Автореферат

 

Введение

 

Кризисная ситуация связанная с уменьшением количества традиционных энергоресурсов в мире подталкивает ученых к поиску, разработке и внедрению новых энергосберегающих технологий во всех сферах жизни общества. Вопросы эффективного использования имеющегося энергетического потенциала, как страны, так и отдельно взятого региона становятся все более актуальными. Ограниченность первичных энергоресурсов остро чувствуется и в нашей стране. Когенерация со временем все активней внедряется практически всеми развитыми и развивающимися странами мира. Например, в США принята программа, целью которой является удвоение к 2010 году существующих мощностей когенерации по сравнению с уровнем 1998 года. Это значит, что к концу десятилетия будет дополнительно введено приблизительно 46 ГВт.

 

Актуальность работы

 

Украина относится к странам, частично обеспеченным традиционными видами первичных энергоресурсов, поэтому вынуждена их импортировать. Кроме того, наша страна имеет высокую энергоемкость производства, значительно превышающую показатели развитых стран. Основными видом потребляемых энергоресурсов в котельных жилищно-коммунального хозяйства является природный газ, к тому же, проблема надежного и устойчивого теплоснабжения населения в осеннее - зимний период имеет ярко выраженную социальную направленность. Поэтому можно утверждать, что для Украины вопрос устойчивого и энергоэффективного развития данной сферы имеет первостепенное значение.

Принципы проектирования систем теплоснабжения, заложенные в советское время, на сегодня устарели. Основные направления повышения энергоэффективности в современном мире таковы:

- внедрение систем комбинированного производства тепловой и электрической энергии в мини-ТЭЦ с использованием когенерационных установок на базе газопоршневых и газотурбинных двигателей;

- использование трансформаторов тепла – тепловых насосов в системах вентиляции, отопления, горячего водоснабжения, а также создание единых систем отопления и кондиционирования зданий;

- оптимизация графиков электропотребления за счет увеличения нагрузок в ночное время, в том числе и для выполнения нагрузок теплоснабжения;

- внедрение систем аккумуляции тепловой энергии и другие.

Однако условия в Украине существенно отличаются от других стран в мире. Поэтому при проведении реконструкции систем теплоснабжения необходимо учитывать особенности климатических условий, характеристики и свойства потребителей, наличие перспективных энергоресурсов и др. Работа по совершенствованию теплоэнергетических систем должна быть системной.

Большинство современных работ по повышению энергетической эффективности систем теплоснабжения носит очаговый характер. Отсутствуют обобщающие критерии, которые позволят находить наиболее рациональные решения, как при модернизации существующих систем теплоснабжения, так и при создании новых. Программы путей развития теплоснабжения основывается не на создании многофакторных моделей, а лишь на анализе преимуществ и недостатков тех или иных вариантов, причем в большей степени качественном, чем количественном.

Данная работа направлена на повышение эффективности использования органического топлива в коммунальном хозяйстве Украины, повышение энергетической безопасности за счет определения условий целесообразного внедрения когенерационных технологий.

 

Цели и задачи исследования

 

Целью данной работы является исследование возможных схем теплоэлектроснабжения с применением бака-аккумулятора для нахождения наиболее эффективных вариантов модернизации существующих систем теплоэлектроснабжения и создания новых. Оценка эффективности производится на основе обобщающих критериев, позволяющих произвести как качественный, так и количественный анализ исследуемого объекта.

Предметом исследования является система критериев, условий и показателей, а также методология, позволяющие определять эффективность систем теплоснабжения и разрабатывать рекомендации по их усовершенствованию с использованием когенерационных технологий, с целью снижения потребления топливных ресурсов, повышения надежности, безопасности теплоснабжения, улучшения состояния окружающей среды и др.

 

Научная новизна

 

Новизна проводимых научных разработок состоит в следующем:

 

                созданы принципиально новые обобщающие критерии эффективности конкретной используемой схемы теплоэлектроснабжения, позволяющие наиболее полно всесторонне оценить энергетическую и экономическую целесообразность её применения с учетом всех влияющих факторов;

                усовершенствованы принципы и методология проектирования систем теплоснабжения;

 

Планируемые практические результаты

 

Основными видами нагрузок теплоснабжения в коммунальной сфере являются нагрузки отопления и горячего водоснабжения. Вентиляция осуществляется главным образом в сфере производства и необходима для удаления из рабочей зоны вредных различных образований. В жилых и общественных зданиях естественная вентиляция в виде инфильтрации входит в нагрузку отопления.

 

Удовлетворение нагрузки отопления от ТЭЦ с использованием бака-аккумулятора тепловой энергии

 

При проектировании мини-ТЭЦ по удовлетворению нагрузки теплоснабжения производимая на ней электроэнергия частично потребляется на собственные нужды, а избыток выдается в энергосистему. Выдача электрической мощности мини-ТЭЦ в энергосистему в ночное время суток может иметь негативные последствия. Снизить производство электрической энергии в ночное время позволяет оборудование мини-ТЭЦ системой аккумуляции тепловой энергии в дневное время суток. Для большинства существующих зданий, имеющих радиаторную систему отопления практически единственным вариантом аккумуляции тепловой энергии является бак-аккумулятор (БА), представляющий собой емкость с горячей водой, которая может выполнять нагрузку теплоснабжения. Предельная температура воды в баке 90-95°С. На рисунке 1 представлена принципиальная схема подключения бака-аккумулятора к системе теплоэлектроснабжения с использованием КГУ.

 

 

 

Рисунок 1 – Принципиальная схема включения бака-аккумулятора и когенерационной установки

Использование БА направлено на увеличение производства электроэнергии в пиковый и полупиковый периоды суточного графика электрических нагрузок и снижения в период ночного минимума. Поэтому зарядка БА осуществляется в часы максимальных нагрузок энергосистемы в различных режимах работы ТЭЦ.

Существует четыре основных режима работы ТЭЦ с КГУ и БА в различных зонах суточного графика:

1.     Режим одновременной выдачи тепловой энергии в сеть и зарядки бака-аккумулятора в часы пиковых и полупиковых нагрузок энергосистемы.

Задвижки 3 и 9 закрыты, остальные – открыты, а задвижка 6 осуществляет регулирование температуры подачи воды в соответствии с температурным графиком.

2.     Режим удовлетворения нагрузки отопления только от бака-аккумулятора в часы ночного минимума нагрузок энергосистемы.

Задвижки 2, 5, 7, 8 – закрыты, остальные – открыты.

3.     Режим, когда КГУ осуществляет пиковый догрев сетевой воды после бака-аккумулятора в часы ночного минимума и полупиковых нагрузок.

Задвижки 2, 5, 9 – закрыты, остальные – открыты. Преимуществом данного режима является возможность разрядки бака до температуры обратной сетевой воды τ_о2, что повышает его тепловую емкость.

4.     Режим удовлетворения нагрузки отопления только от когенерационной установки в часы пиковых-полупиковых нагрузок энергосистемы.

 

В зависимости от температурного графика мини-ТЭЦ (95/70 или 84/60) бак-аккумулятор может быть спроектирован на самостоятельное выполнение нагрузки отопления в ночное время (с 23.00 до 7.00), либо на покрытие ним части ночной нагрузки отопления, а части – когенерационной установкой ТЭЦ.

Если бак-аккумулятор самостоятельно выполняет нагрузку отопления, то предельная температура охлаждения бака равна температуре сетевой воды в подающей линии. В таком случае тепловая емкость бака-аккумулятора будет определяться выражением:

 

, кДж              (1)

 

где  - емкость бака-аккумулятора, м³;

 - температура воды в БА в заряженном состоянии °С;

 - температура воды в БА в разряженном состоянии либо в конце ночного периода пользования, °С;

 - плотность воды, средняя в интервале температур , кг/м3;

с_в - теплоемкость воды, средняя в интервале температур , кДж/кг∙К;

После небольших преобразований из формулы (1) можно выразить величину удельного объема бака-аккумулятора, которая используется при его проектировке на конкретном предприятии:

 

           (2)

 

где  - относительная тепловая нагрузка отопления, представляющая собой отношение текущей нагрузки отопления к расчетной;

 - период ночного минимума, во время которого предполагается осуществление отопления за счет энергии, накопленной в БА, .

 - температура сетевой воды в подающей линии, ⁰С.

На основании этого выражения, принимая =95⁰С, построим зависимость удельного объема бака-аккумулятора , необходимого для удовлетворения нагрузки отопления в течение 8 часов, от относительной тепловой нагрузки  для двух расчетных температурных графиков 95/70 и 84/60. Данная зависимость показана на рисунке 2.

 

Рисунок 2 – Зависимость удельного объема бака-аккумулятора от относительной тепловой нагрузки

Как видим, в расчетных условиях при R=1 и температурном графике 95/70 одним баком-аккумулятором без дополнительных источников невозможно удовлетворить необходимую тепловую нагрузку. Это связано с тем, что максимальная температура воды в БА равна температуре сетевой воды в подающей линии тепловой сети. В то же время при пониженном температурном графике такая возможность имеется. Из графика на рисунке 2 также видно, что при относительной отопительной нагрузке  значения необходимого удельного объема БА для обоих температурных графиков систем отопления практически одинаковы. А R=0,7 в нашем регионе соответствует температура наружного воздуха t_н=-11°C, температуры выше которой наблюдаются в 90% продолжительности отопительного периода.

Применение предложенной схемы аккумуляции тепловой энергии позволяет повысить долю электроэнергии, производимой в часы пиковых нагрузок до 50%, в то время как при отсутствии БА в тепловой схеме эта доля не превышает 21% (5ч пика/24ч сутки=0,2083=21%), что положительно влияет на экономические показатели работы ТЭЦ. Ценность электроэнергии, вырабатываемой в различное время суток различна. Её оценивают с помощью тарифных коэффициентов на электроэнергию и увеличение их среднегодового значения соответствует повышению эффективности работы ТЭЦ.

Сроки окупаемости предложенной схемы могут колебаться от 8 до 25 лет в зависимости от объема используемого БА и соотношения цен на тепловую и электрическую энергию. Большой срок окупаемости связан также с низким коэффициентом использования установленной мощности оборудования, работающего на базе выполнения отопительной нагрузки, значение которого можно повысить используя ТЭЦ в конденсационном режиме.

 

Удовлетворение нагрузки горячего водоснабжения от ТЭЦ с использованием бака-аккумулятора тепловой энергии

 

В системах горячего водоснабжения (ГВС) баки-аккумуляторы получили широкое распространение. Это связано с тем, что бак-аккумулятор берет на себя пиковые нагрузки ГВС, при этом источник тепловой энергии продолжает работать в некотором среднем, постоянном режиме. В таком режиме использования бака-аккумулятора необходимая мощность источника определяется не пиковыми нагрузками потребителей горячей воды, а средними, что позволяет снизить капитальные затраты и повысить коэффициент использования установленной мощности. Производство электроэнергии на базе выполнения нагрузки горячего водоснабжения для такой схемы будет происходить в постоянном режиме. Таким образом, мини-ТЭЦ будет конкурировать с мощностями, также производящими электроэнергию в базовом режиме.

Выдача электрической нагрузки в энергосистему должна регулироваться в соответствии с требованиями энергосистемы. А применение бака-аккумулятора целесообразно для покрытия минимальных ночных нагрузок горячего водоснабжения.

Потребление горячей воды характеризуется коэффициентами часовой, суточной, недельной и сезонной неравномерности.

Коэффициент часовой неравномерности потребления горячей воды зависит от характеристики и количества потребителей, и в большинстве случаев колеблется от 2,35 до 4,45. Приведен следующий график суточного расхода горячей воды в жилом доме (рисунок 3).

 

Рисунок 3 – Суточный график расхода горячей воды в жилом доме

 

Как видим, минимальное потребление горячей воды за сутки имеет место не только в ночное время, но и днем, в часы полупиковых электрических нагрузок энергосистемы.

Учитывая, что ночное потребление горячей воды для жилых и общественных зданий в 5-6 раз ниже пикового, объем бака-аккумулятора, необходимый для покрытия ночных нагрузок:

 

                                    (3)

 

где  - тепловая нагрузка горячего водоснабжения, средняя за ночной период, МВт;

 - температура горячей воды, запасаемой в баке-аккумуляторе, ⁰С, определяется на основании нормированного значения с учетом запаса, связанного с охлаждением горячей воды в БА и сети горячего водоснабжения;

 - температура холодной воды, ⁰С.

Удельный объем бака-аккумулятора, приходящийся на 1МВт расчетной максимальной нагрузки ГВС, для жилых и общественных зданий будет:

 

 

Поскольку в часы утреннего пика энергосистемы потребление горячей воды ниже, чем в часы вечернего пика, то избытка тепловой мощности когенерационных установок достаточно для необходимой зарядки бака-аккумулятора.

Коэффициент суточной неравномерности может быть снижен за счет увеличения объема бака-аккумулятора. Тогда тепловая энергия, накопленная во время утреннего «пика» и дневного «полупика» будет также использована для покрытия дефицита горячей воды, вызванного суточной неравномерностью. Увеличение объема бака-аккумулятора также расширяет диапазон выдачи электрической мощности в энергосистему в часы пиковых и полупиковых нагрузок суточного графика.

Коэффициент недельной неравномерности расхода горячей воды находится в пределах 1,7-2,0. Однако этот коэффициент характеризует среднесуточное увеличение потребления горячей воды в выходные и праздничные дни и достигается, главным образом, за счет значительного увеличения потребления в дневные часы. Таким образом, 20-30% запаса объема бака-аккумулятора позволит обеспечить возможный дефицит мощности КГУ для производства горячей воды в часы вечернего пика водопотребления. Коэффициент сезонной неравномерности, принимаемый обычно 0,8, учитывает снижение потребления горячей воды в летнее время.

Таким образом, расчетная тепловая мощность когенерационных установок будет определяться пиковым суточным потреблением горячей воды в зимний период.

От значений установленной тепловой мощности когенерационных установок, объема бака-аккумулятора, а также возможности потребителя получать горячую воду от альтернативного источника, зависит эффективность внедрения когенерации при покрытии нагрузки горячего водоснабжения.

 

Выводы

 

В работе выполнен анализ существующих методов разделения расхода топлива при когенерации и показаны присущие им недостатки. Предложен новый метод, в котором вводится критерий эффективности µ, являющийся характеристикой конкурирующей альтернативной схемы потребителя. При этом альтернативный источник относится к раздельной схеме производства тепла и электроэнергии. Предложенный критерий фактически определяет ценность электрической энергии относительно тепловой в цикле их совместного производства, а также при условии их конкурентного использования потребителем.

Выполнен анализ эффективности производства тепловой и электрической энергии на ТЭЦ, и представлены аналитические выражения для определения экономии топлива на основании предложенной методики.

Кроме того, в работе проанализированы возможные способы регулирования соотношения выдаваемых электрической и тепловой мощностей ТЭЦ с помощью баков-аккумуляторов. Проведены исследования тепловых схем и показателей работы ТЭЦ с использованием баков-аккумуляторов при выполнении различных тепловых нагрузок. Предложены соответствующие методики проектирования наиболее рациональных схем.

 

Литература

 

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  Международной 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 скидного 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 написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное ее завершение состоится 1 декабря 2010 г. Текст и материалы данной работы могут быть получены у автора или его руководителя после этой даты.