Содержание к диссертации
Введение
1. Существующие методы оценки эффективности систем распределения геотермальных теплоносителей 23
2. Эксергетический анализ работы изолированного теплопровода 36
Эксергетический к.п.д. теплопровода 37
Влияние различных параметров на эксергетический к.п.д. теплопровода 45
3. Эксергетический метод оценки эффективности систем распределения геотермальных теплоносителей (и примеры его приложения) 47
4. Анализ влияния реальных параметров систем на их термодинамическую эффективность 56
Система распределения теплоносителя с тремя уровнями 56
Система распределения теплоносителя с четырьмя уровнями 58
Система распределения теплоносителя без общего трубопровода .59
Система из двух участков теплопроводов 67
5. Использование полученных результатов для анализа реальных систем распределения теплоносителей 71
Заключение 82
Список литературы
- Эксергетический к.п.д. теплопровода
- Влияние различных параметров на эксергетический к.п.д. теплопровода
- Система распределения теплоносителя с четырьмя уровнями
- Система из двух участков теплопроводов
Введение к работе
Актуальность темы. Большинство геотермальных источников энергии приходятся на низкопотенциальные с температурой теплоносителя до 120° С и расположены в отдаленных от потребителя местах. Использование таких источников для теплоснабжения является актуальной проблемой энергетики. В связи с этим, важным вопросом является транспортировка геотермального теплоносителя на большие расстояния (от источника теплоты - скважины до потребителей) с минимальными тепловыми потерями.
Большой вклад в развитие геотермики и геотермальной энергетики в целом внесли Алхасов А.Б., Амерханов Р.А., Бабаев А.Ю., Бутузов В.А., Васильев В.А., Гаджиев А.Г., Дядькин В.А., Забарный Г.Н., Завьялов С.Ф., Исрапилов М.И., Кутателадзе С.С., Локшин Б.А., Москвичева В.Н., Нако-ряков В.Е., Поваров О.А., Ригер П.Н., Розенфельд Л.М., Султанов Ю.И., Томаров Г.В., Cataldi R., Jund J.W., и др.
Оценка эффективности работы таких систем является актуальной задачей теплоэнергетики. Недостаточная разработанность метода оценки термодинамических, технических и технико-экономических характеристик, отсутствие единой классификации систем геотермального теплоснабжения (СГТ) - крайне усложняют задачи оценки их эффективности.
Вопросы оценки эффективности систем разрабатывали Агаев М.А., Бабаев Л.И., Белан СИ., Бадавов Б.Г., Гаджиев А.Г., Завьялов С.Ф., Исрапилов И.Р., Красиков В.И., Ригер П.Н., Султанов Ю.И. и др. Однако в существующих методах оценки эффективности СГТ не в полной мере используются возможности, в частности, термодинамического анализа. В этих методах не рассматривается также эффективность работы отдельных элементов системы, она оценивается в целом, совместно с потребителями.
Цель диссертационной работы - разработать метод оценки эффективности систем распределения теплоносителей в СГТ на основе принципов термодинамического (эксергетического) анализа и показать его возможности в применении к реальным системам геотермального теплоснабжения.
Основные задачи исследования. В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:
1. Анализ существующих методов оценки эффективности систем распределения геотермального теплоснабжения.
2. Разработка термодинамического метода оценки эффективности систем распределения теплоносителей.
3. Получение теоретических и расчетных зависимостей для определения эксергетической эффективности систем распределения теплоносителей систем разного назначения, структуры, конфигурации и сложности.
4. Анализ влияния реальных факторов на эффективность систем распределения теплоносителей.
5. Анализ реальных систем с использованием разработанного метода (гг. Кизляр, Знаменск, Астрахань)
6. Разработка основных практических рекомендаций.
Объект исследования. Объектом исследования являются системы распределения геотермальных теплоносителей разной структуры, конфигурации и сложности.
Методы исследования. Исследование основано на применении методов термодинамического анализа, апробации полученных теоретических и практических зависимостей, на использовании результатов для анализа возможных практических задач.
Научная новизна результатов исследования. 1. Разработан общий термодинамический метод оценки эффективности систем распределения геотермальных теплоносителей разной конфигурации и сложности.
2. Выявлено влияние реальных факторов на эксергетический к.п.д. систем.
3. Получены и апробированы теоретические зависимости, которые составляют основу для анализа и оптимизации систем и которые апробированы для различных реальных и возможных систем распределения теплоносителей.
Практическая ценность работы состоит в использовании разработанного метода как для оценки эффективности систем геотермального, так и традиционного теплоснабжения. Выявлено влияние реальных факторов на эффективность работы систем, что составляет основу для повышения эффективности систем при их проектировании, эксплуатации и модернизации.
На защиту выносятся:
1. Термодинамические характеристики систем распределения геотермальных теплоносителей.
2. Метод и результаты эксергетического анализа систем распределения геотермальных теплоносителей.
3. Теоретические термодинамические зависимости для определения коэффициентов эффективности систем.
4. Результаты анализа влияния реальных факторов на эффективность работы систем.
5. Рекомендации по повышению термодинамической эффективности систем.
6. Результаты анализа действующих систем в целом.
Использование результатов диссертационной работы. Отдельные результаты диссертационной работы использованы при определении эффективности транзитных тепловых сетей и эффективности систем теплоснабжения в ОАО «ТЭЦ - Северная» (г. Астрахань), ДагТЭЦ ОАО «Даг-Энерго» (г. Махачкала), в Институте проблем геотермии ДагНЦ РАН.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы представлялись ежегодно на научных конференциях АГТУ (2001-2005 гг), на семи нарах кафедры теплоэнергетики АГТУ. Основные положения работы были представлены: на 3 - Международной конференции "Проблемы энерго- и ресурсосбережения в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах" (Пенза, 2002); Международной конференции " Малая энергетика -2002" (Москва, 2002); 4 - Российской конференции "Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности" (Ульяновск, 2003); Международной конференции "Иновации в науке и образовании - 2003" (Калининград, 2003); Международной конференции "Проблемы развития централизованного теплоснабжения" (Самара, 2004), 6- Всероссийская конференция по энергосбережению (Екатеринбург, 2005).
Публикации. По результатам исследования опубликовано 7 работ.
Эксергетический к.п.д. теплопровода
Сопоставление коэффициента использования располагаемой разности температур і по формуле (1) и коэффициента использования располагаемой эксергии тех по (2) при условиях: tBX= var, tc6= ЗО С, to= 0 С
Однако оба эти коэффициента дают только общее, усредненное представление об эффективности системы геотермального теплоснабжения, т.к. в нем скрыты характеристики разнородных элементов системы теплоснабжения. Во первых - это разветвленная система распределения теплоносителя, которая сама состоит из отдельных элементов с различной эффектив ностью. Во вторых - это совокупность потребителей тепловой энергии системы теплоснабжения. Эти потребители весьма разнородны, имеют различную тепловую мощность, различны по виду и по величине потерь теплоты и, что важно для использования зависимостей (1) и (2), различную температуру на выходе (температуру сброса воды) tC6.i Таким образом, величины tcG в формуле (1) и Ехсб в формуле (2) являются не просто усредненными, но и достаточно неопределенными и трудно определяемыми, как при проектировании, так и при эксплуатации систем теплоснабжения.
В работах [45, 47, 108] рекомендуется коэффициент эффективности геотермальной системы теплоснабжения или коэффициент эффективности использования теплоты геотермальной воды в системе теплоснабжения (в обозначениях по [45]): где коэффициент использования располагаемой разности температур, по (1), Z- степень относительного использования максимума нагрузки, - степень относительного увеличения расчетного дебита водозабора, d„- доля пикового догрева теплоносителя в годовом тепловом балансе системы геотермального теплоснабжения. Величины Z и определяются по отдельными формулах и графическими данными в зависимости от продолжительности отопительного сезона, средних за сезон коэффициентов отпуска теплоты для системы отопления и вентиляции, температуры воздуха в помещениях, расчетной и средней температуры воздуха, продолжительности пикового догрева теплоносителя и др.
В качестве примера в [47] приведены примеры расчета коэффициента эффективности двух систем геотермального теплоснабжения при tBX= 65 С, tc6= 40 С, to= 5 С. Получено по формуле (3) - для схем описанных в п.2.1 тг = 0,2 - 0,5, - для открытой двухтрубной геотермальной системы тепло снабжения і = 0,417, т\г = 0,31, - для зависимой системы отопления с пиковым догревом геотермального теплоносителя т\г = 0,446. По данным [45] и Б.А. Локшина (1974 г.) подсчитанные величины цг некоторых других конкретных схем составляют цг = 0,2-0,5.
Таким образом, в рассматриваемой методике на основе коэффициентов і и т\г потери в системе и их структура (по блокам системы) отдельно не рассматриваются. Эффективность системы оценивается в целом. Можно считать, что коэффициент эффективности учитывает потери энергии в системе распределения геотермального теплоносителя, потери во всех потребителях, потери со сбросом воды, потери в связи с особенностями непосредственно схема теплоснабжения и всех особенностей их эксплуатации. Однако анализ на основе показателей і и т\г "... помогает на начальной стадии проектирования получить ответ о целесообразности геотермального теплоснабжения ..." [45] для конкретного объекта и для конкретных условий.
В монографии [45] введено понятие об эксергетическом к.п.д. системы теплоснабжения как отношение лД = ДЕХпол/Ехпл, (4) что принципиально соответствует выражению (2). Здесь Ехпл- эксергия пластовой геотермальной воды, АЕхП0Л- изменение эк сергии непосредственно в системе теплоснабжения.
Выражение для к.п.д. получено с использованием аналогичных условий, учитываемых в формуле (3). В (4) входят:
Здесь іпл., Sn.x- энтальпия и энтропия пластовой геотермальной воды, t2— энтальпия теплоносителя, поступающего в отопительные приборы, і0 , 12 — энтальпия геотермального теплоносителя с температурой, соответствующей отопительному графику, то, тгв/, тг-в." - расходы геотермальной воды на отопление, горячее водоснабжение соответственно зимой и летом, Ті - продолжительность отопительного периода, ф - среднеотопительный коэффициент отпуска теплоты, 0- эксергетическая температурная функция для температуры отапливаемого помещения, Т0 - температура окружающей среды, К, it, Si-энтальпия и энтропия воды, поступающей на горячее водоснабжение, to, So- энтальпия и энтропия воды, окружающей среды, -отношение тепловой нагрузки горячего водоснабжения к расчетной тепловой нагрузке на отопление.
Влияние различных параметров на эксергетический к.п.д. теплопровода
На основании теплового и эксергетического балансов простого участка изолированного теплопровода и его к.п.д. выполнен анализ работы теплопровода с целью изучения влияния параметров и условий использования теплопровода на его эксергетический к.п.д. Для встречающихся в практике широкого диапазона условий получены зависимости к.п.д. от величины тепловых потерь с поверхности изоляции и от их изменения в процессе эксплуатации, от протяженности и диаметра теплопровода, от соотношения потерь эксергии вследствие потерь теплоты и гидравлических потерь, от скорости и расхода теплоносителя и др.
Оценка эксергетического к.п.д. реальных теплопроводов (простых участков систем распределения) показала их существенную зависимость от геометрических, тепловых и гидравлических параметров. Однако потери эксергии вследствие гидравлических сопротивлений при скорости движения теплоносителя до 1,0 - 1,5 м/с малы, и ими в большинстве случаев можно пренебречь. Вопрос об учете этих потерь при высоких скоростях можно решать отдельно в зависимости от их величины. При дальнейшем анализе гидравлические потери не учитывались.
Полученные зависимости t8blx, тех и др. от указанных условий приведены на рисунках 22 (по данным [137]), 23 — 30, а также ниже на рис.39, 53.
Для низкопотенциальных систем распределения теплоносителей, к которым относятся и геотермальные, на гех теплопровода оказывает влияние также температура окружающей среды to. Например, при увеличении to от 0 С до 25 С к.п.д. теплопровода уменьшается на величину до 0,04 от номинального.
Основные результаты анализа заключаются в том, что теплопроводы имеют достаточно высокий эксергетический к.п.д. при номинальных параметрах и условиях, но при их изменении тех может уменьшаться весьма существенно. На это влияют в современных условиях РФ изменение (уменьшение) расхода теплоносителя, увеличение тепловых потерь через изоляцию, изменение длины теплопровода и диаметра. Однако влияние именно на эти параметры при модернизации даст возможность сохранить высокий эксергетический к.п.д.
Результаты анализа работы теплопроводов используются далее при оценке эффективности систем распределения геотермальных теплоносителей в целом.
В качестве примера выполнен анализ эксергетического к.п.д. участков теплопроводов сложной системы теплоснабжения г. Знаменска (Астраханская область). Расход теплоносителя на участках от 1 до 80 кг/с, диаметры труб от 250 до 70 мм. Результаты расчетов представлены ниже в разделе 5 нарис. 56-58.
Метод термодинамической оценки эффективности сложных систем распределения геотермальных теплоносителей разработан на основе эксер-гетического к.п.д. системы в целом - от источника тепловой энергии до ее потребителей:
лех = Ехвых/Ехвх= (Ехвх - ДЕхт)/Ехвх, (29)
где Ехвх - эксергия теплоносителя на входе в систему распределения геотермального теплоносителя, Ехвых - эксергия теплоносителя на выходе из системы распределения теплоносителей, ДЕхт - потери эксергии вследствие потерь теплоты в окружающую среду.
Для начального элемента системы (теплопровод от источника "И" с разветвлением, в частности в качестве примера, на два теплопровода: участки И-1.1.1, 1.1.1-1.2.1 и 1.1.1-1.2.2 на рис.34), являющегося составной частью любой системы распределения, эксергетический к.п.д. получен в виде
В выражение (ЗО) входят эксергетические к.п.д. упомянутых участков теплопроводов и фі.2.і -доля расхода теплоносителя на участке 1.1.1-1.2.1 от общего расхода на участках 1.1.1-.1.2.1 и 1.1.1-1.2.2. Здесь и ниже в индексах: первая цифра — номер ветки системы от источника "И", вторая — номер уровня (точки разветвления) в данной ветке системы, третья — номер данной точки в общем количестве точек данного уровня ветки.
Для произвольного элемента системы такого же состава (например — см. выделенный участок на схеме рис.55) эксергетический к.п.д.: Возможности метода и примеры его применения показаны для следующих систем: рис.31 - система с пятью уровнями ответвлений (двойные и тройные ответвления на уровнях, 9 потребителей); рис.32 - система с девятью уровнями (двойные и тройные ответвления, 17 потребителей); рис.33 - система с четырьмя уровнями (тройные ответвления, 27 потребителей); радиальная, рис.34, - система с тремя трубопроводами от источника, с четырьмя уровнями (двойные ответвления, 24 потребителя); рис.35 -система с шестью уровнями (двойные ответвления, 32 потребителя).
Для этих систем получены необходимые зависимости для эксергети-ческого к.п.д. как в общем виде, формулы (34) - (38), т.е. в форме выражений (30) и (31) без использования температурных функций и параметров, так и в конкретном расчетном виде, т.е. в форме выражений (32) и (33). Зависимости получены для всех элементов (см. выше) рассмотренных систем и для систем в целом.
Эта совокупность схем систем распределения теплоносителей и их элементов содержит практически все сочетания теплопроводов, которые могут встречаться на практике.
С учетом расчетного анализа систем других конфигураций и сложности, выполненного ниже в разделах 6 и 7, можно считать, что метод оценки термодинамической эффективности систем распределения теплоносителей проиллюстрирован практически для всех встречающихся на практике систем.
Система распределения теплоносителя с четырьмя уровнями
Система распределения геотермального теплоносителя с тремя уровнями и с двойным ответвлением в каждой последующей точке системы имеет 4 потребителя (рис.36). В анализе использовалась для оценки влияния перераспределения расходов теплоносителя в теплопроводах на эксер-гетический к.п.д. системы и ее веток.
Характеристики системы: Общий теплопровод (участок И-1.1.1) первого уровня имеет: диаметр 200 мм, длину 3 км, долю расхода теплоносителя во всех ответвлениях ф = 0,5 на номинальном режиме. Трубопроводы второго уровня системы: d = 150 мм, L = 2 км, Трубопроводы третьего уровня: d = 100 мм, L = 1 км. tBX = 100 С - температура теплоносителя на входе в систему (у источника теплоты), to = 5 С - температура окружающей среды, mBX = 18,4 кг/с -массовый расход теплоносителя в системе, о = 0,6 м/с - скорость движения теплоносителя на участке И-1.1.1, qL - нормативные удельные тепловые потери в системе, Вт/м.
Расчеты по (39) выполнены при сохранении общего расхода теплоносителя на систему mBX = const, но при перераспределении расходов в ветках 1.1.1-1.2.1 и 1.1.1-1.2.2 от 0 до 1 в первой и от 1 до 0 во второй, т.е. фі.2.і изменялась от 0 до 1, а (1-фі.2.і) - от 1 до 0. Остальные величины ф оставались равны 0,5.
На рисунке 37 по результатам расчетов видно, что к.п.д. системы в целом не изменяется при изменении расходов теплоносителя по участкам, хотя к.п.д. участков существенно зависят от расхода. На практике это означает, что если изменение расхода имеет постоянный характер, то можно воздействовать на ветку с меньшим расходом так (например, уменьшением диаметра трубопроводов), что к.п.д. системы в целом увеличится.
Система распределения теплоносителя с четырьмя уровнями Система имеет четыре уровня с двойным ответвлением в каждой последующей точке (рис.38).
При анализе использовалась для оценки влияния на к.п.д. системы величины и изменения тепловых потерь, температуры теплоносителя, расхода и скорости теплоносителя и их изменения. Параметры системы: диаметр общего теплопровода И-1.1.1 350 мм, длина 5 км, диаметры трубопроводов соответственно второго, третьего и четвертого уровней 250, 150 и 100 мм, длины - 3, 2, 1 км, доли расходов во всех ответвлениях ф = 0,5 на номинальном режиме, температура на входе 100 С, to = 5 С, mBX = 83 кг/с. Ветки системы геометрически одинаковы.
Результаты анализа на основе зависимости (40) представлены на рис.39 - 44, откуда видно, что, имея высокий эксергетический к.п.д. на номинальном режиме, система испытывает существенное влияние различных факторов, и ее к.п.д. может значительно понижаться в реальных условиях.
Система распределения теплоносителя без общего трубопровода Схема системы соответствует рис.38, но без участка И-1.1.1. При анализе использовалась для оценки влияния на к.п.д. системы изменения расходов и их перераспределения в ветках системы.
Результаты анализа представлены на рис.45 — 48. Там же указаны все необходимые параметры систем. Таким образом, перераспределение расходов в ветках сложной системы весьма существенно отражается на ее эксергетическом к.п.д. Дальнейший анализ эффективности всех участков (теплопроводов системы) позволит разработать мероприятия по восстановлению качества участков.
Система из двух участков теплопроводов
На рис.55 приведена схема системы теплоснабжения от котельной №3 г. Знаменска (Астраханская область). Характеристики системы: mBX = 80 кг/с, общая длина теплопроводов 8,6 км, Количество уровней в системе — 11, количество потребителей 27, количество участков: 1-е диаметром теплопровода 300 мм, 2 - 250 мм, 3-150 мм, 5 - 125 мм, 18 - 100 мм, 16 - 80 мм,
8-70 мм. При условиях tBX = 90 С, t0 = минус 16 С выполнен расчет всех участков (53), как и для системы г. Кизляр (см. выше). Величина эксерге-тического к.п.д. системы по полученной формуле
Результаты расчетов потерь эксергии по их видам по участкам этой системы приведены на рис.56 в объемной форме. Интересны также данные на рис.57 и 58 для участков системы.
Рассмотренные здесь в качестве примера системы имеют достаточно высокий к.п.д. rjex при номинальных условиях. Однако, как показано выше, этот к.п.д. очень существенно зависит от условий использования. Поэтому и в эксплуатации необходим метод оценки термодинамической эффективности систем распределения теплоносителей.
Таким образом, как показано в разделах 6 и 7, результаты изложенные в данной работе, могут использоваться: - при проектировании геотермальных систем с целью достижения высокой эффективности распределения теплоносителей и с целью оптимизации этих систем, - при оценке эффективности систем распределения теплоносителей в эксплуатационных условиях, особенно при необходимости изменения параметров, при модернизации систем и т.п.
Результаты могут использоваться также для оценки эффективности низкопотенциальных систем распределения теплоносителей различного назначения, в том числе и особенно — в теплоснабжении.
В работе кратко изложены общие возможности геотермальной энергетики. Приведены характеристики некоторых систем геотермального теплоснабжения и отмечены особенности этих систем. Особенно с точки зрения основного содержания работы — оценки эффективности их важного блока — систем распределения теплоносителей.
Предлагается классификация низкопотенциальных систем, в которую введен раздел их эффективности по термодинамическим признакам. Показана необходимость разработки методологии оценки термодинамической эффективности. Поставлены задачи создания такой методологии, ее приложений к системам распределения геотермальных теплоносителей (для теплоснабжения) различной структуры, конфигурации и сложности, а также анализа с целью выявления влияния различных факторов (расхода теплоносителя, распределения его потоков, величины удельных тепловых потерь, величины гидравлических потерь, температуры теплоносителя) и показана практическая значимость этих задач.
Разработана методология оценки термодинамической эффективности сложных систем распределения геотермальных теплоносителей, основанная на методах эксергетического анализа. Получены расчетные зависимости для оценки эффективности систем различной структуры и сложности.
Показано влияние различных параметров систем распределения геотермальных теплоносителей на их эффективность для различных систем. При этом как геометрические, так и режимные параметры принимались в диапазонах характерных для реальных систем. Показано, что на эксергети-ческий к.п.д. сложных систем распределения геотермальных теплоносителей оказывают существенное, и часто решающее влияние параметры: диаметр трубопроводов в сочетании с расходом теплоносителей, потери тепловой энергии через изоляцию, изменение расхода при изменении потребления, при регулировании, при подключении и отключении потребителей, изменение температуры окружающей среды. Это подтверждает необходимость и практическую направленность выполненной автором работы. Изложенные результаты могут использоваться при проектировании геотермальных систем теплоснабжения с целью достижения высокой эффективности систем распределения теплоносителей и с целью оптимизации этих систем, при оценке эффективности систем распределения теплоносителей в эксплуатационных условиях, особенно при необходимости изменения параметров систем, при их модернизации и т.п.
Результаты могут использоваться также для оценки эффективности низкопотенциальных систем распределения теплоносителей различного назначения, в том числе в теплоснабжении от ТЭЦ, котельных и др.
Изложенный в разделе метод термодинамической эффективности теплоэнергетических технологий, кроме общего значения, может использоваться и для оценки эффективности геотермальных систем в целом, а также их крупных элементов, участков и т.п.
