Содержание к диссертации
Введение
1. Методические вопросы анализа и синтеза эффективных тепловых схем водогрейных котельных 6
1.1. Общая характеристика водогрейной котельной как теплоэнергетического объекта
1.2. Алгоритм проведения исследования 11
2. Анализ исходной системы водогрейной котельной на основе показателей тепловой и термодинамической эффективности 34
2.1. Исходные режимные параметры модифицируемой водогрейной котельной и анализ проблем ее эксплуатации 34
2.2. Анализ структуры внутренних и внешних связей объекта 41
2.3. Анализ энергетической и термодинамической эффективности водогрейной котельной
3. Основные направления по реструктуризации технологической схемы водогрейной котельной 67
3.1. Переход к двухконтурной схеме отпуска теплоты с использованием интенсифицированного теплообменного оборудования
3.2. Применение труб различной конфигурации в четырехходовых кожухотрубчатых теплообменниках 88
3.3. Стабилизация воды комплексонами 94
3.4. Организация утилизационного подогрева подпиточной воды за счет ВЭР дымовых газов
3.5. Вакуумная дегазация воды жидкостно-газовым эжектором 130
4. Синтез технологической схемы модифицированной водогрейной котельной с улучшенными показателями энергетической, теромодинамическои и технико-экономической эффективности 147
4.1. Режимные параметры модифицированной водогрейной котельной и анализ ее структуры
4.2. Анализ энергетической и термодинамической эффективности синтезированной водогрейной котельной 165
4.3. Анализ технико-экономической эффективности синтезированной котельной установки и ее элементов j у о
Заключение 178
Библиографический список 180
- Общая характеристика водогрейной котельной как теплоэнергетического объекта
- Анализ структуры внутренних и внешних связей объекта
- Применение труб различной конфигурации в четырехходовых кожухотрубчатых теплообменниках
- Анализ энергетической и термодинамической эффективности синтезированной водогрейной котельной
Введение к работе
В настоящее время водогрейные котельные являются одними из основных источников теплоснабжения жилищно-коммунального сектора (ЖКС) и промышленности. В крупных городах доля тепловой нагрузки ЖКС, покрываемой от водогрейных котельных, находится на уровне 40%—60%. В малых городах и крупных поселках городского типа эта доля оказывается существенно выше и достигает 100 %. В промышленности структура теплофикационной нагрузки определяется профилем производства, поэтому доля теплоты, обеспечиваемая водяными тепловыми сетями, может колебаться для различных производств в диапазоне 5-60% [42, 77].
Эффективность теплоснабжения потребителей напрямую зависит от эффективности работы источника теплоты, который имеет сложную структуру и довольно широкий спектр применяемого оборудования. К» сожалению, до настоящего времени разработчики теплоэнергетических объектов сосредотачивались, преимущественно, на совершенствовании основного оборудования и отдельных процессов, оказывая недостаточное внимание разработке эффективных тепловых схем объектов в целом.
Современный уровень развития методов системного анализа и вычислительной техники позволяет проводить исследования объектов высокой степени сложности. Применить данный метод к тепловым схемам котельной - цель настоящего исследования.
Таким образом, целью работы является изучение теоретических и* прикладных аспектов синтеза эффективных схем котельных установок, а также разработка и анализ технических решений, направленных на решение данной задачи.
В качестве объектов исследования рассматриваются технологические схемы котельных установок на базе жаротрубных
водогрейных котлов, а также основные теплопотребляющие элементы, входящие в их состав.
Поставлены следующие задачи исследования:
На основе методов системного анализа исследовать структуру, энергетическую и термодинамическую эффективность действующих котельных установок на базе жаротрубных водогрейных котлов и выявить перспективные направления по их совершенствованию.
Предложить решение научных, технических и методических проблем, возникающих при синтезе усовершенствованной схемы водогрейной котельной.
Поскольку в ходе синтеза энергетически эффективной котельной установки, ее структура, а также режимы работы составляющих ее элементов, могут претерпевать значительные изменения, описать поведение исследуемого объекта в процессе его синтеза в форме расчетных моделей и создать соответствующее программное обеспечение.
4. Разработать практические рекомендации по созданикк
эффективных технологических схем водогрейных котельных на базе
жаротрубных котлов.
Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю - доктору технических наук, профессору Нурбосынову Д.Н. за неоценимые помощь и поддержку, оказанные во время работы над диссертацией, а также сотрудникам института «ТатНИПИнефть» ОАО «Татнефть», принявшим активное участие в обсуждении основных положений диссертации на стадии их разработки, промежуточных и конечных результатов проведенного исследования в процессе их' получения.
Общая характеристика водогрейной котельной как теплоэнергетического объекта
Водогрейная котельная представляет собой теплоэнергетический объект со сложной структурной организацией. В состав котельной могут входить десятки элементов разнотипного оборудования, которые различаются как по целевому назначению, так и по конструктивному исполнению. Кроме этого режим работы котельной как энергетического предприятия находится в прямой зависимости: 1) от режима потребления теплоты присоединенными к ней" потребителями, поскольку характерными особенностями современных систем централизованного теплоснабжения, в качестве источника которых может выступать водогрейная котельная, являются: непрерывность работы; сезонные колебания тепловой нагрузки; неравномерный график теплопотребления (суточный, недельный, месячный, годовой). 2) От организации взаимодействия с внешними системами энергообеспечения, поскольку она потребляет топливо в виде газа, мазута или твердого топлива, электроэнергию на привод нагнетателей, а также, при организации на предприятии утилизационных систем - вторичные энергоресурсы (ВЭР).
Таким образом, поиск эффективных решений по организации тепловых схем водогрейных котельных - сложная задача, требующая проведения всестороннего анализа исходной и синтезируемой системы. В ходе ее реализации обычно выделяются несколько подзадач, каждая из которых может оказать существенное влияние на конечное решение: поиск наилучших режимов работы теплоэнергетического объекта во взаимосвязи с внешними системами энергоснабжения; организация эффективного управления теплоэнергетическим объектом с учетом его внутренней структуры при наложении возмущений, связанных с материальными и энергетическими дисбалансами; минимизация удельных материальных и энергетических затрат на отпуск теплоты продукции; анализ эффективности синтезируемого объекта по выбранному критерию в динамике его развития и т.д.
Сложность поставленной задачи определяется также иерархическим рядом объекта исследования: элемент конструкции - аппарат -»,. установка - агрегат - технологическая система - водогрейная котельная и т.п. Данные объекты различны не только в отношении масштаба, но и по показателям работы - технологическим, энергетическим, термодинамическим, экономическим, экологическим, социальным. При решении задач на определенном уровне иерархии эти показатели доминируют, в других играют второстепенную роль или вводят условия ограничений. Однако, как отмечается в [42], чем выше область анализа в иерархической структуре, тем шире спектр возможных решений. Соответственно возрастает не только сложность поставленной задачи, но и-вероятность нахождения комплекса мероприятий, реально обеспечивающих оптимальные энерго-экономические показатели производственного объединения.
Инструментом поиска и выбора перспективных решений, является сложившаяся к настоящему времени методология анализа и синтеза сложных промышленных и теплоэнергетических систем. Теоретические и прикладные аспекты данной методологии изложены, в частности, в [7, 17, 19, 21-22, 29-30, 34-36, 40-42, 68, 74, 76, 81, 84, 85, 102-104, 109-112, 114, 115,119-122,124,127,132].
С точки зрения системного анализа любая система, в том числе теплоэнергетическая, характеризуется тем, что между ее элементами и их характеристиками существуют устойчивые связи. Это свойство выделяет системы из окружающей среды в виде целостного образования и является ее внешней характеристикой, поскольку система внутренне неоднородна и потому может быть условно разделена на составляющие ее элементы или подсистемы (членима).
Связи системы представляют собой физические каналы, по которым осуществляется обмен между элементами системы, а также самой системы (или отдельных ее элементов) с окружающей средой или другими системами потоками вещества, энергии или информации. Основными характеристиками связей являются их физическое наполнение, направленность, мощность и назначение в системе. Система существует тогда и только тогда, когда мощность вещественных и энергетических связей между ее элементами значительно выше мощности их связей с окружающей средой. Системам свойственна упорядоченность и подчиненность конечной цели. Структура системы - устойчивая упорядоченность в пространстве и времени ее элементов и связей. С целью упрощения анализа и синтеза сложных систем обычно осуществляется расчленение ее на части с указанием связей между ними, т.е. производится структуризация системы. Расчленение может иметь материальную, функциональную, алгоритмическую или иную основу.
Структура системы обычно представляется в виде иерархии. При этом вводится упорядоченность элементов и связей по степени важности, когда степень воздействия на элемент в одном из направлений оказывается гораздо выше, чем в остальных. В рамках исследования водогрейных котельных как сложного теплоэнергетического объекта ее иерархическую структуру целесообразно представить в виде трехуровневой схемы. Этими уровнями являются (от низшего к высшему):
1. Отдельные аппараты, предназначенные для проведения заданного технологическим регламентом процесса - передачи теплоты, восполнения гидравлических потерь, дегазации воды и пр.
2. Блок-узлы или сочетание отдельных аппаратов или процессов (подсистемы), объединенных единой технологической цепочкой. Объекты этой группы характеризуются тем, что в них происходит значительное изменение фазового состояния, состава и концентрации рабочих сред. На ведение процессов требуется значительное количество энергоресурсов различного типа.
3. Тепловая схема котельной. Поиск решений по улучшению энергоэкономических показателей теплоэнергетического объекта здесь может . быть реализован только путем оптимального проектирования и управления всем ее комплексом. С этой точки зрения, объект исследования на данном уровне, можно охарактеризовать как технологическую систему, обеспечивающую заданные показатели энергоемкости конечной продукции - отпускаемой потребителю тепловой энергии.
Анализ структуры внутренних и внешних связей объекта
Структура внешних связей котельной установки, приведена на рис.2.6. Основными статьями прихода энергии являются: теплота сгорания топлива и электроэнергия на привод нагнетательного оборудования (насосов Н1-Н5, дымососа Д на рис.2.1).
Вода, поступающая на подпитку системы, в зависимости от рассматриваемого периода в году может иметь температуру как выше, так и ниже температуры окружающей среды (4-8 С в отопительный период,-большую часть которого температура наружного воздуха находится в области отрицательных значений, и 14-16 С - в летний период, когда температура наружного воздуха не опускается ниже 10 С, а в июне-июле месяце может превышать 30 С).
Основными статьями расхода энергии являются: отпуск теплоты потребителям; сброс теплоты в атмосферу с уходящими газами; потери тепловой энергии вследствие наружного охлаждения теплообменного оборудования и химического недожога топлива в котле; сброс теплоты в атмосферу с газами, отведенными в процессе деаэрации,
В структуре внешних связей исследуемой котельной выявлено наличие транзитных поток тепловой энергии. Их наличие связано с тем, что энергоноситель - горячая вода циркулирует в контуре «котельная установка-потребитель» и ниже уровня 70 С его температура в контуре не опускается, т.е. имеет место остаточное теплосодержание энергоносителя при циркулировании его в контуре. Данное обстоятельство может повлиять на конечные показатели анализа эффективности модифицируемой котельной установки.
Балансовая теплотехнологическая схема установки представлена информационно-балансовой схемой {ИБО) котельной (рис.2.7) и пояснительными таблицами (табл.2.1-2.2).
Принятые решения по декомпозиции исходного объекта представлены на рис.2.8. В связи с тем, что котельная установка не имеет возможности влиять на процессы, происходящие у потребителя, поток 1 должен быть выделен как условно-разрываемый поток. С помощью данной операции размыкается контур 2. Последовательность расчета элементов: грязевик I - узел смешения потоков II - насос III - узел разделения потоков IV - узел смешения потоков XII - потребитель тепловой энергии XIII.
Разрыв потока 8 позволяет разомкнуть 6 контуров: 1, 3, 5, 6, 7, 10. Последовательность расчета элементов с учетом введенной иерархии элементов установки: котел VI - узел разделения потоков VII - подсистема теплоснабжения мазутного хозяйства XXVIII -» узел разделения потоков VIII - узел разделения потоков IX -» рециркуляционный насос X -» узел смешения потоков XII -» потребитель XIII - грязевик I - узел разделения потоков XIV - деаэратор XX - емкость XXII -» насос XXIII - подогреватель химически очищенной воды XIX -» узел разделения потоков XVIII - химводоочистка XVII - подогреватель сырой воды XVI -» узел смешения потоков XXIV - узел смешения потоков II - сетевой насос III -» узел разделения потоков IV - узел смешения потоков V.
Разрывом потока 32 размыкается контур 8. Последовательность расчета элементов: химводоочистка XVII - узел разделения потоков XVIII - подогреватель химически очищенной воды XIX - подогреватель сырой воды XVI.
Разрывом потока 37 размыкается контур 9. Последовательность расчета элементов: деаэратор XX -» охладитель выпара XXI.
Разрывом потока 43 размыкается контур 4. Последовательность расчета элементов: емкость XXVI - циркуляционный насос XXVII -» эжектор XXV. Таким образом, в общем алгоритме расчета котельной установки в ходе проведения аналитических исследований должны быть организованы 5 итерационных процедур, связанных с уточнением параметров условно-разрываемых потоков 1, 8, 32,37,43.
Применение труб различной конфигурации в четырехходовых кожухотрубчатых теплообменниках
В настоящее время для систем отопления и ГВС, в основном, применяются теплообменные аппараты, состоящие из латунных труб диаметром DH /DB=16/14 мм. Эти трубы, как правило, являются гладкими.
Переход на трубы вдвое меньшего диаметра (с 016 мм на 08 мм), что технически вполне выполнимо, в совокупности с использованием какого-либо из методов интенсификации теплообмена (круглых и витых труб с кольцевыми турбулизаторами, спиральных перегородок и т.п.) позволяет в 3,5-5,5 раза уменьшить объем теплообменника. Результаты соответствующих расчетов, выполненных для водо 89 водяного подогревателя отечественного производства, состоящего из 19 гладких труб длиной 1-2 м, а также теплообменника с большей поверхностью, состоящего из гладких труб 0(8/7)мм, и труб того же диаметра с применением различных методов интенсификации теплообмена представлены в табл. 3.3. В той же таблице для сравнения представлены данные пластинчатых теплообменников фирмы «Альфа Лаваль», характеризующихся высокими показателями тепловой эффективности.
Как видно из таблицы, переход на трубы 0 8/7 мм делает трубчатый теплообменник вполне сопоставимым с пластинчатым, даже при отсутствии какой-либо интенсификации теплообмена. Проведенные сравнительные оценки теплообменников показали, что при указанных геометрических характеристиках: тепловая мощность трубчатого теплообменника увеличивается в 1,3-2,2 раза, т.е. в 1,9-3,1 раза больше, чем в пластинчатых теплообменниках, интенсивность теплопередачи увеличивается в 1,47- 3,3 раза. Результаты сравнения по критериям kQ и км представлены нарис. 3.18.
Сравнительная оценка эффективности теплообменников Дрейцер Г.А. [43, 44] показал, что значительную интенсификацию обеспечивает применение витых труб с кольцевыми турбулизаторами [43]. Эти трубы, так же как и чисто витые, собираются в плотноупакованный пучок. Такая конструкция обеспечивает сочетание преимуществ витых трут и труб с кольцевыми турбулизаторами. Первые трубы обеспечивают существенную интенсификацию теплообмена в межтрубном пространстве и поэтому эффективны в аппаратах, где коэффициент теплоотдачи снаружи труб меньше, чем внутри. Вторая конструкция труб обеспечивает существенную интенсификацию теплообмена внутри труб при умеренной интенсификации снаружи и поэтому эффективны в тех аппаратах, где коэффициент теплоотдачи внутри труб меньше, чем снаружи. Витые трубы с кольцевыми турбулизаторами обеспечивают увеличение коэффициента теплоотдачи до 2,5-3 раз как снаружи, так и внутри труб. Это позволяет обеспечить высокую эффективность интенсификации теплообмена в трубчатых аппаратах при любых соотношениях между коэффициентами теплоотдачи снаружи и внутри труб.
На Бугульминском механическом заводе изготовлены три комплекта четырехходовых кожухотрубных теплообменников (табл.3.4): - теплообменник №1 со стальным кожухом 0200 мм, высота теплообменника 2 м. Трубный пучок изготовлен из гладких латунных трубок 016 мм, количество трубок- 17 шт.; - теплообменник № 2 со стальным кожухом 0200 мм, высота теплообменника 2 м. Трубный пучок изготовлен из латунных трубок 010 мм. Каждая трубка имеет обжимку по всей длине через 30 мм и проволочную навивку по всей длине снаружи (d/D = 0,964); - теплообменник №3 с титановым кожухом 0200 мм, толщиной 1 мм.
Коэффициенттеплопередачи,Вт/(м2-К) 2250 2400 3400 3425 Теплообменник № 3 состоит из плотноупакованного пучка витых труб овального профиля (рис, 3.12). Закрученные витые трубы при сборке в плотноупакованный пучок касаются друг друга в отдельных точках и автоматически обеспечивают дистанционирование трубного пучка без каких-либо дистанционирующих устройств [63, 91, 92]. Концы труб остаются круглыми и вставляются в трубные доски. Внутри труб течение потока винтообразное, снаружи при обтекании потоком межтрубного пространства происходит его существенная дополнительная турбулизация из-за взаимно вращающихся вокруг труб вихрей. При этом существенно интенсифицируется теплоотдача трубы (до 2 раз) и снаружи труб (до 2-3 раз) при умеренном росте гидравлического сопротивления. Оптимальный относительный шаг закрутки t/dQ=6-\2, где d$ - максимальный диаметр.
Значительную интенсификацию обеспечивает применение витых труб с кольцевыми турбулизаторами (рис.3.13), Эти трубы также, как и витые, собираются в плотноупакованные пучки, что позволяет данной конструкции сочетать достоинства витых труб и труб с поперечной накаткой и обеспечить примерно одинаковый эффект интенсификации с обеих сторон теплопередающей поверхности.
Из табл. 3.4 видно, коэффициент теплопередачи теплообменника №3 наиболее приближен к коэффициенту пластинчатого теплообменника (разница меньше 1%), при этом поверхность нагрева теплообменника №3 по сравнению с пластинчатым увеличивается на 16,25%, гидравлическое сопротивление уменьшилось в 2 раза, а массогабаритные параметры уменьшились на 12%.
Анализ энергетической и термодинамической эффективности синтезированной водогрейной котельной
Как видно из табл. 4.8-4.9, затраты на собственные нужды котельной сократились более, чем в три раза. Потери энергии в системе сократились почти в два раза, преимущественно за счет сокращения тепловых выбросов в атмосферу.
Эксергетический КПД системы потерь котельной поднялся приблизительно на 5%, так как уменьшились потери вследствие необратимости тепловых процессов в котле и почти на 6% возросла доля полезных целевых затрат природного топлива.
Поскольку на различных котельных установках возможно применение одного из предложенных мероприятий по усовершенствованию технологических схем, ниже приводится анализ достигаемых экономических эффектов отдельных решений. Расчет ожидаемого годового экономического эффекта произведен в соответствии с РД 39-01/06-000-89 «Методические рекомендации по комплексной оценке эффективности мероприятий, направленных на ускорение научно-технического прогресса в нефтяной промышленности».
Ожидаемый годовой экономический эффект рассчитан путем, сравнения приведенных затрат на осуществление мероприятий за расчетный период по базовому варианту и приведенных затрат на осуществление мероприятий за расчетный период по рассматриваемому варианту.
Эксплуатационные затраты, 7547,30 1795,43 В том числе: амортизационные отчисления; тыс. руб. 99,20 7,97 Классификатор ОФ. расходы на содержание и эксплуатацию оборудования; тыс. руб. 29,76 2,39 расходы на тепловую энергию за отопительный период. тыс. руб. 7418,34 1779,31 Итого: тыс. руб. 8539,35 1869,37 Экономический эффект от внедрения. тыс. руб 6670 В табл. 4.12-4.13 представлены исходные данные результаты ожидаемого годового экономического эффекта от внедрения вертикального теплообменника.
Исходные данные к расчету ожидаемого годового экономического эффекта от внедрения вертикального теплообменника Наименование Единица измерения Базовый вариант Рекомендуемыйвариант(вертикальныйтеплообменник) Примечание Производственная мощность. м3/час 37 37 Годовой расход топлива (газа). тыс. м /год 3174,63 2645,525 Расчет отдела ИСиОинститута«ТатНИПИнефть»
1. Синтез водогрейной котельной, как сложно-структурированного теплоэнергетического объекта, должен проводиться с позиций системного анализа с учетом структуры модифицируемого объекта, а также иерархии составляющих его элементов и подсистем. С этой целью разработан алгоритм проведения системных исследований тепловых схем водогрейных котельных на базе жаротрубных котлов.
2. Для обеспечения надежной бесперебойной работы жаротрубных водогрейных котлов при использовании подпиточной воды со средним и высоким солесодержанием целесообразно переходить на двухконтурную схему теплоснабжения с питанием котлов умягченной водой.
3. Энергетический КПД исходного объекта - действующей водогрейной котельной г. Туймазы, составил 87,5%, эксергетический КПД - 22,8%, что указывает на наличие скрытых резервов по совершенствованию его тепловой схемы. Выявлены перспективные направления по повышению эффективности котельной установки: снижение тепловых выбросов с уходящими газами и уменьшение затрат энергии в виде качественных теплоносителей на собственные нужды котельной.
4. Синтезирована технологическая схема водогрейной котельной, в которой реализованы энергосберегающие мероприятия по снижению скорости солеотложений на поверхностях теплообменного оборудования, утилизации теплоты дымовых газов в контактных теплообменниках, а также принципиально новые методы дозирования комплексонов, подаваемых для умягчения подпиточной воды и ее деаэрации на базе жидкостно-газовых эжекторов с утилизацией теплоты выпара в ТНУ.
5. Энергетический КПД синтезированного объекта повысился до 93,3%, эксергетический КПД - до 27,8%. Таким образом, в объекте достигнута экономия топлива в размере 5,8%), при этом себестоимость отпускаемой теплоты снизилась на 4,7%, а суммарный экономический эффект при отпуске теплоты 104510 ГДж/год составил 2,33 млн. руб./год. Годовая экономия топлива - 1,48 тыс. т.у.т/год
