Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ,
ТЕПЛОВЫХ СХЕМ И МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МИНИ-ТЭЦ
СИСТЕМ ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ 10
Состояние энергоснабжения в России 10
Источники централизованного энергоснабжения 12
Установки мини-ТЭЦ 14
Общие сведения о мини-ТЭЦ 14
Газотурбинные мини-ТЭЦ 18
Мини-ТЭЦ на базе ДВС 19
Альтернативные источники энергоснабжения 22
Показатели теплофикационных установок 27
Выводы по 1 главе 30
Цели и постановка задач исследования 31
2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛОПЕРЕ-
НОСА ПРИ ЗАРЯДКЕ ТЕПЛОВОГО АККУМУЛЯТОРА 33
Использование баков-аккумуляторов в мини-ТЭЦ 33
Процесс зарядки теплового аккумулятора 35
Оценка максимального значения величины скорости естественной конвекции в трубке 37
Математическая модель процесса нагрева воды в трубке 39
Решение задачи по условиям первого варианта 40
Вычисление констант 44
Решение характеристического уравнения 47
Структурная схема вычислительного процесса идентификации модели 48
Программа идентификации математической модели на ЭВМ 50
Методы покоординатного и наикратчайшего спуска 53
Определение дисперсии воспроизводимости 55
Результаты идентификации математической модели зависимости температуры на конце тепло передаю щей трубки от времени нагрева 56
Расчет температуры воды в баке-аккумуляторе 58
Упрощенная модель нагрева воды в баке 60
Выводы по 2 главе 62
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МИНН-ТЭЦ 63
3.1 Методика испытаний, описание экспериментальной установки, ис
следуемые параметры мини-ТЭЦ 63
Методика проведения испытаний 63
Экспериментальная установка мини-ТЭЦ 65
Исследуемые параметры и схема измерений 67
3.2. Методика обработки экспериментальных данных и планирование
эксперимента 72
Методика обработки экспериментальных данных 72
Уравнения регрессии и проверка их адекватности 75
3.3. Планирование эксперимента для определения тепловых и электри
ческих параметров мини-ТЭЦ 82
Исследование электрических характеристик мини-ТЭЦ 82
Исследование тепловых характеристик мини-ТЭЦ 86
Результаты экспериментальных исследований и их анализ 87
Выводы по 3 главе 97
4. РАЗВИТИЕ МЕТОДИЧЕСКОЙ БАЗЫ ПО РАЗРАБОТКЕ МИНИ-
ТЭЦ И КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО
ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ 98
Общая характеристика режимных параметров мини-ТЭЦ 98
Методика расчета параметров мини-ТЭЦ 99
Электрическая мощность мини-ТЭЦ 99
Тепловая мощность мини-ТЭЦ 101
Расчет состава и количества продуктов сгорания топлива 105
4.3. Анализ опытной мини-ТЭЦ на основе разработанной методики 108
Расчет по предложенной методике 108
Анализ баланса и оценка возможности использования тепла 109
Особенности работы ДВС 114
Сравнительный анализ установок мини-ТЭЦ Ї15
Анализ мини-ТЭЦ на базе газовых двигателей и газодизельгенера-торов 115
Анализ систем охлаждения двигателей 117
4.6. Оценка эффективности мини-ТЭЦ 118
Максимальный теоретический КПД ТЭЦ 118
Оценка реального КПД ТЭЦ 123
4.7. Разработка схем децентрализованного теплоснабжения с использо
ванием мини-ТЭЦ 124
Области применения и схемы автономных мини-ТЭЦ 124
Использование биотоплива для производства энергии на мини-ТЭЦ 130
Технико-экономическая эффективность внедрения мини-ТЭЦ 134
Промышленное внедрение мини-ТЭЦ 136
4.10. Выводы по 4 главе 137
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 138
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 140
ПРИЛОЖЕНИЯ 148
ПРИЛОЖЕНИЕ А 149
ПРИЛОЖЕНИЕБ 150
ПРИЛОЖЕНИЕ В 156
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 159
ПРИЛОЖЕНИЕ Д 161
Введение к работе
Актуальность темы. Традиционные централизованные системы теплоснабжения в настоящее время оказались не в состоянии обеспечивать расчетную тепловую и электрическую нагрузки потребителям. Особенно страдают отдаленные районы, где ситуация с энергоснабжением критическая: электроэнергией они обеспечиваются по графику, наблюдается «веерное» отключение потребителей.
На большинстве Российских ТЭЦ, построенных еще в советское время, износ оборудования составляет более 70%. Как показывают исследования /34,73/, эффективно используется не более 40% производимой энергии, а остальное составляют тепловые и транспортные потери. В тепловых сетях теряется большое количество тепловой энергии, что сводит к минимуму преимущества комбинированной выработки тепла и электроэнергии.
При централизованном теплоснабжении магистральные сети имеют низкую надежность, при аварии на трубопроводе без отопления остаются целые жилые кварталы. Тепловые сети находятся в аварийном состоянии, они перекладываются каждые несколько лет, что требует больших капиталовложений.
Районные котельные, переданные в муниципальную собственность, из-за износа оборудования и отсутствия финансирования работают на неполную нагрузку. Реструктуризация, предпринимаемая крупнейшим производителем и поставщиком электрической и тепловой энергии - РАО «ЕЭС России», не ориентирована на потребителя и не приносит положительного эффекта.
В настоящее время актуальной является проблема тепло- и электрификации объектов от альтернативных источников энергоснабжения, в частности, от мини-ТЭЦ малой и средней мощности /87,41/, обеспечивающих энергией микрорайон, отдельные жилые и административные здания, частные коттеджи. При аварии на таких объектах от энергоснабжения отключаются
лишь некоторые потребители. Использование таких установок позволяет отказаться от протяженных тепловых и электрических сетей, что значительно увеличивает их надежность и снижает стоимость энергоснабжения.
Российский рынок автономных источников электроэнергии и оборудования для мини-электростанций готов удовлетворить любые потребности. Тем не менее, остается проблема выбора и правильного формирования потребительских предпочтений, исходя из поставленных задач и возможностей оборудования.
В настоящее время отсутствуют надежно обоснованные методики, позволяющие рассчитывать тепловые и электрические параметры, не обосновано применение различных схем мини-ТЭЦ в зависимости от соотношения тепловой и электрической нагрузок потребителя. Поэтому разработка надежных математических моделей, методик проектирования мини-ТЭЦ и схем их работы является также актуальной задачей.
Данная работа выполнялась в соответствии с целевой программой ГКНТ и ГОССТРОЯ России, а также с межвузовскими программами «Строительство» по научному направлению: «Разработка систем теп-логазоснабжения с целью экономии ТЭР и защиты окружающей среды от тепловых и вредных газообразных выбросов энергетических установок». Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является повышение эффективности использования мини-ТЭЦ в системах децентрализованного теплоснабжения.
В связи с поставленной целью задачами исследования являются:
на основе математического моделирования обосновать условия применения мини-ТЭЦ для режима совместного производства тепловой и электрической энергии;
разработать математическую модель конвективного теплопереноса при использовании в установках мини-ТЭЦ бака-аккумулятора;
разработать методику расчета тепловой части мини-ТЭЦ;
создать лабораторную модель мини-ТЭЦ и получить ее стендовые экспериментальные характеристики;
разработать перспективные тепловые схемы с применением мини-ТЭЦ для систем децентрализованного энергоснабжения;
уточнить технико-экономическое обоснование эффективности применения мини-ТЭЦ для систем децентрализованного теплоснабжения.
Научная новизна заключается в следующем:
разработана и экспериментально подтверждена математическая модель, описывающая процессы тепло - и массопереноса в элементах мини-ТЭЦ;
разработана методика, позволяющая рассчитать энергетические показатели мини-ТЭЦ, а так же соотношение электрических и тепловых нагрузок;
получены эмпирические зависимости, позволяющие описать процессы производства энергии на мини-ТЭЦ;
приведены схемы мини-ТЭЦ, работающих на нетрадиционных видах топлива;
приведено экономическое обоснование эффективности использования мини-ТЭЦ.
На защиту выносятся:
математические модели для описания процессов тепло - и массообмена при производстве тепловой энергии с использованием бака-аккумулятора;
экспериментальные исследования и полученные в ходе их проведения эмпирические зависимости, позволяющие определять энергетические параметры мини-ТЭЦ при различных нагрузках поршневого двигателя;
методика расчета мини-ТЭЦ;
схемы, позволяющие использовать мини-ТЭЦ в зависимости от соотношений тепловой и электрической нагрузок потребителя.
Обоснованность и достоверность научных результатов, выводов и рекомендаций, содержащихся в работе, подтверждены следующими положениями:
применением фундаментальных законов аэродинамики, тепло - и мас-сообмена для газообразных и жидких сред, подтверждешіьгх статистической теорией и экспериментом;
соответствием результатов лабораторных и натурных исследований и численного эксперимента, выполненных с использованием современных приборов и методов испытаний со степенью достоверности 95%, в том числе теории математической статистики;
одновременным использованием нескольких методов исследований, позволяющих с разных сторон изучить одни и те же процессы и явления, положенные в основу предлагаемых решений.
Практическое значение работы заключается в апробации и внедрении новой методики по разработке принципиальных энергетических схем с применением мини-ТЭЦ в проектных организациях при проектировании источников энергоснабжения.
На основе разработанной методики проектирования мини-ТЭЦ собрана установка, внедренная в Воронежских Тепловых сетях ОАО «Воронежская генерирующая компания».
Результаты диссертации используются в процессе обучения студентов по курсам: «Теплотехника», «Теплогенерирующие установки», «Охрана окружающей среды» и при дипломном проектировании на факультете инженерных систем и сооружений Воронежского государственного архитектурно-строительного университета.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены в 2002 - 2005 гг. на 57-60 научных конференциях и семинарах в Воронежском государственном архитектурно-строительном университете.
По материалам исследований опубликовано 7 научных статей общим объемом 29 страниц. Из них лично автору принадлежит 19 страниц.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и библиографического списка литературы из 95
наименований. Диссертация изложена на 163 страницах машинописного текста и содержит 47 рисунков, 13 таблиц и 5 приложений.
В первой главе на основе анализа литературных источников по результатам исследований, проводимых отечественными и зарубежными учеными, рассматриваются существующие схемы мини-ТЭЦ. Проанализированы существующие методики расчета режимных параметров мини-ТЭЦ. Сформулированы цель и задачи исследования.
Во второй главе дано обоснование применения бака-аккумулятора и приведено математическое моделирование процессов тепло - и массопере-носа в элементах мини-ТЭЦ. Приведены основные дифференциальные уравнения, описывающие процессы тепло - и массопереноса, и их решения. Математическая модель идентифицирована. На основе анализа функции цели доказана адекватность математической модели реальным процессам в элементах мини-ТЭЦ.
В третьей главе приведены результаты испытаний экспериментальной мини-ТЭЦ, исследованы ее энергетические показатели. На основе регрессионного анализа получены уравнения регрессии, адекватно описывающие энергетические процессы, происходящие в узлах мини-ТЭЦ. На основе теории планирования эксперимента бьши исследованы факторы, влияющие на производство электрической и тепловой энергии.
В четвертой главе разработана методика тешюбалансового расчета поршневых мини-ТЭЦ, получены зависимости, позволяющие рассчитать энергетические показатели. Исследованы соотношения тепловых и электрических нагрузок мини-ТЭЦ, работающих на номинальном режиме, при создании их на основе серийно выпускаемых в настоящее время двигателей внутрешіего сгорания. Разработаны схемы использования мини-ТЭЦ в зависимости от характера нагрузок потребителя и места его расположения. Проведена оценка экономической эффективности внедрения мини-ТЭЦ.
