автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка комплекса ресурсосберегающих мероприятий в системе энергообеспечения городского хозяйства

На правах рукописи

ПАНЬШИН АЛЕКСЕЙ СЕМЕНОВИЧ

РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ МЕРОПРИЯТИЙ В СИСТЕМЕ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2004г.

Работа выполнена на кафедре автоматизированного электропривода Московского энергетического института (технического университета).

Научный руководитель

Доктор технических наук, профессор Ильинский Николай Федотович

Официальные оппоненты

Доктор технических наук, профессор Юньков Михаил Григорьевич Кандидат технических наук, Попов Михаил Александрович

Ведущее предприятие

ОАО ВНИИЭ

Защита диссертации состоится 24 декабря 2004 г. в аудитории М-611 в 14 час 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: Москва, Красноказарменная ул., д. 13.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим присылать по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан « 23 » ноября 2004 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.02

кандидат технических наук, доцент ,-•■/ Цырук С. А.

а&ъь

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Энергообеспечение городского хозяйства- это снабжение потребителей электроэнергией, теплом и водой. Проблемы рациональной организации и энергосбережения в системах электроснабжения успешно решались и решаются на основе использования электротехнических средств и методов, тогда как для систем тепло- и водоснабжения до недавнего времени не существовало эффективных электротехнических устройств для управления потоками неэлектрической энергии, что существенно затрудняло решение задач экономии энергоресурсов, хотя актуальность этих задач стремительно возрастала. Появление на широком рынке благодаря успехам силовой и информационной электроники доступных преобразователей частоты, регуляторов напряжения, микропроцессорных средств, новых датчиков неэлектрических величин и.т.п. сделало актуальной задачу их эффективного использования в системах тепло- и водоснабжения для обеспечения экономии газа, электроэнергии и воды.

Решению этой задачи на примере энергетических объектов предприятия ГУЛ «Мостеплоэнерго» посвящена настоящая работа.

Цель диссертационной работы; на основе анализа существующей системы энергообеспечения города определить технологические зоны, наиболее перспективные с точки зрения энерго-ресурсосбережения, и с использованием современных электротехнических систем разработать комплекс технических мероприятий, обеспечивающих экономию топлива, воды и электроэнергии.

Достижение поставленной цели осуществлялось путем решения следующих задач:

1. Теоретическое и экспериментальное исследование основных объектов энергообеспечения города для определения технологий, где энергоресурсосберегающие мероприятия, обеспечиваемые средствами современной электротехники и электроники, наиболее эффективны.

2. Исследование процесса сгорания газа в котлах ПТВМ и разработка системы, позволяющей оптимизировать этот процесс.

3. Разработка системы регулирования тепловой мощности котлов в широких пределах для обеспечения эффективного функционирования в летний период

4. Разработка комплекса энергосберегающих мероприятий при модернизации тепловых пунктов и оценка их

Методы исследования: использование для анализа качества функционирования и энергетических режимов действующих объектов в системе энергообеспечения города современных измерительных средств и статистических методов, разработка с использованием методов теплотехники, электротехники, электроники, теории автоматического регулирования энергосберегающих технических решений, экспериментальная проверка результатов на действующем оборудовании.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов

подтверждены результатами широкого промышленного эксперимента на модернизированном оборудовании Предприятия № 1 ГУП «Мостеплоэнерго».

Научная новизна заключается в следующем:

- в системах энергообеспечения города обоснованы технологии, где энерго-ресурсосберегающие мероприятия, реализуемые на основе современных электротехнических средств, дают наибольший технико-экономический и экологический эффект: сжигание газа в котлах РТС, управление температурой теплоносителя, резервирование сетевых насосов, управление давлением в системах водоснабжения зданий;

- предложен и обоснован алгоритм управления режимом горения газа в котле, позволяющий автоматически поддерживать оптимальное соотношение «газ-воздух», разработана электротехническая система, обеспечивающая практическую реализацию алгоритма, разработана и проверена экспериментально методика оценки величины экономии газа;

- разработаны способы регулирования режимов теплосети, основанные на использовании регулируемого электропривода и позволяющие автоматически регулировать температуру теплоносителя, его давление и расход;

-сформулированы принципы обеспечения безаварийности при работе группы сетевых насосов в условиях прерывания питания;

- разработана методика комплексного обследования ЦТП, позволяющая объективно рекомендовать технические мероприятия модернизации конкретных ЦТП, построена статистическая модель эффективности частотно-регулируемого электропривода насосов ЦТП.

Основные практические результаты:

1. Опытно-промышленная эксплуатация первого образца системы оптимизации горения газа на котле ПТВМ-100 РТС «Строгино» в течение 1996-97г.г. подтвердила эффективность предлагаемых решений. В 1997 году режим горения был оптимизирован на других пяти котлах. За период 1997-99г.г. автоматизированы еще 15 котлов, в настоящее время модернизация котлов

продолжается. В результате сэкономлено значительное количество газа (до 2% от общего потребления) при несомненном экологическом эффекте.

2. На РТС «Матвеевская» впервые создан котел-регулятор, позволяющий средствами современного электропривода, параллельно с другими котлами автоматически регулировать температуру сетевой воды, что повышает качество теплоснабжения города, облегчает труд оперативного персонала, способствует увеличению срока службы оборудования. Экономия газа от внедрения системы автоматического регулирования' температуры сетевой воды в отопительный период достигает 5%. Система внедрена еще на 3-х теплостанциях: РТС «Рублево», РТС «Кунцево», РТС «Строгино» Предприятия № 1 ГУП «Мостепл оэнерго».

3. Осуществление автоматического резервирования сетевых насосов с плавным пуском резервного позволило отказаться от схемы работы с двумя сетевыми насосами и ограничиться включением одного регулируемого, что позволило сократить потребляемую мощность до 35%.

4. Опыт модернизации ЦТП и ИТП целого района теплосетей на примере РТС «Строгино» показал реальную экономию электрической энергии на 36% и воды на 13%.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались автором и обсуждались:

- на XVI конференции «Москва - энероэффективный город», 14-16 ноября 2001 г;

-на втором международном научно-техническом семинаре «Применение

регул

ируемого электропривода в электроэнергетике». ВНИИЭ, Москва, 1519 октября 2001г.

- на научно-технических советах ГУП «Мостеплоэнерго»

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, приложений. Содержит 124 страницы машинописного текста, 33 рисунка и 6 таблиц. Список литературы насчитывает 41 наименование.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность проблемы энергоресурсосбережения и приведен обзор задач, решаемых в диссертации.

В первой главе на примере ГУП «Мостеплоэнерго», на долю которого приходится около 30% тепловой энергии, производимой в Москве на районных (РТС) и квартальных (КТС) станциях, дана общая характеристика системы энергообеспечения города в части теплоэнергетического хозяйства и водоснабжения.

Проведен анализ ее основных объектов с целью выявления резервов энерго-ресурсосбережения и оценки эффективности энергосберегающих мероприятий, осуществляемых на основе современных электротехнических устройств и систем.

Резервы экономии энергоресурсов имеются на всех стадиях производства

□ Присоединенная тепловая нагрузка

□ Собственные нужды

□ Потери в тепловых сетях района

■ Потери на ЦТП

■ Потери в разводящих тепловых сетях

Рис. 1. Распределение тепловой энергии до модернизации

□ Полезная мощность

■ Потери в насосах

0 Потери в дросселирующих устройствах

Рис. 2. Распределение электрической мощности на РТС и ЦТП до модернизации

50%

□ Водопотребление населением

■ Потери в ЦТП и тепловых сетях И Нерациональные потери

Рис. 3. Водопотребление до модернизации

При помощи новейших электротехнических устройств и средств автоматики можно добиться оптимального сгорания топлива и существенной экономии газа. Центральные (ЦТП) и индивидуальные (ИТП) тепловые пункты также являются мощными потребителями электроэнергии и воды.

При их модернизации важен комплексный подход, ориентированный прежде всего на установку частотно-регулируемого электропривода, на наладку контуров циркуляции горячего водоснабжения, совершенствования схем отопления и водоснабжения. Регулируемый электропривод насосов позволяет автоматически поддерживать требуемые параметры и экономить до 50% потребляемой электроэнергии.

Показано, что оценка эффективности энергосберегающих мероприятий должна производиться комплексно. Наилучшие результаты достигаются при статистической оценке за длительный промежуток времени.

Обоснован перечень основных мероприятий по энергосбережению на тепловых станциях и тепловых пунктах: оптимизация процесса сжигания газа, управление температурой теплоносителя, резервирование сетевых насосов, управление давлением в системах водоснабжения зданий.

Во второй главе рассматривается оптимизация процесса горения газа на примере котлов типа ПТВМ.

В реальных условиях в топку котла подается природный газ, имеющий примеси и воздух. От качества сгорания топлива зависит КПД котла и количество вредных выбросов в атмосферу, причем при наибольшем КПД достаточно высоки и экологические показатели. В частности, при оптимальном сгорании в уходящих газах практически отсутствует СО - угарный газ.

Разработан алгоритм и структурная схема системы автоматического регулирования режима горения газа (рис.4).

85%

14% 1%

1. Топочное пространство котла

2. Горелки

3. Регулирующий клапан

4. Регулирующий шибер

5. Программируемый контроллер

6. Датчик давления газа

7. Датчик содержания кислорода

8. Датчик разряжения

9. Датчик температуры дутьевого воздуха

10. Сигнализатор

ТП1, ТП2- тиристорные пускатели

Рис. 4. Структурная схема АСР- горения

В основу алгоритма положена режимная карта, традиционно применяемая при ручном управлении и вобравшая многолетний опыт управления процессом горения на котлах.

Для управления процессом горения использован программируемый контроллер, получающий информацию о давлении газа, содержании кислорода в отходящих газах, разряжении в топке котла, температуре дутьевого воздуха.

На дискретные входы подаются сигналы с ключа выбора режимов и информация о количестве включенных горелок. Выходные сигналы контроллера через тиристорные пускатели управляют регулирующим клапаном, установленным на газопроводе котла перед горелками, и шибером в канале отходящих газов.

Для анализа отходящих газов и организации обратной связи по содержанию кислорода впервые на теплостанциях «Мостеплоэнерго» был применен кислородомер типа ТДК-ЗМ, основанный на принципе односторонней кислородо-ионной проводимости в твердо-электролитной среде и вполне пригодный для нужд автоматики по качеству измерений, инерционности и условиями эксплуатации.

Разработана экспериментально-расчетная методика оценки экономической эффективности АСР-горения, основанная на комплексном учете различных факторов, влияющих на точность регулирования давления газа: дискретность режимной карты, среднесуточные колебания температуры дутьевого воздуха, ручное воздействие на исполнительный механизм.

Установлено, что при автоматическом регулировании экономия газа по сравнению с ручным управлением составляет не менее 1,6%, а с учетом человеческого фактора увеличивается до 4% и более.

Внедрение автоматической системы регулирования кроме экономии газа, улучшает экологическую обстановку и, естественно, условия труда эксплуатационного персонала.

В третьей главе рассмотрены проблемы регулирования режимов теплосети особенно острые в летний период, когда появляется избыток мощности на тепловой станции.

Эта проблема обусловлена необходимостью обязательной работы четырех растопочных горелок для котлов типа ПТВМ, что определяет величину минимально возможной тепловой мощности, которая, однако, в раза выше необходимой.

Предложено решение проблемы на основе использования частотно-регулируемого асинхронного электропривода дутьевых вентиляторов.

Расход воздуха регулируется изменением частоты вращения дутьевых вентиляторов одновременно четырех растопочных горелок, а расход газа изменяется существующим обшим регулирующим клапаном, при этом, что существенно, нет необходимости в конструктивных изменениях котла.

Регулирование четырех растопочных горелок решает задачу обеспечения летнего режима тепловых сетей, в результате исключается перегрев теплосети и повышение температуры в трубопроводах, за счет этого уменьшаются теплопотери.

Экспериментально установлено, что экономия газа в летний период составляет не менее 2%.

Применение указанного способа для остальных горелок котла расширяет диапазон регулирования тепловой мощности, что позволяет создать всесезонный котел-регулятор, который самостоятельно или параллельно с другими котлами обеспечивает требуемый режим теплостанции, температуру сетевой воды по температурному графику.

Для решения задачи автоматического регулирования температуры сетевой воды разработана схема, структурно состоящая из подсистем регулирования режима горения, давления дутьевого воздуха и температуры воды, объединенные посредством контроллеров с целью экономичного использования топлива во всем диапазоне регулирования (рис.5).

Рис.5. Структурная схема системы регулирования тепловой мощности котла

В результате опытно-промышленной эксплуатации системы автоматического регулирования температуры сетевой воды на РТС «Рублево» экспериментальным путем установлено, что экономия газа в отопительный период достигает 5% от общего потребления теплостанции.

Установлено также, что электрическая мощность, потребляемая дутьевыми вентиляторами, снижается примерно на 60%.

Четвертая глава посвящена задаче регулирования давления и расхода воды в теплосети.

Обычно регулирование этих параметров ведется с помощью дросселирующих устройств, при этом, как известно, потери энергии достигают 55%. Экономия электроэнергии в рассматриваемых технологиях может быть достигнута за счет перехода от традиционно используемого нерегулируемого электропривода насосов к регулируемому. На квартальной тепловой станции КТС-25 Предприятия № 1, где циркуляция теплоносителя обеспечивается тремя сетевыми насосами, имеющими возможность параллельной работы на общий напорный трубопровод, регулирование давления с помощью частотно-регулируемого электропривода решает задачу стабилизации работы теплосети.

Разработанная система регулирования (рис.6) обеспечивает стабилизацию давления в напорном трубопроводе, а также разности давлений в напорном и обратном трубопроводах. Выбор регулируемого параметра и его величины осуществляется с клавиатуры контроллера, на который возложены функции вычисления разницы давлений от датчиков, устанавливаемых на трубопроводах, управление коммутационной аппаратурой и резервирования насосов. Разработана специальная программа, алгоритм которой в целях повышения безаварийности предусматривает регулирование перепада давлений в теплосети с определенными ограничениями давлений и запретами на регулирование при выходе параметров за допустимые пределы. Остановка сетевого насоса, как показывает анализ, чаще всего происходит при исчезновении напряжения, в том числе и кратковременного. Это приводит к срабатыванию защиты на котлах по низкому уровню давления сетевой воды и останову котлов. Возможности преобразователя частоты по автоматическому перезапуску насоса оказываются бесполезными из-за несоответствия времени перезапуска и уставок защиты на котлах. Поэтому возникает необходимость автоматического включения резервного нерегулируемого насоса, имеющего питание от другого ввода, на открытую задвижку. В целях избежания гидроударов в этом случае применено устройство мягкого пуска (рис.6). Как показал опыт, кроме повышения качества теплоснабжения, безопасности работы теплостанции и улучшения условий труда обслуживающего персонала, обеспечивается экономия электроэнергии зимой до 45%, летом до 35%.

О 4 «В

Рис. 6. Структурная схема узла сетевых насосов и систем регулирования давления сетевой воды

¡о

В пятой главе рассмотрен комплекс энергосберегающих мероприятий на центральных тепловых пунктах (ЦТП). В системе водоснабжения г. Москвы расход воды в 1,5-3 раза превышает нормативный- 259л/чел.сут., что связано, в частности, с избыточным давлением воды, подаваемой потребителю.

Примеры ЦТП приведены в таблице 1.

Удельный суточный расход воды

Таблица 1.

№ п/п Адрес ЦТП № в/ввода Количество жителей чел. Расход

Среднесут. м3/сут Удельный л/чел.сут

1 Вересаева, 14 4398 1439 688 478

2 Толбухина, 13/4 33283 791 357 451

3 Гвардейская, 11 28268 1171 575 491

4 Неделина,6 32303 1265 613 485

5 Ельнинская, 11/2 35201 1304 660 506

6 Барвихинская, 24 34212 3252 1680 517

7 Рублевское ш., 109 36623 863 415 487

8 Бобруйская, 26 27283 3278 1500 458

9 Полоцкая, 27 32639 1143 575 503

10 Витебская, 3/1 617 3280 1661 506

И Академика Павлова, 10 27860 2785 1474 529

12 Рублевское, ш., 127 33915 2831 1377 465

13 Можайское ш., 28 25803 1317 688 522

14 Бобруйская, 8/10 30620 1876 1138 607

15 Ярцевская, 29 34501 750 410 547

16 Беловежская, 91 28262 2554 1390 544

17 Говорова, 6 36804 2103 1100 523

18 Полоцкая, 16/14 33988 270 213 789

Избыточное давление при нерегулируемом электроприводе насосов предопределяется переменным режимом водопотребления, нестабильным входным давлением и запасами по давлению, закладываемыми при проектировании.

Разработан комплекс технических мероприятий, обеспечивающих экономию воды и электроэнергии на ЦТП:

- выравнивание гидросопротивлений циркуляционных колец систем горячего водоснабжения;

- перевод схемы ГВС с циркуляционной на циркуляционно-повысительную;

- подбор насосов в соответствии с расчетными параметрами;

- применение частотно-регулируемого электропривода насосов холодной воды для поддержания давления воды на заданном уровне. Опыт показывает, что принятие оптимальных решений для каждого конкретного ЦТП возможно лишь на основе детального обследования систем тепловодоснабжения, которое включает следующие этапы:

- уточняется состав застройки, схемы и параметры трубопроводов;

оценивается фактическое водопотребление, сравнивается с нормативным;

- оценивается давление воды в контрольных точках и разница температур в напорном и обратном трубопроводах, потребляемые мощности;

- вырабатываются мероприятия по модернизации ЦТП.

На примере микрорайона «Строгино», где закончена модернизация всех ЦТП, проведен анализ эффективности энергосберегающих мероприятий.Приведены характеристики присоединенной нагрузки, схемы отопления, сроки проведения технических мероприятий по модернизации и показатели потребления энергоресурсов. Общий вывод: проведенные мероприятия обеспечили экономию электроэнергии от 30% до 50% и воды от 5% до 15%.

В табл. 2 приведены данные по потреблению электроэнергии и воды всего района тепловых сетей в августе и отопительном сезоне.

Таблица 2.

Характеристика потребления энергоресурсов всеми ЦТП (47 шт.) района теплосетей «Строгино»

Год Кол-во модернизир. Среднемесячный расход

ЦТП Лето Отопительный сезон

Эл.энерг. Воды, м3 Эл.энерг. Воды,

тыс.кВт/ч тыс. кВт/ч м3

1997 0 693 Нет данных 1049 Нет данных

1998 2 683 37200 953 45837

1999 16 578 35745 942 43695

2000 21 508 32373 830 41858

2001 41 345 33818 738 38352

2002 41 354 Нет данных 679 Нет данных

По мере увеличения год от года количества модернизированных ЦТП наблюдается сокращение энергопотребления и расхода воды, а по окончании модернизации в 2002г., в сравнении с 1998г. расход энергии сократился на 48% летом и 30% в отопительный сезон и расход воды на 9% летом и 16% в отопительный сезон.

В шестой главе предложены перспективные решения модернизации тепловых пунктов:

1) Наряду с оборудованием насосных станций ЦТП частотно-регулируемым электроприводом были проведены испытания нового перспективного вентильно- индукторного электропривода (ВИЛ).

Представлены результаты натурных испытаний на центральном тепловом пункте такого электропривода, разработанного на кафедре автоматизированного электропривода МЭИ.

Электропривод насоса, управляемый по схеме на рис.7 без специального датчика положения ротора, работая в штатном режиме в системе водоснабжения микрорайона, обеспечивал нормальный пуск насоса на закрытую и открытую магистраль и стабилизацию давления в системе на заданном уровне при изменениях входного давления и расхода воды.

Испытания показали, что новый электропривод по своим функциональным возможностям не уступает традиционному частотно-регулируемому электроприводу.

2) Практика показала, что системы пожаротушения, включающие в себя насосные установки в ЦТП и пожарный водопровод в жилых зданиях, в настоящее время часто оказываются неработающими.

Это объясняется многими причинами: пожарные стояки, как правило, находятся в отключенном состоянии (без воды), пожарные насосы находятся в режиме «ожидания», система дистанционного пуска насосов часто отключена по причине ложных пусков.

Применение регулируемого электропривода позволяет принципиально изменить ситуацию с хозяйственно-противопожарным водопроводом в сторону улучшения.

Для этого систему водоснабжения зданий микрорайонов достаточно оборудовать одной группой хозяйственно-противопожарных насосов вместо двух (рис.8). При этом насос будет постоянно находиться в работе, обеспечивая хозяйственное водоснабжение, что само по себе является гарантией его работоспособности. На случай пожара эта система автоматически обеспечивает дополнительный расход на его тушение.

Для этого необходимо только подключить пожарный рукав и открыть кран. Впервые объединенная система хозяйственно-противопожарного

ХВС2- насос К 90/3.5; ДЦ- датчик давления 4 АО-ЗО; ИП- источник питания датчика давления; С)Р- автомат; К50- комплект измерительных приборов; КМ-сетевой контактор: КК- тепловое реле; ЛС- сигнальная лампа; БЕИ - кнопка «Пуск»; 8В2-кнопка «Стоп»; М- двигатель; Я- резистор.

Рис.7. Схема врезки ВИП

Блок

хозяйственно-пожарных насосов

Г--------1

Холодное водоснабжение и

пожаротушение -►

к бойлерам ► горячего водоснабжения

Рис.8. Условная схема объединенной хозяйственно- противопожарной системы

Заключение

Основные теоретические и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Обоснованы технологии, где на основе современных электротехнических средств можно получить технико-экономический и экологический эффект:

-горение газа в котлах - оптимизация режима;

- режимы теплосети- способы регулирования;

- безаварийное включение насосов в условиях прерывания

электропитания;

- управление давлением в системах водоснабжения зданий.

2. Предложена и разработана система автоматического регулирования сжигания топлива для котлов типа ПТВМ с коррекцией по содержанию кислорода в отходящих газах. Разработанный алгоритм базируется на режимной карте и действиях оператора, включающего необходимое количество горелок.

Обеспечивается устойчивая работа котла при неисправностях в системе или кратковременных нарушениях электропитания и оптимальное сгорание топлива.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1.Паныпин А.С., Крылов Ю.А. Система автоматического регулирования режима горения газа в котлах типа ПТВМ//Промышленная энергетика. - 2000. - № 6. - С. 37 - 39.

2. Вайнер И.Г, Крылов ЮА.,. Паныпин А.С. Регулирование тепловой мощности котлоагрегатов типа ПТВМ // Промышленная энергетика. -2001.-№4.-С. 18-21.

3. Вайнер И.Г., Крылов ЮА., Панынин А.С. Устройство для регулирования тепловой мощности водогрейного котла //Свидетельство на полезную модель № 18757 от 27.12.2000., Опубл. 10.07.2001, Бюл. № 19.

4. Паныпин А.С, Крылов Ю.А. Комплекс энергосберегающих мероприятий по модернизации центральных тепловых пунктов //Промышленная энергетика. - 2001. - № 3. - С. 2 - 7.

5. Натурные испытания вентильно-индукторного электропривода насоса в центральном тепловом пункте./ Б.М. Сарач, А.С. Паныдин, А.В. Кисельникова и др.//Вестник МЭИ. - 2003. - № 3.- С. 56-58.

Подписано в печать $ )/• Зак. Н' ( Тир. ¡С'С Пл. Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д. 13

»22 672

РНБ Русский фонд

2005-4 18236

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕПЛО-ВОДОСНАБЖЕНИЯ ГОРОДА

1.1. Система центрального тепло- и водоснабжения Москвы

1.2. Потери энергии в централизованных сетях и резервы 14 энергосбережения

Выводы по главе

ГЛАВА 2. ОПТИМИЗАЦИЯ КАЧЕСТВА СГОРАНИЯ ТОПЛИВА НА РТС

2.1. Постановка задачи регулирования режима горения

2.2. Объект исследования - котлы типа ПТВМ

2.3. Предварительные исследования режима горения на котле ПТВМ

2.4. Разработка алгоритма и структурной схемы автоматического регули- 30 рования режима горения в котлах ПТВМ

2.5. Реализация системы автоматического регулирования режима горения

2.6. Методика оценки экономической эффективности

Выводы по главе

ГЛАВА 3. РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА РАЙОННЫХ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ

3.1. Проблема регулирования режимов теплосети

3.2. Анализ возможных способов регулирования тепловой мощности 45 котлов ПТВМ

3.3. Принцип плавного регулирования тепловой мощности 47 котла типа ПТВМ

3.4. Предварительные исследования режима котлов при регулировании 48 тепловой мощности

3.5. Система автоматического регулирования тепловой мощности котла 50 ПТВМ и температуры сетевой воды

3.5.1. Регулирование тепловой мощности

3.5.2. Регулирование температуры сетевой воды

3.6. Результаты опытно-промышленной эксплуатации

3.7. Оценка экономической эффективности системы автоматического 62 регулирования температуры сетевой воды

3.7.1. Экономия электроэнергии

3.7.2. Экономия тепловой энергии и топлива 62 Выводы по главе

ГЛАВА 4. РЕГУЛИРОВАНИЕ ДАВЛЕНИЯ И РАСХОДА ВОДЫ В ТЕПЛОСЕТИ

4.1. Задача регулирования сетевых насосов теплостанций

4.2. Система регулирования давления и перепада давления в теплосети

4.3. Резервирование сетевых насосов

4.4. Мероприятия по согласованию тепловой нагрузки сети и мощности 76 сетевых насосов

4.5. Результаты промышленной эксплуатации

Выводы по главе

ГЛАВА 5. КОМПЛЕКС ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ МЕРОПРИЯТИЙ ПО МОДЕРНИЗАЦИИ ЦЕНТРАЛЬНЫХ ТЕПЛОВЫХ ПУНКТОВ

5.1. Актуальность модернизации ЦТП

5.2. Классификация систем теплоснабжения

5.3. Основные факторы энергосбережения

5.4. Методика обследования систем тепловодоснабжения жилых микро- 93 районов

5.5. Проблемы, сопровождающие технические мероприятия по энергосбережению

5.6. Результаты энергосберегающих мероприятий на примере одного района тепловых сетей г. Москвы.

Выводы по главе

ГЛАВА 6. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ В МОДЕРНИЗАЦИИ ТЕП

ЛОВЫХ ПУНКТОВ

6.1. Натурные испытания вентильно-индукторного электропривода насо- 109 са в центральном тепловом пункте

6.2. Состояние систем пожаротушения в современных условиях

6.3. Объединенная система хозяйственно-противопожарного водопрово- 111 да с регулируемым электроприводом пожарных насосов

6.4. Опыт применения объединенной системы хозяйственно- 112 противопожарного водопровода на ЦТП Предприятия № 1 ГУП

Мостеплоэнерго».

Выводы по главе

Самым большим по объему потребляемых энергоресурсов — более 400 млн. условного топлива в год или 45% от общего потребления, является сектор теплоснабжения страны. В 2000 г. суммарное производство тепловой энергии составило 2060 млн. Гкал. [1].Система теплоснабжения, сложившаяся в России, в основном централизованная. Централизованно производится более 71% тепловой энергии, и только 29% приходится на децентрализованные источники. Тепловыми электростанциями (ТЭЦ) отпускается более 34% всего тепла, котельными почти 50% [1].

Даже в условиях спада промышленного производства темпы роста потребности в энергии превышают темпы вводимых в эксплуатацию энергомощностей. Поэтому сбережение энергии всех видов становится главным фактором снижения нагрузки энергетики на инвестиционный баланс страны [2]. На это были направлены правительственная «Программа энергосбережения России: на * 1996-2000 годы» и Постановление № 1087 от 2 ноября 1995 г. «О неотложных мерах по энергосбережению».

Прогноз теплопотребления в России в благоприятных условиях экономического развития предусматривает ежегодный рост производства теплоэнергии, в 2020 году оно достигнет 2650 млн. Гкал. Поэтому энергосбережение в городском хозяйстве является приоритетной задачей.

Энергообеспечение городского хозяйства — это снабжение потребителей электроэнергией, теплом и водой. Проблемы рациональной организации и энергосбережения в системах электроснабжения успешно решались и решаются на основе использования электротехнических средств и методов, тогда как для систем тепло-и водоснабжения до недавнего времени не существовало эффективных электротехнических устройств для управления потоками неэлектрической энергии, что существенно затрудняло решение задач экономии энергоресурсов, хотя актуальность этих задач стремительно возрастала.

Появление на широком рынке, благодаря успехам силовой и информационной электроники, доступных преобразователей частоты, микропроцессорных средств, новых датчиков неэлектрических величин и т.п. сделало актуальной задачу их эффективного использования в системах тепло- и водоснабжения для обеспечения экономии газа, электроэнергии и воды.

В Москве, как и во множестве городов России, действует централизованная система теплоснабжения. Здесь присутствуют, в основном, два производителя тепла: АО «Мосэнерго» и ГУП «Мостеплоэнерго». На долю «Мосэнерго» приходится около 70% тепловой энергии, производимой ТЭЦ и распределяемой через сеть центральных тепловых пунктов (ЦТП). Остальные 30% тепла производит «Мостеплоэнерго» на районных и квартальных тепловых станциях (РТС и КТС) и распределяется через сеть ЦТП и ИТП (индивидуальный тепловой пункт).

Резервы экономии энергоресурсов имеются на всех стадиях производства и распределения тепловой энергии.

При производстве тепловой энергии на теплостанциях доля затрат на собственные нужды в сравнение с вырабатываемой тепловой энергией незначительна, поэтому КПД станции зависит от полноты сгорания топлива, то есть от количества.теплопродукции на единицу условного топлива - в конкретном случае газа. Недопустимо как неполное сгорание топлива (выбрасывание неиспользованного газа в атмосферу), так и отток недоиспользованного тепла вместе с уходящими газами.

Тепловой режим теплосетей определяется не только количеством выработанной тепловой энергии, но и режимом циркуляции теплоносителя (перегретая воды) по первичному замкнутому контуру, включающему бойлеры отопительной системы и горячего водоснабжения. Избыток или недостаток давления в напорном трубопроводе (или разности давлений в напорном или обратном трубопроводах) ведут к повышенным теплопотерям в протяженных магистралях (дополнительные затраты топлива) или снижение качества отопления и горячего водоснабжения. Регулирование подачи теплоносителя в сеть ведется в настоящее время задвижками на напоре сетевых насосов. За счет потери давления на этих задвижках перерасход потребляемой электроэнергии в мощных сетевых насосах достигает 60%.

Установленная тепловая мощность котлов центральных систем теплоснабжения учитывает среднегодовую температуру наружного воздуха и наиболее соответствует отопительному сезону. В летний период при отсутствии отопления встает проблема избыточной тепловой мощности даже при работающем только одном котле и его минимально возможной тепловой мощности. Любое техническое мероприятие, в том числе связанное с временным остановом выработки тепловой энергии и его возобновлением, связано с повышенными энергозатратами и ухудшением качества энергообеспечения населения.

Значительная доля потребляемой электроэнергии и воды приходится на центральные тепловые пункты (ЦТП) теплосетей: Подача расходуемых холодной и горячей воды осуществляется насосами мощностью, как правило, от 15 до 30 кВт. Насосы рассчитаны на максимальный разбор воды в часы пик, причем по проекту с существенными запасами. Практика показывает, что реальный ресурс сбережения электроэнергии достигает 50-60% при условии соблюдения требуемого давления воды в зависимости от водоразбора. Кроме того, следует уделить внимание состоянию гидросистемы у потребителя - соотношению гидросопротивлений параллельных оборотных колец горячего водоснабжения и др. Правильная наладка гидросистемы обеспечивает значительную экономию электроэнергии, как в циркуляционных насосах горячей воды, так и насосах холодного водоснабжения.

В рамках данной работы рассматриваются задачи, решаемые электротехническими средствами и методами: регулируемый электропривод насосов и вентиляторов, системы автоматического регулирования технологических параметров при выработке и транспортировке тепловой энергии.

В работе решается комплекс задач энергосбережения, основные из которых следующие:

- оптимизация сгорания топлива в котлоагрегатах путем автоматического регулирования соотношения воздух-газ в зависимости от внешних параметров;

- дискретно-непрерывное автоматическое регулирование тепловой мощности котлов и температуры сетевой воды на базе группового частотно-регулируемого электропривода дутьевых вентиляторов и системы оптимизации, сгорания топлива;

- автоматическое регулирование параметров теплоносителя (температура, давление и разность давлений в напорном и обратном трубопроводах) с переходом от дросселирования к частотно-регулируемому электроприводу сетевых насосов;

- комплексная модернизация центральных тепловых пунктов, основным элементом которой является система автоматического регулирования давления холодной и горячей воды на базе регулируемого электропривода насосов.

Кроме эффекта энергосбережения, решаемые задачи повышают качество тепловодообеспечения населения, повышают эксплуатационные свойства тепловых систем, улучшают условия труда и снижают количество вредных выбросов в атмосферу.

Уделено внимание оценке эффективности энергосберегающих мероприятий, проводимой по всему техническому комплексу целых районов теплосетей.

Наиболее достоверные результаты достигаются при статистической оценке за длительный период времени расходов холодной и горячей воды, газа и электроэнергии.

Настоящая работа посвящена решению поставленных задач на примере энергетических объектов ГУП «Мостеплоэнерго». Централизованная система теплоснабжения г. Москвы характерна для всех городов России, что обусловливает применимость результатов работы в других регионах.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Основные теоретические и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Обоснованы технологии, где на основе современных электротехнических средств можно получить технико-экономический и экологический эффект:

-горение газа в котлах - оптимизация режима;

- режимы теплосети- способы регулирования;

- безаварийное включение насосов * в условиях прерывания электропитания;

- управление давлением в системах водоснабжения зданий

2. Предложена и разработана система автоматического регулирования сжигания топлива для котлов типа ПТВМ с коррекцией по содержанию кислорода в отходящих газах. Разработанный алгоритм базируется на режимной карте и действиях оператора, включающего необходимое количество горелок.

Обеспечивается устойчивая работа котла при неисправностях в системе или кратковременных нарушениях электропитания и оптимальное сгорание топлива. Экономия,газа от внедрения систем составляет около 1,8%. Разработана методика оценки экономии газа от применения системы автоматического регулирования качества сгорания топлива.

3. Предложена и разработана система непрерывного регулирования тепловой мощности путем одновременного изменения количества подаваемого газа и дутьевого воздуха. Используется групповой частотно-регулируемый электропривод дутьевых вентиляторов и регулирующий клапан давления газа, программируемые средства. Алгоритм и структура учитывают особенности объекта в период розжига, останова и при внешних возмущениях. На этой основе создана система автоматического регулирования температуры сетевой воды (котел-регулятор).

Впервые объединяются известные принципы регулирования (соотношение воздух-газ), частотно-регулируемый электропривод (ЧРП) и программируемые средства автоматики.

4. Установка ЧРП на электродвигателях сетевых насосов, а также впервые разработанная система автоматического включения резервного сетевого насоса с помощью устройства «мягкого пуска» позволяет поддерживать постоянный расход и давление на тепловой станции и экономить электроэнергию. Впервые такая система введена и прошла испытание на КТС-25 в отопительный период 2001-2002гг.

5. Разработан комплекс мероприятий по модернизации ЦТП- важного объекта в системе тепло и водообеспечения городского хозяйства, включающий регулирование давления воды посредством частотно- регулируемого электропривода насосов, а также использование циркуляционно- повысительной, циркуляционной системы горячего водоснабжения, выравнивания гидросопротивлений циркуляционных колец, модернизация теплообменников и др.

Проведение указанных мероприятий на половине ЦТП Предприятия №1 (100 шт.) обеспечило существенный суммарный экономический эффект. Получена экономия электроэнергии до 50% и воды до 16%.

6. Проведенные на ЦТП натурные испытания новых технических решений- вентильно-индукторного электропривода насоса ХВС и совмещенных хозяйственно-противопожарных насосов- показали их перспективность.

1. Основные положения энергетической стратегии России на период до 2020 года (Проект). // Новости теплоснабжения.- 2001 г.- № 2.

2. Садовский С.И. О некоторых аспектах энергосбережения. //Промышленная энергетика.- 1999г.- № 12.- С. 2-5.

3. Кащеев В.П., Липовских В.М. Проблемы развития централизованного теплоснабжения в г. Москве и пути их решения. //Доклад на XVI конференции «Москва-энергоэффективный город, 14-16 ноября г. Москва. М.: 2001 г.

4. Семенов В.Г. Обзор состояния теплоснабжения в регионах России. //Новости теплоснабжения.-2001г.- № 9.- С.2-15.

5. Плачков И.В. Особенности построения и развития энергосистем крупных городов. // Новости теплоснабжения.- 2001г.- №1.- С.4-9.

6. Материалы Первого международного симпозиума «Энергетика крупных городов.// В рамках XVI конференции «Москва-энергоэффективный город», 1416 ноября г. Москва М:.2001 г.

7. Журавов A.A. Реконструкция котлов ПТВМ-100 и ПТВМ-50 — реальный путь решения проблемы дефицита тепловых мощностей для города.// Новости теплоснабжения.-2000г.- № 1, 2000г.- С.22-23.

8. Овчинников Д.В., Коваленко P.O. Индустриально изолированные трубопроводы из полимерных материалов. //Новости теплоснабжения.-2001г.- № 1.-С.35-36.

9. Рябцев В.И., Литвиненко М.А., Плетнев А.Н.,Рябцев Г.А. О некоторых путях уменьшения потерь теплоты. //Новости'теплоснабжения.-2001г.- №7.-С.33-34.

10. О городской Программе по энергосбережению на 2001-2003 годы в г. Москве. Постановление Правительства Москвы от 9 октября 2001 года № 912-ПП. //Вестник мэрии Москвы.- 2001 г.-№10- С. 17-18.

11. Новиков О.Н., Артамонов Д.Г., Шкаровский A.JI. Энергоэкологическая оптимизация сжигания топлива в котлах и печах регулированием соотношения топливо-воздух. // Промышленная энергетика.- 2000г.-№5- С. 57-60.

12. Новиков О.Н., Артамонов Д.Г., Шкаровский A.JI. и др. Энергоэкологическая оптимизация сжигания топлива в котлах и печах регулированием соотношения топливо-воздух.// Промышленная энергетика.-1999г.- № 5.- С. 57-60.

13. Паньшин A.C., Крылов Ю.А. Система автоматического регулирования режима горения газа в котлах типа ПТВМ. //Промышленная энергетика,- 2000 г.-№ 6.- С. 37-39.

14. Рабочий проект № 100-АТХ. Регулирование давления газа перед котлом ПТВМ. Основной комплект рабочих чертежей и прилагаемые документы. РТС «Строгино». Заказчик Предприятие № 1 ТУП «Мостеплоэнерго»., М.: НПФ «Эксперт», 1996 г.

15. Трембовля В.И., Фингер Е.Д. и др. Теплотехнические испытания котельных установок. М.: Энергия, 1991.

16. Равич М.Б. Газ и его применение в народном хозяйстве. М.: Недра, 1974.

17. Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод. М.: Энергия, 1973.

18. Юрченко В.В. Теплотехнические испытания котлов, работающих на газовом топливе. М.: Недра, 1987.

19. A.C. 18757. Российское агентство по патентам и товарным знакам. Устройство для регулирования тепловой мощности водогрейного котла. /Вайнер И.Г., Крылов Ю.А., Паньшин; Заявлено 14.10.1992г.

20. Вайнер И.Г., Крылов Ю.А., Паньшин A.C. Регулирование тепловой мощности котлоагрегатов типа ПТВМ.// Промышленная энергетика.- 2001г.- № 4.-С. 18-21.

21. Рабочий проект № 1141-АТХ. Автоматическое регулирование температуры прямой сетевой воды на базе котла № 1. М.: НПФ «Эксперт», 2001г.

22. Рабочий проект № 1117-АТХ. Автоматическое регулирование температуры прямой сетевой воды на базе котла № 3. М.: НПФ «Эксперт», 2001г.

23. Рабочий проект № 1174-АТХ. Автоматическое регулирование горения котла ПТВМ-50 и температуры сетевой воды. М.: НПФ «Эксперт», 2002г.

24. Технический отчет № 19-6-02 по режимно-нал ад очным испытаниям котла ПТВМ-50 № 1 на 4,6 и 8 горелках с частотно-регулируемым приводом на РТС «Рублево» Предприятия № 1. М.: Ремонтно-наладочное предприятие «Те-плоэнергоремонт», 2002г.

25. Лезнов Б.С., Чебанов В.Б., Гинзбург Я.Н., Воробьева Н.П., Исхаков Ю.Б., Лезнов Н.Б. Энергосбережение в насосных установках. //Промышленная энергетика.- 1999г.- №7.-С.13-16.

26. Рекомендации по обеспечению режима работы КТС-25 в летний период. М.: НПФ «Эксперт», 2002г.

27. Рабочий проект №1112-ЭМА. Система автоматического регулирования давления воды сетевого насоса с применением частотно-регулируемого привода. М.: НПФ «Эксперт», 2001г.

28. Чистяков H.H., Грудзинский М.М., Ливчак В.И.,, Прохоров Е.И. Повышение эффективности работы систем горячего водоснабжения. М.: Стройиз-дат, 1980.

29. Ильинский Н.Ф. Энергосбережение в центробежных машинах средствами электропривода.//Вестник МЭИ.- 1995.-№ 1.

30. Ильинский Н.Ф.- Энергосберегающий электропривод насосов и вентиляторов. Тезисы докладов научно-технического семинара «Энергосберегающий электропривод насосов и вентиляторов. М.: МЭИ, 1995.

31. Ильинский Н. Ф. Современные подходы к энергосбережению средствами электропривода в промышленности и коммунальном хозяйстве. //Энергоменеджмент, ежеквартальный бюллетень, ВИП5.- 1997.

32. Ильин В.К. Предпосылки к внедрению регулируемого электропривода на центральных тепловых пунктах г. Москвы. Тезисы докладов научно-технического семинара «Энергосберегающий электропривод насосов и вентиляторов». М.: МЭИ, 1995.

33. Чистяков H.H. Перспективы применения регулируемого электропривода во внутренних системах водоснабжения жилых микрорайонов. Тезисы докладов научно-технического семинара «Энергосберегающий электропривод насосов и вентиляторов». М.: МЭИ, 1995.

34. Ильинский Н. Ф., Шакарян Ю. Г. Инструкция по расчету экономической эффективности применения частотно- регулируемого электропривода. Утверждена Министерством топлива и энергетики РФ. М.: 1997 г.

35. Сарач Б.М. , Хромых И.Е. Энергосберегающие насосные станции. // Промышленная энергетика.- 1997.- № 8.

36. Паньшин A.C., Крылов: Ю.А. Комплекс энергосберегающих мероприятий по модернизации, центральных тепловых пунктов. //Промышленная энергетика.- 2001г.- №3.

37. Сарач Б.М., Паньшин A.C., Кисельникова A.B., Фукалов Р.В. Натурные испытания вентильно-индукторного электропривода насоса в центральном тепловом пункте.// Вестник МЭИ.-2003г.- № 2.

38. Чистяков H.H. Научно-технический отчет по теме: «Разработка рекомендаций по применению регулируемого привода для хозяйственно-пожарных насосов.- 1995.

39. СниП 2.04.01-85 «Внутренний водопровод и канализация зданий».

40. Патент 2106165. Российское агентство по патентам и товарным знакам. «Объединенная хозяйственно- противопожарная система водоснабже-ния»/Аболин В.Ю, Грецов М.В.; Заявлено 02.12.1996г.

41. Средненсуточные температуры в тепловых сетях и отопительных системах

42. Т1 ТЗ отопления ного Подогревателя расчигап. на Тн=-15 аугии бойлера гвеизЦТП С ВССМШ1 тепловой К=4 Т4 Т2

43. Температура воды на горячее водоснабжение не должна превышать 60 градусов С. К=(Т1-ТЗ)/(ТЗ-Т4)=2,2 перегрев: К<2,2 недогрев: К>2,2 , где К- коэффициент смешения элеваторного узла.т

44. Фрагменты принципиальных схем регулирования тепловой мощностикотла и температуры сетевой воды

45. Регулирование тепловой мощности котла.

46. На рис. ПЛ. приведена схема в части регулирования частоты вращения дутьевых вентиляторов. Схема регулирования режима горения на базе контроллера «Ремиконт-130», алгоритм которой описан в главе 2, условно не показана.

47. См"палы. гюяавлвн« на вход преобразователя частота •> *

48. ГЦ и I г 1 3 • Ей 3 я 1 • ! 1 * * х и! ¿о4"?: с. СА Ч> ? 1 1 I в I и в» 8 и 5 а ч * ® Л Ь 5»! 3« 3 © £2 | а ^а 1-11! Э А{9/I