Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ исследований воздушно-теплового режима блочных автоматизированных котельных 15
Глава 2. Параметрическая модель современной автоматизированной блочно-модульной котельной 28
2.1 Общая часть и обоснование необходимости создания параметрической модели 28
2.2 Определение характерных габаритов котлов 28
2.2.1 Сбор и статистическая обработка данных 28
2.2.2 Результаты статистической обработки данных 31
2.3 Условия, определяющие габариты блок-боксов автоматизированных котельных 33
2.3.1 Общие сведения о конструкции блок - бокса 33
2.3.2 Параметры, определяющие длину блок-бокса котельной 34
2.3.3 Параметры, определяющие ширину блок-бокса котельной 39
2.3.4 Параметры, определяющие высоту блок-бокса котельной 40
2.3.5 Уклон кровли как фактор увеличения высоты котельной 44
2.4 Определение габаритов котельной 45
ГЛАВА 3. Физическая и математическая постановка задачи 47
ГЛАВА 4. Методы повышения эффективности автоматизированных бмк за счет оптимизации воздушно теплового режима 57
4.1 Влияние изменения параметров воздушно-теплового режима в помещении БМК на работу котла 57
4.2 Обоснование системы отопления автоматизированных БМК
4.2.1 Кратность воздухообмена в БМК, обеспеченная работой котлов 69
4.2.2 Оценка эффективности применения конвективных приборов для отопления БМК 72
4.2.3 Воздушное отопление БМК з
4.2.4 Экономическое обоснование системы подогрева воздуха и организации вентиляции в автоматизированных БМК 83
4.3 Интенсификация смешения потоков горячего и холодного воздуха 90
4.3.1 Оценка эффективности подогрева приточного воздуха тепловентиляторами. Устройство разделения потоков 90
4.3.2 Разработка промышленного образца. Параметризация геометрической модели устройства расслоения потоков 98
4.3.3 Параметризация геометрической модели устройства расслоения потоков 102
4.4 Способ отопления и вентиляции с применением параллельно направленных потоков 105
4.4.1 Оценка влияния геометрии и расположения приточной решетки 105
4.4.2 Суть способа отопления и вентиляции блочных котельных с применением параллельно направленных потоков 111
4.4.3 Оценка эффективности способа отопления и вентиляции БМК с применением параллельно направленных потоков в сравнении с системой ОВ с перекрестно направленными потоками 1 4.5.1 Определение величины разрежения в помещениях блочно-модульных котельных 120
4.5.2 Оценка применимости естественной вытяжной вентиляции в помещениях БМК 131
Основные результаты и выводы 139
Список литературы
- Сбор и статистическая обработка данных
- Параметры, определяющие ширину блок-бокса котельной
- Кратность воздухообмена в БМК, обеспеченная работой котлов
- Параметризация геометрической модели устройства расслоения потоков
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Приоритетной энергетической стратегией России является снижение удельных затрат на производство энергоресурсов и повышение эффективности их использования за счет применения энергосберегающих технологий. Большая доля потенциала повышения энергетической эффективности относится к сфере улучшения источников теплоснабжения. В больших городах при наличии теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) доля тепла, выработанного водогрейными котельными, может достигать 40 – 60 %, в малых городах и на производствах – до 100 %. Именно малые города, населённые пункты и их производства являются потребителями, для которых автономные источники тепла являются единственным рациональным решением задачи теплоснабжения.
С развитием нефтегазовой промышленности и других отдалённых производств появилась необходимость не просто в децентрализованных, но и транспортабельных, полностью автоматизированных источниках теплоснабжения – блочно-модульных котельных (БМК). Согласно нормативно-технической документации БМК – это котельная, состоящая из блоков технологического оборудования (блок-боксов) полной заводской готовности, конструкция которых обеспечивает возможность передислокации котельной. Способность БМК работать в полностью автоматизированном режиме в экстремальных климатических условиях создает высокие требования к методикам проектирования и оборудованию, применяемому для производства таких котельных.
В настоящее время в практике производства БМК задачи организации
тепловых режимов решаются по аналогии с большеразмерными котельными, не
учитывая конструктивных особенностей БМК. При этом мало внимания
уделяется воздушным потокам, формирующим температурные поля в объёме
помещения. Таким образом, разработка новых методов проектирования и
рекомендаций, позволяющих повысить энергоэффективность
децентрализованных источников тепла, таких, как блочно-модульные автоматизированные котельные, является актуальной задачей теоретических и практических исследований в области теплоснабжения.
Степень разработанности темы диссертации. Работа основана на трудах известных исследователей в области теплогенерирующих установок К. Ф. Роддатиса, А. Н. Полторецкого, В. М. Фокина, Е. Г. Волковыского, Н. Б. Либермана, Ю. Л. Гусева, в области изучения и развития теории воздушных потоков и вентиляции зданий, формирования микроклимата в зданиях различного назначения Г. Н. Абрамовича, П. Н. Каменева, В. В. Батурина, А. В. Нестеренко, С. В. Ульяновского, В. Н. Талиева, В. Н. Богословского, И. Г. Староверова, В. П. Исаченко и др., на исследованиях В. И. Санцевича, Е. Л. Палея, посвящённых конструктивным особенностям БМК и особенностям проектирования котельных с современным оборудованием. К числу наиболее общих и эффективных методов расчета
воздушно-теплового режима в ограниченном объёме, разработанных в нашей стране, относятся работы П. Н. Каменева, В. В. Батурина, М. И. Гримитлина, В. Н. Талиева, В. Н. Богословского.
В существующих работах и в практике производства БМК практически не уделено внимание анализу воздушно-теплового режима ограниченного объёма помещений данных котельных. Для этого необходимо разработать физические и математические модели, учитывающие основные механизмы формирования воздушно-теплового режима БМК, согласующиеся с результатами экспериментальных исследований.
Объект исследования: блочно-модульные автоматизированные котельные, работающие без постоянного присутствия обслуживающего персонала.
Предмет исследования: воздушно-тепловой режим блочно-модульных автоматизированных котельных при работе без постоянного присутствия обслуживающего персонала.
Целью исследования является разработка нового подхода к формированию воздушно-теплового режима в помещениях БМК, обеспечивающего высокоэффективную работу котлоагрегатов и снижающего капитальные и эксплуатационные затраты котельных.
Для достижения поставленной цели в работе необходимо было решить следующие задачи:
оценить эффективность существующих методов отопления и вентиляции
котельных применительно к БМК;
разработать на основе анализа современных жаротрубных котлов
универсальную модель зависимости геометрических параметров здания
блочно-модульной котельной (параметрическая модель) от установленной
тепловой мощности оборудования;
разработать математическую модель воздушно-теплового режима БМК;
выполнить теоретические и экспериментальные исследования влияния
воздушно-теплового режима на эффективность БМК;
на основании анализа и обобщения результатов теоретических и
экспериментальных исследований разработать рекомендации по устройству
систем отопления и вентиляции (ОВ) блочно-модульных котельных.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
впервые разработана параметрическая модель здания блочно-модульной
котельной в зависимости от установленной тепловой мощности котлов;
разработана математическая модель, учитывающая закономерности
формирования воздушно-теплового режима БМК;
впервые получена зависимость, позволяющая определить
воздухопроницаемость ограждающих конструкций БМК по значению
разрежения внутри помещения при работающих котлах;
получена система уравнений для расчета величины разрежения в
помещениях модульных котельных и приведено обоснование недопустимости
использования вытяжной вентиляции с естественным побуждением в БМК.
Теоретическая и практическая значимость исследования заключается в следующем:
сокращается время проектирования и унифицируются объемно-
планировочные решения блок-боксов за счет применения разработанной
параметрической модели здания БМК;
получена возможность определения воздухопроницаемости
ограждающих конструкций БМК по величине разрежения в помещении БМК
без применения специализированного оборудования;
разработанная математическая модель формирования воздушно-
теплового режима БМК является инструментом для оценки эффективности
работы систем ОВ БМК и основой для дальнейших исследований;
при учёте величины разрежения в помещении БМК, полученной по
разработанной зависимости, в процессе проектирования исключается
возможность опрокидывания циркуляции воздуха при эксплуатации;
снижение температурного градиента по высоте помещения, обеспечение
заводского значения КПД котлов, снижение энергозатрат на собственные
нужды котельной, повышение её надежности обеспечивается применением
разработанного способа подачи приточного воздуха с помощью параллельно
направленных воздушных потоков, а также применением устройства для
интенсификации смешения потоков горячего и холодного воздуха.
Методологической основой исследования послужили постулаты о сплошности жидких и газообразных сред, которые первыми в своих работах в качестве допущений были приняты Д’Аламбером и Эйлером, и закономерности, полученные А. Навье, Д. Стоксом, И. Ньютоном, Д. Бернулли, Г. Рихманом и др. В качестве теоретической базы для исследования использованы научные труды в области разработки теплогенерирующих установок и проектирования вентиляции зданий различного назначения. Для решения поставленных в работе задач использованы методы математического моделирования, вычислительные эксперименты, методы обработки информации с помощью программного пакета Microsoft office Excel.
Положения, выносимые на защиту:
математическая модель, описывающая процессы формирования
воздушно-теплового режима в блочно-модульных котельных;
параметрическая модель здания блок-бокса в зависимости от
установленной тепловой мощности котлов;
комплекс инженерных и технологических решений, позволяющих
снизить энергозатраты на собственные нужды котельной и обеспечить
эффективную работу котлоагрегата при отрицательной температуре наружного
воздуха;
зависимость величины разрежения в помещениях БМК от режима работы
котлоагрегата;
алгоритм расчета воздухопроницаемости ограждений БМК по величине
фактического разрежения в помещении котельной.
Степень достоверности результатов. Обоснованность выводов обеспечивается корректной постановкой решаемых в диссертационной работе задач, использованием в работе сертифицированных и верифицированных в соответствии с действующими нормативными документами на территории РФ, программного пакета ANSYS CFX, реализующего метод конечных элементов (МКЭ), численной реализацией поставленных задач и обработкой информации с помощью программного пакета Microsoft office Excel, выполнением экспериментальных исследований с помощью современных апробированных контрольно-измерительных цифровых комплексов; сравнением результатов, полученных численными и экспериментальными методами; сопоставлением полученных результатов с результатами других исследователей.
Личный вклад автора состоит в: получении универсальных аналитических зависимостей конструктивных параметров современных жаротрубных котлов от тепловой мощности котлов; разработке модели воздушно-теплового режима современных БМК; выполнении численных расчетов воздушно-теплового режима современных БМК; разработке метода оценки величины воздухопроницаемости конструкций котельной; подготовке экспериментальной базы для проведения исследований; проведении экспериментов и обработке результатов экспериментальных исследований воздушно-теплового режима БМК; разработке способов и устройств, позволяющих получить эффективную систему ОВ БМК с низкими капитальными и эксплуатационными затратами.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности.
Отраженные в диссертации научные положения соответствуют области исследования (п.1 «Совершенствование, оптимизация и повышение надежности систем теплогазоснабжения, отопления, вентиляции и кондиционирования, методов их расчета и проектирования», п.2 «Технологические вопросы теплогазоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха», п.3 «Создание и развитие эффективных методов расчета и экспериментальных исследований систем теплоснабжения, вентиляции, кондиционирования воздуха, газоснабжения, освещения, защиты от шума») специальности 05.23.03 «Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение» по номенклатуре специальностей научных работников «Технические науки».
Апробация результатов исследования. Доклады по диссертации обсуждались на научных семинарах кафедр промышленной теплоэнергетики и теплогазоснабжения, вентиляции и кондиционирования Тюменского государственного архитектурно-строительного университета, на научном семинаре кафедры теоретической и промышленной теплотехники ЭНИН Томского политехнического университета, а также на следующих конференциях: Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири», г. Тюмень, 2014 г.; Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы архитектуры,
строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири», г. Тюмень, 2015 г.; Международная молодежная научная школа-семинар «Тепломассоперенос в системах обеспечения тепловых режимов энергонасыщенного технического и технологического оборудования», г. Томск, 2015 г.; VI Всероссийская научная конференции с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий», г. Томск, 2015 г.; XV конференция молодых учёных, аспирантов, соискателей и магистрантов ТюмГАСУ, г. Тюмень, 2015 г.
Публикации. По материалам научных исследований опубликовано 7 научных статей. Четыре статьи опубликовано в журналах, индексируемых в ВАК, одна в SciVerse Scopus.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, библиографического списка литературы из 114 наименований и приложения. Диссертация изложена на 155 страницах машинописного текста и содержит 56 рисунков, 26 таблиц и 1 приложение.
Сбор и статистическая обработка данных
Применение автоматизированных блочно-модульных котельных установок в качестве децентрализованного источника тепла является популярным проектным решением в последние 20 лет как в России, так и за рубежом. Сама по себе блочно-модульная котельная является технологичным, компактным оборудованием с высокой степенью автоматизации, (в некоторых случаях полностью автоматизированной), с возможностью дистанционного управления и корректировкой технологических процессов. Увеличение количества БМК является устойчивой тенденцией для городов с развитой системой децентрализованного теплоснабжения, а также для отдаленных производств. Особую популярность данный тип котельных получил в условиях развития нефтегазовой отрасли.
Анализ существующих публикаций показывает, что авторы как технических [91], так и экономических научных работ [53] считают децентрализацию системы теплоснабжения вполне обоснованной [41]. При проработке проектных решений децентрализованной системы теплоснабжения котельные, построенные по принципу модулей полной заводской готовности, являются наиболее рациональным решением [26], [61], [13]. При этом накоплены не только теоретические, но и практические знания. Во многих статьях и публикациях имеются отзывы о положительном опыте применения блочно-модульных котельных [113], [67], [32].
В своей работе Д. В. Лебедев [53] проводит обширное экономическое исследование относительно применения котельных, работающих на биотопливе, уделяя особое внимание высокой экономической рентабельности и перспективности развития именно блочно-модульных конструкций, обращая внимание на следующие отличительные аспекты: – снижение потерь тепла за счет расположения котельной непосредственно у потребителя; – возможность исполнения котельной для любого вида топлива, – высокий уровень автоматизации; – срок осуществления проекта намного ниже, чем у стационарного объекта; – обеспечение поставки котельной «под ключ» с гарантией от производителя. Здание БМК относятся к типу мобильных (инвентарных) зданий. Согласно [85], [21], мобильное (инвентарное) здание или сооружение – это здание или сооружение комплектной заводской поставки, конструкция которого обеспечивает возможность его передислокации, а блок-бокс – это объемный элемент полной заводской готовности.
С точки зрения технологичности современные автоматизированные БМК должны полностью отвечать требованиям по унификации, обладать высоким КПД, низкой степенью загрязнения окружающей среды, транспортабельностью, надёжностью. Для этого при проектировании следует применять высокоэффективные технологические приёмы и оборудование. Данный тип котельных производится на зарубежных и российских предприятиях в различных регионах. Современный уровень производства, внедрения и эксплуатации БМК должен отвечать закону № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности, и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» [78], [10], [55], [89], [90], [102]. К основным характеристикам современных БМК можно отнести [81]: – минимальные габариты, обеспечивающие транспортабельность и низкие капитальные затраты на возведение; – унификацию узлов и составных элементов; – использование современных жаротрубных и водотрубных котлов мощностью до 6 МВт. Данное ограничение обусловлено тем, что котлы большей мощности становятся более габаритными и блок-боксы требуют индивидуальной проработки технических решений; – применение современных моноблочных дутьевых горелок с забором воздуха из помещения котельной [95]; – работу в экстремальных климатических условиях и, как следствие, высокие требования к надежности; – возможность дистанционного управления; – работу без постоянного присутствия обслуживающего персонала; – применение современных алгоритмов управления и безопасности; – применение высокотехнологичного оборудования; – надежность и долговечность.
Главной характеристикой, которая отличает воздушно-тепловой режим БМК от стационарных котельных большой мощности является маленький свободный объем и забор воздуха на горение из помещения котельной. Данные факторы создают высокую подвижность воздуха в помещении котельной [49]. На практике наблюдается большое различие в габаритах зданий и оборудования, выпускаемой для современных БМК, зависящее от установленной мощности котлов. Существует разделение котлов на группы по этому признаку. В своей работе Е.Л. Палей [69] приводит классификацию котлов в зависимости от их мощности: – малой мощности – производительностью до 3,5 МВт; – средней мощности – от 3,5 МВт до 60 МВт; – большой мощности – свыше 60 МВт. Подобная мощностная градация встречается и в других источниках [102], [77], [76]. Выбор данного мощностного диапазона основан на модельном ряде котлов прошлых лет. Компания «Viessmann» предлагает другую классификацию, которая наиболее точно описывает диапазоны мощностей современных водогрейных котлов [63]:
Параметры, определяющие ширину блок-бокса котельной
Согласно классификации [100], блок-боксы модульных котельных относятся к каркасной конструктивной схеме. Каркас, несущий ограждения, является пространственной конструкцией из металлопроката различного профиля. Применение пространственных металлоконструкций обусловлено возможностью изготовления конструкции полной заводской готовности, а также разработкой типовых решений по несущим элементам и узлам блок-бокса [59], что для рассматриваемого типа зданий является определяющим фактором. В качестве стен и перекрытий в современных блок-боксах используются панели типа сэндвич, в которых утеплитель находится между двумя слоями металла, обработанных и защищенных от разрушающих воздействий полимерными покрытиями и краской.
Конфигурация пространственных конструкций каркаса блок-боксов весьма разнообразна. В данном разделе не будут рассматриваться конкретные конструктивные решения. Поскольку целью диссертации является оптимизация воздушно-теплового режима, будет предложен метод определения габаритов блочных котельных, благодаря которому можно оценить такие параметры, как внутренний объем, площадь ограждений, тепловые потери здания, воздухопроницаемость.
Блочная котельная является зданием, состоящим из одинаковых блок-боксов. На практике применяются здания котельных, состоящих из блок-боксов различных размеров, однако такое проектное решение, хоть и является в некоторых случаях обоснованным (например: в случае ограниченного пространства на генплане), но противоречит принципам унификации, стандартизации и увеличивает время на проектирование, поскольку требует частного подхода к блок-боксам различного габарита. В связи с этим в разрабатываемом методе будут рассмотрены только случаи котельных, состоящих из одинаковых блок-боксов. На рисунке 2.1 представлен пример пространственной конструкции блок-бокса. Рассмотрим основные параметры, которые были учтены при разработке параметрической модели здания БМК.
Самые большие габариты в котельной имеет котел, поэтому для оценки минимально требуемой длины блок-бокса будет рассмотрен блок-контейнер габаритами ABH с расположенным внутри котлом габаритами а bh (рисунок 2.2). Согласно нормативной документации минимальное расстояние от задней части котла до стены равняется 1,0 м. Такое же расстояние необходимо соблюдать при размещении котлов, руководствуясь условиями, обеспечивающими удобство обслуживания котла. Для настройки работы горелочного оборудования в процессе пусконаладочных работ необходимо осуществлять измерение параметров отходящих газов и производить оперативную отладку параметров горения. Для этих целей на газоходе котла должен быть предусмотрен штуцер для газоанализатора и свободный проход к дымоходу котла. Анализ рынка котлов показал, что у подавляющего большинства современных жаротрубных котлов с задней части находятся дренажные патрубки, а у некоторых моделей взрывные клапаны газового тракта, которые также требуют обслуживания.
НТД также определяет и минимальное расстояние от фронта котла до стены. Согласно [82], минимальное расстояние от фронта котла до стены в случае сжигания жидкого и газообразного топлива равняется 2,0 м. Важно отметить, что габариты горелки котла также влияют на минимально допустимое расстояние от фронта котла до стены блок-бокса. Согласно НТД оно не должно быть менее 1 м [82]. Кроме данных ограничений необходимо учесть возможность планового обслуживания. У современных жаротрубных котлов очистка дымогарных трубок осуществляется при помощи металлических ёршиков. Передние дверцы котла открываются и осуществляется прочистка. По конструкции передних дверок котлы можно разделить на два типа (рисунок 2.3): у первого типа дверцы открываются, описывая радиус, равный половине ширине котла (b/2), у второго типа передняя дверца открывается целиком, описывая радиус равный ширине котла (b). С точки зрения удобства обслуживания и эксплуатации даже при открытой дверце котла во время его плановой очистки должен сохраняться проход не менее 1 м для беспрепятственного перемещения оборудования и прохода персонала. Исходя из этого минимальное расстояние до стены, необходимое перед фронтом жаротрубных котлов, для удобства ремонта и эксплуатации допустимо принять равным (b+1) м, но не менее чем 2 м, и 1 м перед горелкой.
В случае, если величина (b+1) м является большей, чем расстояние, установленное в НТД, её возможно принимать как минимально необходимую. При разработке данной методики был рассмотрен и другой критерий определения расстояния от фронта жаротрубного котла до стенки блок-бокса. Как отмечалось ранее, для очистки дымогарных труб используется металлический ёршик, который крепится на рукоятку. Рукоятка имеет возможность удлинения с помощью добавления сегментов, что позволяет очистить длину трубок, превышающую расстояние от фронта котла до стены блок-бокса. Число дымогарных трубок котла относительно велико, например, у одной из рассматриваемых моделей трехходового котла мощностью 3 МВт, оно составляет 90 шт., длиной 4,5 м каждая. В случае если расстояние перед котлом значительно меньше, чем длина котла, процесс очистки котла с наращиванием рукояток ершика становится трудоемким, что при отсутствии надлежащего контроля над обслуживающим персоналом может привести к низкому качеству очистки поверхностей теплообмена. Низкое качество очистки поверхностей теплообмена чревато снижением качества работы котла. Производители жаротрубных котлов очень часто определяют минимальное расстояние перед котлом как требование к монтажу своей продукции [97]. Проанализировав требования производителей к размещению котлов было установлено, что от фронта котла до передней стенки блок-бокса принято равным 2/3а
Кратность воздухообмена в БМК, обеспеченная работой котлов
С точки зрения физики процесса, помещение котельной – это объем воздуха сложной геометрии, обусловленной геометрией труб, каркаса блок-бокса, конфигурацией оборудования и т.д. В данном объеме происходит движение воздуха, интенсивность которого зависит от количества воздуха, идущего на горение, и количества воздуха, необходимого для обеспечения общеобменной вентиляции. Количество воздуха, идущего на горение, зависит от многих факторов: количество сжигаемого топлива, его химического состава, коэффициента избытка воздуха и эффективности горелочного устройства. Воздух, идущий на общеобменную вентиляцию, является параметром, зависящим от объема котельной (2.18) и нормативной кратности воздухообмена (согласно НТД, 1 крат для котельных без постоянного присутствия обслуживающего персонала и 3 крата при постоянном присутствии обслуживающего персонала). В теплый период времени требуемая кратность воздухообмена зависит от необходимости ассимиляции теплоизбытков. Оборудование блочно-модульных котельных, обеспечивающее горение и общеобменную вентиляцию, забирает воздух из помещения. Приточная вентиляция подает в помещение котельной воздух в количестве равном суммарному количеству удаленного воздуха. Скорость притока в системах с механическим побуждением для зданий БМК в НТД не ограничена, при естественном притоке (через приточные отверстия в стене) максимальная скорость ограничена величиной 1,5 м/с. При приточной вентиляции с естественным побуждением воздух поступает в помещение котельной под действием разрежения, созданного дутьевыми вентиляторами горелки, системой вытяжной вентиляции и гравитационной разностью давлений. Создаваемый перепад давления способствует и неорганизованному притоку через неплотности ограждающих конструкций. Данная величина характеризуется коэффициентом воздухопроницаемости ограждений. Таким образом, из закона сохранения массы воздушный баланс помещения котельной можно записать в виде: G1 +G3 =G2 +Gобщ.в , (3.1) где G1 – воздух, поступающий через систему приточной вентиляции, кг/ч; G2 – воздух, забираемый на горение, кг/ч; G3 – воздух поступающий не организовано через неплотности ограждений, кг/ч; Gобщ.в – воздух, удаляемый системой общеобменной, кг/ч. Так как помещение котельной является помещением с явными избытками теплоты, то температура в помещении котельной всегда выше температуры снаружи. Теоретически возможны условия, в которых температура наружного воздуха равна среднеобъемной температуре внутреннего воздуха, но практически такой режим маловероятен, а значит поступление наружного воздуха без подогрева в качестве неизотермической затопленной струи характерно для систем ОВ блочно- модульных котельных. Таким образом, формирование температурного режима воздуха характеризуется следующими этапами: приточный воздух с температурой наружного воздуха поступает в систему приточной вентиляции котельной, где происходит его подогрев до минимально требуемой температуры (значение данной температуры определяется техническим обоснованием), далее приточный воздух подается в котельную, где в контакте с теплым внутренним воздухом и нагретыми поверхностями оборудования ассимилирует часть теплоты. Далее часть приточного воздуха поступает на горение, а часть удаляется через общеобменную вентиляцию. Помимо воздуха, поступающего из приточной вентиляции, движение воздушных масс происходит посредством конвективных потоков, образованных у нагретых поверхностей. Уравнение теплового баланса помещения котельной запишется в следующем виде: Qот.кот +Qов.кот +Qизб =Qогр +Qтоп +Qобщ.в , (3.2) где Qот.кот – тепловая мощность на отопление котельной, кВт; Qов.кот – теплота на нагрев приточного воздуха, кВт; Qизб – теплота с поверхности изоляции трубопроводов и арматуры, кВт; Qогр – теплопотери через ограждающие конструкции, кВт; Qтоп – теплота, уносимая с воздухом, идущим на горение, кВт; Qобщ.в – теплота уносимая системой общеобменной вентиляции, кВт.
Все задачи по определению оптимальных воздушно-тепловых режимов БМК, моделируемые в данной работе, рассматривают движение и взаимодействие воздушных масс в трехмерном пространстве. Расчетная область представляет собой геометрический объем, полученный путем 3D моделирования в программной среде AutoCAD. С учетом диапазона скоростей, давлений и температур свойства воздуха при моделировании воздушно-теплового режима котельной будут описываться математической моделью идеального газа [57].
По параметрическим зависимостям, полученным в главе 2, выстраивается геометрия котла и блок-бокса. Далее расчетная область, полученная при 3D -моделировании, переносится в программу генерирования сеток, где геометрия разбивается на конечное число подобластей (элементов). Производится оценка качества сетки и при необходимости осуществляется повторная генерация сетки. После конечной генерации сетки расчетной области задаются начальные и граничные условия, свойства материалов, формируется математическая модель физического процесса, определяется минимальное и максимальное число итераций и требуемая величина сходимости задачи.
Решение поставленных задач осуществляется методом конечных элементов (МКЭ). В каждом из элементов выбирается вид аппроксимирующей функции. В простейшем случае это полином первой степени. Значения функций на границах элементов (в узлах) являются решением задачи и заранее неизвестны. Коэффициенты аппроксимирующих функций обычно ищутся из условия равенства значения соседних функций на границах между элементами (в узлах). Затем эти коэффициенты выражаются через значения функций в узлах элементов. Составляется система линейных алгебраических уравнений. Количество уравнений равно количеству неизвестных значений в узлах, на которых ищется решение исходной системы [15], [87].
Параметризация геометрической модели устройства расслоения потоков
Суть данного способа заключается в применении тепловентиляторов, работающих по принципу тепловой завесы. Приточные решетки с клапанами вентиляционными утепленными (КВУ) устанавливаются согласно НТД позади котла на высоте более 1 м от уровня устойчивого снегового покрова, определяемого по данным гидрометеостанций или расчетом, но не ниже 2 м от уровня земли. Тепловентилятор располагается перпендикулярно направлению приточного воздуха. Забирая воздух из помещения котельной, тепловентилятор нагревает его и потоком горячего воздуха сбивает поток приточного воздуха, нагревая его (рисунок 4.14). Работа тепловентилятора может быть постоянной, обеспечивая регулировку как качественным способом (за счет обвязки данной системы), так и количественным, изменяя расход как греющего теплоносителя (воды), так и нагреваемого (воздух). Регулировка режимов работы осуществляется с помощью датчиков температуры, которые контролируют температуру в помещении котельной.
Данный способ широко применяется в автоматизированных БМК и имеет ряд преимуществ: приток обеспечивается естественным способом; простота и надежность: малое количество элементов, отсутствие большого количества датчиков автоматики. Не требует сложного алгоритма управления: включение и выключение по датчику температуры через общий контроллер управления котельной или через термостат; низкое электропотребление: даже с учетом того, что устанавливается несколько тепловентиляторов их суммарное энергопотребление ниже, чем у приточной установки; не требует дополнительного резервирования; при правильном расположении исключено замерзание, поскольку приточный холодный воздух не проходит через тепловентилятор; низкие капитальные и эксплуатационные затраты.
К минусам данной системы относится: необходимость размещения большой площади приточного отверстия; очень трудно осуществить точную регулировку параметров приточного воздуха; значительное снижение эффективности смешения и подогрева при понижении температуры приточного воздуха. Данное обстоятельство является главным минусом данной системы и ставит под вопрос возможность применения данной системы в условиях низких температур приточного воздуха.
В данном разделе будет рассмотрено экономическое сравнение двух способов воздушного отопления, приведенных в разделе 4.2.3, на примере 4 реальных блочных автоматизированных котельных мощностью 8, 9,45, 12 и 16 МВт, предназначенных для нужд теплоснабжения Юрубчено-Тохомского месторождения, Красноярский край. Для экономического анализа рассмотрим формулу приведенных затрат Института экономики Госстроя (руб./систему ТГВ) [45]: П=1лК+УСэ, (4.14) где П - приведенные затраты, руб./систему ТГВ; К - капитальные затраты на систему, определяемые по отпускной цене фирмы-продавца оборудования, руб., с учетом добавки на накладные расходы 17,3 %, плановых накоплений 6 %, усредненных зимних удорожаний 1,9 %, соц. налогов и налог на дороги 1 %, затрат на монтаж (принимаются 60% от стоимости оборудования для способа № 2, для способа № 1 принимаются равными способу № 2, поскольку обвязка систем идентична); JU - коэффициент учета замены оборудования или материалов в период эксплуатации объекта, принимается равным 1,0 при сроке службы оборудования равным, сроку службы котельной (в среднем 15 лет);
У - коэффициент приведенных затрат на эксплуатацию, равномерно распределенный по годам функционирования объекта до полной смены технологий или назначения объекта (для 15 лет равен 8,9 (таблица 26.2 [45])); С - годовые затраты на эксплуатацию системы, руб./год, определяются по формуле: Сэ=Кк+Кт+Р+А+Сэл+Ст, (4.15) где Кк - затраты на капитальный ремонт, 0,021% от капитальных затрат К, руб./год; Кт - затраты на текущий ремонт (составляют 0,014 от К), руб./год; Р - затраты на реновацию (составляют 0,1 от К), руб./год; А - затраты на управление, зависят от сменности работы (принимаем равным 0, т.к., современные БМК полностью автоматизированы); Сэл - стоимость электроэнергии, руб. за рассматриваемый период, зависит от тарифа на электроэнергию и при заявленной мощности котельной свыше 100 кВт, определяется по двум ставкам основной платы за установленную мощность «а» и дополнительной платы «б» за фактическое электропотребление, в данном сравнении рассчитана по формуле (4.16): СЭЛ=ЦЭЛЫ, (4.16) где Цэл - цена электроэнергии, руб./кВт, в условиях производства электроэнергии на месторождении примем стоимость электроэнергии 4 руб./кВт; N - потребленная электроэнергия, кВт/(рассматриваемый период), определена по формуле: