Введение к работе
Актуальность работы обусловлена необходимостью уменьшения потерь энергии в процессе ее производства на котельных, а также ростом стоимости тепловой энергии и топлива для ее выработки.
В большинстве малых населенных пунктов отопление
осуществляется котельными небольшой производительности,
значительная часть которых работает на твердом топливе. Управление режимами работы таких котлов не оптимизировано, что приводит к снижению эффективности их работы. Кроме того, отсутствует методика оптимального выбора устанавливаемых котлов при проектировании таких котельных.
Вопросам теории и практики проектирования и оптимизации режимов работы котельных, системам автоматизации котельных посвящены работы Ю.Л. Гусева, Л.М. Фейерштейна, Л.С. Этингена, Г.Г. Гохбайма, Л.С. Клюева, А.Г. Товарнова, И.С. Берсенева, М.А. Волкова, Ю.С. Давыдова, Б.В. Глазова, А.Х. Дубровского, А.А. Клюева, D. Lindsley, М. Malek. Вместе с этим теория и методология режимов работы котельных на твердом топливе с периодической загрузкой исследованы не достаточно.
Особенностью малых котельных является периодическая подача твердого топлива и, вследствие этого, неравномерность процесса горения по времени. В научной литературе эти процессы не рассмотрены.
Следствием указанных особенностей является повышенный расход топлива на котельной.
Объектом исследования являются режимы работы котельных малой производительности с периодической загрузкой твердого топлива.
Предметом исследования являются методики выбора устанавливаемых котлов на котельной, процесс выработки тепла на котельной при одновременной работе нескольких котлов, характеристики процесса горения в топке котла, системы управления режимами работы котлов.
Целью работы является повышение энергоэффективности процессов выработки тепла на котлах небольшой производительности с периодической загрузкой твердого топлива путем оптимизации режимов работы и разработки теоретических аспектов синтеза структуры и параметров котельной.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Провести анализ существующих методик выбора котлов при проектировании котельной и выработать рекомендации по выбору котлов.
-
Провести анализ характеристик и режимов работы существующих твердотопливных котлов небольшой производительности с периодической загрузкой топлива.
-
Разработать методику распределения нагрузки между несколькими одновременно работающими котлами с целью уменьшения суммарного расхода топлива.
-
Разработать программное обеспечение для определения оптимального состава котлов на котельной из условия минимизации годового расхода топлива.
-
Разработать математическую модели процесса горения топлива при периодической загрузке.
-
Разработать систему автоматического регулирования работы котельной, которая должна определять оптимальный состав рабочих котлов по прогнозируемой нагрузке котельной, распределять нагрузку между котлами, осуществлять управление подачей воды, топлива и воздуха в условиях неравномерности процесса горения топлива при периодической загрузке.
Методы исследования основаны на математическом
моделировании исследуемых процессов, программировании.
Использовались современные пакеты прикладного программного обеспечения MathCAD, Excel, система программирования Visual Basic for Application. Также были проведены экспериментальные исследования работы котлов с периодической загрузкой твердого топлива.
Научная новизна заключается в:
-
Разработке системы автоматики котлов малой производительности с периодической загрузкой твердого топлива, учитывающей неравномерность горения во времени. Предложенная система автоматического регулирования работы котельной учитывает прогноз температуры наружного воздуха для определения оптимального состава рабочих котлов. Регулирование подачи топлива происходит за счет изменения периода загрузки или массы загружаемого топлива. Регулировать подачу воздуха предлагается по измеряемым показателям содержания кислорода и угарного газа в уходящих газах, их температуре и разряжении в топке. Предложенный способ позволит достичь максимального значения химического коэффициента полезного действия работы котла.
-
Создании математической модели горения топлива в котле при периодической загрузке, учитывающей неравномерность горения во времени и получении новых результатов, позволяющих прогнозировать выработку тепла котлом во времени.
-
Создании алгоритмов и программного обеспечения для расчета оптимальных параметров и режимов работы котлов на котельной, учитывающих прогнозируемую нагрузку и определяющих моменты запуска и остановки котлов для снижения расхода топлива.
Основные положения, выносимые на защиту: 1. Методика определения оптимального распределения нагрузки между несколькими одновременно работающими котлами
-
Методика определения оптимальной структуры котельной с целью минимизации годового расхода топлива
-
Математическая модель горения топлива в котле при периодической загрузке топлива, учитывающая неравномерность горения топлива.
-
Способы управления котельной для повышения среднего коэффициента полезного действия процесса выработки тепла.
Практическая значимость заключается в:
-
Разработанной методике обеспечивающей эффективное распределение нагрузки между установленными котлами с целью уменьшения суммарного расхода топлива.
-
Разработанном программном обеспечении, позволяющем определять состав котлов на котельной, обеспечивающий наибольшую эффективность в заданных условиях.
-
Разработанной системе автоматики твердотопливных котлов малой производительности, учитывающей неравномерность процесса горения и повышающей средний во времени кпд котлов.
Основные результаты диссертационной работы были получены автором в ходе исследований, выполнявшихся в рамках научно-исследовательской работы «Автономные системы децентрализованного энергообеспечения (кластерные энергосберегающие системы выработки, транспорта и преобразования тепловой и электрической энергии)».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на:
международной научно-технической конференции
«Электротехнические комплексы и системы», г. Комсомольск-на-Амуре, 2010;
международной научно-практической конференции
«Энергосбережение в теплоэлектроэнергетике и
теплоэлектротехнологиях», г. Омск, 2010;
II Международной научно-практической конференции, г. Пенза, 2011;
V Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов», Благовещенск, 2011;
Международном научном форуме студентов, аспирантов и молодых ученых стран Азиатско-Тихоокеанского региона, Владивосток, 2012.
Всероссийской молодежной конференции «Горение твердого топлива», Томск, 2012.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 статей и тезисов, включая одну статью в журнале, рекомендованном ВАК РФ. На созданный в процессе диссертационного исследования программный продукт получено свидетельство об официальной регистрации программы для
ЭВМ №2012619358. Также подана заявка на регистрацию патента на способ снижения расхода топлива на котельных.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и одного приложения, в котором представлены акты о внедрении результатов диссертационной работы. Общий объем диссертации 138 страниц машинописного текста, в том числе 42 рисунка и 16 таблиц.
Автор выражает большую благодарность и признательность кандидату технических наук, Ткачевой Юлии Ильиничне за оказанную помощь в планировании работы, обсуждении научных результатов и большую консультативную работу при написании и представлении данной работы к защите.
