Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы, анализ исследований в области утилизации низкопотенциального тепла, повышения энергетической и экологической эффективности теплоснабжения угольной шахты, задачи и методы исследования 12
1.1. Состояние вопроса и задачи исследования 12
2. Исследование источников низкопотенциального тепла, энергетических и экологических закономерностей функционирования теплоснабжения угольной шахты 26
2.1.Исследование возможных источников низкопотенциального тепла на угольной шахте, возможность утилизации тепла шахтных вод и хозбытовых стоков 26
2.2. Энергетические аспекты функционирования теплоснабжения угольной шахты 37
2.3. Теплоснабжение угольной шахты и экологические аспекты его функционирования 42
2.4. Пути улучшения энергетических и экологических параметров теплоснабжения угольных шахт 47
3. Разработка технических средств и технологий утилизации низкопотенциального тепла для повышения и энергетической эффективности и экологичности теплоснабжения угольной шахты 53
3.1.Технические средства утилизации низкопотенциального тепла 53
3.1.1. Спиральный теплообменник 53
3.1.2. Кожухотрубный теплообменник 55
3.2. Технология утилизации низкопотенциального тепла шахтных вод 61
3.3. Технологии утилизации низкопотенциального тепла загрязненных шахтных вод 62
3.3.1. Промежуточный контур с использованием спиральных теплообменников 63
3.3.2. Промежуточный контур с использованием тонкослойных отстойников 65
3.4. Технология утилизации низкопотенциального тепла загрязненных хозяйственно-бытовых стоков 68
4. Теоретические исследования оптимизации энергетических и экологических параметров теплоснабжения угольной шахты с позиции утилизации низкопотенциального тепла, расчет конструкции теплообменника для утилизации низкопотенциального тепла 72
4.1. Постановка задачи, разработка модели и алгоритма оптимизации энергетических и экологических параметров теплоснабжения угольной шахты утилизацией низкопотенциального тепла 72
4.2. Математическая модель оптимизации энергетических и экологических параметров теплоснабжения угольной шахты 75
4.3.Исследование способов интенсификации теплообмена и снижения отложений на теплопередающих поверхностях 79
5. Экспериментальные исследования разработанных технологий утилизации низкопотенциального тепла шахтных вод и хозбытовых стоков для теплоснабжения угольных шахт 89
5.1. Экспериментальные исследования энергетических и экологических параметров теплонасосной станции по утилизации низкопотенциального тепла шахтных вод на шахте «Осинниковская» ООО «Новокузнецкуголь» 89
5 2. Экспериментальные исследования энергетических и экологических параметров теплонасосной установки по утилизации низкопотенциального тепла загрязненных хозяйственно-бытовых стоков на РНС-3 «Гайва» МП «Пермводоканал» 92
5.3. Оценка энергетической, экономической, экологической эффективности оптимизации теплоснабжения угольной шахты утилизацией низкопотенциального тепла 93
Заключение 109
- Энергетические аспекты функционирования теплоснабжения угольной шахты
- Технология утилизации низкопотенциального тепла шахтных вод
- Математическая модель оптимизации энергетических и экологических параметров теплоснабжения угольной шахты
- Экспериментальные исследования энергетических и экологических параметров теплонасосной установки по утилизации низкопотенциального тепла загрязненных хозяйственно-бытовых стоков на РНС-3 «Гайва» МП «Пермводоканал»
Введение к работе
Актуальность работы. В современных условиях рациональное использование и экономия энергетических ресурсов и как следствие решение экологических проблем является одним из важнейших приоритетов энергетической политики государства.
За последние 10 лет промышленное производство в России сократилось вдвое, а потребление энергоресурсов сократилось гораздо меньше. Это привело к тому, что в 1998 году энергоемкость ВВП в сравнении с 1990 годом возросла на 30%. В то время как в индустриально развитых странах этот показатель после энергетического кризиса 70-х годов снизился на 20.. .50%. Современный уровень энергоемкости России в 3.5 раза выше, чем в других развитых странах. (97). Одной из причин высокой энергоемкости производства является недостаточное использование имеющегося потенциала энергосбережения и альтернативных источников энергии. На юбилейной сессии Генеральной Ассамблеи ООН в 1997 году, отмечено, что развитие использования альтернативных источников энергии по своей значимости относится к важнейшей проблеме глобального характера.
Наибольший потенциал энергосбережения имеется в сфере теплоснабжения и достигает 40-50% от всего теплопотребления страны. Оборудование существующих ТЭЦ физически и морально устарело, характеризуется высоким удельным расходом топлива. Тепловые сети -самый ненадежный элемент системы и источник огромных потерь энергии. Мелкие теплоисточники сжигающие органическое топливо характеризуются низкой энергоэффективностью, высокой степенью загрязнения окружающей среды, значительными затратами на ремонт и обслуживание.
В горной промышленности теплоснабжение осуществляется, как правило, с использованием мелких угольных котельных. Они являются крупными потребителями углеводородного сырья, характеризуются низким
КПД, высоким уровнем эксплуатационных затрат. В то же время, промышленные и коммунально-бытовые котельные - это наиболее значительный источник загрязнений атмосферы, на их долю приходится около 40% всех выбросов в угольной промышленности. Для улавливания летучей золы шахтных котельных в основном применяются сухие инерционные пылеуловители, которые не улавливают летучую золу с дисперсным составом меньше 10 мкм и эффективность их не превышает 70-85%. Остаточная запыленность после циклонов составляет 0,4-0,7 г/м , что не удовлетворяет санитарным нормам. Более 60% уловленной пыли, возвращается в атмосферу при ее транспортировке хранении, погрузочно-разгрузочных работах. При сжигании угля в атмосферу выделяются соединения серы, хлора, фтора, а также цинк, свинец, никель, медь, хром, кадмий, ртуть и другие элементы, значительное количество полициклических ароматических углеводородов, которые являются источниками раковых заболеваний. Кроме того, котельные не оборудованы аппаратами для улавливания газообразных вредных выбросов. В связи с тяжелым финансовым положением угледобывающих предприятий, отсутствием необходимых средств, на строительство и установку воздухо-очистного оборудования, внесение необходимых изменений в технологию основного производства, освоение прогрессивных технологий, в последние годы наблюдается ежегодное снижение количества уловленных и обеззараженных вредных веществ. С 1996 по 2000 год, их количество сократилось в 2 раза. (66).
В то же время, технологии угольного производства характеризуются значительным выходом вторичных тепловых энергетических ресурсов (ВТЭР), которые в настоящее время не используются, что приводит к тепловому загрязнению окружающей среды. Много тепла теряется с потоками отработавшей в технологических процессах воды (сбросной, оборотной и др.), шахтными вентиляционными выбросами, шахтными водами, хозбытовыми стоками. Объемы шахтных вод на предприятиях отрасли составляют более 500 млн. м , хозбытовых стоков - 150 млн. м (66). В условиях рыночных
отношений и структурной перестройке отраслей топливно-энергетического комплекса, ухудшения экологических показателей, резкого снижения объемов добычи топлива и децентрализации управления промышленностью необходимы радикальные сдвиги в самих принципах вовлечения природных ресурсов и альтернативных источников энергии в материальную деятельность человека и решения энергетических и экологических проблем. Однако без обоснования методов и способов оптимизации энергетических и экологических параметров теплоснабжения, позволяющих улучшить использование энергетических ресурсов при соблюдении экологических нормативов, путем разработки и внедрения в них технологий утилизации низкопотенциального тепла, невозможно решение проблемы охраны окружающей среды в горной промышленности.
В связи с вышеизложенным утилизация низкопотенциального тепла источников в горной промышленности представляет собой актуальную научно-техническую проблему, имеющую важное народно хозяйственное значение.
Цель работы - научное обоснование, разработка технологий и технических средств утилизации низкопотенциального тепла источников в горной промышленности.
В задачу работы входило:
исследование источников низкопотенциального тепла на угольной шахте, возможности их утилизации для теплоснабжения предприятий;
разработка методов и экспериментальной модели теплоснабжения угольной шахты на базе утилизации низкопотенциального тепла горных источников;
разработка технологии и технических средств утилизации низкопотенциального тепла шахтных вод и неочищенных хозбытовых стоков;
исследование энергетических и экологических закономерностей функционирования теплоснабжения угольной шахты;
оценка энергетической и экологической эффективности
утилизации низкопотенциального тепла для теплоснабжения
угольной шахты.
Для решения указанных задач было необходимо:
Провести комплекс исследований качественного и количественного состава источников низкопотенциального тепла, возможность их утилизации, энергетических и экологических закономерностей функционирования теплоснабжения угольной шахты;
Разработать и применить технические средства и ряд технологий по утилизации низкопотенциального тепла шахтных вод и хозбытовых стоков;
Разработать экспериментальную модель теплоснабжения угольной шахты на базе утилизации низкопотенциального тепла горных источников;
Провести оценку энергетической и экологической эффективности утилизации низкопотенциального тепла в целях теплоснабжения угольной шахты.
Методы исследования Научные положения диссертационной работы установлены с помощью комплексного метода исследований, включающего анализ опыта работы энергоустановок шахты и источников низкопотенциального тепла; теоретическое обобщение, математическое моделирование, конструкторско-поисковые разработки и эксперименты на промышленном оборудовании. Для оценки выбора оптимального источника низкопотенциального тепла был применен метод ABC.
Основная идея заключается в использовании тепловых насосов для утилизации низкопотенциального тепла в целях теплоснабжения угольных шахт.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждается:
Использованием представительных объемов статистической информации и экспериментальных данных для анализа, расчетов и обобщений.
Использованием классических законов термодинамики и теплопередачи, достаточной сходимостью результатов теоретических исследований с испытанием на промышленной установке (отклонение не более 10%).
Научное значение работы заключается в разработке методов утилизации низкопотенциального тепла для минимизации расхода топлива и выбросов в атмосферу, с полной остановкой шахтной котельной в летний и осенне-весенний период при теплоснабжении угольной шахты.
Научная новизна работы:
На основе качественно-количественного анализа всех возможных низко-потенциальных источников тепла на угольных шахтах установлено, что наиболее эффективным является использование для этих целей тепловых потенциалов шахтных вод и хозбытовых стоков.
Разработана модель и алгоритм оптимизации энергетических и экологических параметров системы теплоснабжения угольной шахты с использованием низкопотенциального тепла. Доказано, что в испарители тепловых насосов целесообразно подавать низкопотенциальное тепло от различных источников. Поставлена и решена задача оптимизации основных параметров работы теплообменных аппаратов. В качестве критериев оптимизации принята тепловая нагрузка, коэффициент теплопередачи, перепад температур нагретого и холодного потоков.
Установлено, что интенсификация теплообмена достигается специфическими режимами турбулентных потоков создаваемыми специально подобранной формой поверхности теплообменников и уменьшением гидравлического эквивалентного диаметра каналов, образующих поверхность теплообмена.
Показано, что резкое снижение отложений на теплопередающих поверхностях взвешенных и растворенных примесей в шахных водах и хозбытовых стоках достигается при использовании дискретных турбулизаторов, точечно расположенных в зоне ламинарного подслоя на поверхности теплообменников.
Практическое значение работы
Разработаны и защищены патентами технические средства утилизации низкопотенциального тепла загрязненных жидкостей: спиральный теплообменник, кожухотрубный теплообменник, модуль тонкослойного отстойника.
В отличие от традиционной системы теплоснабжения, использующей твердое органическое топливо, при теплоснабжении с применением тепловых насосов полностью исключаются вредные выбросы в атмосферу. Разработанные технологии утилизации низкопотенциального тепла шахтных вод и загрязненных хозбытовых стоков, могут использоваться в теплоэнергетике, металлургии, химической промышленности.
Выявленные закономерности способов интенсификации теплообмена и снижения отложений на теплопередающих поверхностях позволили обосновать оптимальные размеры теплообменника при минимальных установочных размерах приемного канала.
Результаты диссертационной работы используются в технологическом процессе утилизации низкопотенциального тепла шахтных вод на шахте «Осинниковская» АО «Южкузбассуголь», в процессе утилизации
низкопотенциального тепла неочищенных хозбытовых стоков РНС-3 «Гайва» МП «Пермводоканал».
Основные положения выносимые на защиту:
метод выбора наиболее рационального источника низкопотенциального тепла на угольной шахте, на основе проведенного ABC анализа;
энерго-экологическая модель системы теплоснабжения угольной шахты, позволяющая за счет утилизации низкопотенциального тепла получить экологически чистую тепловую энергию и отключать шахтную котельную в летний и осенне-весенний период времени;
механизм реализации утилизации низкопотенциального тепла неочищенных шахтных вод и хозбытовых стоков, варианты технологий и технических средств для утилизации низкопотенциального тепла в угольной шахте.
Реализация работы осуществлена принятием к использованию в
составе научно-исследовательской работы «Разработка высокоэффективной
технологии самоочищающихся аппаратов и утилизации
низкопотенциального тепла шахтных вод» (научно-исследовательский институт МНИИЭКО ТЭК) в государственной научно-технической программе «Экологически чистая энергетика». А так же путем внедрения на предприятиях России:
технологии утилизации низкопотенциального тепла шахтных вод на шахте «Осинниковская» ООА «Южкузбассуголь»
технологии утилизации низкопотенциального тепла неочищенных хозбытовых стоков на РНС-3 «Гайва» МП «Пермводоканал».
Апробация работы.
Представленные в диссертации результаты докладывались автором и получили одобрение на 4 Международных научно-практических
конференциях, в том числе: I Международной научно-практической конференции «Энергопотребление и энергосбережение: проблемы и решения» (г. Пермь, 1998), II Международной научно-практической конференции «Энергопотребление и энергосбережение: проблемы и решения» (г. Пермь, 1999), IV Международной научно-практической конференции «Энергопотребление и энергосбережение: проблемы и решения» (г. Пермь, 2001), V Международной научно-практической конференции «Энергопотребление и энергосбережение: проблемы и решения» (г. Пермь, 2002). А также IV Всероссийской конференции «Региональные проблемы энергосбережения и пути их решения» (г. Нижний Новгород, 2002), Международной конференции «Возобновляемая энергетика 2003: состояние, проблемы, перспективы» (г. Санкт-Петербург, 2003).
Публикации.
Основные положения диссертации опубликованы в 6 статьях, 5 авторских свидетельствах и патентах, 4 тезисах докладов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы включающего ПО наименований. Диссертация изложена на 120 страницах, включает 11 иллюстраций, 7 таблиц. В приложении представлены акты, подтверждающие практическое применение результатов работы.
Энергетические аспекты функционирования теплоснабжения угольной шахты
На сегодняшний день (82) теплоснабжение России обеспечивают 485 ТЭЦ, около 6.5 тыс. котельных мощностью более 20 Гкал/час, более 100 тысяч мелких котельных и около 600 тысяч автономных индивидуальных теплогенераторов. Суммарная реализация тепла в стране составляет 2060 млн. Гкал/год, в том числе жилищный сектор и бюджетная сфера потребляет 1086 млн. Гкал, промышленность и прочие потребители 974 млн. Гкал. Текущее состояние теплоснабжения в стране можно определить как критическое, постепенно переходящее к уровню национального бедствия (82). На теплоснабжение страны расходуется более 400 миллионов тонн условного топлива в год (млн. тонн у. т. /год). Потенциал энергосбережения в сфере теплоснабжения составляет более 40% потребляемого тепла. Угольная промышленность является одной из энергоемких отраслей народного хозяйства. Предприятиями отрасли было израсходовано 15 047,1 млн. кВт. ч электроэнергии, котельными установками - 7 млн. тонн условного топлива, в том числе 5 млн. тонн у. т. на производственные и 2 млн. тонн у. т. на коммунально-бытовые нужды. (19,20) Тепловые сети в России самые дорогие в мире. Реальные тепловые потери в них составляют от 20 до 50% выработки тепла зимой и от 30 до 70% летом. Утечки теплоносителя превышают нормы, принятые в развитых странах в миллионы раз. Замена трубопроводов из-за коррозии происходит в 4-5 раз чаще, чем принято в других странах. Общим, для большинства котельных, является большой физический износ оборудования, достигший 68%. В наиболее плохом техническом состоянии находятся муниципальные котельные, принятые от обанкротившихся промышленных предприятий, воинских частей, организаций МПС и т. д. Котельные работающие на газе с единичной мощностью более 4 Гкал/час повсеместно имеют достаточно высокий КПД. Показатели котельных, оборудованных котлами малой мощности значительно хуже. Еще в более худшем состоянии, с точки зрения экономичности, находятся котельные в угольной промышленности, работающие на угле. Их КПД обычно не превышает 60%, а бывает и на уровне 20%. Это объясняется низкими техническими характеристиками котлов, отсутствием водоподготовки, плохим качеством угля и отсутствием предварительной его обработки, а также, в немалой степени, низким техническим уровнем эксплуатационного персонала (20).
Потребление тепловой энергии на шахте непостоянно, меняется в зависимости от времени года и температуры наружного воздуха. Минимальное потребление тепла - в летнее время года и осенне-весенний период. Максимальное - в зимние месяцы. В зависимости от времени года, также меняется экологические и энергетические параметры теплоснабжения (потребление твердого топлива и выбросы вредных веществ в атмосферу). Мелкие источники теплоснабжения в угольной промышленности связаны с низкой энергоэффективностью, высокой степенью загрязнения окружающей среды, повышенными значениями удельных стоимостей и трудозатрат по обслуживанию. (5). Мелкие котельные и индивидуальные отопительные установки (теплопроизводительностью до 25 тыс. ккал/час) характеризуются устаревшими конструкциями, отсутствием автоматического регулирования и средств контроля, требуют значительных затрат и времени для эксплуатации, имеют низкий КПД. Средний удельный расход топлива у мелких котельных примерно на 40 кг/Гкал больше, чем у ТЭЦ и крупных котельных. Высокоэкономичные котельные установки полной заводской готовности пока еще не нашли широкого применения. За счет установки таких автоматизированных и механизированных котлов в блочном исполнении, приспособленных для работы на жидком, газообразном и твердом топливе, усовершенствованных местных генераторов тепла для отопления и горячего водоснабжения, в том числе и с топками длительного горения для твердого топлива, может быть значительно повышена эффективность использования топлива. Общий потенциал экономии за счет этого оценивается на уровне 40-50 млн. тонн у. т. КПД котлового агрегата TJ легко выразить через суммарные потери тепла YJqi (%) при производстве пара: 1кл = [100-( + ч2 + ?з + ?4 + «з)1%. (2.1 ) где qi - потери тепла с отходящими газами; q2 - потери тепла от химической неполноты сгорания топлива; q3 - общие потери тепла от механического недожога топлива; q4 - потери тепла со шлаком; qs - потери тепла в окружающую среду. Эта формула наглядно показывает, что для повышения КПД котлоагрегата следует стремиться к уменьшению каждой из составляющих тепловых потерь.
Даже наиболее совершенные современные котельные, не говоря о мелких теплогенераторах, по существу являются энергорасточительными устройствами. Причина кроется в самом принципе их действия, основанном на сжигании топлива и последующей передаче теплоты низкотемпературному теплоносителю, в процессе которой теряется значительная часть работоспособности (эксергии) топлива. Именно поэтому даже при тепловом КПД котлов, приближающемся к 100%, их эксергетический КПД, характеризующий степень использования химической энергии топлива, обычно не превышает 15-20%. Этот факт ставит под сомнение целесообразность широкого использования отопительных котлов, которое они получили благодаря простейшей технологии производства теплоты. При эксплуатации шахтных котельных установок в атмосферу выделяется огромное количество тепла. У большинства котельных температура отходящих газов достигает 160-250 град С. Горная промышленность России являясь одной из базовых отраслей сама потребляет и теряет огромное количество топлива, тепловой и электрической энергии. На ее предприятиях происходит весьма расточительное использование энергии, в том числе и на нужды теплоснабжения. С другой стороны, на многих шахтах существует и с каждым годом обостряются проблемы обеспечения теплом. Старое котельное оборудование изнашивается, вследствие чего ряд предприятий испытывают большой недостаток тепловой энергии. Как следствие, при работе в зимних условиях весь объем подаваемого в шахту воздуха не подогревается до требуемой температуры, возникают аварийные остановки вентиляторов главного проветривания, приводимые к простою шахты, потерям добычи угля. Реконструкция существующих котельных и приобретение необходимого котельного оборудования проблематично в виду отсутствия средств.
В то же время в отрасли практически повсеместно имеются резервы снижения расхода топлива за счет привлечения нетрадиционных источников энергии для производства тепла: использование низкопотенциальной тепловой энергии шахтных вод, хозбытовых стоков, оборотной воды шахтных компрессорных установок, отработанного вентиляционного воздуха. Поэтому необходимо рассматривать возможность использования альтернативных, вторичных источников энергии как одно из средств выхода из кризисной ситуации. По оценкам специалистов, эффективность капитальных вложений в производство энергии при использовании вторичных энергетических ресурсов в 2-3 раза выше, чем в топливно-энергетической отрасли промышленности. Затраты (капитальные вложения) на строительство утилизационных установок, отнесенные к 1 тонне сэкономленного топлива в 2-21.5 раза меньше, чем расходы на добычу первичного топлива. Себестоимость тепла от утилизационных установок в 4-6 раз ниже, чем от энергосистем, и в 8-12 раз ниже, чем от собственных котельных отрасли. Кроме того, утилизация низкопотенциальной теплоты оценивается предотвращением экологического ущерба от загрязнения окружающей среды. Технологии угольного производства характеризуются значительным выходом вторичных энергетических ресурсов и наличием возобновляемых источников энергии. Значительное количество низкопотенциального тепла теряется с потоками отработавшей в технологических процессах воды (сбросной, оборотной и т. д.), шахтными вентиляционными выбросами, шахтными водами. Объемы шахтных вод на предприятиях отрасли составляют более 500 млн. м , хозбытовых стоков - 150 млн. м . Шахтные воды обладают большим тепловым потенциалом, их температура имеет значения от 8 до 15 град С. При благоприятных условиях это тепло может быть утилизировано. Использование низкопотенциальной тепловой энергии шахтных вод и неочищенных хозбытовых стоков сдерживается отсутствием оптимальных технологий по их утилизации и особенно отсутствием экономичного, технологичного теплообменного оборудования, которое могло бы длительное время работать без остановки и специальных методов очистки на загрязненных жидкостях в комплексе с ТНУ.
Технология утилизации низкопотенциального тепла шахтных вод
На ряде шахт по результатам химических анализов (количество взвешенных веществ, рН, растворенные вещества) возможна подача шахтных вод непосредственно в испаритель теплового насоса. Тепловая схема включает в себя следующие контуры: Контур подачи шахтной воды и возврата шахтной воды и соответствующей запорной арматуры; Контур рабочего вещества собственно ТНУ, обеспечивающие трансформацию тепловой энергии, поставляется в полной заводской готовности; Контур нагреваемой в конденсаторах ТНУ водопроводной воды, состоящей из конденсатора, соединительных трубопроводов с запорной и регулирующей арматурой. Схема работает следующим образом: шахтная вода главного водоотлива по ответвлению подается в испаритель ТНУ, где охлаждается за счет отдачи тепла расходуемого на испарение хладагента. В испарителе ТНУ происходит испарение низкокипящего рабочего вещества и при этом тепловая энергия, полученная от шахтной воды используется на фазовый переход рабочего вещества (теплообмена при постоянной температуре и давлении). Пары рабочего вещества из испарителя ТНУ отсасываются и сжимаются компрессором до давления конденсации (определяемого температурой и расходом входящей в конденсатор воды). При сжатии паров компрессором повышается их давление и температура, и в результате при конденсации сжатых паров в конденсаторе ТНУ выделяется теплота фазового перехода (теплота конденсации). Таким образом, осуществляется трансформация низкопотенциальной тепловой энергии в пригодную для использования на нужды отопления и горячего водоснабжения, при этом величина получаемой тепловой энергии равняется сумме: энергии, полученной в испарителе и энергии затраченной на привод компрессора.
Нагретая в конденсаторе шахтная вода подается в систему отопления. Для повышения эффективности работы теплового насоса в контур рабочего вещества включен переохладитель в который перемычке из главного водоотливного става подается охлаждающая шахтная вода, которая затем попадает в испаритель ТНУ. 3.3. Технологии утилизации низкопотенциального тепла загрязненных шахтных вод. В большинстве случаев, как показывают химические анализы шахтной воды, по количеству взвешенных веществ, рН и другим характеристикам, подача шахтной воды непосредственно в испарители ТНУ представляется невозможной. Для повышения долговечности и надежности использования ТНУ необходимо создание промежуточного контура. Промежуточный контур с использованием спиральных теплообменников. Утилизация низкопотенциального тепла загрязненных шахтных вод осуществляется установкой в контуре шахтной воды спиральных теплообменников с дискретными турбулизаторами и созданием промежуточного контура. Принципиальная технологическая схема теплонасосной станции (ТНС) приведена на рисунке 3.3. Технологическая схема включает в себя следующие контуры: - контур подачи шахтной воды, состоящий из параллельно соединенных спиральных теплообменников с дискретными турбулизаторами, трубопроводы подачи и возврата шахтной воды и соответствующей запорной арматуры; - контур низкопотенциального теплоносителя испарителей ТНУ, состоящий из второй полости спиральных теплообменников с дискретными турбулизаторами, трубопроводов замкнутого контура с соответствующей арматурой и циркуляционных насосов. Подпитка контура осуществляется водопроводной водой через расширительный бак. Испарители ТНУ и теплообменники соединены между собой параллельно; - контур рабочего вещества и масла собственно ТНУ, обеспечивающие трансформацию тепловой энергии ТНУ поставляются в полной заводской готовности; - контур направляемой в конденсаторах ТНУ сетевой воды, состоящий из конденсаторов ТНУ, соединительных трубопроводов с запорной и регулирующей арматурой, циркуляционных насосов, прямой и обратной гребенок, существующих приборов отопления, а также параллельно соединенных водоводяных подогревателей для нагрева водопроводной воды на ГВС.
Шахтная вода главного водоотлива подается на параллельно соединенные спиральные теплообменники, где охлаждается за счет теплообмена с охлажденной в испарителях ТНУ водой. При этом вода из контура испарителей нагревается и подается вновь на охлаждение в испарители ТНУ. В испарителях ТНУ, соединенных между собой параллельно, происходит испарение низкокипящего рабочего вещества и при этом тепловая энергия, полученная от шахтной воды используется на фазовый переход рабочего вещества (теплообмен при постоянной температуре и давлении). Пары рабочего вещества из испарителей ТНУ отстаиваются и сжимаются компрессором до давления конденсации (определяемого температурой и расходом входящей в конденсатор воды). При сжатии паров компрессором повышается их давление и температура, и в результате при конденсации сжатых паров в конденсаторе ТНУ выделяется теплота фазового перехода (теплота конденсации), имеющая большую температуру. Таким образом осуществляется трансформация низкопотенциальной тепловой энергии в высокопотенциальную, при этом величина получаемой высоко потенциальной тепловой энергии равняется сумме: энергии, полученной в испарителе, и энергии затраченной на привод компрессора. Нагретая в конденсаторах сетевая вода подается на прямую гребенку, из которой распределяется по системе отопления. Обратная сетевая вода из системы отопления собирается на обратную гребенку и вновь подается для нагрева в конденсаторы ТНУ. 3.3.2. Промежуточный контур с использованием тонкослойных отстойников Наличие промежуточного циркуляционного контура с теплообменниками снижает коэффициент преобразования теплового насоса и ухудшает его энергетические показатели. Подача же шахтной воды непосредственно в испарители тепловых насосов исключается, в виду наличия в ней взвешенных механических примесей, которые будут осаждаться на теплопередающих поверхностях. Поэтому становиться экономически целесообразным шахтные воды очищать от механических примесей непосредственно в подземных условиях, и на выходе нга поверхность направлять их в испарители тепловых насосов.
Кроме того, очистка шахтных вод от механических примесей благоприятно скажется на работе насосов главного водоотлива: уменьшится их абразивный износ, не будет отложений на внутренних стенках водоотливных ставов, что положительно скажется на снижении расхода электроэнергии на откачку шахтной воды. Для очистки шахтной воды перед подачей в испаритель теплового насоса была разработана следующая технология очистки шахтной воды в подземных условиях, с применением тонкослойных отстойников. Принцип действия тонкослойного отстойника основан на том, что гидравлический радиус отдельно взятой тонкослойной ячейки очень мал (10-40 мм), поэтому поток воды даже при значительных скоростях имеет ламинарную структуру. Максимальный путь движения твердой частицы, необходимый для ее осаждения на поверхность листа, при угле наклона 50-60 град, примерно равен двойному расстоянию между пластинами по нормали. При восходящем потоке воды в тонкослойной ячейке время осаждения твердых частиц будет меньше времени движения воды по длине наклонной ячейке. При данных конструктивных параметрах максимальный путь движения частицы между наклонными пластинами по направлению силы тяжести составляет 20-80 мм, при наклонной длине ячейки 1500-2000 мм. Осевшие твердые частицы сползают по наклонным листам в камеру накопления осадка. В модуле тонкослойного отстойника разделительные пластины выполнены в виде с продольными ребрами и размещены в двух блоках. В каждом блоке продольные ребра пластин направлены в сторону центра модуля. К крайним пластинам вплотную установлены аналогичные пластины с направлением продольных ребер в противоположную от центра сторону. Пластины в блоках установлены с шагом, равным диаметру трубок, размещенных рядами по краям и середине пролета пластин. В верхней части все ряды трубок и пластины стянуты между собой посредством шпилек и траверс, а в нижней части - только крайние ряды. Одна из верхних траверс снабжена двумя рым-болтами, обеспечивающими свободную подвеску модуля с заданным углом наклона пластин относительно горизонта.
Математическая модель оптимизации энергетических и экологических параметров теплоснабжения угольной шахты
Задачей оптимизации теплообменных систем является поиск экстремизма критерия эффективности, с учетом ограничений, соответствующим требованиям технологических условий их функционирования. Как правило, варьируемыми переменными при оптимизации теплообменных аппаратов и систем являются расход холодного потока, конечные температуры потоков, количество теплоты, передаваемой в аппарате или в системе в целом. В задачах оптимизации теплообменных аппаратов и систем на стадии J I -дц» гдщу QTjciTTwi цу ппианпа на vtYLTTf»TYWtT г\тттугк/плътпл-и 4-й этап предназначен для установления в математической форме связи критерия оптимизации с управляемыми переменными, а также математической трактовки всех имеющихся ограничений. Цель этапа -получение математической формулировки задачи оптимизации. 5-й этап. При оптимизации расчет или анализ функционирования системы (определение значения глобального критерия и значений функций отвечающих ограничениям) приходится производить многократно. Поэтому разработка оптимальной стратегии исследования является важной проблемой. 6-й этап представляет собой математическую задачу нахождения экстремума глобального критерия в области изменений управляемых переменных, определяемой ограничениями системы. Сложность этапа определяется сложностью математических моделей элементов системы и числом управляемых переменных.
В настоящее время наиболее общим и полным является технико-экономический критерий эффективности в виде приведенных затрат. Для теплообменника капитальные затраты соответствуют стоимости с учетом коэффициентов окупаемости и амортизации, а эксплуатационные затраты учитывают затраты на сырье (в данном случае на холодный и горячий поток). Тогда приведенные затраты на теплообменный аппарат: n=EIJ+0Gxcx, (4.1) Где Ц - цена теплообменного аппарата, долл. США Е - нормативный коэффициент окупаемости и амортизации; Gx - расход холодного потока, м3/час сх - стоимость холодного потока, долл. США в - продолжительность годовой эксплуатации теплообменника, час Если принять линейную зависимость стоимости теплообменника Ц от поверхности теплообмена, L aF1 , b=l, то критерий эффективности для теплообменного аппарата может быть записан в виде n=SFF+SxGx, (4.2) 77 Где SF - стоимость единицы поверхности теплообмена с учетом нормы окупаемости и амортизации, Sx= в сх Таким образом, задача оптимизации теплообменного аппарата сводится к определению оптимальных значений поверхности теплообмена и соответствующего массового расхода холодного потока с учетом различных значений - массового расхода горячего потока, конечной температуры потоков и числа ходов в аппарате, которые обеспечивают минимальные приведенные затраты. Следующим этапом постановки задачи оптимизации теплообменного аппарата является правильный выбор математической модели и оптимизирующих переменных. Оптимизирующими переменными обобщенного вида для теплообменника могут быть поверхность F, массовый расход хладагента Gx, конструкционный тип аппарата Т.
Основными источниками низкопотенциального тепла на угольной шахте являются шахтные воды и хозбытовые стоки. Использование тепла шахтных вод и хозбытовых стоков затруднено в виду их высокой загрязненности. Согласно «Требованиям к качеству шахтных и карьерных вод, используемых для технических и хозяйственно-бытовых нужд предприятий угольной промышленности» утвержденным Минуглепромом СССР 17.10.85, содержание взвешенных веществ воде, используемой на общепромышленных стационарных холодильных машинах, допускается в пределах 50 мг/л. В теплонасосных установках применяется практически аналогичное оборудование, следовательно, при расчетах следует руководствоваться этой величиной. В целом по стране не более 10-15% сбросных шахтных вод имеют содержание взвешенных веществ менее 50 мг/л. Шахтные воды загрязнены механическими примесями, нефтепродуктами и другими специфическими примесями. Вид и количество загрязняющих веществ зависит от состава горных пород, горногеологических, горнотехнических условий, средств механизации выемки и проходки. Такие воды нельзя напрямую использовать в испарителе теплового насоса. Наиболее реальным и доступным способом интенсификации теплоотдачи и предотвращения образования осадка на теплопередающих поверхностях является искусственная турбулизация потока. При турбулентном ядре потока для жидкостей, отличающихся большими числами Прандтля, наибольшее тепловое сопротивление имеет очень тонкий пристенный слой, течение в котором преимущественно ламинарного характера. Именно в этом слое происходит отложение твердого осадка. Его толщина 8, существенно зависит от касательного напряжения у стенки г, которое представляет собой важный параметр, характеризующий режим течения и теплоотдачу. Местное касательное напряжение Т, обусловленное силами трения, при изменении расстояния от у=0 до у=г меняется практически по линейному закону от Т w до т =0. Прандтль разделял поток на две области: пристенный слой у стенки, где наблюдается молекулярный обмен, и ядро потока, где преобладает турбулентное смешение.
Экспериментальные исследования энергетических и экологических параметров теплонасосной установки по утилизации низкопотенциального тепла загрязненных хозяйственно-бытовых стоков на РНС-3 «Гайва» МП «Пермводоканал»
Технология по утилизации низкопотенциального тепла неочищенных хозбытовых стоков была внедрена на РНС-3 «Гайва» МП «Пермводоканал» в октябре 2000 года. Экспериментальные исследования параметров функционирования теплонасосной установки проводились 26 марта 2001 года и с 28 февраля по 1 марта 2002 года. Испытания проводились при различных расходах воды в промежуточном контуре испарителя. Изменение расхода воды производилось с помощью регулирующей задвижки, контроль расхода -ультразвуковым расходомером Portaflow 300 с накладными датчиками. Измерение температур производилось с помощью стационарных ртутных термометров. На РНС-3 «Гайва» МП «Пермводоканал» затраты на теплоснабжение сократились в 4,6 раза, годовой экономический эффект составил 198 тыс. руб., срок окупаемости составил 1,1 года. Энергетическая эффективность утилизации низкопотенциального тепла оценивается достигаемой экономией топлива. Экономическая эффективность, критерием которой до недавнего времени служил минимум приведенных затрат, с переходом на рыночные отношения требует для своей оценки других методических подходов, использующих показатели прибыли и рентабельности.
Экологическая эффективность утилизации низкопотенциального тепла оценивается предотвращенным экологическим ущербом от загрязнения окружающей среды. Экологический ущерб выражается в денежной форме дополнительными расходами на здравоохранение, недовыпуск продукции заболевшими работниками, коррозию сооружений и оборудования, ухудшению биологических элементов природы и др. а) При утилизации низкопотенциального тепла хозяйственно-бытовых стоков При обследовании РНС-3 «Гайва» выявлена возможность утилизации низкопотенциального тепла хозяйственно-бытовых стоков с целью ее использования для нужд теплоснабжения насосной станции. Ранее теплоснабжение канализационной насосной станции осуществлялось при помощи электрического водонагревателя. Подача загрязненных хозяйственно-бытовых воды не может быть осуществлена непосредственно в испаритель ТНУ. Поэтому утилизация низкопотенциального тепла осуществлялась с применением кожухотрубного теплообменника, где нагреваемой средой является чистая вода, циркулирующая в контуре испарителя теплового насоса.
Теплонасосная установка по утилизации низкопотенциального тепла хозяйственно-бытовых стоков была введена в эксплуатацию в октябре 2000 года, и функционирует по сей день. Расчет производился на основании результатов испытаний теплового насоса в реальных условиях с применением ультразвукового расходомера Portaflow 300, бесконтактного термометра Thennopoint 90, стационарных ртутных термометров, электросчетчиков. А так же исходя из реальных цен на энергоносители, сложившихся в регионе, по состоянию на 01.04.2001 г. В результате проведенного обследования на шахте ОАО «Шахта Осинниковская» выявлена возможность утилизации низкопотенциальной теплоты шахтной воды с целью полной остановки котельной шахты в летние месяцы и осенне-весенний период и перевода горячего водоснабжения административного здания шахты с шахтной котельной на ТНС с ее круглогодичной эксплуатацией. С целью снижения количества угля, сжигаемого в котельной, разработана и внедрена в производство технология утилизации низкопотенциального тепла шахтных вод. Технологический комплекс утилизации теплоты шахтных вод с помощью ТНУ, на базе теплового насоса НТ-110, смонтирован и прошел опытные испытания, которые показали эффективность и надежную работу технологии с превышением проектных технико-экономических показателей в 1,5 раза. ТНУ позволяет трансформировать низкопотенциальную теплоту шахтных вод с круглогодичной температурой 9-11 град С до температур, пригодных для горячего водоснабжения. Использование низкопотенциальной теплоты шахтной воды обеспечит экономию органического топлива и значительно снизит техногенную нагрузку на окружающую природную среду, что является важнейшей задачей. В качестве источника низкопотенциальной теплоты (ИНПТ), которая может быть трансформирована при помощи ТНУ для целей пригодных для горячего водоснабжения, используется шахтная вода с температурой 9-11 град С. Химический анализ шахтной воды (Приложение) показывает, что по количеству взвешенных веществ, рН и другим растворенным веществам, подача шахтной воды может быть осуществлена непосредственно в испаритель ТНУ. В настоящее время опытная установка по утилизации низкопотенциального тепла введена в строй.
