Введение к работе
Актуальность проблемы. Острота экологических проблем в современном мире, настоятельная необходимость всемерного ресурсосбережения послужили основанием для резкого роста интереса к процессам повышения эффективности производства тепловой энергии.
В известной триаде мироустройства: материя - энергия -информация энергия, ее получение, трансформация есть способ технически цивилизованного обеспечения жизнедеятельности общества при минимизации воздействия на биосферу. В данном случае мы имеем два разнохарактерных вида потребителей - ЖКС (жилищно-коммунальный сектор) города и ПЭТ (предприятия электронной техники), имеющих свои специфические требования к теплообеспечению, вынужденных волею обстоятельств обеспечиваться теплом от единой интегрированной системы и быть взаимозависимыми в этой системе.
В настоящее время в мире слбжились два принципиально различных подхода к развитию энергетики и теплоснабжения: централизация и децентрализация.
В России, полностью обеспеченной всеми видами углеводородного топлива, созданы и эксплуатируются мощнейшие в мире ТЭЦ и системы транспорта, распределения тепловой энергии и, таким образом, имеются потенциальные возможности для развития обеих стратегий. Поэтому в регионах с исторически сложившимися централизованными системами теплоснабжения (Москва, С-Петербург и др.) актуальной становится задача повышения их энергетической, экономической и экологической эффективности.
В настоящее время суммарная годовая реализация тепловой энергии в нашей стране составляет 2060 млн. Гкал, на что расходуется 400 млн.т условного топлива. По экспертной оценке теплопотребление России к 2010 году должно составить 2700-3100 млн. Гкал/год, в том числе: промышленность- 1200-1300 млн. Гкал/год; жилищно-коммунальный сектор - 900-1100 млн. Гкал/год; сельскохозяйственные объекты -600-700 млн. Гкал/год. Рост тепловой нагрузки промышленности в рассматриваемый период с большой степенью вероятности будет происходить за счет обновления и реконструкции действующих предприятий или строительства новых в зоне действия теплофикационных систем.
Важнейшим аспектом теплоэнергетики является экологический, т.к. производство тепловой энергии на основе органического топлива связано с негативным воздействием на окружающую среду. При этом в
тщ—. і ЦЧИ—
зависимости от вида топлива в атмосферу выбрасывается сернистый ангидрид (SCb), оксиды азота (NOx), окислы углерода (СО и ССЬ) и зола. Объемы выбросов в атмосферу от источника тепла достигают в настоящее время порядка 25% валового объема выбросов от всей промышленности в стране.
Помимо загрязнения атмосферы производство тепла связано с потреблением воды и нередко со сбросом засоленных сточных вод в природные источники воды. Доля энергоисточников в этих стоках оценивается величиной около 5% от общей величины загрязненных стоков промышленности.
Вышесказанное позволяет заключить, что для централизованного теплоснабжения характерны два важных качества: повышение уровня экологической безопасности и создание благоприятных условий для топливосбережения.
Применительно к городам, основанным на базе наукоемких и высокотехнологичных производств, следует добавить, что их характерной особенностью является тесная связь систем жизнеобеспечения предприятий с общегородской инженерной инфраструктурой. Поэтому режим работы централизованного теплоснабжения оказывает непосредственное влияние также на качество внутренней среды производств, а следовательно и на выход годной продукции, в связи с чем при имеющихся значительных мощностях систем централизованного теплоснабжения в условиях жестких технологических и бюджетных ограничений любое повышение их эффективности приведет к ощутимым положительным результатам как для предприятий микроэлектроники, так и для населения. Неслучайно поэтому, г.Зеленоград вошел в состав российских энергоэффективных демонстрационных зон в рамках проекта Европейской экономической комиссии ООН "Энергетическая эффективность - 2000", который предполагает создание экономического и правового механизма, а также технических средств, способствующих успешной реализации энергосберегающих технологий.
В общем случае задача оптимизации систем теплоснабжения представляет большую методическую сложность в связи с тем, что эти системы, являющиеся подсистемами больших систем энергетики, непрерывно развиваются во времени и характеризуются многофакторной зависимостью технологических, экономических и экологических показателей как от схемы, состояния оборудования и режима работы системы централизованного теплоснабжения, так и от структуры оборудования и режима работы энергетической системы в целом.
В свете сказанного становится необходимым исследование любого
энергетического предприятия как составной части окружающей человека среды, являющей как источником, так и приемником потоков веществ и энергии, участвующих в процессах.
Актуальность проблемы, таким образом, состоит в том, чтобы предложить такую научно-техническую концепцию теплоснабжения, которая учитывала бы весь комплекс процессов гидродинамики, тепло- и массообмена в веществах и энергии при их движении через систему «окружающая среда - энергопредприятие - окружающая среда». Такой подход предполагает разработку и теоретическое и методическое обеспечение новых схем теплоснабжения, процессов подготовки тепловырабатывающих агрегатов, автоматизацию процессов регулирования, способных обеспечить необходимую тепловую и гидравлическую устойчивость и надежность функционирования системы, гарантирующих оптимальные технико-экономические и экологические показатели в процессе ее эксплуатации.
Объектом исследования является система интегрированного централизованного теплоснабжения производств электронной техники и жилищно-коммунального сектора.
Предметом исследования являются процессы повышения эффективности системы интегрированного централизованного теплоснабжения производств электронной техники и жилищно-коммунального сектора.
Диссертационная работа выполнялась в рамках программы Европейской экономической комиссии ООН «Энергетическая эффективность -2000» (Зеленоград аттестован ЕЭК ООН, Минэнерго и Миннауки РФ в 1994 г. в качестве Демонстрационной зоны высокой энергетической эффективности, при этом Предприятие ГУЛ «Мостеплоэнерго» в г.Зеленограде было решением Префекта Зеленоградского административного округа г.Москвы определено в демзоне в качестве головного), а также проекта Глобального Экологического фонда ООН ГЭФ/ПРООН RUS/96/G31 «Создание условий для сокращения основных барьеров на пути энергоэффективности в российском жилищном хозяйстве и теплоснабжении». Проект реконструкции и модернизации системы теплоснабжения г.Зеленограда вошел в состав программы «Совместного осуществления проектов - инициатива США», на основе чего был получен и реализован грант Агентства международного развития США (1994-96 г.г.) по автоматизации 20-ти ЦТП в районе Крюково г.Зеленограда со сведением их в АСУ ТП района теплоснабжения.
В соответствии с распоряжением Премьера Правительства
Москвы и Министерства науки и технологий РФ от 15.01.98 № 36-РП-6
об утверждении «Долгосрочной программы энергосбережения в г.
Москве» шесть научно-технических проектов из 42 были на кон
курсной основе включены в программу от Зеленограда и осуще
ствлялись инженерной службой Предприятия ГУП «Мостеплоэнерго» в '
г.Зеленограде в содружестве с МИЭТ, ГНЦ РФ — НПК «Техноло
гический центр», Институтом высоких температур РАН, Российской
Академией архитектуры и строительных наук, другими организациями.
В настоящее время научные исследования и инновационная деятельность в области энергоэффективности проводятся в рамках «Городской программы по энергосбережению на 2001-2003 гг. в г.Моск-ве», утвержденной Постановлением Правительства Москвы 09.10,01 №912-ПП, в которой имеются адресные поручения Предприятию ГУП «Мостеплоэнерго» в г. Зеленограде по НИОКР и инновационным проектам.
Целью работы является разработка обобщающей научно-технической концепции интегрированного теплоснабжения производств электронной техники и жилищно-коммунального сектора, определение на основе системного анализа стратегии энергосбережения, установление закономерностей и зависимостей гидродинамических, тепло- и массообменных процессов в элементах системы, создание научных и инженерных методик оптимизации схем выработки и транспорта тепла по технико-экономическим и экологическим критериям.
Реализация поставленной цели обеспечивается решением следующих задач:
- критический анализ применяемых схем теплоснабжения
предприятий электроники и жилого сектора и практикуемых подходов к
подготовке теплопроизводяших агрегатов, в значительной степени
определяющих тепловую и гидравлическую устойчивость системы и ее
технико-экономические и экологические показатели;
-разработка обобщающей научно-технической концепции *
теплоснабжения, учитывающей весь комплекс процессов в
технологических средах на их пути из окружающей среды через РТС в
окружающую среду и рассматривающей станцию как неотъемлемый
элемент этой системы. '
- системный анализ процессов производства тепловой энергии, вы
работка стратегии повышения энергоэффективности и энергосбережения
на основе системы энерго-экологического менеджмента, определение
доминирующих технологий и мероприятий по энергосбережению в
элементах интегрированной системы теплоснабжения;
теоретическое исследование проблемы стабилизации гидравлических режимов работы тепловых сетей, научно-методическое обеспечение подготовки теплоносителя, экспериментальная проработка новых технологических схем теплоснабжения и оптимизация температурных графиков работы тепловых сетей по параметрам стабилизации и минимизации расходов воды;
теоретические, экспериментальные и производственные исследования процессов химической промывки теплоэнергетических агрегатов и разработка эффективного моющего средства и процесса эксплутационной промывки котлоагрегатов, повышающей их долговечность, надежность, экономичность и экологичность;
- теоретическое и экспериментальное исследование экологических
аспектов теплоснабжения, анализ материального баланса РТС, разработка
технологии и агрегатов для обезвреживания промывочных растворов и
выработка рекомендаций по снижению отрицательного воздействия
выбросов и сбросов в окружающую среду;
экономический анализ и обоснование предлагаемых схем теплоснабжения и процесса химической промывки теплопроизводящих агрегатов, обеспечивающих соответствие затрат тепловой энергии климатическим условиям и технологическим требованиям производства электронной техники, разработка рекомендаций по повышению экономической эффективности предлагаемых решений. Научная новизна работы состоит в следующем: разработке обобщающей научно-технической концепции интегрированного теплоснабжения производств электронной техники и жилищно-коммунального сектора, рассматривающей энергетическое предприятие одновременно как часть окружающей человека среды и как основной объект, обеспечивающий требуемое качество параметров микроклимата для высоких технологий микроэлектроники, которая составляет научную основу для проектирования новых и модернизации действующих систем;
- дальнейшем развитии научных представлений о стабильном
теплоснабжении и научно-методическом обеспечении процессов работы
водоподготовительных агрегатов;
теоретической разработке, исследовании и внедрении процесса промывки водогрейных агрегатов, установлении сопутствующих этому закономерностей массообмена с выявлением режимов операции и создании инженерных методик расчетов конструктивно-технологических параметров машин и агрегатов системы теплоснабжения;
синтезе нового высокоэффективного технического моющего
средства, обладающего уникальными очищающими свойствами и сильнейшей комплексообразующей способностью;
разработке технологии очистки отработанного моющего раствора, позволяющей более чем в два раза снизить дозу извести в очищенной воде;
разработке на основе анализа материального баланса предприятия методики технико-экономического и экологического обоснования предложенных высокоэффективных процессов и схем, обеспечивающих приемлемое соотношение экономических и экологических показателей при соответствии затрат тепловой энергии климатическим условиям и технологическим требованиям производства электронной техники.
Научная новизна и значимость предложенных автором диссертации концепций, принципов и методов подтверждена полученными автором патентами на объекты интеллектуальной собственности (№ 2117878, № 2000103 999/04 (004290)2000, №2117875, №2185426).
Практическая значимость. В результате проведения цикла теоретических и экспериментальных исследований разработаны научно-методические рекомендации по расчету комплекса гидродинамических, тепло- и массообменных процессов в агрегатах системы теплоснабжения, позволяющих создать основу процесса производства тепловой энергии для целей кондиционирования воздуха, отопления и горячего водоснабжения, имеющие практическую значимость, а именно:
-
Научно-техническая концепция теплоснабжения, позволяющая при эксплуатации и модернизации действующих и проектировании перспективных систем учитывать весь комплекс процессов в потоках теплоносителя и энергии на всем пути их преобразования, что обеспечивает эффективность работы по основным параметрам.
-
Система энерго-экологического менеджмента интегрированного теплоснабжения, включающая мониторинг, планирование и реализацию наиболее эффективных мероприятий и технологий по энергосбережению, обеспечивающая снижение затрат топлива на 15-20 %, воды на 25 %, сокращающие трудоемкость обслуживания на 20 %, увеличивающие периоды межрегламентных работ в 2 раза, долговечность агрегатов в 2 раза.
-
Научно-методические рекомендации по расчету комплекса гидродинамических и тепло- и массообменных процессов в агрегатах системы теплоснабжения, обеспечивающих выработку теплоты в соответствии с технологическими и санитарно-гигиеническими требованиями, обеспечивающие сокращения сроков проектирования в 1,5-2 раза.
-
Инженерные методики, алгоритмы и программы машинного расчета систем водоподготовки, процесс промывки водогрейных агрегатов,
процесс и агрегаты обезвреживания промывочных растворов, значительно уменьшающие количество экологически вредных сбросов и обеспечивающие экономию газа в 2002 г. на 4-х котлах на сумму 7734900 руб/год и экономию электроэнергии в 2002г. на 4-х котлах на сумму 1574900 руб/год.
-
Практические рекомендации по технико-экономическим и экологическим аспектам теплоснабжения, позволяющие определять соотношение выгод и затрат от внедрения предложений автора, полученные автором патенты на способы закрытия системы централизованного теплоснабжения и обеспечения ее нагрузки, а так же способы приготовления технического моющего средства и обезвреживания промывочных растворов.
-
Синтезированное новое высокоэффективное техническое средство обеспечивает предотвращение вторичной сорбции на обрабатываемой поверхности, достаточно простую утилизацию и нейтрализацию вторичных продуктов реакции, снижение количества и агрессивности примесей в водной среде.
Личный вклад автора. Все основные результаты получены автором лично. Главными из них являются:
-разработка обобщающей научно-технической концепции интегрированного теплоснабжения производств электронной техники и жилищно-коммунального сектора;
-дальнейшее развитие научных представлений о стабильном теплоснабжении и научно-методическом обеспечении процессов работы водоподготовительных агрегатов;
-теоретическая разработка, исследование и внедрение процесса промывки водогрейных агрегатов;
-создание инженерных методик расчетов конструктивно-технологических параметров машин и агрегатов системы теплоснабжения;
- разработка научно-методических рекомендаций по расчету
комплекса гидродинамических и тепло- и массообменных процессов в
агрегатах системы теплоснабжения;
-разработка на основе анализа материального баланса предприятия методики технико-экономического и экологического обоснования предложенных высокоэффективных процессов и схем, обеспечивающих приемлемое соотношение экономических и экологических показателей при соответствии затрат тепловой энергии климатическим условиям и технологическим требованиям производства электронной техники;
- создание технологии очистки отработанного моющего раствора;
- автор диссертации принимал активное участие в разработке
технических условий на ЦТП-1 и проекта (шифр 2390-106 от 25.05.2000)
Центрального теплового пункта (ЦТП-1), методик изготовления и испытаний нового высокоэффективного технического моющего средства (ТУ2332-310-05808-008-98 изм.№1), разработке технического регламента химической промывки водогрейных котлов с использованием ТМС.
Достоверность результатов. Достоверность достигнутых результатов, разработанных физических и математических моделей подтверждена отсутствием противоречий исходных положений известным законам гидродинамики и тепло- и массообмена, обусловлена проверками на адекватность по экспериментальным данным и сравнением со сведениями зарубежных исследователей. Экспериментальные исследования проводились на современном отечественном и зарубежном оборудовании, а также на специально разработанных установках. Адекватность полученных инженерных методик подтверждается аналитическими расчетами и техническими испытаниями. Свидетельством возможности практического применения результатов работы является их успешное использование на многих предприятиях электроники и теплоэнергетики, а также в организациях и службах жизнеобеспечения различных населенных пунктов и при разработке градостроительной документации.
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в следующие объекты и процессы:
-при разработке (в соответствии с техническим заданием МТЭ от 10.10.97) технических условий на ЦТП-1 № 290 от 04.02.2000 и проекта (шифр 2390-106 от 25.05.2000) Центрального теплового пункта (ЦТП-1) в 1-ом Микрорайоне г. Зеленограда, предназначенном для теплоснабжения Центрального конструкторского бюро "Дейтон", ФОК "Импульс", жилых домов №№ 101,106, 107, школ №№ 804, 842, д/сада № 214;
-при промышленном изготовлении в соответствии с ТУ2332-310-05808-008-98 нового высокоэффективного технического моющего средства (ТМС) (новизна защищена патентами №№ 2000103 999/04 (004290)2000, 2185426), внедренного в ОАО "Редкинский опытный завод" Российская Федерация;
-при создании "Основных правил безопасной работы с ТМС (ТУ 2332-310-05808008-98 изм. №1)", при разработке "Технического регламента химической промывки водогрейных котлов (ПТМВ-100, КВГМ-100)", а также в промышленную эксплуатацию при промывке котлов типа ПТМВ-100 и КВГМ-100 на РТС-1, РТС-2, РТС-3, РТС-4 в соответствии с "Методикой химической промывки водогрейных котлов" от 7.09.2002 г;
- в учебный процесс Московского государственного института электронной техники (технического университета) в качестве основы учебно-методических разработок по дисциплинам "Теоретические основы
защиты окружающей среды", "Процессы и аппараты защиты окружающей среды" и "Экономика природопользования и природоохранной деятельности". На защиту выносятся:
обобщающая научно-техническая концепция интегрированной системы централизованного теплоснабжения производств электронной техники и жилищно-коммунального сектора;
теоретические основы перевода централизованного теплоснабжения с открытой на закрытую технологическую схему как научной базы нормализации основных параметров микроклимата в производствах электронной техники и жилом секторе;
научно-методические рекомендации и инженерные методики по расчету и подбору водоподготовительных агрегатов для перевода системы с открытой на закрытую технологическую схему;
математические модели и технологический процесс промывки водогрейных агрегатов, технология и агрегаты обезвреживания промывочных растворов и практические рекомендации по повышению надежности, экономичности и экологичности системы теплоснабжения;
принципы построения и универсальная система автоматизации теплового пункта;
технология синтеза нового высокоэффективного технического моющего средства на основе комбинации сульфатомалеиновой и серной кислот;
методика оценки коррозийного воздействия ТМС на конструкционные материалы котлоагрегатов;
промышленная технология промывки котлоагрегатов;
технико-экономическое и экологическое обоснование схемно-технологических решений, обеспечивающих соответствие затрат тепловой энергии климатическим условиям и требованиям производств электронной техники;
результаты внедрений материалов диссертационной работы при разработке технических условий на ЦТП-1, при промышленном изготовлении нового высокоэффективного технического моющего средства, в процесс промывки котлоагрегатов с применением ТМС на основе сульфомалеинового ангидрида.
Апробация работы. Работа выполнялась в рамках ФЦП «Энергоэффективная экономика» на 2002-2005 годы и на перспективу до 2010 года. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинаре в Российском союзе энергоэффективности (Москва, апрель 1996г.), расширенных техсоветах УТЭХ Правительства Москвы
(февраль, июнь 1997г), выставке-семинаре «Москва-Энергоэффективный город» (Москва, апрель, октябрь 1997г.), международной конференции "Социальные проблемы энергосбережения" (Челябинск, июнь, 1997 г.), международном семинаре "Финансовый инжиниринг" (Санкт-Петербург, июнь, 1997 г.), международной конференции по совместному осуществлению проектов (инициатива США) по вопросам энергосбережения и экологии (Прага, апрель, 1996г.), академических чтениях в Российской академии архитектуры и строительных наук (Москва, июль, 1997 г.), конференции по энерго-сбережению и защите окружающей среды (Копенгаген, август, 1997 г.), XII конференции и выставке «Москва - энергоэффективный город» (Москва, октябрь, 1999г.), на Международной научно-практической конференции «Малая энергетика - 2002» (ноябрь 2002г.), на расширенном заседании кафедры промышленной экологии МИЭТ (Москва, январь 2003 г.),
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 35 опубликованных работах, в том числе получены 4 патента на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 229 наименований и приложений. Общий объем составляет 398 страниц, в том числе 387 страниц основного текста, 76 рисунков, 47 таблиц и 4 приложения.
Похожие диссертации на Разработка концепции, принципов и процессов повышения эффективности интегрированной системы машин, агрегатов и приборов теплоснабжения производств электронной техники
