Автореферат

 

 

Вступ

 

Кризова ситуація пов'язана із зменшенням кількості традиційних енергоресурсів у світі підштовхує учених до пошуку, розробки і впровадження нових енергозберігаючих технологій в усіх сферах життя суспільства. Питання ефективного використання наявного енергетичного потенціалу, як країни, так і окремо взятого регіону стають усе більш актуальними. Обмеженість первинних енергоресурсів гостро відчувається і в нашій країні. Когенерація з часом все активніше впроваджується практично усіма розвиненими країнами світу. Наприклад, в США прийнята програма, метою якої є подвоєння до 2010 року існуючих потужностей когенерації в порівнянні з рівнем 1998 року. Це означає, що до кінця десятиліття буде додатково введено приблизно 46 ГВт.

 

Актуальність роботи

 

Україна відноситься до країн, частково забезпечених традиційними видами первинних енергоресурсів, тому вимушена їх імпортувати. Крім того, наша країна має високу енергоємність виробництва, що значно перевищує показники розвинених країн. Основними видом споживаних енергоресурсів в котельних житлово-комунального господарства являється природний газ, до того ж, проблема надійного і стійкого теплопостачання населення в осіннє - зимовий період має яскраво виражену соціальну спрямованість. Тому можна стверджувати, що для України питання стійкого і енергоефективного розвитку цієї сфери має первинне значення.

Принципи проектування систем теплопостачання, закладені за радянських часів, на сьогодні застаріли. Основні напрями підвищення енергоефективності у сучасному світі такі:

- впровадження систем комбінованого виробництва теплової і електричної енергії в міні-ТЕЦ з використанням когенераційних установок на базі газопоршневих і газотурбінних двигунів;

- використання трансформаторів тепла - теплових насосів в системах вентиляції, опалювання, гарячого водопостачання, а також створення єдиних систем опалювання і кондиціонування будівель;

- оптимізація графіків електроспоживання за рахунок збільшення навантажень в нічний час, у тому числі і для виконання навантажень теплопостачання;

- впровадження систем акумуляції теплової енергії і інші.

Проте умови в Україні істотно відрізняються від інших країн у світі. Тому при проведенні реконструкції систем теплопостачання необхідно враховувати особливості кліматичних умов, характеристики і властивості споживачів, наявність перспективних енергоресурсів та ін. Робота по вдосконаленню теплоенергетичних систем має бути системною.

Більшість сучасних робіт по підвищенню енергетичної ефективності систем теплопостачання носить осередковий характер. Відсутні узагальнювальні критерії, які дозволять знаходити найбільш раціональні рішення, як при модернізації існуючих систем теплопостачання, так і при створенні нових.

Програми шляхів розвитку теплопостачання ґрунтується не на створенні багатофакторних моделей, а лише на аналізі переваг і недоліків тих або інших варіантів, причому більшою мірою якісному, чим кількісному.

Ця робота спрямована на підвищення ефективності використання органічного палива в комунальному господарстві України, підвищення енергетичної безпеки за рахунок визначення умов доцільного впровадження когенерационных технологій.

 

Цілі і завдання дослідження

 

Метою цієї роботи є дослідження можливих схем теплоелектропостачання із застосуванням бака-акумулятора для знаходження найбільш ефективних варіантів модернізації існуючих систем теплоелектропостачання і створення нових. Оцінка ефективності робиться на основі узагальнювальних критеріїв, що дозволяють зробити як якісний, так і кількісний аналіз досліджуваного об'єкту.

Предметом дослідження є система критеріїв, умов і показників, а також методологія, що дозволяють визначати ефективність систем теплопостачання і розробляти рекомендації по їх удосконаленню з використанням когенераційних технологій, з метою зниження споживання паливних ресурсів, підвищення надійності, безпеки теплопостачання, поліпшення стану довкілля та ін.

 

 

Наукова новизна

 

Новизна наукових розробок, що проводяться, полягає в наступному:

 

*        створені принципово нові узагальнювальні критерії ефективності конкретної схеми теплоелектропостачання, що використовується, що дозволяють якнайповніше усебічно оцінити енергетичну і економічну доцільність її застосування з урахуванням усіх впливаючих чинників;

*        вдосконалені принципи і методологія проектування систем теплопостачання;

 

Плановані практичні результати

 

Основними видами навантажень теплопостачання в комунальній сфері є навантаження опалювання і гарячого водопостачання. Вентиляція здійснюється головним чином у сфері виробництва і потрібна для видалення з робочої зони шкідливих утворень. У житлових і громадських будівлях природна вентиляція у вигляді інфільтрації входить в навантаження опалювання.

 

Задоволення навантаження опалювання від ТЕЦ з використанням бака-акумулятора теплової енергії

 

При проектуванні міні-ТЕЦ по задоволенню навантаження теплопостачання електроенергія, що виробляється на ній, частково споживається на власні потреби, а надлишок видається в енергосистему. Видача електричної потужності міні-ТЕЦ в енергосистему в нічний час доби може мати негативні наслідки. Понизити виробництво електричної енергії в нічний час дозволяє устаткування міні-ТЕЦ системою акумуляції теплової енергії в денний час доби. Для більшості існуючих будівель, що мають радіаторну систему опалювання практично єдиним варіантом акумуляції теплової енергії є бак-акумулятор (БА), що представляє з себе ємність з гарячою водою, яка може виконувати навантаження теплопостачання. Гранична температура води в баку 90-95°С. На малюнку 1 представлена принципова схема підключення бака-акумулятора до системи теплоелектропостачання з використанням КГУ.

 

 

Малюнок 1 - Принципова схема включення бака-акумулятора і когенераційної установки

Використання БА спрямовано на збільшення виробництва електроенергії в піковий і напівпіковий періоди добового графіку електричних навантажень і зниження в період нічного мінімуму. Тому зарядка БА здійснюється в години максимальних навантажень енергосистеми в різних режимах роботи ТЕЦ.

Існує чотири основні режими роботи ТЕЦ з КГУ і БА в різних зонах добового графіку :

1.      Режим одночасної видачі теплової енергії в мережу і зарядки бака-акумулятора в години пікових і напівпікових навантажень енергосистеми.

Засувки 3 і 9 закриті, інші - відкриті, а засувка 6 здійснює регулювання температури подачі води відповідно до температурного графіку.

2.      Режим задоволення навантаження опалювання тільки від бака-акумулятора в години нічного мінімуму навантажень енергосистеми.

Засувки 2, 5, 7, 8 - закриті, інші - відкриті.

3.      Режим, коли КГУ здійснює піковий догріває мережевої води після бака-акумулятора в години нічного мінімуму і напівпікових навантажень.

Засувки 2, 5, 9 - закриті, інші - відкриті. Перевагою цього режиму є можливість розрядки бака до температури зворотної мережевої води τ_о2, що підвищує його теплову ємність.

4.      Режим задоволення навантаження опалювання тільки від когенераційної установки в години пікових-напівпікових навантажень енергосистеми.

Залежно від температурного графіку міні-ТЕЦ (95/70 або 84/60) бак-акумулятор може бути спроектований на самостійне виконання навантаження опалювання в нічний час (з 23.00 до 7.00), або на покриття ним частини нічного навантаження опалення, а частини - когенераційною установкою ТЕЦ.

Якщо бак-акумулятор самостійно виконує навантаження опалювання, то гранична температура охолодження бака дорівнює температурі мережевої води в подаючій лінії. У такому разі теплова місткість бака-акумулятора визначатиметься вираженням:

 

, кДж              (1)

 

 

де  - місткість бака-акумулятора, м3;

 - температура води в БА в зарядженому стані °С;

 - температура води в БА в розрядженому стані або у кінці нічного періоду користування, °С;

 - щільність води, середня в інтервалі температур , кг/м³;

с_в - теплоємність води, середня в інтервалі температур , кДж/кг∙К;

Після невеликих перетворень з формули (1) можна виразити величину питомого об'єму бака-акумулятора, яка використовується при його проектуванні на конкретному підприємстві:

 

           (2)

 

де  - відносне теплове навантаження опалювання, що є відношенням поточного навантаження опалювання до розрахункового;

 - період нічного мінімуму, під час якого передбачається здійснення опалювання за рахунок енергії, накопиченій в БА, .

 - температура мережевої води в лінії подачі, °С.

На підставі цього виразу, приймаючи =95°С, побудуємо залежність питомого об'єму бака-акумулятора , необхідного для задоволення навантаження опалювання протягом 8 годин, від відносного теплового навантаження для двох розрахункових температурних графіків 95/70 і 84/60. Ця залежність показана на малюнку 2.

 

 

Малюнок 2 - Залежність питомого об'єму бака-акумулятора від відносного теплового навантаження

Як бачимо, в розрахункових умовах при R=1 і температурному графіку 95/70 одним баком-акумулятором без додаткових джерел неможливо задовольнити необхідне теплове навантаження. Це пов'язано з тим, що максимальна температура води в БА дорівнює температурі мережевої води в лінії подачі теплової мережі. В той же час при зниженому температурному графіку така можливість є. З графіку на малюнку 2 також видно, що при відносному опалювальному навантаженні  значення необхідного питомого об'єму БА для обох температурних графіків систем опалювання практично однакові. А R=0,7 в нашому регіоні відповідає температура зовнішнього повітря t_н=-11°C, температури вище за яку спостерігаються в 90% тривалості опалювального періоду.

Застосування запропонованої схеми акумуляції теплової енергії дозволяє підвищити долю електроенергії, що виробляється в години пікових навантажень до 50%, тоді як за відсутності БА в тепловій схемі ця доля не перевищує 21% (5ч піка/24ч доба=0,2083=21%), що позитивно впливає на економічні показники роботи ТЕЦ. Цінність електроенергії, що виробляється в різний час доби різна. Її оцінюють за допомогою тарифних коефіцієнтів на електроенергію і збільшення їх середньорічного значення відповідає підвищенню ефективності роботи ТЕЦ.

Терміни окупності запропонованої схеми можуть коливатися від 8 до 25 років залежно від об'єму використовуваного БА і співвідношення цін на теплову і електричну енергію. Великий термін окупності пов'язаний також з низьким коефіцієнтом використання встановленої потужності устаткування, що працює на базі виконання опалювального навантаження, значення якого можна підвищити використовуючи ТЕЦ в конденсаційному режимі.

 

Задоволення навантаження гарячого водопостачання від ТЕЦ з використанням бака-акумулятора теплової енергії

 

У системах гарячого водопостачання (ГВС) баки-акумулятори набули широкого поширення. Це пов'язано з тим, що бак-акумулятор бере на себе пікові навантаження ГВС, при цьому джерело теплової енергії продовжує працювати в деякому середньому, постійному режимі. У такому режимі використання бака-акумулятора необхідна потужність джерела визначається не піковими навантаженнями споживачів гарячої води, а середніми, що дозволяє понизити капітальні витрати і підвищити коефіцієнт використання встановленої потужності. Виробництво електроенергії на базі виконання навантаження гарячого водопостачання для такої схеми відбуватиметься в постійному режимі. Таким чином, міні-ТЕЦ конкуруватиме з потужностями, що також виробляють електроенергію в базовому режимі.

Видача електричного навантаження в енергосистему повинна регулюватися відповідно до вимог енергосистеми. А застосування бака-акумулятора доцільне для покриття мінімальних нічних навантажень гарячого водопостачання.

Споживання гарячої води характеризується коефіцієнтами годинної, добової, тижневої і сезонної нерівномірності.

Коефіцієнт годинної нерівномірності споживання гарячої води залежить від характеристики і кількості споживачів, і в більшості випадків коливається від 2,35 до 4,45. Приведений наступний графік добової витрати гарячої води в житловому будинку (малюнок 3).

 

 

Малюнок 3 - Добовий графік витрати гарячої води в житловому будинку

 

Як бачимо, мінімальне споживання гарячої води за добу має місце не лише в нічний час, але і вдень, в години напівпікових електричних навантажень енергосистеми.

Враховуючи, що нічне споживання гарячої води для житлових і громадських будівель в 5-6 разів нижче за пікове, об'єм бака-акумулятора, необхідний для покриття нічних навантажень:

 

                                    (3)

 

де  - теплове навантаження гарячого водопостачання, середнє за нічний період, МВт;

 - температура гарячої води, що запасається в баці-акумуляторі, °С, визначається на підставі нормованого значення з урахуванням запасу, пов'язаного з охолодженням гарячої води в БА і мережі гарячого водопостачання;

 - температура холодної води, °С.

Питомий об'єм бака-акумулятора, що доводиться на 1МВт розрахункового максимального навантаження ГВС, для житлових і громадських будівель буде:

 

 

Оскільки в години ранкового піку енергосистеми споживання гарячої води нижче, ніж в години вечірнього піку, то надлишку теплової потужності когенераційних установок вистачає для необхідної зарядки бака-акумулятора.

Коефіцієнт добової нерівномірності може бути понижений за рахунок збільшення об'єму бака-акумулятора. Тоді теплова енергія, накопичена під час уранішнього "піку" і денного "напівпіку" буде також використана для покриття дефіциту гарячої води, викликаного добовою нерівномірністю. Збільшення об'єму бака-акумулятора також розширює діапазон видачі електричної потужності в енергосистему в години пікових і напівпікових навантажень добового графіку.

Коефіцієнт тижневої нерівномірності витрати гарячої води знаходиться в межах 1,7-2,0. Проте цей коефіцієнт характеризує середньодобове збільшення споживання гарячої води у вихідні і святкові дні і досягається, головним чином, за рахунок значного збільшення споживання в денні години. Таким чином, 20-30% запаса об'єму бака-акумулятора дозволить забезпечити можливий дефіцит потужності КГУ для виробництва гарячої води в години вечірнього піку водоспоживання. Коефіцієнт сезонної нерівномірності, що приймається зазвичай 0,8, враховує зниження споживання гарячої води в літній час.

Таким чином, розрахункова теплова потужність когенераційних установок визначатиметься піковим добовим споживанням гарячої води в зимовий період.

Від значень встановленої теплової потужності когенераційних установок, об'єму бака-акумулятора, а також можливості споживача отримувати гарячу воду від альтернативного джерела, залежить ефективність впровадження когенерації при покритті навантаження гарячого водопостачання.

 

Висновки

 

У роботі виконаний аналіз існуючих методів розподілу витрати палива при когенерації і показані властиві ним недоліки. Запропонований новий метод, в якому вводиться критерій ефективності µ, що є характеристикою конкуруючої альтернативної схеми споживача. При цьому альтернативне джерело відноситься до роздільної схеми виробництва тепла і електроенергії. Запропонований критерій фактично визначає цінність електричної енергії відносно теплової в циклі їх спільного виробництва, а також за умови їх конкурентного використання споживачем.

Виконаний аналіз ефективності виробництва теплової і електричної енергії на ТЕЦ, і представлені аналітичні вирази для визначення економії палива на підставі запропонованої методики.

Крім того, в роботі проаналізовані можливі способи регулювання співвідношення електричній і тепловій потужностей, що видаються ТЕЦ за допомогою баків-акумуляторів. Проведені дослідження теплових схем і показників роботи ТЕЦ з використанням баків-акумуляторів при виконанні різних теплових навантажень. Запропоновані відповідні методики проектування найбільш раціональних схем.

 

 

Література

 

1.     Перспективы применения когенерации в коммунальном  хозяйстве Украины /Колесниченко Н.В., Сафьянц С.М.//Сб. научн. трудов Днепродзержинского ГТУ. Днепродзержинск: ДГТУ.2009

2.     Вариант реконструкции системы централизованного теплоснабжения. /Сафьянц С.М. ,Колесниченко Н.В., Константинов Г.Е//Математичне моделювання. Дніпродзержинськ: ДДТУ - 2007. - № 1(16). – С. 44-47.

3.     Преимущества и недостатки внедрения когенерационных технологий в Украине /Сафьянц С.М. ,Колесниченко Н.В., Константинов Г.Е//Всеук. Науч-техн.журнал «Энергосбережение», №8, с.28-29

4.     К проблеме эффективности использования альтернативных источников энергии в системах теплоснабжения / Колесниченко Н.В. //Сб.трудов V-й  Междуародной конференции «Стратегия качества в промышленности и образовании» 6-13 июня 2009 г.,  Варна, Болгария. – Варна 2009г., Т1с. 592-594

5.     Закон України «Про комбіноване виробництво теплової та електричної енергії (когенерацію) та використання скдного енергопотенціалу» (Відомості Верховної Ради України (ВВР), 2005, N 20, ст.278 )

6.     Методология определения теоретического потенциала энергосбережения на разных уровнях управления экономикой / Н.В. Гнедой, Е.Е. Маляренко // Проблемы общей энергетики. - 2007. -№15.-С.17.

7.     Мала енергетика та її значення в регіональних системах майбутнього / В.Д. Білодід, К.В. Таранець// Проблемы общей энергетики. - 2008. -№18.

8.     www.ukrenergo.energy.gov.ua

9.     http://www.vm-energy.ru/products_vm.html

10.                       http://www.naer.gov.ua

 

При написанні цього автореферату магістерська робота ще не була завершена. Остаточне її завершення відбудеться 1 грудня 2010 р. Текст і матеріали цієї роботи можуть бути отримані у автора або його керівника після цієї дати.