Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния централизованных теплофикационных систем и обеспечения в них нагрузки. постановка задач исследования 18
1.1. Этапы развития централизованного теплоснабжения на основе теплофикационных систем в России 18
1.2. Исторические особенности развития отечественных теплофикационных систем 23
1.3. Зарубежный опыт теплоснабжения 29
1.4. Структурное построение действующих отечественных теплофикационных систем 40
1.5. Существующие технологий регулирования тепловой нагрузки 44
1.5.1 Технологии местного регулирования тепловой нагрузки в системах отопления 46
1.5.2. Технологии обеспечения нагрузки горячего водоснабжения 54
1.6. Постановка задач исследования 61
Выводы по главе 1 64
Глава 2. Совершенствования технологий обеспечения тепловой нагрузки теплофикационных систем 66
2.1. Анализ температурного графика центрального качественного регулирования 66
2.2. Современное состояние и проблемы при регулировании отпуска теплоты в отечественных теплофикационных системах 78
2.3. Концепция совершенствования технологий обеспечения нагрузки теплофикационных систем 99
Выводы по главе 2 108
Глава 3. Технологии качественного регулирования тепловой нагрузки в двухконтурных схемах ТЭЦ 110
3.1. Технология обеспечения пиковой тепловой нагрузки с включением водогрейных котлов в замкнутый контур ПО
3.2. Методика расчета температурного графика замкнутого контура в двухконтурных схемах ТЭЦ 113
3.3. Автоматизация расчета температурного графика замкнутого контура водогрейных котлов 119
3.4. Показатели надежности технологий обеспечения пиковой тепловой нагрузки с включением водогрейных котлов в замкнутый контур на ТЭЦ 123
Выводы по главе 3 128
Глава 4. Разработка технологий обеспечения тепловой нагрузки теплофикационных систем 130
4.1. Технологии количественного и качественно-количественного регулирования тепловой нагрузки в теплофикационных системах 130
4.2. Технико-экономическое обоснование эффективности количественного и качественно-количественного способов регулирования тепловой нагрузки теплофикационных систем 135
4.3. Оценка энергетической эффективности технологий
количественного регулирования нагрузки на ТЭЦ 150
4.4. Методика расчета количественного регулирования тепловой нагрузки открытых систем теплоснабжения 159
4.5. Методика расчета качественно-количественного регулирования тепловой нагрузки открытых систем теплоснабжения 170
4.6. Моделирование режима работы системы теплоснабжения при
различных способах регулирования отпуска теплоты 175
Выводы по главе 4 181
Глава 5. Совершенствование структуры теплофикационных систем и обеспечения тепловой нагрузки 185
5.1. Структурные схемы теплофикационных систем 185
5.2. Комбинированные теплофикационные системы с централизованными и децентрализованными источниками теплоты 193
5.3. Зонирование температурного графика 205
5.4. Совмещение качественного и количественного способов регулирования тепловых нагрузок систем теплоснабжения 209
5.5. Влияние режима работы системы теплоснабжения при комбинированном регулировании на теплофикационную выработку электроэнергии на ТЭЦ 228
5.6. Экспериментальное исследование системы теплоснабжения в режиме комбинированного регулирования тепловой нагрузки 244
5.6.1. Характеристика объекта исследования 244
5.6.2. Обработка результатов эксперимента 247
5.6.3. Проверка адекватности уравнений регрессий 254
5.7. Технико-экономическое обоснование технологий комбинированного регулирования параметров теплоносителя в теплофикационных системах теплоснабжения 258
Выводы по главе 5 263
Глава 6. Регулирование тепловой нагрузки местных систем теплопотребления 267
6.1. Особенности работы централизованных систем горячего водоснабжения 267
6.2. Технологии регулирования нагрузки в системах горячего водоснабжения 281
6.3. Анализ влияния способа регулирования тепловой нагрузки на режимы работы систем отопления 290
6.4. Стабилизация гидравлических режимов местных систем отопления при переменном расходе воды в теплосети 297
6.5. Оценка влияния способа регулирования тепловой нагрузки на
показатели качества теплоснабжения 306
Выводы по главе 6 309
Глава 7. Повышение эффективности работы систем теплоснабжения в переходные периоды отопительного сезона 313
7.1. Технологии теплоснабжения в переходные периоды с использованием тепловых насосов 313
7.2. Расчетная оценка режимов работы теплового насоса в централизованной системе теплоснабжения 318
7.2.1. Исходные данные 318
7.2.2. Расчет параметров цикла теплового насоса 3 7.3. Расчет режимов работы теплового насоса при использовании сетевой воды из подающей магистрали 327
7.4. Определение режимных параметров работы ТНУ 330
7.5. Эксергетический анализ работы режимов работы теплового насоса 337
7.6. Технико-экономическое обоснование низкотемпературного теплоснабжения с использованием тепловых насосов 341
Выводы по главе 7 360
Заключение 363
Список литературы
- Исторические особенности развития отечественных теплофикационных систем
- Современное состояние и проблемы при регулировании отпуска теплоты в отечественных теплофикационных системах
- Показатели надежности технологий обеспечения пиковой тепловой нагрузки с включением водогрейных котлов в замкнутый контур на ТЭЦ
- Методика расчета количественного регулирования тепловой нагрузки открытых систем теплоснабжения
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Одним из достижений отечественной теплоэнергетики является централизация теплоснабжения на основе теплофикационных систем, подключенных к тепловым электрическим станциям. В настоящее время энергетическая эффективность таких систем снизилась, что обусловлено нечеткой государственной политикой в области энергетики и, зачастую, нерациональным их управлением. Тем не менее, термодинамические преимущества теплофикационных систем с комбинированной выработкой электрической и тепловой энергии не могут быть оспорены. Сохранение и развитие теплофикационных систем является актуальной задачей.
Структура отечественных систем теплоснабжения формировалась продолжительное время, в том числе, и в условиях восстановления экономики страны после разрушительных войн XX века. Невысокая стоимость топливно-энергетических ресурсов способствовала принятию технических решений, в которых главным критерием были небольшие капитальные затраты. В итоге сформировалась структура систем теплоснабжения, при которой теплогенерирующие мощности (включая пиковые котлы, включенные последовательно за сетевыми подогревателями) размещались на значительном удалении от потребителей, что приводило к повышенному потреблению топливно-энергетических ресурсов в теплофикационных системах. Далеко не все принимаемые решения соответствовали требованиям по экологичности и энергосбережению, предъявляемым к системам теплоснабжения в настоящее время. Развитие последовательной структуры систем теплоснабжения предопределило и развитие качественного способа регулирования отпуска теплоты, принятого в качестве основного способа в отечественном теплоснабжении.
Анализ работы отечественных ТЭЦ и систем теплоснабжения показывает, что традиционные режимы их эксплуатации не отвечают современным требованиям по энергетической эффективности. Положительный эффект от централизованного теплоснабжения в значительной мере нивелируется потерями топливно-энергетических ресурсов, обусловленными несоответствием расчетных режимов работы теплофикационных систем теплоснабжения фактическим условиям эксплуатации, большой инерцией систем транспорта теплоты, низким уровнем автоматизации теплопотребляющих установок, а также недостатками центрального качественного регулирования тепловой нагрузки.
Необходимость структурных и режимных преобразований обусловлена и тем, что вследствие кризисных явлений 90-х годов XX века в системах теплоснабжения большинства городов России повсеместно нарушаются принципы качественного регулирования тепловой нагрузки: не выдерживаются температурные графики, гидравлические режимы. Повысить эффективность теплофикационных систем возможно за счет пересмотра и корректировки ряда концептуальных положений по схемам и режимам работы основных их элементов: теплоисточников, систем транспорта теплоты, теплопотребляющих установок. Актуальной задачей является разработка и исследование технологий централизованного теплоснабжения с пониженными температурными графиками при количественном и качественно-количественном регулировании тепловой нагрузки. В связи с невозможностью быстрого структурного изменения отечественных систем теплоснабжения актуальной
задачей является адаптация способа центрального качественного регулирования к современным требованиям по энергосбережению.
Цель работы: повышение эффективности работы теплофикационных систем, подключенных к ТЭЦ, путем разработки и научно-технического обоснования технологий обеспечения тепловой нагрузки систем теплоснабжения.
Для достижения поставленной цели в диссертации сформулированы и решены следующие задачи:
- проведено исследование этапов и исторических особенностей развития
централизованного теплоснабжения на основе теплофикационных систем в России;
- проведен анализ современного состояния обеспечения тепловой нагрузки в
отечественных теплофикационных системах теплоснабжения;
проведено обследование режимов работы системы теплоснабжения г. Ульяновска в период с 1997 г. по 2012 г.;
разработана концепция совершенствования технологий обеспечения тепловой нагрузки в теплофикационных системах;
разработаны технологии обеспечения тепловой нагрузки различными способами на ТЭЦ и методики расчета режимов работы систем теплоснабжения при реализации этих технологий;
обоснована необходимость структурной оптимизации теплофикационных систем теплоснабжения и разработаны системы комбинированного теплоснабжения, объединяющие элементы централизованных и децентрализованных систем;
- реализовано комбинированное регулирование тепловой нагрузки в
действующей системе теплоснабжения и произведено экспериментальное
исследование режимов ее работы;
- разработаны технические решения по обеспечению тепловой нагрузки в
местных системах теплопотребления;
разработаны энергосберегающие технологии низкотемпературного теплоснабжения с использованием тепловых насосов, позволяющие оптимизировать режимы работы теплофикационных систем в переходные периоды отопительного сезона;
произведено технико-экономическое обоснование разработанных технологий.
Научная новизна работы
-
Разработан комплекс положений, определяющих общую направленность (концепция) по совершенствованию технологий обеспечения тепловой нагрузки, в рамках которого предложены и научно-технически обоснованы технологии низкотемпературного теплоснабжения при преимущественно количественном и качественно-количественном регулировании отпуска теплоты, технологии комбинированного теплоснабжения, совмещающие различные способы центрального и местного регулирования в периоды наименьшей эффективности работы централизованных систем теплоснабжения.
-
Разработана методика расчета температурного графика качественного регулирования отпуска теплоты в замкнутом контуре водогрейных котлов двухконтурных схем ТЭЦ, определены границы применимости двухконтурных схем ТЭЦ.
-
На основании полученных в диссертации аналитических выражений проведен сравнительный анализ показателей эффективности количественного,
качественно-количественного и качественного способов обеспечения тепловой нагрузки систем теплоснабжения, разработаны методики расчета режимов работы открытых систем теплоснабжения при количественном и качественно-количественном регулировании отпуска теплоты, отличием которых от существующих методик расчета является учет влияния нагрузки горячего водоснабжения на работу систем отопления при переменном расходе воды в теплосети.
4. Разработаны и исследованы режимы работы ТЭЦ с количественным и
качественно-количественным регулированием тепловой нагрузки систем
теплоснабжения, особенностью которых является обеспечение тепловой нагрузки
систем теплоснабжения путем изменения количества работающих сетевых
подогревателей и пиковых водогрейных котлов, включенных параллельно.
5. Предложено, теоретически обосновано и реализовано в теплофикационной
системе теплоснабжения деление (зонирование) температурного графика на
периоды в зависимости от комбинирования различных способов регулирования
тепловой нагрузки.
6. Разработаны, исследованы, теоретически и технико-экономически
обоснованы энергосберегающие низкотемпературные технологии работы
теплофикационных систем с использованием тепловых насосов, отличием которых
является обеспечение нагрузки горячего водоснабжения в переходные периоды
отопительного сезона при пониженных параметрах сетевой воды в системе
теплоснабжения.
7. Предложены решения по обеспечению тепловой нагрузки и стабилизации
гидравлических режимов в местных системах теплопотребления с учетом
неравномерности потребления теплоты и теплоносителя абонентами при
переменном расходе сетевой воды в централизованной системе теплоснабжения,
особенностью которых является регулирование режимов работы
теплопотребляющих установок по параметрам теплоносителя после систем
теплопотребления.
Достоверность результатов обусловлена применением методов и методик исследования, основанных на фундаментальных законах технической термодинамики, гидравлики, методах вычислительной математики, математической статистики, теории вероятности, теории теплообмена, эвристических методах поиска новых технических решений, апробированных методик технико-экономического анализа, теории планирования и обработки результатов инженерного эксперимента; сопоставимостью полученных данных с другими источниками; промышленной проверкой и патентной чистотой разработанных решений.
Практическая значимость. С использованием технологий
комбинированного теплоснабжения от централизованных и автономных теплоисточников на основании патентов № 2235249 (RU) МКИ F29 D 3/08, № 2235250 (RU) МКИ F29 D 3/08 в здании Медицинского диализного центра (г. Ульяновск, ул. III Интернационала, 1а) спроектированы и смонтированы системы отопления, горячего водоснабжения и вентиляции.
Применен способ работы системы теплоснабжения на основании патента № 2307289 (RU) МКИ F24 D 17/00 и реализовано комбинированное регулирование тепловой нагрузки на основе предложенного в диссертации зонированного температурного графика в системе теплоснабжения г. Ульяновска на 16
центральных тепловых пунктах (ЦТП). Годовая экономия от реализованного регулирования составляет 10-30 млн руб.
Реализована технология автоматического регулирования параметров в системах горячего водоснабжения в зависимости от режима потребления горячей воды на 25 ЦТП в системе теплоснабжения г. Ульяновска. Годовая экономия внедренного регулирования составляет около 4 млн руб.
Для оптимизации режимов работы теплофикационных систем, подключенных к ТЭЦ, разработаны и зарегистрированы программные продукты «Расчет температурного графика водогрейных котлов в двухконтурных схемах» и «Расчет энергетической эффективности комбинированной теплофикационной системы с ТЭЦ и автономными пиковыми теплоисточниками».
Результаты исследований использованы при чтении курсов «Регулирование нагрузки систем теплоснабжения», «Современные проблемы теплоснабжения населенных пунктов», организации научно-исследовательской работы аспирантов и студентов.
Результаты исследований использованы при разработке инвестиционных, производственных программ и программ энергосбережения на Ульяновском муниципальном унитарном предприятии «Городской теплосервис».
Положения, выносимые на защиту:
-
Положения концепции, определяющей общую направленность совершенствования технологий обеспечения тепловой нагрузки, и их научно-техническое обоснование.
-
Совершенствование технологий и режимов качественного регулирования отпуска теплоты на ТЭЦ. Методика расчета температурного графика замкнутого контура водогрейных котлов в двухконтурных схемах ТЭЦ.
-
Технологии количественного и качественно-количественного регулирования отпуска теплоты на ТЭЦ и методики расчета режимов работы систем теплоснабжения при реализации этих технологий.
-
Комбинированное регулирование нагрузки в системах теплоснабжения на основе зонированного температурного графика, особенностью которого является сочетание различных способов центрального и местного регулирования.
-
Энергосберегающие технологии низкотемпературного теплоснабжения с использованием тепловых насосов, в которых реализован новый подход к регулированию тепловой нагрузки без излома температурного графика с обеспечением нагрузки горячего водоснабжения потребителей при пониженных параметрах сетевой воды
-
Решения по регулированию тепловой нагрузки и стабилизации гидравлических режимов в местных системах отопления и горячего водоснабжения, учитывающие переменный расход сетевой воды в системе теплоснабжения и неравномерность условий работы систем теплопотребления.
-
Результаты научно-технического обоснования и апробации перечисленных выше исследований в действующих системах теплоснабжения.
Апробация работы. Результаты работы представлены на Российском национальном симпозиуме по энергетике (Казань, КГЭУ, 2001 г.); на Международных научно-технических конференциях «Проблемы развития централизованного теплоснабжения» (Самара, СамГТУ, 2004 г.); «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции» (Москва, МГСУ, 2005 г.); «Энергосбережение в
городском хозяйстве, энергетике, промышленности» (Ульяновск, УлГТУ, 2001, 2003, 2006, 2013 г.); «Строительство и энергосбережение в 21 веке» (Ульяновск, 2013 г.); «Актуальные направления фундаментальных и прикладных исследований (Москва, 2013 г.); «Муниципальная энергетика: проблемы и решения» (Украина, г. Николаев, 2013 г.); «Современные научно-технические проблемы теплоэнергетики. Пути решения» (Саратов, СарГТУ, 2014 г.); на Национальной конференции по теплоэнергетике (Казань, КГЭУ, 2006 г.); на Всероссийском конкурсе «Инженер года» (Москва, 2006 г., 2010 г.); на X Московском международном салоне инноваций и инвестиций (Москва, 2010 г.); на Национальном конгрессе по энергетике (Казань, КГЭУ, 2014 г.); на семинарах научно-исследовательской лаборатории «Теплоэнергетические системы и установки» ФГОУ ВПО Ульяновского государственного технического университета (Ульяновск, 1999-2015 гг.); на расширенном заседании кафедры «Тепловые электрические станции» ФГОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина» (Иваново, 2015 г.).
Соответствие паспорту специальности. Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой изложены научно обоснованные технические и технологические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие страны. Диссертация посвящена вопросам повышения эффективности работы централизованных систем теплоснабжения, подключенных к ТЭЦ. В диссертации рассмотрены новые технические решения и режимы работы систем отопления и горячего водоснабжения, подключенных к централизованным системам теплоснабжения. Исследованные в диссертации вопросы регулирования отпуска теплоты относятся к принципам обеспечения тепловой нагрузки потребителей и не рассматривают проблемы автоматизированного управления технологическими процессами.
При обозначении способов регулирования отпуска теплоты использованы термины и определения, приведенные в СП 124.13330.2012. Тепловые сети. Актуализированная редакция СНиП 41-02-2003.
Соответствие диссертации специальности 05.14.14 подтверждается выполнением исследований в следующих областях, указанных в паспорте специальности:
- п. 3. «Разработка, исследование, совершенствование действующих и освоение новых технологий...» соответствуют представленные в диссертации результаты обследования режимов работы действующей системы теплоснабжения, подключенной к ТЭЦ; аналитическое и технико-экономическое сравнение различных способов регулирования отпуска теплоты в отечественных системах теплоснабжения; концепция совершенствования технологий обеспечения тепловой нагрузки; технологии качественного регулирования тепловой нагрузки в двухконтурных схемах ТЭЦ; схемы ТЭЦ с количественным и качественно-количественным регулирования отпуска теплоты; энергосберегающие технологии низкотемпературного теплоснабжения с использованием тепловых насосов; новая структурная схема теплофикационных систем и технологии комбинированного теплоснабжения, объединяющие элементы централизованных и децентрализованных систем теплоснабжения; разработанная, внедренная в системе теплоснабжения, подключенной к ТЭЦ г. Ульяновска, и исследованная энергосберегающая технология комбинированного регулирования параметров теплоносителя в переходные периоды отопительных сезонов; технико-экономическое обоснование разработанных и внедренных технологий;
п. 5. «Повышение надежности и рабочего ресурса агрегатов, систем тепловых электростанций в целом» соответствует представленный в диссертации расчет показателей надежности двухконтурных схем ТЭЦ с включением водогрейных котлов в замкнутый контур;
п. 6 «Разработка вопросов эксплуатации систем и оборудования тепловых электростанций» соответствуют разработанные в диссертации методика расчета температурного графика замкнутого контура водогрейных котлов в двухконтурных схемах ТЭЦ, методики расчета количественного и качественно-количественного способов регулирования отпуска теплоты в открытых системах теплоснабжения; программные комплексы для оптимизации режимов работы теплофикационных систем, подключенных к ТЭЦ, «Расчет температурного графика замкнутого контура водогрейных котлов в двухконтурных схемах», «Расчет энергетической эффективности комбинированной теплофикационной системы с ТЭЦ и автономными пиковыми теплоисточниками»; предложенное в диссертации зонирование температурного графика на периоды в зависимости от комбинирования центрального регулирования отпуска теплоты на ТЭЦ и местного регулирования тепловой нагрузки у потребителя; проведенное в диссертации моделирование режимов работы системы теплоснабжения при различных способах регулирования тепловой нагрузки.
Соответствие диссертации специальности 05.14.04 подтверждается выполнением исследований в следующих областях, указанных в паспорте специальности:
- п. 2. «Оптимизация схем энергетических установок и систем...» соответствуют
представленные в диссертации концепция совершенствования технологий обеспечения
тепловой нагрузки; технологии качественного регулирования тепловой нагрузки в
двухконтурных схемах ТЭЦ; схемы ТЭЦ с количественным и качественно-
количественным регулированием отпуска теплоты; энергосберегающие технологии
низкотемпературного теплоснабжения с использованием тепловых насосов;
технологии комбинированного теплоснабжения, объединяющие элементы
централизованных и децентрализованных систем;
- п. 3. «Теоретические и экспериментальные исследования процессов...
Совершенствование методов расчета тепловых сетей и установок...» соответствуют
представленные в диссертации результаты обследования режимов работы
действующей системы теплоснабжения; аналитическое и технико-экономическое
сравнение различных способов регулирования отпуска теплоты в отечественных
системах теплоснабжения; методика расчета температурного графика замкнутого
контура водогрейных котлов в двухконтурных схемах ТЭЦ; методики расчета
количественного и качественно-количественного способов регулирования отпуска
теплоты в открытых системах теплоснабжения; предложенное, обоснованное и
реализованное в системе теплоснабжения комбинированное регулирование
тепловой нагрузки на основании разработанного в диссертации зонированного
температурного графика; результаты исследования влияния способа регулирования
отпуска теплоты на режимы работы систем отопления; результаты исследования
энергосберегающих низкотемпературных технологий работы теплофикационных
систем с использованием тепловых насосов;
- п. 4. «Разработка новых конструкций теплопередающих и теплоиспользующих
установок...» соответствуют разработанные и представленные в диссертации
энергосберегающие низкотемпературные технологий работы теплофикационных
систем с использованием тепловых насосов; технологии комбинированного теплоснабжения; новые схемы систем отопления и горячего водоснабжения, способствующие повышению надежности и экономичности их работы при переменном расходе сетевой воды в централизованной системе теплоснабжения с учетом неравномерности потребления теплоты и теплоносителя абонентами; расчетное, экспериментальное исследование, теоретическое и технико-экономическое обоснование разработанных технологий;
- п. 5. «Оптимизация параметров тепловых технологических процессов и
разработка оптимальных схем установок...» соответствуют представленные в
диссертации результаты расчетного, экспериментального исследования и технико-
экономического обоснования энергосберегающего комбинированного
регулирования тепловой нагрузки в действующей системе теплоснабжения; теоретического и технико-экономического исследования энергосберегающих низкотемпературных технологий работы теплофикационных систем с использованием тепловых насосов; результаты экспериментального исследования работы централизованной системы горячего водоснабжения с учетом неравномерности разбора горячей воды потребителями; разработанные в диссертации программные комплексы для оптимизации режимов работы теплофикационных систем, подключенных к ТЭЦ, «Расчет температурного графика замкнутого контура водогрейных котлов в двухконтурных схемах» и «Расчет энергетической эффективности комбинированной теплофикационной системы с ТЭЦ и автономными пиковыми теплоисточниками»; результаты исследования влияния способа регулирования отпуска теплоты на режимы работы систем отопления; новые схемы систем отопления и горячего водоснабжения, способствующие повышению надежности и экономичности их работы при переменном расходе сетевой воды в централизованной системе теплоснабжения с учетом неравномерности потребления теплоты и теплоносителя абонентами.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликована 131 печатная работа, в том числе 58 статей, 32 изобретения, 29 полных текстов докладов, 3 монографии, 3 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ. В рецензируемых изданиях, рекомендованных перечнем ВАК, опубликовано 18 статей.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 335 использованных источников и шести приложений. Полный объем диссертационной работы 410 с, в том числе 143 иллюстрации на 125 с, 76 таблиц на 73 с, 6 приложений на 6 с, список литературы на 36 с.
Исторические особенности развития отечественных теплофикационных систем
Теплофикация, по определению проф. Е.Я. Соколова, централизованное теплоснабжение на базе комбинированного производства электроэнергии и тепла на теплоэлектроцентралях. Термодинамическая эффективность производства электроэнергии по теплофикационному циклу обусловлена исключением отвода теплоты в окружающую среду, неизбежного при производстве электроэнергии по конденсационному цикл [23,194,195,246].
Теоретические и практические основы централизованного теплоснабжения и теплофикации в России были заложены в начале XX века во время реализации ряда проектов теплоснабжения потребителей в г. Санкт-Петербурге. В 1903-1912 гг. по инициативе и по проектам профессора Электротехнического института В.В. Дмитриева в Санкт-Петербурге строится несколько блок-станций для снабжения теплом и электроэнергией Синодальной типографии, корпусов детской больницы и больницы имени Императора Петра Великого (ныне Санкт-Петербургская медицинская академия имени И.И. Мечникова), здания Электротехнического института, тюрьмы «Кресты» [296]. Особенностью теплоснабжения объектов было их близкое расположение к теплоисточникам, которыми, как правило, являлись паросиловые установки промышленных предприятий. Например, в Москве пар от паросиловых установок использовался для теплоснабжения производственных помещений. Примером такого теплоснабжения могут служить промышленные предприятия: Трёхгорная мануфактура (г. Москва), текстильная фабрика «Эмиль Циндель» (г. Москва) и др. [296].
Важнейшим этапом развития централизованных систем теплоснабжения является принятие в 1920 г. Государственного плана электрификации России, который предусматривал восстановление разрушенного энергетического хозяйства страны в кратчайшие сроки. План, рассчитанный на 10-15 лет, был перевыполнен за 5-6 лет. К разработке плана ГОЭЛРО было привлечено более 200 крупнейших ученых энергетиков: Г.М. Кржижановский, И. Г. Александров, Г. О. Графтио, А. Г. Коган, К. А. Круг, Б. И. Угримов, М. А. Шателен, Л.К. Рамзин, А.А. Горев, Г.Д. Дубиллир и др. План ГОЭЛРО предусматривал строительство десятков новых электрических станций и ввод в эксплуатацию станций, строительство которых по разным причинам было остановлено в дореволюционные годы [22, 35,290].
План ГОЭЛРО был разработан по 8 основным экономическим районам (Северному, Центрально-промышленному, Южному, Приволжскому, Уральскому, Западно-Сибирскому, Кавказскому, Туркестанскому) с учётом их природных, сырьевых и энергетических ресурсов и специфических национальных условий. О масштабах строительства энергетических мощностей возможно судить по статистическим данным. До 1917 г. в России эксплуатировалось 75 электрических станций установленной мощностью 1036 кВт. К 1927 г. было введено в эксплуатацию 858 электрических станций установленной мощностью 18500 кВт. Выработка электроэнергии в 1932 году по сравнению с 1913 годом увеличилась почти в 7 раз: с 2 до 13,5 млрд. кВт-ч.
Строительство крупных электрических станций требовало решать вопрос с утилизацией теплоты отработавшего пара. Первые ТЭС изначально предназначались для обеспечения производственной мощности и работали по конденсационному циклу. Особенностью структуры систем энергоснабжения явилось размещение ТЭС в непосредственной близости или на территории промышленных предприятий. Профессором Электротехнического института Санкт-Петербурга В.В. Дмитриевым в 1923 г. предложено использование на тепловых электрических станциях «отхожего тепла для отопительных и бытовых нужд центрального района города», что и было реализовано 25 ноября 1924 г. в Ленинграде при теплоснабжении коммунально-бытовых потребителей от ГЭС № 3 (ныне ЭС-3 имени Л.Л. Гинтера в составе Центральной ТЭЦ ТГК-1). Полученный экономический эффект от переоборудования ТЭЦ, которую планировали закрыть из-за ее неэкономичности, оказался существенным и чрезвычайно важным для последующего развития теплофикации. Удельный расход топлива на выработку электроэнергии в турбине Броун-Бовери мощностью 680 кВт составлял 1046 г/кВт-ч. После реконструкции удельный расход топлива в теплофикационном режиме составил 238 г/кВт-ч [220, 296]. Средний за год удельный расход топлива в отопительном сезоне 1928-1929 гг. на реконструированной станции составил 380 г/кВт-ч. Для сравнения в 1928 г. средний расход удельного топлива по всем КЭС составил 870 г/кВт-ч [220,296].
С 30-х годов прошлого века развитие централизованного теплоснабжения на базе теплофикационных систем стало одним из приоритетных направлений государственной политики. Принятие такого решения было обусловлено необходимостью экономии топливно-энергетических ресурсов в период глобальной индустриализации страны. На пленуме ЦК ВЮТ(б), проходившем 15 июня 1931 г., принята резолюция «О московском городском хозяйстве и развитии городского хозяйства СССР». В частности в этой резолюции говорится о том, «что в дальнейшем плане электрификации страны должна быть во всем объеме учтена задача развернутого строительства мощных теплоэлектроцентралей, в первую очередь в крупных индустриальных центрах как старых (Москва, Ленинград, Харьков и др.), так и новых (Челябинск, Сталинград и др.)» [90].
Несмотря на государственную поддержку, темп развития теплофикации до конца 50-х - начала 60-х годов XX века оставался невысоким (см. табл. 1.1). Обусловлено это низкой концентрацией потребителей тепловой энергии в радиусе действия ТЭС, невысокими темпами жилищного строительства в городах, необходимостью разработки и внедрения отечественного оборудования для теплофикационных систем, необходимостью восстановления экономики страны после Гражданской и Великой Отечественной войн [33, 34, 220], отсутствием квалифицированных кадров.
Современное состояние и проблемы при регулировании отпуска теплоты в отечественных теплофикационных системах
Необходимо отметить, что фактический температурный график теплоснабжения в докризисный период характерен не только для г. Ульяновска, но и для других городов страны [39, 45, 46].
Перегрев помещений при низких температурах наружного воздуха, когда значительная часть нагрузки горячего водоснабжения покрывается за счет воды из обратной линии после отопительной системы, также объясняется отсутствием местного регулирования и несовершенством температурного графика качественного регулирования [27, 45, 46]. Для устранения этого недостатка в технической литературе предлагалось центральное регулирование осуществлять по новому температурному графику, основанному на скользящей расчетной внутренней температуре tB= 18-20 С [184, 196]. При построении данного графика предлагалось принимать: при расчетной наружной температуре t = 18 С; в точке излома температурного графика t" = 20 С; при любой температуре наружного воздуха tH в диапазоне t " значение расчетной внутренней температуры определяется по закону прямой линии tB=i8+2(tH:)/(t:-o. (2.6)
При таком графике температура сетевой воды в подающей и обратной магистралях теплосети в диапазоне повышенных температур наружного воздуха будут выше, чем при отопительном графике, что приведет к снижению расхода теплоносителя на отопление в точке излома температурного графика. Благодаря этому появляется возможность покрывать без добавочного расхода воды нагрузку горячего водоснабжения, составляющую 15-20 % от отопительной.
Серьезным недостатком существующего температурного графика является необходимость ограничения уровня давлений при жестком гидравлическом режиме, что имеет место при качественном регулировании тепловой нагрузки абонентов и зависимом присоединении местных систем отопления к тепловым сетям.
Температура сетевой воды в подающей магистрали тепловой сети, как показали исследования [19], является одним из основных параметров, влияющих на экономичность систем теплоснабжения. Строительные нормы и правила [211] рекомендуют принимать расчетную температуру в подающей магистрали тепловой сети равной 150 С, но при обосновании допускается применение более высокой (до 200 С) или низкой расчетной температуры сетевой воды в подающей магистрали тепловой сети. В ходе проведенных расчетных исследований [19, 72, 93, 133, 192] было установлено, что оптимальная температура сетевой воды в подающей магистрали тепловой сети находится в пределах 180-200 С. В качестве критерия оптимальности принимались приведенные затраты в тепловые сети. Применение оптимальных температур сетевой воды приводит к снижению приведенных затрат по сравнению с температурой 150 С на 18-20 %. Температура воды в обратной магистрали тепловой сети не регламентируется и обычно принимается равной расчетной температуре воды после системы отопления [88]. Проведенные расчеты по определению оптимального значения температуры воды в обратной магистрали тепловой сети [19] показывают целесообразность ее снижения до 40 С. Приведенные затраты в системы теплоснабжения при этом снижаются на 8-10 % по сравнению с применяемой в настоящее время температурой 70 С. Технических ограничений по снижению температуры обратной сетевой воды в системах теплоснабжения не имеется.
Сдерживающими факторами при внедрении высокотемпературных графиков являются гидравлические условия работы тепловой сети, а также необходимость обеспечения механической прочности оборудования систем теплоснабжения (теплопроводов, арматуры, котлов, насосов, подогревателей, отопительных приборов). Предельные максимальные величины температуры сетевой воды по условиям механической прочности для отдельных типов оборудования согласно [19] составляют: чугунные водогрейные котлы, чугунная арматура - 115 С, стальные водогрейные котлы, стальная арматура - 200 С, насосы - 180 С, элеваторы - 160 С. При высокотемпературном теплоснабжении возникает необходимость присоединения систем отопления к тепловой сети через поверхностные теплообменники, что обусловлено условиями механической прочности отопительных установок и, в частности, отопительных приборов.
В 70-80-х гг. прошлого века в технической литературе обсуждался вопрос о переводе систем теплоснабжения на работу по температурному графику с повышенными параметрами [19, 93, 192, 237]. Высокотемпературная система теплоснабжения позволяет повысить качество и надежность теплоснабжения за счет применения закрытой независимой системы присоединения абонентов. При независимом высокотемпературном теплоснабжении система регулирования температуры по балансовому графику позволяет снизить затраты во внутриквартальные и транзитные сети, уменьшить суммарную поверхность теплообменников и, следовательно, затраты на абонентские вводы. Снижение комбинированной выработки электроэнергии на тепловом потреблении в этом случае компенсируется снижением затрат в тепловые сети.
В открытых системах теплоснабжения при зависимом присоединении абонентов к теплосети применение температурного графика с более высокими параметрами ограничено условиями безопасной эксплуатации теплового оборудования абонентов: при высокой температуре сетевой воды необходимо поддерживать высокое давление сетевой воды для предотвращения ее вскипания.
Принципы высокотемпературного теплоснабжения были сформулированы в 70-80-е годы прошлого века. При их разработке не удалось избежать таких недостатков высокотемпературных систем теплоснабжения, как неизбежное увеличение тепловых потерь, обусловленных низкой эффективностью применяемых теплоизоляционных конструкций теплопроводов, а также перегрев помещений потребителей, связанный с отсутствием необходимых приборов автоматического регулирования в тепловых пунктах и на абонентских установках.
Следует отметить, что большинство исследований по высокотемпературному теплоснабжению проводились преимущественно специалистами по тепловым сетям и местным системам теплоснабжения, поэтому в них недостаточно учтено влияние повышения температуры сетевой воды в подающей магистрали тепловой сети її на режим работы теплофикационных турбоустановок и тепловую экономичность электростанций. Кроме того, все эти исследования были ориентированы на низкую стоимость топлива. Под экономичностью систем теплоснабжения в данных исследованиях понималось прежде всего снижение капиталовложений в тепловые сети. Перевод систем теплоснабжения на повышенный температурный график приведет к неизбежному увеличению давления пара в отопительных отборах [81, 241] и, как следствие, к снижению выработки электроэнергии на тепловом потреблении, что должно быть компенсировано дополнительной конденсационной выработкой. Дополнительную конденсационную мощность предполагалось создавать за счет реконструкции проточной части турбины или строительства замыкающих электростанций.
Показатели надежности технологий обеспечения пиковой тепловой нагрузки с включением водогрейных котлов в замкнутый контур на ТЭЦ
Параметр подогревателя можно также определить по формуле Ф = Фу1, (3.8) где Фу - удельный параметр секционного водо-водяного подогревателя; 1 -суммарная длина всех секций подогревателя. Удельный параметр секционных водо-водяных подогревателей может быть определен по приближенной формуле [70] Фу =0Д4фф) 06(1 + 0,003Г )(1 + 0,008Г), (3.9) где ф - коэффициент, учитывающий влияние загрязнения поверхности нагрева подогревателя, ф можно принимать в среднем 0,75-0,85 [70]; fMT, fT-соответственно площадь сечения межтрубного пространства и площадь сечения трубок; t , t p - соответственно средняя температура воды в межтрубном пространстве и внутри трубок.
По определенной с помощью уравнений (3.4) и (3.5) температуре воды в замкнутом контуре, находится значение Фу по формуле (3.9) при условии: в трубках подогревателя движется сетевая вода, а греющий агент -в межтрубном пространстве. Отношение площадей fM1/fT изменяется в небольших пределах от 1,66 до 2,14 [70, 194, 195], поэтому при использовании среднего значения ґщ/ґт для определения Фу погрешность не превышает 10 %, что вполне допустимо для технических расчетов.
По известному значению Фу с помощью формулы (3.8) находится суммарная длина секций подогревателя.
Графики, представленные на рис. 3.3 и 3.4, построены на основании решения уравнений (3.4) и (3.5) для различных параметров подогревателя и соотношений расходов греющего и нагреваемого теплоносителей. При построении графиков принято: 5т 0=80 С; Ф=1-3; W6/WM =1,5-2; атэц=0,5; Т!=98-150 С; тсп=92—110 С. Графики построены при условии, что в подогревателе 11 на рис. 3.1 сетевая вода подогревается только в пиковый период, т.е. при tH —10 С. При повышении температуры наружного воздуха выше -10 С температура воды в подающей магистрали теплосети її становится практически равной температуре воды после сетевых подогревателей тсп.
Из графиков на рис. 3.3 и 3.4 видно, что при одинаковых значениях WG/WM температура воды в замкнутом контуре уменьшается с увеличением параметра подогревателя Ф, т.е. с увеличением коэффициента теплопередачи или площади поверхности теплообмена подогревателя.
Температура воды в замкнутом контуре зависит от расхода циркулирующей в нем воды. При низких расходах (больших значениях W6/WM) температура трм повышается, что усложняет эксплуатацию, понижает надежность и экономичность работы водогрейных котлов. При повышении расходов воды в замкнутом контуре и понижении WVWM существенно возрастают энергетические затраты на перекачку воды в замкнутом контуре.
Из графиков на рис. 3.3 и 3.4 следует, что для соблюдения температурного графика теплосети температура воды в замкнутом контуре водогрейных котлов при расчетных температурах наружного воздуха должна быть выше 210-230 С. Однако по условиям механической прочности водогрейных котлов температура нагрева не должна превышать 200 С [19]. Так, при температуре воды в подающем трубопроводе замкнутого контура 200 С необходимо поддерживать избыточное давление более 16 кгс/см для невскипания воды, что повышает энергетические затраты на перекачку теплоносителя.
В [286] представлена экспериментальная зависимость температуры уходящих газов водогрейного котла ПТВМ-180 от тепловосприятия котла. Эти данные использовались для построения зависимости температуры уходящих газов от температуры воды в подающей линии замкнутого контура (рис. 3.5).
При построении графика на рис. 3.5 принималось, что расход сетевой воды во внешнем контуре 1250 кг/с. Для обеспечения высокой температуры нагрева воды в замкнутом контуре расход воды через котельный агрегат должен быть уменьшен. В расчетах принималось, что расход воды в замкнутом контуре изменяется от 625 кг/с до 833 кг/с.
Из расчетов следует, что параметры работы замкнутого контура необходимо ограничивать следующими значениями: \УбЛм 3; Ф 2. Ограничение обусловлено ухудшением режимных параметров замкнутого контура при превышении указанных величин.
Выбор температурного графика замкнутого контура водогрейных котлов для конкретных условий должен обосновываться технико-экономическими расчетами, учитывающими нагрузку системы теплоснабжения, нагрузку отопительных отборов теплофикационных турбин, соотношение расходов теплоносителей в водо-водяном подогревателе замкнутого контура.
Расчет температурного графика замкнутого контура является достаточно трудоемким процессом. В целях повышения точности, скорости расчета при изменении исходных данных, возможности сравнения и оптимизации параметров температурного графика на основе методики, изложенной в п. 3.2, разработан алгоритм (рис. 3.6), положенный в основу программного продукта «Расчет температурного графика замкнутого контура в двухконтурных схемах». Программа относится к области теплоэнергетики и может применяться в теплофикационных системах и/или в учебном процессе вузов для расчета температурного графика замкнутого контура водогрейных котлов в двухконтурных схемах ТЭЦ при различных режимах работы. Программа обеспечивает выполнение следующих функций: 1) выбор режима работы теплофикационной системы; 2) выбор температурного графика контура системы теплоснабжения; 3) расчет температурного графика централизованной системы теплоснабжения с различными параметрами; 4) расчет температурного графика замкнутого контура водогрейных котлов ТЭЦ; 5) построение температурных графиков.
Компьютерная программа написана в среде Visual Studio 2010 на языке программирования С#. Интерфейс программы представляет единое окно, в котором последовательно вводятся исходные данные (рис. 3.7). После заполнения ячеек с исходными данными нажимается кнопка «Расчет». Результаты расчета отображаются графически в виде графиков и в табличном виде (рис. 3.8-3.10).
Методика расчета количественного регулирования тепловой нагрузки открытых систем теплоснабжения
Основными структурными элементами отечественных систем централизованного теплоснабжения являются теплоисточники, тепловые сети и потребители. Особенность традиционной структурной схемы отечественных теплофикационных систем заключается в последовательном включении основного и пикового теплоисточника, тепловой сети и потребителя теплоты (рис. 1.4).
Последовательная структура исторически сформировалась с учетом режимов работы систем теплоснабжения и технологий регулирования тепловой нагрузки. Существенное влияние на формирование такой структуры систем теплоснабжения оказал температурный график центрального качественного регулирования с параметрами 130-150/70 С (см. раздел 1.2).
Существующая структура централизованных систем теплоснабжения была сформирована в 50-60-е годы XX века и существенно не изменялась с момента своего появления. За прошедшее с тех пор время многие заложенные в основу проектов теплоисточников, систем транспорта теплоты и теплоиспользующих систем концептуальные технические и технологические решения устарели. Это приводит к тому, что тепловая и электрическая энергия, поставляемые от ТЭЦ, нередко стоят дороже, чем энергоресурсы, предлагаемые раздельными энергоисточниками.
С точки зрения современных требований по энергоэффективности основные элементы структурной схемы имеют ряд существенных недостатков, к которым относятся низкая надежность источников пиковой тепловой мощности, необходимость применения дорогостоящих методов обработки подпиточной воды теплосети, большая тепловая инерционность регулирования нагрузки, колебания температуры внутреннего воздуха, обусловленные влиянием нагрузки горячего водоснабжения на работу систем отопления у абонентов, большие потери теплоты при транспорте высокотемпературного теплоносителя.
Низкая экономичность пиковых водогрейных котлов связана со значительными потерями теплоты с уходящими газами, что снижает КПД котлов. Установлено, что в среднем по стране перерасход условного топлива пиковыми водогрейными котлами из-за потерь теплоты с уходящими газами достигает 2,3 млн т/год, а перерасход электроэнергии на преодоление дополнительного гидравлического сопротивления, возникающего из-за наличия накипи в поверхностях нагрева, составляет 64,6 млн кВт-ч в год [96,276].
Кроме того, центральное качественное регулирование нагрузки при традиционной схеме работы пиковых водогрейных котлов с высокой температурой теплоносителя в периоды пиковых нагрузок приводит к существенным потерям теплоты в теплосетях и повышенным энергозатратам на транспорт теплоносителя [135, 136, 276, 278].
Исследования работы систем теплоснабжения [87, 111, 132, 181, 223, 254, 262, 263, 279, 332] в ряде городов России показали, что в настоящее время существенно изменились условия работы (эксплуатации) всех элементов структурной схемы. Очевидно, что от режима работы каждого элемента структурной схемы зависит эффективность работы всей системы теплоснабжения.
С 90-х годов прошлого века большинство отечественных теплоисточников работает с систематическим недогревом сетевой воды до нормативной температуры (недотопом). В связи с высокой степенью физического и морального износа тепловых сетей, теплогенерирующего оборудования температура теплоносителя на выходе из теплоисточника даже в сильные морозы не превышает 85-110 С. Недоотпуск тепловой энергии особенно остро ощущается в зимний период, когда значительную часть тепловой нагрузки должны обеспечивать пиковые источники теплоты. Ежегодно в системах теплоснабжения различных городов России регистрируются крупные аварии магистральных теплопроводов во время поддержания в теплосетях высоких температур и давлений, т.е. в пиковый период.
Эти обстоятельства стали причиной отказа от теплофикации новых жилых районов в ряде городов и строительства там местных теплоисточников: крышных, блочных котельных или индивидуальных котлов при поквартирном отоплении [32, 119, 189]. Несмотря на то, что децентрализованные системы теплоснабжения не обладают термодинамическими преимуществами комбинированной выработки электроэнергии и теплоты, их экономическая привлекательность сегодня выше, чем централизованных [291, 293].
В настоящее время назрела настоятельная необходимость пересмотра или существенной корректировки концептуальных решений, применяемых при выборе структуры и технологий работы современных систем теплоснабжения [4, 8, 14, 15, 118-124, 287, 288]. Эта необходимость обусловлена как кардинально изменившимися экономическими условиями, так и опытом зарубежных стран, показавшим огромные возможности совершенствования систем теплоснабжения. Радикальное решение актуальных проблем централизованного теплоснабжения возможно, по нашему мнению, только на основе совершенствования структуры систем теплоснабжения и внедрения отечественных энергоэффективных технологий с учетом зарубежного опыта.
Необходимость структурных изменений в системах теплоснабжения подтверждается многочисленными исследованиями отечественных ученых [4, 8, 32, 50, 118-124, 139, 140, 240, 293, 294].
Опыт эксплуатации систем теплоснабжения в зарубежных странах, а также результаты исследований отечественных ученых показывают, что одним из наиболее целесообразных путей совершенствования структуры систем теплоснабжения является сочетание централизованного и децентрализованного теплоснабжения [164, 168, 173, 175, 176, 228].
Основоположником работ по изменению структуры отечественных систем теплоснабжения является профессор Андрющенко А.И. Под его руководством в Саратовском государственном техническом университете были разработаны и технико-экономически обоснованы комбинированные системы энергоснабжения [4, 8, 118-121].
Одним из вариантов является комбинированная система теплоснабжения, в которой на удаленной от города ТЭС отработавшим паром турбин нагревается только вода для горячего водоснабжения и подпитки местных отопительных систем. Горячая вода с температурой 60-65 С от ТЭС по однотрубной тепловой сети поступает непосредственно потребителям или в тепловые пункты. Отопление отдельных зданий или микрорайонов предлагается осуществлять от местных мини-ТЭЦ и котельных, работающих только в отопительный период. Преимуществами такой схемы является возможность использования в качестве топлива угля, постоянная загрузка ТЭС в течение года, высокая выработка электроэнергии на тепловом потреблении, снижение тепловых потерь при транспорте теплоносителя, повышение надежности теплоснабжения за счет резервирования теплоисточника. Принципиальная схема такой комбинированной системы представлена на рис. 5.1.
Другим вариантом комбинированной системы теплоснабжения является схема, в которой горячее водоснабжение потребителей осуществляется от ТЭЦ, а обеспечение потребителей отопительной нагрузкой производится от мини-ТЭЦ. Особенностью этой схемы является независимое подключение систем отопления и горячего водоснабжения потребителей к разным (ТЭЦ и мини-ТЭЦ) теплоисточникам.