автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.13, диссертация на тему:Совершенствование систем энергосбережения в процессах подогрева на нефтебазах

На правах рукописи ** <- —

• • « и«

Савячев Евгений Владимирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

В ПРОЦЕССАХ ПОДОГРЕВА НА НЕФТЕБАЗАХ

Специальность 05.15.13. - Строительство и эксплуатация

нефтегазопроводов, баз и хранилищ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соисканне ученой степени кандидата технических наук

Уфа 2000

Работа выполнена на кафедре «Промышленная теплоэнергетика» Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Ф.Ф. АБУЗОВА

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор В.В. НОВОСЕЛОВ

кандидат технических наук, И.Г. БЛИНОВ

Ведущее предприятие: ОАО "БАШКИРНЕФТЕПРОДУКТ"

Защита состоится «¿2^» ¿/№>/}Я 2000 г. в на заседании диссертационного совета Д 063. 09. 02 в УГНТУ по адресу: 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГНТУ. Автореферат разослан

«¿#> июня 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук, профессо]

Р.Н. Бахтизин

Къч-ъо&.б-О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В настоящее время и в обозримом будущем проблема энергосбережения одна из гласных и решающих для всего хозяйства России. Это обусловлено большой энергоемкостью промышленности России и наметившимся в 1999 году ростом производства продукции.

Основные положения, принятого в 1996 году Федерального закона «Об энергосбережении», предусматривают необходимость эффективного использования энергетических ресурсов (ЭР), а также сокращение и замещение потребления наиболее ценных видов ЭР при их добыче, переработке, транспортировке, хранении и потреблении.

По последним данным специалистов топливно-энергетическрго комплекса России потенциал энергосбережения по стране составляет около 350 -400 млн. тонн условного топлива (т у.т). Примерно одна треть потенциала сосредоточена в самом топливно-энергетическом комплексе (ТЭК), более третьей части в коммунально-бытовом секторе, остальное - в промышленности, и в частности, при транспорте и хранении нефти и нефтепродуктов, вследствие этого вопросы энергосбережения для нефтебаз чрезвычайно актуальны.

Основными мероприятиями в вопросе энергосбережения на нефтебазах, являются:

- ограничение использования устаревшего оборудования;

- поиск разработка и внедрение энергосберегающих технологий;

- разработка и внедрение технологий, использующих нетрадиционные источники энергии.

Цель работы

Цел ью данной работы является совершенствование системы энергосбережения в процессах подогрева на нефтебазах путем использования солнечных коллекторов и тепловых насосов и разработка методов расчета этих систем.

Основные задачи исследования

1. Проведение экспериментов и оценка эксергетической эффективности существующего источника теплоты системы подогрева вязких нефтепродуктов в резервуарах нефтебазы при отклонении режима работы котельной от номинального. (

2. Разработка усовершенствованной системы энергосбережения для процессов подогрева вязких нефтепродуктов в резервуарах с использованием солнечной энергии и теплового насоса.

3. Разработка методов расчета параметров теплонасосной установки, использующей солнечную энергию в баке-аккумуляторе — испарителе теплового насоса.

4. Выбор рабочих тел для теплового насоса и выбор зависимостей, обеспечивающих наименьшие погрешности при расчетах теплофизических свойств масел, использующихся в качестве промежуточных теплоносителей в комплексной системе подогрева.

Научная новизна

1. Разработана комплексная система подогрева нефтепродуктов в резервуарах с использованием теплового насоса, испаритель которого представляет бак-аккумулятор (БА) гелиоустановки (получен патент РФ №2104911).

2. Получена зависимость рабочей температуры жидкости в БЛ - испарителе теплонасосной установки (ТНУ) ог климатических характеристик и геометрических параметров установки; получена 'зависимость для определения нагрузки дублирующего источника.

3. Рекомендованы зависимости, обеспечивающие наименьшие погрешности расчета теплофизических характеристик масел, использующихся в качестве промежуточного теплоносителя комплексных систем подогрева (КСП).

4. Определены характеристики озонобезопасных рабочих тел теплового насоса для систем подогрева нефтебазы.

Основные защищаемые положения

1. Результаты проведенных экспериментов об адекватности отражения снижения работоспособности вырабатываемого котельной нефтебазы пара только эксергетическим КПД котла и рекомендации на основе полученных данных.

2. Комплексная система подогрева вязких нефтепродуктов в резервуарах нефтебаз с использованием теплового насоса, испаритель которого помещен в бак-аккумулятор гелиоустановки.

3. Уравнение теплового баланса для совместной работы гелиоконтура и испарителя теплового насоса (ТН); полученные расчетные зависимости для параметров предложенной системы: рабочей температуры жидкости в БА - испарителе ТНУ, мощности дублируюшего источника.

4. Рекомендации зависимостей, обеспечивающих наименьшие погрешности расчета теплофизических характеристик масел, использующихся в качестве промежуточных теплоносителей КСП, и результаты исследований по выбору озонобезопасных рабочих тел теплового насоса для систем подогрева вязких нефтепродуктов в резервуарах нефтебаз.

Практическая ценность

, Полученные в работе результаты дают возможность

- ' использовать предложенную комплексную систему подогрева с солнеч-

ными коллекторами (СК) и тепловым насосом (КСПС-ТНУ) для экономии ТЭР на нефтебазе;

- использовать полученные расчетные зависимости для параметров теп-лонасосной установки при проектировании КСПС-ТНУ;

- использовать рекомендованные соотношения, обеспечивающие наименьшие погрешности расчета теплофизических характеристик масел, при проведении теплогидравлических расчетов КСПС-ТНУ;

- определить эффективность использования КСПС-ТНУ для процессов подогрева на нефтебазе.

Реализация работы

- Полученные данные по снижению работоспособности пара (эксергети-ческого КПД котлов) использованы работниками Уфимского филиала ОАО «Башкирнефтепродукт» для улучшения работы котельной нефтебазы (повышения степени сухости вырабатываемого пара);

- разработанное методическое руководство «Расчет установок солнечного горячего водоснабжения по долговременным характеристикам» используется в учебном процессе УГНТУ;

- методическое руководство «Расчет систем теплоснабжения с использованием гелиоустановок и тепловых насосов» принято для использования в учебном процессе УГНТУ.

7 ____________________________

-------------------------------- Апробация работы

Основные положения диссертации доложены и обсуждены на:

- 1-й научно-практической республиканской конференции «Ресурсо- и энергосбережение в Республике Башкортостан: проблемы и задач»», октябрь 1997 г;

- международной конференции «Проблемы нефтегазового комплекса России», февраль 1993 г.;

- Всероссийской научно-технической конференции «Новоселовские чтения», декабрь 1998 г.;

- 2-й научно-практической республиканской конференции «Ресурсо- и энергосбережение в Республике Башкортостан: проблемы и задачи», январь 1999 г;

- 5-й международной научной конференции «Методы кибернетики химико-технологических процессов», июнь 1999;

- 48, 49, 50, 51 научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ, 1997 - 2000 г.

Автор выражает искреннюю благодарность канд. техн. наук, доценту В В. Репину за всестороннюю помощь при выполнении диссертационной работы. Глубокую признательность и благодарность доктору техн. наук профессору Ф Ф. Абузовой за ценные предложения и внимание.

Публикации

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 17 печа! ньгх работах.

Вклад автора в проведенное исследование

Основные положения, выводы и рекомендации, содержащиеся в диссертации, являются результатом самостоятельного исследования автора.

Лично автором проведены следующие исследования:

- выполнен эксергетический анализ существующей и предложенных систем подогрева на нефтебазах;

- рекомендованы соотношения, обеспечивающие наименьшие погрешности теплофизических характеристик масел (промежуточных теплоносителей) с наименьшими погрешностями;

- исследованы и выбраны озонобезопасные рабочие тела для ТН системы теплоснабжения нефтебаз;

- составлено и решено уравнение теплового баланса для КСПС-ТНУ;

- получены параметры КСПС-ТНУ: рабочая температура в БА - испарителе ТНУ; мощность дублирующего источника.

- разработаны методики и программы расчета на ЭВМ.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и основных выводов и рекомендаций; содержит 121 страницу машинописного текста, 14 таблиц, 51 рисунок, библиографический список использованной литературы из 97 наименований и 4 приложения.

Во введении определены цель и задачи исследования, показана актуальность и дана общая характеристика работы.

Первая глава посвящена краткому обзору энергосбережения в сфере теплоснабжения и низкотемпературных (до 100°С) технологических процессов, выбору принципиальной схемы энергосберегающей установки и постановке задач исследования. Приведены данные по использованию ТНУ для целей теплоснабжения в России и за рубежом.

Характеристики сезонного использования гелиоустановок для технологических процессов на нефтебазах приведены в работах Ф.Ф. Абузовой. В.В. Репина, Г1\ Янборисовой. Но известны более эффективные способы энергосбережения: использование теплоты более низкого качества для получения теплоты более высокого качества путем применения тепловых насосов. Вопросу использования гелиоустановок и тепловых насосов для теплоснабжения посвящены работы отечественных и зарубежных исследователей Ва-лова М.И., Везиришвили О.Ш., Казанджана Б.И., Мартынова A.B., Марты-

9 ________________________________________

---------- новского B.C., Меладзе Н.В., Литовского Е.И., Гранрида Е., Кастелли Д.,

Майкмайкла Д., Рея Д., Хайнриха Г. и других.

К настоящему времени нет исследований по использованию тепловых насосов в технологических процессах нефтебаз. Показана необходимость иллюстрации изначальной неэффективности сжигания топлива для теплообес-печения низкотемпературных технологических процессов на нефтебазах, проведения экспериментов для определения снижения работоспособности пара при отклонении режима работы котельной от номинального. Обоснована необходимость разработки замещения традиционного энергоносителя -мазута для нефтебазы, нетрадиционными источниками теплоты - гелиоустановкой совместно с тепловым насосом.

Рассмотрена работа теплового насоса. Приведен перечень основных веществ, используемых в качестве рабочих тел и требования, предъявляемые к рабочим телам тепловых насосов. Показана необходимость использования в качестве рабочих тел озонобезопасных углеводородов и определения их параметров для процессов подогрева на нефтебазах.

Показано отсутствие методов расчета комплексных систем подогрева нефтепродуктов в резервуарах с использованием гелиоустановок и тепловою насоса, необходимость рекомендаций по выбору расчетных зависимостей, обеспечивающих наименьшие погрешности при расчете теплофизических свойств масел (промежуточных теплоносителей), для теплогвдравлических расчетов комплексных систем подогрева вязких нефтепродуктов в резервуарах нефтебаз.

глзрэ t'o-i^rvr.rr оценку ">^езгетическсй эффективности CV-щсствующей системы подогрева нефтепродуктов в резервуарах нефтебазы. Показано, что для подогрева вязких нефтепродуктов в резервуаре требуется 1 теплота с небольшим значением эксергии. Так тепловой поток, подводимый

I

к вязкому нефтепродукту в средней климатической зоне России, состоит -примерно из 20 % эксергии и 80 % анергии. А эксергия сжигаемого мазута для получения такой малоценной теплоты составляет около 100 %.

Сжигание топлива для теплоснабжения нефтебазы при подогреве вязких нефтепродуктов изначально неэффективно и требует использования низкопотенциальных источников теплоты.

Изменение эксергетаческого КПД котлов изучено в промышленных экспериментах 1996 - 1997 годов на нефтебазе (Уфимский филиал ОАО «Башкирнефтепродукт») путем определения энтальпии пара, вырабатываемого котельной, оборудованной котлами Е-1-9М-1, по методике Ильинского Б.В.. Одновременно с энтальпией определялась температура пара. Паровые трубопроводы системы подогрева были оборудованы приборами, в работе приведена схема размещения оборудования и характеристики приборов, абсолютная погрешность измерения температуры составляла 0,2 °С, а относительная погрешность определения энтальпии пара не превышала 5 %. По полученным значениям энтальпии и температуры с использованием таблиц термодинамических свойств воды и водяного пара определялась степень сухости пара, а с использованием характеристик котлов рассчитывался их тепловой и эксергетический КПД.

С результатами экспериментов 1996 года были ознакомлены работники нефтебазы; ими проведены мероприятия по улучшению работы котлов.

В таблице приведены усредненные величины параметров, характеризующие работу котлов, по результатам 1996-97 годов.

Как видно из таблицы, работоспособность при снижении параметров вырабатываемого пара в котельной наиболее адекватно выражается уменьшением эксергетического КПД котлов. Таким образом, при разработке вопросов энергосбережения в тепловых процессах нефтебазы, важнейшей является качественная характеристика теплоты в виде эксергетических показателей.

Третья глава посвящена теплоносителям и рабочим телам системы

I

теплоснабжения нефтебазы.

Значения теплофизических свойств теплоносителя (плотности, вязкости, коэффициента теплопроводности и теплоемкости) в значительной мере

11 __________

--------------------------Таблица

Значения теплового и эксергетического КПД

Параметр Номиналь- ; Год ньм режим | 1996 1 1997 5

Температура пара Гц, °С 175 ; 116 106

Степень сухости пара, х 0,97 0,74 0,89

Тепловой КПД | 0,30 0,60 ' 0,70

Эксергетический КПД 0,29 0,17 0,18

Уменьшение теплового КПД относительно номинального 0,25 0,13

Уменьшение эксергетического КПД относительно номинального 0,40 0,37

влияют на результаты теплотидравлического расчета КСП вязких нефтепродуктов в резервуарах нефтебазы. В технической литературе имеется множество расчетных соотношений для теплофизических свойств масел, использующихся в качестве промежуточных теплоносителей в КСП (веретенное АУ, трансформаторное, индустриальные И-5А, И-8А, И-12А). Произведен выбор зависимостей теплофизических свойств перечисленных масел на ос-, нове сопоставления имеющихся расчетных соотношений с экспериментальными данными в рабочем интервале температур (30 ... 90 °С). В работе приведены рисунки с графиками и экспериментальными точками. Рекомендованы зависимости, обеспечивающие наименьшие погрешности в расчетах теплофизических характеристик.

Одним из важнейших факторов при выборе рабочего для ТН тела является коэффициент преобразования ср, показывающий отношение теплопро-изводительности ТНУ к затраченной компрессором работе.

Коэффициент преобразования для реальной теплонасосной установки зависит от свойств рабочего тела.

С точки зрения озонобезопасности целесообразно использовать в качестве рабочих тел для тепловых насосов на нефтебазах углеводороды без замены атомов водорода на атомы галогенов. Они химически стабильны и инертны по отношению к материалам компрессоров, испарителей и конденсаторов, выполненных из металлов.

Из общего перечня рабочих тел, приведенного в работах Рея Д. и Майкмайкла Д. на предмет соответствия основным требованиям к рабочим телам тепловых насосов, предназначенных для систем подогрева нефтепродуктов и горячей воды на нефтебазе, рассмотрены озонобезопасные пропан, н-бутан, изобутан, н-бутилен и пропилен, критическая температура которых значительно выше возможной температуры конденсации (60 ... 80) °С.

Для этих же тел рассчитаны коэффициенты преобразования при температурах конденсации 60 °С и 80 °С для различных температур испарения по Р,Ь диаграммам состояния (р - давление, И - энтальпия) и представлены графики зависимости ср - 1и Ой- температура испарения). Наибольшее значение ф при одинаковых температурах конденсации и испарения из рассмотренных рабочих тел имеет изобутан. Из остальных рабочих тел по величине ф наиболее близки к изобутану н-бутилен и н-бутан. Из дальнейшего анализа исключены пропилен и пропан в связи с низкими значениями (р. Для оставшихся рабочих тел рассчитаны и представлены графики разности давления конденсации (Рк) и испарения (Ри), отношения Рк/Ри и удельной объемной теплопроизводительности (чу) в зависимости от температуры, конденсации (1К) при разных 1и. (Значения удельного объема рассчитаны по уравнению Редлиха-Квонга). Из проведенного анализа свойств, трех рассмотренных веществ по показателям Рк-Ри> Рк/Ри и ау следует, что они соответствуют существующим типоразмерам компрессорных агрегатов и использование их в качестве рабочих тел перспективно для тепловых насосов в системах подогрева нефтепродуктов на нефтебазах.

Четвертая глава содержит принципиальную схему усовершенствованной системы подогрева вязких нефтепродуктов в резервуарах с использо-

13 _________________ - ----------

ванием_ солнечной- энергии "и-"теплового насоса (КСПС-ТНУ). В бакс-аккумуляторе гелиоконтура размещен испаритель теплового насоса. На рассматриваемую систему (устройство) получен патент.

Обсуждены исходные данные и предпосылки для проектирования КСПС-ТНУ. Система предназначена для компенсации теплопотерь от подогретою нефтепродукта, находящегося в резервуаре, в окружающую среду. Основной исходной величиной являются удельные тепловые потери от резервуара - Цп- Они оценены в работе Янборисовой Г. Г. и составляют:

- для пенополиуретановой изоляции (соответствует современным требованиям СНиП 2.04.14-88 «Тепловая изоляция») = 1 МДж/(т-сут.);

- для изоляции минераловатными матами (наиболее распространенная изоляция резервуаров в настоящее время) Яп= 2,2 МДж/(т-сут.);

- неизолированные резервуары = 6,0 МДж/(т-сут.).

В работе перечислены остальные исходные данные. Для расчета па-раме]ров ТНУ необходимо знать температуру низкопотенциального источника - это температура жидкости в баке-аккумуляторе (БА) - ТБ. Дня ее определения составлено уравнение теплового баланса:

сорьЧ^-РкА[нк(ат)-и(Тс-Тдн)]-0.КАДН-ивА8(Т£-Т3), (1)

где Ср — удельная массовая изобарная теплоемкость жидкости в БА. Дж'(кг-К); р5 - плотность жидкости в БА, кг/ы"; Уг> - объем бака аккумулятора, м3; 1 - время, с; - коэффициент отвода тепла из СК, доли единицы; А -площадь СК, м2; Нк - плотность потока суммарной солнечной радиации, приходящей на плоскость СК, Вт/м : (ост) - поглощатсльная способность С-¿V, доли единицы; и - коэффициент тепловых потерь коллектора, Вт/(м3-К); Т,.н - среднедневная температура окружающей среды, К; Ыб - коэффициент

I

тепловых потерь БА, Вт/(м2-К); АБ - площадь поверхности БА, м2; Тв - среднесуточная температура окружающей среды, К.

В течение интервала времени 1=1 час, величины входящие в (1), можно считать постоянными. Тогда температура жидкости в БА в течение часа рассчитывается следующим образом:

РкАНк(<хт)

ТЕ =

РкиА + иЕАЕ

1, и.АЕТв

ркилтда

1 +

и5А6

РкиА + иБАЕ

(2)

х[1-ехр(-КО]+ТБоехр(-к4

КАи+иЖ

где

к=

—

СрРБЧ

(3)

ТЕо - температура в баке при 1 = 0.

Пренебрегая тепловыми потерями хорошо теплоизолированного бака, из (2) получим:

ТБ=[1-ехр(-К1)].

Нк(ат) = 0ХАД11

и

ркил

+ТБ ехр(-Ю),

(4)

где К = К при иБ -> 0.

Расчет по (4) ведется методом итераций. Приведен график изменения ТБ - в течение суток.

Переходя к часовому поступлению суммарной солнечной радиации и суммируя часовые тепловые нагрузки, получаем дневную нагрузку, а затем и месячную нагрузку гелиоконтура установки вместе с испарителем.

«Эс)м = р8а[н(«х)-и(1;р - та, )]ехр(-К!)+с^ [1 - ехр(-:а)], (5)

где Н - месячный приход солнечной радиации на плоскость СК, Дж/(м!-мес);

Тан ~ среднемесячное значение дневной температуры наружного воздуха, К;

ТБР - среднемесячное значение рабочей температуры жидкости в БА, К;

15 _ ______________ , ^ ______

_____________и — месячные тепловые потери СК, Дж/(м2-К-мес);

О'»1- дневная (с 8 до 17 часов, см. ВСН 52-86 Установки солнечного горячего водоснабжения. Нормы проектирования.) тепловая нафузка испарителя за месяц, Дж/мее.

Для определения среднемесячной рабочей температуры жидкости в БА использовано уравнение баланса при условии полного использования дармовой солнечной энергии:

(ОС)м+ЛС>Е = Он 1 (6)

где Д<3Б - теплота, запасенная в баке в течение месяца, принято Д(3Б->0; <3И - средняя тепловая нагрузка испарителя за месяц, Дж/мес.;

Из (5) и (6) получена среднемесячная рабочая температура в БА теплового насоса: *

т'. . т - 0и-0-;ч[1-«р(-К0]

V Г РчЛйехр(-К1) ' (/)

При получении из (7) относительной рабочей температуры жидкости

Т/-Т-ч Н(аг) ,

—величина --. — - оудет характеризовать климатические условия, а ТТ;1 ^Лдн

величина ехр(-К1) геометрические характеристики установки. На рис. 1

т;-т.

представлена зависимость в координатах —^—-И, ехр(~Кт) при разных знали

чениях—^—Как видно, рабочая температура жидкости в Б А возрастает с

увеличением прихода солнечной радиации и уменьшением отношения плошали СК к объему БА.

Рабочая температура жидкости в БА рассчитывается для месяца с максимальным приходом солнечной радиации и является расчетной, по- ней определяется температура испарения (Ти) рабочего тела в тепловом насосе. В остальные месяцы, для создания стабильной работы теплового насоса подключается дублирующий источник теплоты, при этом уравнение теплового

Т -Т

Зависимость относительной температуры ———— от параметров

Тдн

-к. Н(ат) е и

Т ~Т Ч 1 дн

1дн

ит,

дн

0,20

0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

-К1

их

да

ит,

ит7

дн

ит,

дн

17 ___________________

баланса запишется в следующем виде:

Юс)м=§и-Б, (8)

где И - месячная нагрузка дублера, Дж/мес.:

тр — тс

' (9)

1 6 1 и

где Ти - температура испарения рабочего тела, К; Т? - температура жидкости в БА, достижимая за счет солнечной энергии, при работе дублирующего источника:

— ( тр ^ — ( ит ^ 1тз-ти ; _I (10)

~Ъ-+РкАиехр(-К1)

Далее в работе изложена последовательность методики расчета КСПС-ТНУ, в приложении приведен пример расчета и программа расчета на ЭВМ.

Эффективность использования КСПС-ТНУ выражена в абсолютных единицах экономии условного топлива, приходящейся на тонну хранимого з резервуаре вязкого нефтепродукта. На рис. 2 приведена зависимость мощности дублера, Вт/т и экономии условного топлива, кг у.т/(т-сут.) от параметра Н(ат)

— (то есть климатических условии) для расчетного месяца и для теку-

ит,-н

щего месяца работы КСПС-ТНУ, при удельных тепловых потерях от резервуара в окружающую среду = 2,2 МДжДт-сут.) и удельном объеме БА \ п = 0.003 м7т. Эксергетический КПД установки при данных параметрах будет составлять 0,61 ... 0,86, то есть термодинамическая эффективность системы в 2 ... 3 раза выше по сравнению с использованием паровой котельной на нефтебазе (Уфимский филиал ОАО «Башкирнёфтепродукт») при номинальных параметрах.

Зависимость мощности дублера и экономии условного топлива для расчетного (О = 0) и текущего (Р > 0) месяцев работы КСПС-ТНУ

24

О, Вт/т

20

0,1

0,2 _ 0,3 Н(сст)

0,4

ит.

ДН

■. . - О, Вт/т;--ДВ, кг/(т сут.)

цп = 2,2 МДж/(Т'суг.), уБ = 0,003 м3/т

1-^2-0,1;' 2-Ш^-ОА 3-1^=0,3; 4-1^=0,4

ит,

дн

ит,

да

итт

ит,

дн

19 . ______________________

- —При"КПД"7амешаемого теплогенеркрующего устройства г)к = 0.85

максимальная экономия условного топлива, в зависимости от параметра

< го о/

^^— составляет 5 ... 69 %.

Г1и гаи глава включает принципиальную схему горячего водоснабжения нефтебазы с использованием теплового насоса (СГВС-ТНУ). В качестве иизкошленциального источшпса теплоты в испарителе теплового насоса используется холодная вода системы водоснабжения с температурой Тх = 278 ... 288 К. Расчетный режим ТНУ принят при постоянной температуре испарения Ти = 273 К и постоянной температуре конденсации Тк = 333 К. Стабильность работы ТНУ достигается за счет уменьшения расхода холодной воды при Тх > 278 К. Приведена методика расчета СГВС-ТНУ, в приложении приведены программа расчета на ЭВМ и пример расчета. На рис. 3 представлена зависимость жономии топлива в кг у.т..'(чел.-су от удельного расхода горячен воды м7(чел.'сут.) и степени предварительного нагрева воды в охладителе конденсата. Используя данный график можно определить годовую экономию условного топлива СГВС-ТНУ для конкретной нефтебазы.

Эксергетический КПД СГВС-ТНУ для нефтебаз составляет 0,57...0,73, то есть термодинамическая эффективность системы в 2...2,5 раза выше по сравнению с использованием паровой котельной на нефтебазе (Уфимский филиал ОАО «Башкирнефгспродукт») при номинальных параметрах.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

I. Сжигание топлива для теплоснабжения при подогреве вязких нефтепродуктов в резервуарах нефтебазы неэффективно и требует использования низкопотенциальных источников теплоты. В результате промышленных экспериментов показано, что работоспособность при снижении параметров вырабатываемого пара в котельной наиболее адекватно отражается уменьшением эксергетического КПД котлов. При разработке вопросов

Зависимость экономии условного топлива от удельного расхода горячей воды, м3/(чел.-сут.) и степени нагрева воды в охладителе конденсата

0,3

ДВ, кг у.т.

0,03 0,05 0,07 0,09 0,11

V, м3/чел.сут.

I - охладитель конденсата отсутствует (Д'ГЦ = 0 К); 2 - нагрев воды в охладителе конденсата ДТВ = 2 К; 3 - ДТВ = 4 К; 4 - ДТВ = 6 К; 5 - ДТВ = 8 К; 6 - ДТВ = 10 К

2! _________________________________________________

"" энергосбережения для тепловых процессов нефтебазы важнейшей является качественная характеристика теплоты в виде эксергетических показателей.

2. Предложена усовершенствованная комплексная система энергосбережения для процессов подогрева вязких нефтепродуктов в резервуарах нефтебазы с использованием солнечной энергии и теплового насоса, испаритель которого помещен в бак-аккумулятор гелиоустановки (КСПС-ТНУУ Предложена система подогрева воды для горячего водоснабжения с использованием теплового насоса (СГВС-ТНУ).

Эксергетичесюш КПД КСПС-ТНУ в 2 ... 3 раза, а СГВС-ТНУ в 2 ... 2,5 раза больше эксергетического КПД существующей системы с паровыми котлами. Максимальная экономия условного топлива по сравнению с котельной в климатических условиях России для КСПС-ТНУ составляет 5 ... 69 %, для СГВС-ТНУ-10... 30 %.

3. Разработана методика расчета КСПС-ТНУ:

-порчена зависимость для средней рабочей температурь! жидкости, в БА теплового насоса, учитывающая климатические условия и геометрические характеристики установки;

-получена формула для расчета нагрузки дублера в зависимости от нагрузки испарителя и соотношения разностей характерных температур. Полученные зависимости вместе с разработашюй программой расчета па ЭВМ позволяют проектировать КСПС-ТНУ и СГВС-ТНУ для нефтебаз.

4. Для масел, использующихся в качестве промежуточных теплоносителей КСП, рекомендованы соотношения, обеспечивающие расчет теплофи-зпческих характеристик (плотность, вязкость, коэффициент теплопроводности, теплоемкость) с наименьшей погрешностью.

На предмет соответствия условиям работы тепловых насосов в системе те- • плоснабжения нефтебазы исследованы параметры озонобезопасных рабочих тел изобутана, н-бутилена, н-бутана, пропана и пропилена. По коэффициенту преобразования, удельной объемной теплопроизводительности, отношению и разности давления в конденсаторе и испарителе теплового

насоса наилучшие характеристики имеет изобутан, близки к изобутану по этим параметрам н-бутан и н-бутилен, использование их перспективно в тепловых насосах систем подогрева на нефтебазах.

Основные результаты работы опубликованы в следующих научных

трудах:

1. Экспериментальное определение энтальпии насыщенного пара, подаваемого в систему подогрева / Е.В. Савичев, Г.Г. Янборисова, В.В. Репин // Материалы 48 научн.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ,- Уфа, 1997.- С. 156.

2. Комплексные системы подогрева вязких нефтепродуктов в резервуарах и анализ эксплуатации / В.В. Репин, Ф.Ф. Абузова, Г.Г. Янборисова, Е.В. Савичев // Материалы I Республиканской научно-практической конференции «Ресурсо- и энергосбережение в Республике Башкортостан: проблемы и задачи».-1997,- С. 139-141.

3. .Комплексные системы подогрева вязких нефтепродуктов в резервуарах с использованием солнечной энергии / В.В. Репин, Ф.Ф. Абузова, Г.Г. Янборисова, Е.В. Савичев // Материалы I Республиканской научно-практической конференции «Ресурсо- и энергосбережение в Республике Башкортостан: проблемы и задачи»,-1997.-С. 142-145.

4. Комплексные системы подогрева вязких нефтепродуктов в резервуарах с использованием теплового насоса и солнечной энергии / В.В. Репин, Ф.Ф. Абузова, Г.Г. Янборисова, Е.В. Савичев // Материалы I Республиканской научно-практической конференции «.Ресурсо- и энергосбережение в Республике Башкортостан: проблемы и задачи».-!997,- С. 146-149.

5. К тепловым расчетам на нефтебазах / В.В. Репин, Е.В. Савичев, Ф.Ф. Абузова, В.В. Кузнецова, Г.Г. Янборисова // "Транспорт и хранение нефтепродуктов"-ЦНИИТЭнефтехим, 1997.-№10-11,- С. 33-34.

23 ___ _____________

6. Подогрев "вязких нефтепродуктов в резервуарах нефтебаз с использованием нетрадиционных источников энергии / Ф.Ф. Абузова, В.В. Репин, Е.В. Савичев, A.M. Шаммазов, Г.Г. Янборисова // Материалы Международной конференции «Проблемы нефтегазового комплекса России«.- Уфа, 1908,- С. 27.

7. Системы энергосбережения на нефтебазах / Е.В. Савичев, Г.Г. Янборисо-за, В.В. Репин // Материалы 49 научн.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ.- Уфа, 1998,- С. 34.

8. Патент № 2104911. Устройство для хранения вязких нефтепродуктов. / Ф.Ф. Абузова, В.В. Репин, Е.В. Савичев, A.M. Шаммазов, Г.Г. Янборисова. Опубл. в БИ № 5, 1998. - 3 с.

9. Патент № 2104912. Устройство для хранения вязких нефтепродуктов. / Ф.Ф. Абузова, В.В. Репин. Е.В. Савичев, A.M. Шаммазов, Г.Г. Янборисова. Опубл. в БИ № 5, 1998. - 3 с,

10.Эффективность использования солнечной энергии для горячего водоснабжения нефтебазы / Репин В.В., Янборисова Г.Г., Абузова Ф.Ф.. Савичев Е. В. 7 Сб. научных трудов Всероссийской научно-технической конференции (Выпуск !), Уфа: Издагельегво Фонд содействия развитию научных исследований.- 1999.-С. 180-185.

! I.Эффективность использования солнечной энергии для комплексно!! системы подогрева (КСП) нефтепродукта в резервуарах / Репин В.В., Янборисова Г.Г., Абузова Ф.Ф., Савичев Е. В. И Сб. научных трудов Всероссийской научно-технической конференции (Выпуск !), Уфа: Издательство Фонл содействия развитию научных исследований,- 1999.- С. 172-175.

12.Параметры солнечной системы горячего водоснабжения для нефтебаз / Репин В.В., Янборисова Г.Г., Абузова Ф.Ф., Савичев Е. В. ■'/ Материалы II Республиканской научно-практической конференции "Энергоресурсосбережение в Республике Башкортостан ". - Уфа: Изд-во УГАТУ, 1999.-С. 115-118.

13.Параметры комплексной системы подогрева (КСП) нефтепродуктов в резервуарах с использованием солнечной энергии / Янборисова Г.Г., Репин В.В., Абузова Ф.Ф., Савичев Е. В. // Материалы II Республиканской научно-практической конференции "Энергоресурсосбережение в Республике Башкортостан ". - Уфа: Изд-во УГАТУ, 1999.- 118-120.

14.Выбор зависимостей для расчета теплофизических свойств масел / Савичев Е.В., Абузова Ф.Ф., Репин В.В> // Методы кибернетики химико-технологических процессов (КХТП - У - 99). - Тезисы докладов - V международной научной конференции. Т.2. Кн.2, Уфа, 1999.- С. 154-155.

15.0 влиянии погрешностей определения теплофизических свойств масел на тепловые расчеты / Репин В.В., Савичев Е. В. // Методы кибернетики химико-технологических процессов (КХТП - V - 99). — Тезисы докладов - V международной научной конференции. Т.2. Кн.2, Уфа, 1999.- С. 159-160.

16.Определение теплопроизводительности и эффективности системы солнечного горячего водоснабжения нефтебазы / Репин В.В., Янборисова Г.Г., Абузова Ф.Ф., Савичев Е. В. // Региональные проблемы энергосбережения и пути их решения. — Тезисы докладов - Ш Всеросийской конференции.* Нижний Новгород, НИЦЭ,1999.- С. 72-73.

17. Параметры сезонной комплексной системы подогрева нефтепродуктов в резервуарах с использованием солнечных коллекторов / Репин В.В., Янборисова Г.Г., Абузова Ф.Ф., Савичев Е. В. // Региональные проблемы энергосбережения и пути их решения. - Тезисы докладов - Ш Всеросийской конференции.- Нижний Новгород, НИЦЭД999.- С. 73-74.

Соискатель

Е.В. Савичев

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, ИНДЕКСЫ

И СОКРАЩЕНИЯ.

ГЛАВА 1. КРАТКИЙ ОБЗОР РАНЕЕ ПРОВЕДЕННЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ И ВЫБОР СХЕМЫ УСТАНОВКИ. ГЛАВА 2. ЭКСЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ НЕФТЕБАЗЫ.

2.1. Эксергия топлива и эксергия подогретого мазута.

2.2. Изменение эксергетического коэффициента полезного действия в процессе эксплуатации котельной.

2.3. Выводы по главе.

ГЛАВА 3. ТЕПЛОНОСИТЕЛИ И РАБОЧИЕ ТЕЛА СИСТЕМЫ

ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ.

3.1. Выбор зависимостей к расчету теплофизических свойств масел, используемых в качестве промежуточных теплоносителей КСПС-ТНУ.

3.2. Выбор рабочих тел для теплового насоса.

3.3. Выводы по главе.

ГЛАВА 4. ПОДОГРЕВ ВЯЗКИХ НЕФТЕПРОДУКТОВ В

РЕЗЕРВУАРАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЕЛИОУСТАНОВКИ И ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ.

4.1. Схема подогрева вязких нефтепродуктов в резервуарах сиспользованием солнечных коллекторов и тепловых насосов .

4.2. Исходные данные и предпосылки расчета для КСПС-ТНУ .

4.3. Определение температуры в баке-аккумуляторе -испарителе теплового насоса. 3

4.4. Методика расчета КСПС-ТНУ.97

4.5. Эффективность использования КСПС-ТНУ.100

4.6. Выводы по главе.108

ГЛАВА 5. СИСТЕМА ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

НЕФТЕБАЗЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛОВОГО

НАСОСА.109

5.1. Схема горячего водоснабжения нефтебазы с использованием теплового насоса.109

5.2. Методика расчета СГВС-ТНУ.111

5.3. Расчет кономической эффективности СГВС-ТНУ.117

5.4. Выводы по главе.119

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ. .120

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ

ЛИТЕРАТУРЫ.122

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Программа расчета КСПС-ТНУ.132

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Пример расчета КСПС-ТНУ.143

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Пример и программа расчета СГВС-ТНУ.156

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Справки о внедрении.162 4

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время и в обозримом будущем проблема энергосбережения одна из главных и решающих для всего хозяйства России. Это обусловлено большой энергоемкостью промышленности России и наметившимся в 1999 году ростом производства продукции.

Основные положения, принятого в 1996 году Федерального закона «Об энергосбережении», предусматривают необходимость эффективного использования энергетических ресурсов (ЭР), а также сокращение и замещение потребления наиболее ценных видов ЭР при их добыче, переработке, транспортировке, хранении и потреблении.

По последним данным специалистов топливно-энергетическрго комплекса России потенциал энергосбережения по стране составляет около 350 — 400 млн. тонн условного топлива (т у.т). Примерно одна треть потенциала сосредоточена в самом топливно-энергетическом комплексе (ТЭК), более третьей части в коммунально-бытовом секторе, остальное - в промышленности, в частности при транспорте и хранении нефти и нефтепродуктов.

Среди многообразия энергосберегающих мероприятий, рассмотренных различными исследователями, такие как создание нормативно-правовой и методической базы, организация системы учета, контроля и надзора за потреблением топливно-энергетических ресурсов (ТЭР), а также создание технологической базы энергосбережения, в частности:

- ограничение использования устаревшего оборудования;

- поиск, разработка и внедрение энергосберегающих технологий;

- реализация демонстрационных проектов высокой эффективности;

- разработка и внедрение технологий, использующих нетрадиционные источники энергии (ветер, биогаз, геотермальная, солнечная, низкопотенциальная энергия окружающей среды (О.С.) и др.). 5

Из перечисленных мероприятий в работе рассматривается энергосбережение при производстве теплоты в технологических процессах подогрева вязких нефтепродуктов и горячем водоснабжении с ограничением сжигания мазута как высокопотенциального теплоносителя и заменой его солнечной энергией и тепловыми насосами.

Целью данной работы является совершенствование системы энергосбережения в процессах подогрева на нефтебазах путем использования солнечных коллекторов и тепловых насосов и разработка методов расчета этих систем. Для достижения цели потребовалось решить ряд задач, основными из которых являются:

- Проведение экспериментов и оценка эксергетической эффективности существующего источника теплоты системы подогрева вязких нефтепродуктов в резервуарах нефтебазы при отклонении режима работы котельной от номинального.

- Разработка усовершенствованной системы энергосбережения для процессов подогрева вязких нефтепродуктов в резервуарах с использованием солнечной энергии и теплового насоса.

- Разработка методов расчета параметров теплонасосной установки, использующей солнечную энергию в баке-аккумуляторе - испарителе теплового насоса.

- Выбор рабочих тел для теплового насоса и выбор зависимостей, обеспечивающих наименьшие погрешности при расчетах теплофизических свойств масел, использующихся в качестве промежуточных теплоносителей в комплексной системе подогрева.

Научная новизна работы

- разработана комплексная система подогрева нефтепродуктов в резервуарах с использованием теплового насоса, испаритель которого представляет бак-аккумулятор (БА) гелиоустановки (получен патент РФ №2104911);

Получена зависимость рабочей температуры жидкости в БА - испарителе теплонасосной установки (ТНУ) от климатических характеристик и геометрических параметров установки; получена зависимость для определения нагрузки дублирующего источника. рекомендованы зависимости, обеспечивающие наименьшие погрешности расчета теплофизических характеристик масел, использующихся в качестве промежуточного теплоносителя комплексных систем подогрева (КСП); определены характеристики озонобезопасных рабочих тел теплового насоса для систем подогрева нефтебазы.

Практическая ценность Полученные в работе результаты дают возможность использовать предложенную комплексную систему подогрева с солнечными коллекторами (СК) и тепловым насосом (КСПС-ТНУ) для экономии ТЭР на нефтебазе; использовать полученные расчетные зависимости для параметров ТНУ при проектировании КСПС-ТНУ; применить рекомендованные соотношения, обеспечивающие наименьшие погрешности расчета теплофизических характеристик масел, при проведении теплогидравлических расчетов КСПС-ТНУ; определить эффективность использования КСПС-ТНУ для процессов подогрева на нефтебазе.

Реализация работы полученные данные по снижению работоспособности пара (эксергети-ческого КПД котлов) использованы работниками Уфимского филиала АО «Башкирнефтепродукт» для улучшения работы котельной нефтебазы (повышения степени сухости вырабатываемого пара); 7

- разработанное методическое руководство «Расчет установок солнечного горячего водоснабжения по долговременным характеристикам» используется в учебном процессе УГНТУ;

- методическое руководство «Расчет систем теплоснабжения с использованием гелиоустановок и тепловых насосов» принято для использования в учебном процессе УГНТУ.

Основные положения диссертации доложены и обсуждены на:

- 1-й научно-практической республиканской конференции «Реурсо- и энергосбережение в Республике Башкортостан: проблемы и задачи», октябрь 1997 г;

- международной конференции «Проблемы нефтегазового комплекса России», февраль 1998 г.;

- Всероссийской научно-технической конференции «Новоселовские чтения», декабрь 1998 г.;

- 2-й научно-практической республиканской конференции «Ресурсо- и энергосбережение в Республике Башкортостан: проблемы и задачи», январь 1999 г;

- 5-й международной научной конференции «Методы кибернетики химико-технологических процессов», июнь 1999;

- 48, 49, 50, 51 научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ, 1997 - 2000 г.

Краткое содержание работы Во введении определены цель и задачи исследования, показана актуальность и дана общая характеристика работы.

Первая глава посвящена краткому обзору энергосбережения в сфере теплоснабжения и низкотемпературных (до 100°С) технологических процессов, выбору принципиальной схемы энергосберегающей установки и 8 постановке задач исследования. Отмечается отсутствие исследований по использованию тепловых насосов в процессах подогрева на нефтебазах.

Показана необходимость иллюстрации изначальной неэффективности сжигания топлива для теплообеспечения низкотемпературных технологических процессов на нефтебазах, проведения экспериментов для определения снижения работоспособности пара при отклонении режима работы котельной от номинального. Обоснована необходимость разработки замещения традиционного энергоносителя - мазута для нефтебазы, нетрадиционными источниками теплоты - гелиоустановкой совместно с тепловым насосом (ТН).

Приведен перечень рабочих тел для ТН и показана необходимость использования в качестве рабочих тел озонобезопасных углеводородов и определения их параметров. Отмечается отсутствие методов расчета комплексных систем подогрева нефтепродуктов в резервуарах с использованием гелиоустановок и теплового насоса, необходимость выработки рекомендаций по выбору расчетных зависимостей, обеспечивающих наименьшие погрешности при расчете теплофизических свойств масел (промежуточных теплоносителей), для теплогидравлических расчетов комплексных систем подогрева вязких нефтепродуктов в резервуарах нефтебаз. I

Вторая глава содержит оценку эксергетической эффективности существующей системы подогрева нефтепродуктов в резервуарах нефтебазы.

Показано, что сжигание топлива для теплоснабжения нефтебазы при подогреве вязких нефтепродуктов изначально неэффективно и требует использования низкопотенциальных источников теплоты.

В главу включены результаты экспериментальных исследований энтальпии пара, получаемого от котельной; дано описание методики, техники эксперимента и оценка погрешностей проведения экспериментов. Приведены таблицы результатов исследований, по их усредненным данным определены величины теплового и эксергетического КПД. Показано, что: 9

- работоспособность при снижении параметров, вырабатываемого котельной пара, наиболее адекватно выражается уменьшением эксергети-ческого КПД котлов;

- при разработке вопросов энергосбережения для тепловых процессов нефтебазы важнейшей является качественная характеристика теплоты в виде эксергетических показателей.

Третья глава посвящена теплоносителям и рабочим телам системы теплоснабжения нефтебазы. Проведены сопоставления с экспериментальными данными, имеющимися в технической литературе, десятков расчетных зависимостей теплофизических характеристик масел, использующихся в качестве промежуточных теплоносителей в КСП нефтебазы, рекомендованы соотношения, обеспечивающие наименьшие погрешности при расчете плотности, вязкости, коэффициента теплопроводности и теплоемкости в рабочем интервале температур КСП.

В качестве озонобезопасных рабочих тел ТН рассмотрены пять углеводородов; показано, что по коэффициенту преобразования требованиям систем подогрева на нефтебазе соответствуют изобутан, н-бутан и н-бутилен. Проанализированы их свойства по разности давлений в конденсаторе (Рк) и испарителе (Ри), отношению Рк/Ри и удельной объемной теплопроизводи-тельности. Показано, что по этим параметрам перечисленные рабочие тела соответствуют типоразмерам компрессорных агрегатов и использование их перспективно для ТН в системах подогрева нефтепродуктов на нефтебазах.

Четвертая глава содержит принципиальную схему усовершенствованной системы подогрева вязких нефтепродуктов в резервуарах с использованием солнечной энергии и теплового насоса (КСПС-ТНУ); уравнение теплового баланса для совместной работы гелиоконтура и испарителя ТН. Глава включает полученное соотношение для среднемесячной рабочей температуры жидкости в баке-аккумуляторе ТН, которое учитывает климатические условия и геометрические характеристики КСПС-ТНУ. Приведена формула для расчета нагрузки дублера в зависимости от нагрузки испарителя и соот

10 ношения разностей характерных температур. Изложена последовательность методики расчета КСПС-ТНУ, приложены программы расчета на ЭВМ и пример расчета. Эффективность использования КСПС-ТНУ выражена в абсолютных единицах экономии условного топлива, приходящейся на тонну хранимого в резервуаре вязкого нефтепродукта.

Пятая глава включает принципиальную схему горячего водоснабжения нефтебазы с использованием теплового насоса (СГВС-ТНУ). В качестве низкопотенциального источника теплоты в испарителе теплового насоса используется холодная вода системы водоснабжения. Приведена методика расчета СГВС-ТНУ; в приложении приведены программа расчета на ЭВМ и пример расчета.

Автор защищает

- Результаты проведенных экспериментов об адекватности отражения снижения работоспособности вырабатываемого пара только эксергети-ческим КПД котла и рекомендации на основе полученных данных.

- Комплексную систему подогрева вязких нефтепродуктов в резервуарах нефтебазы с использованием теплового насоса, испаритель которого помещен в бак-аккумулятор гелиоустановки.

- Уравнение теплового баланса для совместной работы гелиоконтура и испарителя теплового насоса (ТН); полученные расчетные зависимости для параметров предложенной системы: рабочей температуры в БА ТНУ и мощности дублирующего источника.

- Рекомендации зависимостей, обеспечивающих наименьшие погрешности расчета теплофизических характеристик масел, использующихся в качестве промежуточных теплоносителей КСП, и результаты исследований по выбору озонобезопасных рабочих тел теплового насоса для систем подогрева нефтепродуктов в резервуарах нефтебаз.

11

Зависимости для температур в баке-испарителе теплового насоса получены в соавторстве с проф. Ф.Ф. Абузовой. В проведении экспериментов по определению параметров пара принимали участие доц. Репин В.В., ст. науч. сотрудник Янборисова Г.Г. Методическое руководство «Расчет установок солнечного горячего водоснабжения по долговременным характеристикам» написано в соавторстве с проф. Абузовой Ф.Ф. и ст. науч. сотрудником Ян-борисовой Г.Г. Методическое руководство «Расчет систем теплоснабжения с использованием гелиоустановок и тепловых насосов» написано в соавторстве с проф. Абузовой Ф.Ф. и доц. Репиным В.В.

12

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, ИНДЕКСЫ И СОКРАЩЕНИЯ

ОБОЗНАЧЕНИЯ А - площадь солнечных коллекторов, м2; а - удельная площадь солнечных коллекторов, м2/т; ач - удельная анергия, кДж/кг; Вк - расход условного топлива в котельной, кг/ч;

ВТн - расход условного топлива на конденсационной электростанции, кг/ч; ДВ - экономия условного топлива, кг/ч; ДВо/о - экономия условного топлива, %; с - удельная массовая изобарная теплоемкость, кДж/(кг-К); Б - мощность дублирующего источника теплоты, Вт; еч - удельная эксергия, кДж/кг;

Бя - коэффициент отвода тепла из солнечного коллектора, доли единицы; в - массовый расход, кг/с;

Н - среднемесячный дневной приход солнечной радиации на плоскость солнечного коллектора, Вт-ч/м ; 11 - удельная энтальпия, кДж/кг;

К - параметр характеризующий геометрические характеристики комплексной системы подогрева; Р - давление, Па; С>и - мощность испарителя, Вт;

С)у - низшая рабочая теплота сгорания условного топлива,

Оу = 29300 кДж/кг; Яу - удельная объемная теплопроизводительность, кДж/м ; г - теплота парообразования, кДж/кг; 8 - удельная энтропия, кДж/(кг-К); Т - температура, К; t - температура, °С;

- коэффициент тепловых потерь солнечного коллектора, Вт/(м -К); о

- удельный объемный расход воды, м /(чел.-сут.);

- объем бака-аккумулятора, м3;

•з

- удельный объем бака-аккумулятора, м /т;

- степень сухости пара;

- поглощательная способность солнечного коллектора, доли единицы;

- коэффициент полезного действия;

- коэффициент трансформации;

- широта местности,

- коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К);

- кинематическая вязкость, м2/с; л

- плотность, кг/м ; эксергетическая температурная функция.

ИНДЕКСЫ нижние

- бак;

- горячее водоснабжение;

- дублирующий источник теплоты;

- дневная;

- жидкость;

- испарение;

- конденсация;

- окружающая среда;

- пар;

- теплообменный аппарат (конденсатор, испаритель);

- условное топливо;

14 верхние

- жидкость в состоянии насыщения;

- сухой насыщенный пар;

- котел.

СОКРАЩЕНИЯ БА - бак-аккумулятор;

КПД - коэффициент полезного действия; КСПС-ТНУ - комплексная система подогрева с использованием солнечных коллекторов и тепловых насосов; КЭС - конденсационная электростанция; СГВС-ТНУ - система горячего водоснабжения с использованием тепловых насосов;

СК - солнечный коллектор;

ТН - тепловой насос;

ТНУ - теплонасосная установка;

ТЭР - топливно-энергетические ресурсы; т у.т - тонны условного топлива.

15

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Сжигание топлива для теплоснабжения при подогреве вязких нефтепродуктов в резервуарах нефтебазы не эффективно и требует использования низкопотенциальных источников теплоты. В результате промышленных экспериментов показано, что работоспособность при снижении параметров вырабатываемого пара в котельной наиболее адекватно отражается уменьшением эксергетического КПД котлов. При разработке вопросов энергосбережения для тепловых процессов нефтебазы важнейшей является качественная характеристика теплоты в виде эксергетических показателей.

2. Предложена усовершенствованная комплексная система энергосбережения для процессов подогрева вязких нефтепродуктов в резервуарах нефтебазы с использованием солнечной энергии и теплового насоса, испаритель которого помещен в бак-аккумулятор гелиоустановки (КСПС-ТНУ). Предложена система подогрева воды для горячего водоснабжения с использованием теплового насоса (СГВС-ТНУ).

Эксергетический КПД КСПС-ТНУ в 2 . 3 раза, а СГВС-ТНУ в 2 . 2,5 раза больше эксергетического КПД существующей системы с паровыми котлами. Максимальная экономия условного топлива по сравнению с котельной в климатических условиях России для КСПС-ТНУ составляет 5 . 69 %, для СГВС-ТНУ - 10 . 30 %.

3. Разработана методика расчета КСПС-ТНУ:

- получена зависимость для средней рабочей температуры жидкости в БА теплового насоса, учитывающая климатические условия и геометрические характеристики установки;

- получена формула для расчета нагрузки дублера в зависимости от нагрузки испарителя и соотношения разностей характерных температур. Полученные зависимости вместе с разработанной программой расчета на ЭВМ позволяют проектировать КСПС-ТНУ и СГВС-ТНУ для нефтебаз.

121

4. Для масел, использующихся в качестве промежуточных теплоносителей КСП, рекомендованы соотношения, обеспечивающие расчет теплофизических характеристик (плотность, вязкость, коэффициент теплопро водности, теплоемкость) с наименьшей погрешностью. На предмет соответствия условиям работы тепловых насосов в системе теплоснабжения нефтебазы исследованы параметры озонобезопасных рабочих тел изобутана, н-бутилена, н-бутана, пропана и пропилена. По коэффициенту преобразования, удельной объемной теплопроизводительно-сти, отношению и разности давления в конденсаторе и испарителе теплового насоса наилучшие характеристики имеет изобутан, близки к изобу-тану по этим параметрам н-бутан и н-бутилен, использование их перспективно в тепловых насосах систем подогрева на нефтебазах.

122

1. Абузова Ф.Ф., Газизов В.Т., Репин В.В., Янборисова Г.Г. Комплексные системы подогрева (КСП) и анализ эксплуатации // Транспорт и хранение нефтепродуктов.- ЦНИИТЭнефтехим, 1997.- №10-11.- С. 29-30.

2. Абузова Ф.Ф., Несговоров A.M., Репин В.В. Об экологической оптимизации систем подогрева вязких нефтепродуктов на нефтебазах / Транспорт и хранение нефтепродуктов. М., 1991. - № 1. - С. 9-11.

3. Абузова Ф.Ф., Репин В.В., Янборисова Г.Г. Характеристики мазутов и газообразных топлив: Учебное пособие. Уфа: Изд-во УГНТУ, 1997.-129с.: ил.

4. Абузова Ф.Ф., Савичев Е.В., Янборисова Г.Г. Расчет установок солнечного горячего водоснабжения по долговременным характеристикам.-Уфа: УГНТУ, 1999.- 40 е.: ил.

5. Аксельрод И.Л., Ковтунов Е.Е., Стефанчук В.И. Применения азоно-безопасных хладагентов в системах кондиционирования воздуха. // АВОК. 1999.-№ 1.-С. 68-69.123

6. Бадылькес И.С. Рабочие вещества и процессы холодильных машин. М: Госторгиздат, 1962.-280 е.: ил

7. Бекман У. и др. Расчет систем солнечного горячего теплоснабжения: Пер. с англ. / У. Бекман, С. Клейн, Дж. Даффи.- М.: Энергоиздат, 1982.80 е.: ил.

8. Бродянский В.М., Верхивнер Г.П., Карчев Я.Я. и др. Эксергетиче-ские расчеты энергетических систем./ Справочное пособие под ред. A.A. До-линского, В.М. Бродянского.- Киев: Наука Думка, 1991 360 е.: ил.

9. Бузников Е.Ф., Роддатис К.Ф., Берзинып Э.Я. Производственные и отопительные котельные.- 2-е изд., перераб.- М.: Энергоиздат, 1984.- 248 с.

10. Валов М.И., Казанджан Б.И. Использование солнечной энергии в системах теплоснабжения: Монография.- М.: Изд-во МЭИ, 1991.- 140 е.: ил.

11. Васильев Г.П. Теплонасосная система теплоснабжения. // АВОК.-1999.-№4.-С. 7-10.

12. Везиришвили О.Ш., Меладзе Н.В. Энергосберегающие теплона-сосные системы тепло- и хладоснабжения.- М.: Издательство МЭИ, 1994 г.-160 е.: ил.

13. ВСН 52-86 Установки солнечного горячего водоснабжения. Нормы проектирования.- /М.: Госгражданстрой, 1988.- 16 с.

14. Вукалович М.П., Новиков И.И. Термодинамика. Учебное пособие для вузов. М.: Машиностроение, 1972.- 672 е.: ил

15. Гохштейн Д.П. Современные методы термодинамического анализа энергетических установок.- М.: Энергия, 1969.- 368 е.: ил.

16. Даффи Дж. А., Бэкман У.А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии.- / Пер. с англ. Под ред. Ю. Н. Малевского М.: Мир, 1977.-420 е.: ил.

17. Долинский Е.Ф. Обработка результатов измерений.- М.: Изд-во стандартов, 1973.- 192 с.

18. Дьяков А.Ф. Электроэнергетика основа стабилизации и подъема экономики России // Энергетическая политика.- 1997.- №1.- С. 3 - 10.124

19. Зубков В.А. Использование тепловых насосов в системах теплоснабжения. // Теплоэнергетика.- 1996.- № 2.- С. 17 20.

20. Иванова Г.М., Кузнецов Н.Д., Чистиков B.C. Теплотехнические измерения и приборы.- М.: Энергоатомиздат, 1984.- 232 с.

21. Ильинский Б.В. Без специальных приборов // Водоснабжение и сантехника.- 1984.- №1.- С.27.

22. Клименко А.П. Сжиженные углеводородные газы.- М., JL: Гостоп-техизат, 1962.- 420 е.: ил.

23. Котлы малой производительности: Отраслевой каталог,- М.: НИИЭинформэнергомаш, 1985.

24. Мазурин И.М., Столяровский А.Я. Спасая атмосферу, губим себя. // Энергия. 1996.- №8.- С. 16 22.

25. Маринюк Б.Т. Аппараты холодильных машин (теория и расчет).-М.: Энергоатомиздат, 1995.- 160 е.: ил.

26. Мартынов A.B. Установки для трансформации тепла и охлаждения: Сборник задач; учебное пособие для вузов.- М.: Энергоатомиздат, 1989.200 е.: ил.

27. Мартыновский B.C. Тепловые насосы.- М.,Л.:Госэнергоиздат, 1955.- 191 е.: ил.

28. Мартыновский B.C. Циклы, схемы и характеристики термотрансформаторов./Под ред. В.М. Бродянского.-М.: Энергия, 1979.- 288 е.: ил.

29. Патент №2104912. Устройство для хранения вязких нефтепродуктов. Абузова Ф.Ф., Репин В.В., Савичев Е.В., Шаммазов A.M., Янбори-сова Г.Г. Опубл. в БИ №5, 1998. -3 с.

30. Патент №2104911. Устройство для хранения вязких нефтепродуктов. / Ф.Ф. Абузова, В.В. Репин, Е.В. Савичев, A.M. Шаммазов, Г.Г. Янбори-сова. Опубл. в БИ №5, 1998. 3 с.

31. Повышение эффективности и экологической безопасности систем теплоснабжения на базе ТНУ. /Цецерин Ю.А. //Изв. Жил.- комун. акад. Гор. х-воиэкол.- 1995.-№3.-С. 18-21.

32. Проблемы развития возобновляемой энергетики / Стребнов Д.С. // Механиз. и электриф. с.х. (Москва).- 1997.- №6.- С. 4 8.

33. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справочник / Под общ. ред. В. А. Григорьева, В.М. Зорина.- 2-е изд., перераб.- М.: Эенер-гоатомиздат.- 1991.- 578 е.: ил.-(Теплоэнергетика и теплотехника Кн. 4).

34. Промышленные фторорганические продукты: Справ. Изд./ Б.Н. Максимов, В.Г. Барабанов, И.Л. Серушкин и др.- Л.: Химия, 1990.- 464 е.: ил.

35. Рей Д., Майкмайкл Д. Тепловые насосы./ Пер с англ. М: Энергоиз-дат, 1982.-224 е.: ил.

36. Рей Д. Экономия энергии в промышленности: Справочное пособие для инженерно-технических работников. Пер. С англ.- М.: Энергоатомиздат, 1983.-208 с.

37. Репин В.В. Комплексные системы подогрева вязких и высокоза-стывающих нефтепродуктов низкозамерзающим промежуточным теплоносителем в резервуарах нефтебаз.: Дис. канд. техн. наук.: 05.15.13 / УНИ.- Уфа, 1993.- 200 с.

38. Ривкин С.А., Александров A.A. Термодинамические свойства воды и водяного пара. Справочник.- M.: Энергоатомиздат, 1984.- 79 с.

39. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей: Справочное пособие/ Пер. с англ. Под ред. Б.И. Соколова.- 3-е изд., перераб. и доп.- Л.: Химия, 1982.- 592 е.: ил.- Нью-Йорк, 1977.

40. Савичев Е.В., Репин В.В., Абузова Ф.Ф. Выбор зависимостей для расчета теплофизических свойств масел // Тез. докл. научн. конф. Методы кибернетики химико-технологических процессов (КХТП-У-99). Уфа: Изд-во УГНТУ, 1999.-т. 2, кн.2.- С.154 155.

41. Савичев Е.В., Янборисова Г.Г., Репин В.В. Системы энергосбережения на нефтебазах / Материалы 49 научн.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ.- Уфа, 1998.

42. Савичев Е.В., Янборисова Г.Г., Репин В.В. Экспериментальное определение энтальпии насыщенного пара, подаваемого в систему подогрева / Материалы 48 научн.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ.-Уфа, 1997.-С. 156.

43. Сажан Б.С., Буляков А.П. Эксергетический метод в химической технологии.- М.: Химия, 1992.- 206 е.: ил.

44. Сидельковский Л.Н.> Юренев В.Н. Парогенераторы промышленных предприятий: Учебник для студентов вузов. М.: Энергия, 1978.- 336 е.: ил.128

45. Системы теплохладоснабжеиия на базе низкопотенциальной теплом и термотрансформаторов / Мищенко A.B. //Изв. Вузов. Энерг.- 1998.-№5.- С. 86-90.

46. СНиП 2.01.01-82 Строительная климатология и геофизика / Госстрой СССР.- М.: Стройиздат.- 1983.- 136 с.

47. СНиП 2.04.01-85 Внутренний водопровод и канализация зданий / Госстрой СССР.- М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986.- 56 с.

48. Соколов Е.Я., Бродянский В.М. Энергетичесие основы трансформации тепла и процессов охлаждения: Учеб. пособие для вузов.- 2-е изд., пе-рераб.- М.: Энергоиздат, 1981.-320 е.: ил.

49. Справочник по климату СССР / Облачность и атмосферные явления." JL: Гидрометеорологическое издательство, 1968.- вып. 1.24.- ч. 5.248 е.: ил.

50. Справочник по климату СССР / Температура воздуха и почвы.- JL: Гидрометеоиздат, 1967.- вып. 1.34, ч. 2.

51. Справочник по климату СССР. / Солнечная радиация, солнечный баланс и солнечное сияние.- Гидрометеорологическое издательство, 1966, вып. 1.24.-ч. 1.-75 с.

52. Стенин В.А. Использование теплонасосной установки в системах теплоснабжения. // Теплоэнергетика.- 1997.- № 5.- С. 28 29.

53. Стенин В.А. Теплонасосная установка для снижения удельного расхода сетевой воды в системах теплоснабжения. // Промышленная энергетика.- 1997.-№6.- С. 35 -36.

54. Тарнижевский Б.В. Оценка эффективности применения солнечного теплоснабжения в России // Теплоэнергетика.- 1996.- №5.- С. 15-18.

55. Тарнижевский Б.В. Солнечные коллекторы нового поколения // Теплоэнергетика.- 1992.- №4.- С. 23-26.

56. Тарнижевский Б.В., Абуев И.М. Технический уровень и освоение производства плоских солнечных коллекторов в России // Теплоэнергетика. -№4.- С.13-15.129

57. Тарнижевский Б.В., Алексеев В.Б., Кабилов З.А., Абцев И.М. Солнечные коллекторы и водонагревательные установки // Теплоэнергетика, 1995.-№6.-С. 48-51.

58. Тепло-и массообмен. Теплотехнический эксперимент: Справочник / под ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина.- М.: Энергоиздат, 1982.- 512 с.

59. Тугунов П.И., Новоселов В.Ф. Типовые расчеты при проектировании и эксплуатации нефтебаз и нефтепроводов. Учебное пособие для вузов. М.: Недра, 1981.- 184 с.: ил.

60. Фугенфиров М.И. Использование солнечной энергии в России // Теплоэнергетика.- 1997.- №4.- С.6-12.

61. Хайнрих Г. и др. Теплонасосные установки для отопления и горячего водоснабжения./ Г. Хайнрих, X. Найорк, В. Нестлер; пер с нем. Н.Л. Ко-раблевой, Е.Ш. Фельдмана; под ред Б.К. Явнеля.- М.: Стройиздат, 1985.- 351 е.: ил.

62. Холодильные компрессоры. / A.B. Быков, Э. М. Бежанишвили, И. М. Калнинь и др. ; под ред A.B. Быкова.- 2-е изд., перераб и доп.- М.: Колос, 1992.-304 е.: ил.

63. Цейтлин В.Г. Техника измерения расхода и качества жидкостей, газов и паров.- М.: Изд-во стандартов, 1981.- 192 с.

64. Чередниченко Г.И., Фройштетер Г.Б., Ступак П.М. Физико-химические и теплофизические свойства смазочных материалов.-Л.: Химия, 1986.- 224с.: ил.

65. Энергетическая безопасность Содружества Независимых Государств.- М.: Энергоатомиздат, 1996.

66. Эстеркин Р.И., Иссерлин A.C., Певзнер М.И. Теплотехнические измерения при сжигании газового и жидкого топлива: Справочное руководство.- 2-е изд., перераб. и доп.- Л.: Недра, 1981.- 424 с.

67. Янборисова Г.Г. Энергосбережение в процессах подогрева на нефтебазах: Дис. канд. техн. Наук: 05.15.13 / УГНТУ.- Уфа.- 1997.- 171 с.130

68. Янборисова Г.Г., Репин В.В., Савичев Е.В., Абузова Ф.Ф., Кузнецова В.В. К тепловым расчетам на нефтебазах // Транспорт и хранение нефтепродуктов.- ЦНИИТЭнефтехим, 1997.- №10-11.- С. 33-34.

69. Янтовский Е.И., Пустовалов Ю.В. Парокомпрессионные ТНУ.- М.: Энергоатомиздат, 1982.

70. Янтовский Е.И., Левин Л.А. Промышленные тепловые насосы.-М.: Энергоатомиздат, 1989.- 128 е.: ил.

71. Bundesregierung fordert Einbau von Wärmepumpen //HLH: Heizung, Luftung/ Klima, Haustechn .-1995.- 46, № 11.- C. 539.

72. Heat pump application in Austria / Halozan H. // Sunceva energ/-1993.- 14, № 1.- c. 33 -40.

73. Heat pump systems: versatile replacement alternatives / Pietsh Josef A. //Heat./Pip./Air Cond.- 1994.-66, № 4.-С. 51-56.

74. More federal funds for energy / Johnson Jeff // Chem. and Eng. News.-1997.- 75, №42.-P. 26,27.

75. Ocologische Aspecke bei Kuhl-und Gefriergetaten Aktueller Stand der FCKW-Umstellung / Kionka U. // Elektrowärme Int. A.- 1994.- 52, № 2. C. 72-75.131

76. Regenerativa Energien Nutzung und Aussichten / Bracke Theo //Wohnung + Gesundh.- 1997.- 19, № 85.- C. 22-23.

77. Tapping into water mains makes heat pump more affordable, efficient / Mazurkiewicz Greg A. // Air Cond., Heat. and Refrig. News.- 1997.- 200, № 2.- C. 46 47.

78. Unita climatica integrata // Cond. aria. Riscaldamento refrig. .-1993.37, № 8.- C. 832 833.

79. Warme aus dem Garden // Kalte und Klimatechn.- 1994.- 47 №7.1. C.323.

80. Wärmepumpen mit Wasser als Arbeitsmittel Praxisorientierte Forschungen für klein-und mittelstandige Uternehmen. Teil 1. Teoretische Untersuchungen / Reetz B, Ruhling K., Winsche N. // Energieanwendung.- 1994.- 43, №4.- C. 152- 158.132