Содержание к диссертации
СОДЕРЖАНИЕ 2
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 4
ВВЕДЕНИЕ 6
Глава 1 СОСТОЯНИЕ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ КАК ОТРАСЛИ НАРОДНОГО ХОЗЯЙСТВА В РОССИИ 12
1.1 Системы централизованного теплоснабжения 12
1.2 Автономные системы теплоснабжения 15
1.2.1 Организационно-технические и экономические предпосылки развития систем автономного теплоснабжения 15
1.2.2 Конструкции современных котлов для систем автономного теплоснабжения 18
1.2.3 Мотивация разработки двухконтурных котлов 21
1.3 Пути совершенствования систем автономного теплоснабжения...28
1.3.1 Схемы систем автономного теплоснабжения с одноконтурными котлами 28
1.3.2 Схемы систем автономного теплоснабжения с двухконтурными котлами 33
Выводы по главе 1 34
Глава 2 НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЁТА И ЭКСПЛУАТАЦИИ ДВУХКОНТУРНЫХ КОТЛОВ ДЛЯ СИСТЕМ АВТОНОМНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ 35
2.1 Основные характеристики и эксплуатационные качества двухконтурных котлов 35
2.2 Исследование рабочих процессов в двухконтурном котле 41
2.2.1 Анализ рабочих процессов двухконтурных котлов в пароконденсационном и водогрейном режимах 41
2.2.2 Влияние процесса «набухания» воды на мощность пароконденсационных котлов 47
2.2.3 Влияние наличия воздуха в объеме пароконденсационного котла на его производительность 52
2.3 Тепловые расчёты двухконтурного котла 63
2.3.1 Физико-математическая модель котла 63
2.3.2 Тепловой расчет первого контура котла 66
2.3.3 Тепловой расчет второго контура котла 70
2.3.4 Особенности расчётов двухконтурного котла на прочность 71
2.4 Конструктивные схемы компоновки двухконтурных котлов 72
2.5 Влияние условий эксплуатации на эффективность работы двухконтурных котлов 77
Выводы по главе 2 90
Глава 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДВУХКОНТУРНЫХ КОТЛОВ 93
3.1 Экспериментальный стенд и методика проведения исследований 93
3.2 Результаты стендовых испытаний и их анализ 98
3.3 Алгоритм управления работой котельной установки с двухконтурными котлами 102
Выводы по главе 3 114
Глава 4 НАДЁЖНОСТЬ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ СИСТЕМ АВТОНОМНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ... 116
4.1 Анализ надежности систем автономного теплоснабжения с двухконтурными котлами 116
4.1.1 Критерии надёжности систем автономного теплоснабжения 117
4.1.2 Расчёт показателей надёжности проточных и двухконтурных котлов 121
4.2 Экологическая безопасность систем автономного теплоснабжения с двухконтурными котлами 134
4.2.1 Экономический эффект повышения экологических показателей 134
4.2.2 Методы снижения выбросов вредных веществ в двухконтурных котлах 138
4.3 Технико-экономические показатели систем автономного теплоснабжения 145
4.4 Внедрение результатов исследований 153
Выводы по главе 4 153
ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ 155
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 157
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 160
ПРИЛОЖЕНИЯ 1
Введение к работе
Важнейшим приоритетом энергетической стратегии России на период до 2020 года, утвержденной Правительством РФ, является снижение удельных затрат на производство энергоресурсов и повышение эффективности их использования за счёт более рационального их потребления и применения энергосберегающих технологий и оборудования [72, 108, 125].
По оценкам специалистов потенциал энергосбережения составляет 40...45 % современного энергопотребления в стране, что эквивалентно 400...480 млн. т у.т. в год [55]. Наибольший потенциал энергосбережения имеется в сфере теплоснабжения, достигающий 40...50 % от всего теплопо- требления страны. Распределяется производство тепловой энергии в настоящее время следующим образом: 72 % - в централизованных источниках теплоснабжения (теплопроизводительностью более 20 Гкал/ч); 28 % - в децентрализованных, в том числе 18 % на автономных и индивидуальных [33].
Процесс теплоснабжения делится на три основные составляющие: производство тепловой энергии; передача теплоты потребителю; потребление тепловой энергии. Для реализации процесса энергосбережения каждая вышеперечисленная составляющая должна иметь максимальную эффективность.
Существует три вида систем теплоснабжения: централизованная (ЦТ); децентрализованная (ДЦТ); индивидуальная (домовая). Под централизованным теплоснабжением понимается одновременное обеспечение теплотой групп потребителей от одной системы, включающей крупную теплогенери- рующую установку (ТЭЦ, ТЭС, котельную), распределительные тепловые пункты, тепловые сети и системы тегаюпотребления с индивидуальными тепловыми пунктами и инженерными системами внутри зданий.
Системы децентрализованного или автономного теплоснабжения обеспечивают потребителей теплотой от местных (автономных) теплогенераторов без тепловых пунктов и протяженных тепловых сетей [109]. Установленная тепловая мощность автономной системы условно принимается не более 20 Гкал/ч (23 МВт) [120]. Индивидуальное теплоснабжение полностью исключает тепловые сети, так как источник теплоты находится непосредственно в помещении.
В последние годы всё шире используется газовое топливо, что позволило более просто решать технические задачи по удовлетворению возросших требований по экологии, по созданию надёжных автоматизированных котельных. Кроме того, через единицу поперечного сечения газопровода перемещается энергии на 4 порядка больше, чем через такую же единицу сечения теплопровода [4].
Анализ работы существующих систем теплоснабжения показал, что в ряде случаев децентрализованные системы экономичнее централизованных. В конце XX и начале XXI веков ЖКХ страны оказалось в близком к катастрофическому состоянию, средний износ фондов достиг 60 % и более. Необходимые ремонтно-восстановительные работы объектов сетей коммунальной инфраструктуры не проводились или осуществлялись в недостаточном объеме; участились крупные аварии, особенно, тепловых трасс, на устранение которых требовались огромные материальные ресурсы. В результате потери произведенной тепловой энергии достигли 40...50 % [36].
Создание новых источников теплоты и тепловых трасс (ТЭЦ, районных котельных) требует больших капитальных вложений и имеет длительный цикл строительства. В результате пропадает экономический эффект от централизованной выработки теплоты. Поэтому ускоренными темпами началось развитие систем автономного теплоснабжения.
Основной фактор низкой эффективности систем ЦТ — это наличие протяженных тепловых трасс, которые являются самым ненадежным элементом систем, на который приходится более 85 % отказов. Надежность и безопасность работы тепловых трасс — одна из важнейших по совокупности показателей, характеризующих их состояние с точки зрения безотказности и живучести при любых обстоятельствах (авария, отсутствие топлива, природные катаклизмы и т.д.)- Согласно данным [100] минимально допустимые показатели вероятности безопасной работы: для источника теплоты Рих. = 0,97; для тепловых сетей Рт с. = 0,9; для потребителя теплоты - Рпх. = 0,99. Факторы, влияющие на значения Ри т , Рт с и Рпт., не зависят друг от друга. Поэтому в целом по системе централизованного теплоснабжения показатель вероятности безопасной работы Р2, зависящий от одновременного проявления этих трех факторов, равен их произведению [100]: Р = Рих- Ртх- Рпт = 0,97-0,9-0,99 = 0,86.
В настоящее время из-за недостаточных капитальных вложений проблема старения оборудования и коммуникаций не решена. Выделяемые средства идут на модернизацию только конкретных частей морально и физически устаревших систем, что не позволяет получить ожидаемый положительный эффект.
Современное теплогенерирующее оборудование, в основном зарубежного производства, предлагаемое сегодня на Российском рынке, в перспективе не сможет найти широкое применение и не даст эффекта, на который можно рассчитывать, исходя из рекламных материалов и паспортных характеристик котлов. Это объясняется следующим. Россия - страна с огромной разветвленной системой теплоснабжения. Чтобы перейти на новые технологии, необходимо перейти на зарубежные показатели водно-химического режима, обеспечить прокладку тепловых трасс изолированными трубами с герметичным покрывным материалом и автоматической системой обнаружения утечек, иметь персонал высокой квалификации, создать эффективные системы авторегулирования тепловой нагрузки и т.д. Полностью воплотить эти условия не представляется возможным.
Современная тенденция развития систем теплоснабжения в России заключается в повышении надежности и эффективности централизованных систем при одновременном широком применении автономных систем теплоснабжения [36, 110]. Она включает: создание автономных источников генерации теплоты; снижение потерь при доставке теплоты потребителю; повышение КПД действующего котельного оборудования; предпочтение двухкон- турным автономным источникам теплоснабжения. Настоящая работа посвящена разработке и созданию современных эффективных систем автономного теплоснабжения.
Целью работы является научное обоснование необходимости разработки, создания, внедрения и развития нового класса двухконтурных водогрейных автоматизированных газовых котлов, отличающихся высокой степенью надёжности при любых условиях эксплуатации и на их основе модульных котельных полной заводской готовности для систем автономного теплоснабжения.
Задачи исследования.
1 Обоснование методики расчёта и выбор конструктивных схем двухконтурных котлов при различных режимах работы с учётом происходящих в объёме котла физических процессов: «набухания» воды, теплопередачи при наличии воздуха и загрязнении теплопередающих поверхностей.
2 Стендовые исследования эффективности работы двухконтурных котлов в водогрейном и пароконденсационном режимах при различных параметрах теплоносителя и конструктивных особенностях. Выбор оптимального варианта способа удаления воздуха из парового объёма двухконтурного котла.
3 Исследование влияния процессов накипеобразования на теплопроиз- водительность и надёжность обычного и двухконтурного котлов.
4 Разработка алгоритма управления автоматизированными модульными котельными с двухконтурными котлами.
5 Анализ методов снижения выбросов вредных веществ в атмосферу и способов повышения экологических показателей двухконтурных котлов.
6 Системный анализ технико-экономических показателей и показателей надёжности систем автономного теплоснабжения с применением одноконтурных и двухконтурных котлов ОАО "Нижегородский машиностроительный завод" (ОАО «НМЗ») на основе результатов авторского надзора в период 10-летней эксплуатации.
Необходимым условием решения указанных основных задач является одновременный анализ и разработка других сопряженных вопросов, определивших структуру и объём диссертации.
Разработка современного, высокоэффективного котельного оборудования выполнялась ОАО «Нижегородский машиностроительный завод» (ОАО «НМЗ») в соответствии с принятой Министерством оборонной промышленности СССР в 1990 г. конверсионной программой по созданию блочных котельных повышенной заводской готовности, предназначенных для обеспечения теплом и горячей водой населённых пунктов сельской местности
Теоретические и экспериментальные исследования проводились в ЦКБ и на специально оборудованном испытательном стенде в цехе ОАО «НМЗ» в период с 1992 г. по 2008 г.
Автор выражает глубокую благодарность профессору, кандидату технических наук, Почётному работнику высшего профессионального образования РФ Хряпченкову Алексею Степановичу и кандидату технических наук Киселёву Валерию Фёдоровичу за помощь при проведении и обработке результатов экспериментальных исследований.
