тепловых сетях / Ю.А. Войтинская // Сб. трудов ВНИИГС Л.: 1986. С. 111 -116.

13. В.И. Борисов. Международные конференции по централизованному теплоснабжению / В.И. Борисов // Теплоэнергетика. 1982. №8. С. 2 3.

14. Чистович С.А. Влияние динамических характеристик систем теплоснабжения на тепловой режим зданий / С.А. Чистович // Тр. АКХ. 1974. Вып. 38. С. 17-21.

15. Чистович С.А. Комплексная автоматизация централизованного теплоснабжения ряда городов СССР / С.А. Чистович, Ю.А. Войтинская, С .Я. Година // Водоснабжение и санитарная техника. 1989. №7. С. 2 5.

16. Чистович С.А. Автоматизация систем теплоснабжения и отопления / С.А. Чистович. М.: Стройиздат, 1964. 180 с.

17. Громов Н.К. Городские теплофикационные системы / Н.К. Громов. М.: Энергия, 1974. 256 с.

18. Громов Н.К. О принципах построения схем тепловых сетей в городах, их автоматизация и телемеханизация / Н.К. Громов // Теплоэнергетика. 1976. №11. С.28- 34.

19. Монахов Г.В., Фаенсон А.И. Определение информативных узлов закрытых систем теплоснабжения / Г.В. Монахов, А.И. Фаенсон // Атомные системы теплоснабжения. ВНИПИэнергопром. 1984. С. 23- 28.

20. Михайленко И.М. Структурно параметрический синтез автоматизированных систем отопления / И.М. Михайленко // Сб. научных трудов НИПТИ МЭСХ НЗ РСФСР. М.: 1982. С. 13 18.

21. Михайленко И.М. Определение оптимального числа точек контроля теплопотребления района при автоматизации централизованного отпуска тепла / И.М. Михайленко, А.С. Чистович // Оптимизация управления и проектирования в жилищно-коммунальном хозяйстве.

22. М.: ОНТИ АКХ. 1984. С. 68 74.

23. Богословский В.Н. Строительная теплофизика. / В.Н. Богословский. М.: Высш. школа, 1982. 415 с.

24. Банхиди JL Тепловой микроклимат помещений: расчет комфортных параметров по теплоощущениям человека / Пер. с венг. В.М.Беляева; Под ред. В.И.Прохорова и А.Л.Наумова. М.: Стройиздат, 1981. 248 с.

25. Грудзинский М.М. Отопительно-вентиляционные системы зданий повышенной этажности / М.М. Грудзинский, В.И. Ливчак, М.Я. Поз. М.: Стройиздат, 1982. 256 с.

26. Анапольская Л.Е. Метеорологические факторы теплового режима зданий / Л.Е. Анапольская, Л.С. Гандин. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. 239 с.

27. Соколов Е.Я. Эксплуатация тепловых сетей / Е.Я. Соколов, Н.К. Громов, А.П. Сафонов. М. Госэнергоиздат, 1955. 352 с.

28. Зингер Н.М. Гидравлические и тепловые режимы теплофикационных систем / Н.М. Зингер. М.: Энергия, 1976. 335 с.

29. Соколов Е.Я. Методика расчета центрального регулирования открыто-закрытых систем теплоснабжения / Е.Я. Соколов, В.П. Вершинский // Теплоэнергетика. 1967. №12. С. 24 28.

30. Соколов Е.Я. Методика расчета центрального регулирования независимых закрытых систем теплоснабжения / Е.Я. Соколов, В.П. Вершинский // Теплоэнергетика. 1968. №9. С. 83 85.

31. Соколов Е.Я. Методика расчета центрального регулирования независимых открытых систем теплоснабжения / Е.Я. Соколов, В.П. Вершинский // Теплоэнергетика. 1968. №10 С. 70 -72.

32. Закс М.Л. Режимы открытой системы теплоснабжения и методика центрального регулирования / М.Л Закс, Я.И. Каплинский // Теплоэнергетика. 1963. №3. С. 46-51.

33. Копьев С.Ф. Режим работы открытых систем теплоснабжения и новый метод их расчета / С.Ф. Копьев // Водоснабжение и санитарная техника. 1964. №9. С. 14-20.95

34. Зингер Н.М. Расчет и моделирование гидравлических режимов тепловых сетей / Н.М. Зингер. М. Л.: Энергия, 1964. 184 с.

35. Чистович С.А. Гидравлический режим открытых тепловых сетей с переменным расходом воды / С.А. Чистович. М.: Изд-во МКХ РСФСР, 1955. 96 с.

36. Чистович С.А. Перспективные технологии в теплоснабжении / С.А. Чистович // Промышленное и гражданское строительство. 2003. №10 С. 54 -56.

37. Выступление Председателя Госстроя РФ Н.П. Кошмана на Расширенной коллегии Госстроя РФ в г. Омске 5-6 февраля 2003 г.// Новости теплоснабжения. 2003. №3. 31с.

38. Выступление Министра ЖКХ и энергетики республики Саха (Якутия) В.Л. Попова на Расширенной коллегии Госстроя РФ в г. Омске 5-6 февраля 2003 г. // Новости теплоснабжения. 2003. №3. 31с.

39. Хиж Э.Б. О надежности систем коммунального теплоснабжения, предупреждении и устранении аварий и инцидентов / Э.Б. Хиж, Г.М. Сокольник, A.C. Толмасов // Новости теплоснабжения. 2003. №3. 31с.

40. Башмаков А.И. Система быстрого реагирования на чрезвычайные ситуации. М.: ЦЭНЭФ, 2001.67 с.

41. Семенов В.Г. Опыт Польши в теплоснабжении урок для России / В.Г. Семенов // Новости теплоснабжения. 2002. №9. С.8 - 15.

42. Зысин В.А. Вскипающие адиабатные потоки / В.А. Зысин. М.: Атомиздат, 1976. 152 с.

43. Тонг Л. Теплопередача при кипении и двухфазное течение: пер. с анг. / Л. Тонг. М.: Мир, 1969. 344 с.

44. Поляков К.С. Экспериментальное исследование адиабатического течения испаряющейся жидкости: автореф. канд. дис. / К.С. Поляков. Л.: Ленингр. политехи, ин-т, 1962. 110 с.

45. Барилович В.А. Исследование процессов в высоковлажном паре применительно к задачам охлаждения газовых турбин: автореф. канд. дис. / В.А. Барилович. JL: Ленингр. политехи, ин-т., 1968. 100 с.

46. Парфенова Т.Н. Исследование процессов истечения самоиспаряющейся жидкости : автореф. канд. дис. / Т.Н. Парфенова. Л.: Ленингр. политехи, ин-т., 1971. 120 с.

47. Келлер В.Д. Исследование стационарного адиабатного критического истечения горячей воды при высоких давлениях через цилиндрические каналы. : автореф. канд. дис. / В.Д. Келлер. М.: Всесоюзный теплотехнический ин-т., 1974.119 с.

48. Попов Г. А. Исследование тепловых процессов и некоторых путей применения гидропаровых турбин : автореф. канд. дис. / Г.А. Попов. Л.: Ленингр. политехи, ин-т., 1971. 95 с.

49. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям/ И.Е. Идельчик. М.: Машиностроение, 1992. 672 с.

50. Примеры расчетов по гидравлике: учеб. пособие для вузов / А.Д.Альтшуль, В.ИЛСалицун, Ф.Г. Майоранский и др.; под ред. А.Д. Альтшуля. М.: Стройиздат, 1976.