Полный текст

Работа посвящена актуальности вопроса развития всех отраслей экономики нашей страны в том числе и такой важной отрасли как сельское хозяйство. Развитие этой отрасли связано в отдельных случаях с некоторой спецификой, которая заключается в необходимости (а иногда и исторически сложилось) иметь автономные и удаленные объекты сельскохозяйственного производства. При этом производственные объекты и жилье обслуживающих специалистов вынуждены находятся на некотором удалении от источников центрального (или основного) электро - и теплоснабжения. Это могут быть отдельные фермерские хозяйства или специализированные автономные подразделения крупного предприятия. К ним могут относиться и автономные заготовительные предприятия, и организации.

На протяжении всей истории человечества происходило совершенствование и развитие источников и видов энергии, используемой в производстве и в быту. В последние десятилетия существенно изменились экономические условия эксплуатации теплофикационных систем: увеличилась стоимость топливно-энергетических ресурсов, ужесточились требования к уровню тепловых потерь в системах транспорта теплоты, повысились требования к качеству теплоснабжения потребителей, возросла роль местного регулирования систем теплопотребления, изменились методики оценки экономической эффективности теплофикационных систем. Необходимо пересмотреть саму структуру выбора работы современных систем теплоснабжения.  Это обусловлено как опытом зарубежных стран, показавшим огромные возможности совершенствования систем теплоснабжения, так и кардинально изменившимися экономическими условиями [1].

Потребителей тепловой энергии вполне естественно интересуют вопросы организации экономичного режима теплопотребления. Сегодня эти проблемы актуальны, поскольку очевидна общая тенденция приближения цен и тарифов на энергоносители к мировым. Несмотря на высокую эффективность комбинированного производства тепловой и электрической энергии на ТЭЦ, доля теплофикации в общей выработке тепловой энергии в России снижается. Связано это, прежде всего, с тем, что отечественные системы теплоснабжения эксплуатируются на основе устаревших и малоэффективных технологий, прежде всего — технологий регулирования отпуска теплоты и обеспечения пиковой мощности. Действующие системы централизованного теплоснабжения, как правило, имеют традиционную структуру, состоящую из теплоисточника, тепловой сети и потребителя. Эта структура была разработана в 1950-е годы и существенно не изменялась с момента своего появления.

За прошедшее с тех пор время многие заложенные в основу проектов теплоисточников, систем транспорта теплоты и теплоиспользующих систем концептуальные технические и технологические решения устарели. Это приводит к тому, что тепловая и электрическая энергия, поставляемые от ТЭЦ, нередко стоят дороже, чем энергоресурсы, предлагаемые раздельными энергоисточниками.

           В условиях рыночной экономики потребители органического топлива заинтересованы в рациональном его использовании. По этой причине в последнее время уделяется значительное внимание утилизации вторичных энергетических ресурсов.  Утилизация вторичных энергетических ресурсов позволяет полезно использовать тепло отработавших пара, воды, сгоревших газов и т.п.

     В связи с имеющим износом энергетического оборудования, производящего электрическую и тепловую энергию централизованно, в последнее время много внимания, уделяется строительству локальных источников энергии. Последние создаются в основном на базе поршневых или газотурбинных двигателей. Если наряду с электрической энергией, производимой, например, газовым двигатель-генератором (ГДГ) потребитель, создавая систему утилизации тепла (СУ), использует и тепловую энергию, то речь идет о когенерационной установки (КУ) в составе ГДГ и СУ.   

           Данная работа позволяет рассчитать возможную экономию от утилизации сгоревшего топлива и сделать вывод о целесообразности строительства локального источника энергии с системой утилизации вторичных энергетических ресурсов еще на этапе предварительного планирования строительства. При этом учитывается и специфика работы КУ и потребителя.

     Система отопления должна покрывать потери тепла (теп­лопотери) помещениями через ограждающие конструкции, т. е. через стены, окна, двери, пол, потолок. Эти теплопотери неизбежны, когда температура внутри помещения выше температуры наружного воздуха или смежных помещений. Раз­меры этих потерь зависят от коэффициента теплопередачи, площади ограждающих конструкций, сопри­касающихся с наружным воздухом, и разности температур воздуха внутри помещения и снаружи.

В общем виде количество тепла, ккал/ч, передаваемого через плоскую стенку из более нагретого помещения,

                                                                                                                             (1)

где   k—коэффициент   теплопередачи   через   стенку, ккал/ч м^{2 o}C;

        F-площадь стенки, м²;

       t_в и t_н -соответ­ственно температура внутри помещения и наружного

       воз­духа, °С.    

Теплопотери здания при этом вычислены по соответствующим формулам для различных видов гражданских и промышленных зданий в которых учтены материалы стен, их размеры, географическое расположение здания, а также определены по формулам с учетом степени остекления наружных стен здания, площадь наружных стен, входных проемов и т.д. Однако та­кой расчет довольно трудоемок.

      Поэтому расчет необходимой теплоты для объекта - потребителя или их группы обозначенное как Q_потр можно рассчитать с достаточной точностью по формуле:

                                                                                                                 (2)                                

где Q_потр - теплопотери потребителем, ккал/ч; (при наличии группы потребителей берется сумма теплопотерь от этих потребителей)

      q_о - удельная тепловая   характеристика, ккал/ч м^{3 о}С (берется из

       соответствующих документов) оценочно из таблицы 1;

      V - объем здания потребителя , м³ (по наружному обмеру определяется

      расчетом);

      а—коэффициент, учитывающий изменение удельной тепловой

      характеристики зданий в зависи­мости от расчетной температуры

      наружного воздуха, (оценочно из таблицы 2);

      t_в - температура в нутрии помещения ^оС, зависит от назначению помещения

    (жилое, производственное и т.д.) и берется из соответствующих документов

    (оценочно из таблицы 3);

     t_н - температура наружного воздуха ^оС,  зависит от климатической зоны

      эксплуатации помещения и берется из документов по климатологии

     (оценочно из таблицы 4)

Таблица 1

Усредненные удельные тепловые характеристики жилых и

общественных зданий при расчетной температуре наружного

воздуха - 30 °С, ккал/(ч  м³  °С)

Average specific thermal characteristics of residential and public buildings at the

design outdoor temperature - 30 °C, kcal/(h m³ °C)

Таблица 2 

Значения коэффициента «а»

Values of the "a" coefficient

Таблица 3

Температуры воздуха внутри помещения,

зависящие от назначению помещения,  ^оС,

Air temperatures inside the room,

depending on the purpose of the room, °C,

     Температура воздуха внутри помещений должна поддерживаться и обеспечивать хорошее самочувствие находящихся в них людей. Расчетная температура воздуха помещений строго регламентируется действующими СНиПами и зависит от назначения помещения [2].

Таблица 4

Усредненные климатические данные по основным экономическим районам

Average climatic data for the main economic regions

Уточнённые данные по представленным параметрам можно уточнить по соответствующему стандарту – климатология или по метеорологическим данным в конкретном районе.

         Таким образом, пользуясь приведенными выше данными, можно подсчитать теплопотери отдельными зданиями, что дает возможность подобрать необходимые по теплопроизводительности нагревательные приборы.

          Таким образом определили величину теплоты, необходимую для потребителя (здания или группы зданий). Далее необходимо знать тепловые «возможности» КУ. Это определяется с учетом специфики работы КУ и потребителя, которая заключается в том, что вырабатываемая теплота КУ от ДГ (или ГДГ) зависит от электрической мощности поршневого двигателя, т.е. с увеличением электрической нагрузки на ДВС увеличивается и величина вырабатываемой тепловой мощности СУ. При этом максимальная величина тепловой мощности соответствует номинальной электрической мощности КУ.

       Тепло Q_ку , которое можно получить от когенерационной установки в составе ДГ и СУ определяется как

 ,                                        (3)

   где Q_ку  - суммарная величина теплоты от СУ КУ;

          Q_м  - количество теплоты утилизируемой от масла ДВС;

          Q_охл - количество теплоты утилизируемой от охлаждающей жидкости

          ДВС;

          Q_г -  количество теплоты утилизируемой от выхлопных газов ДВС.

  Имея график электрических нагрузок на КУ (представлен на рисунке 1) определим количества тепла, вырабатываемое системой утилизации за этот промежуток времени. На i – итом режиме работы КУ мы имеем – количества тепла в зависимости от электрической нагрузки:

                                                                                    (4)

Тогда, суммарное количества тепла на  i – итом режиме работы КУ определим как:

                                                                                             (5)

         Зная или прогнозируя температуру наружного воздуха, величину теплопотерь здания в определённый отрезок времени, изменение электрической нагрузки на КУ тогда имеется возможность рассчитать и сравнить величины необходимой теплоты потребителю и вырабатываемую теплоту от СУ КУ. Данная отводимая теплота от КУ должно использоваться в первую очередь и если ее не хватает для отопления конкретного объекта, то необходимо иметь дополнительный источник тепла - пиковый котел. Об этом было более подробно рассмотрено в статье «Расширение возможности работы когенерационных установок», опубликованной в данном журнале, но номерами ранее.  Кроме этого используя программный продукт [3] можно провести анализ таких расчетов, но для вполне конкретной КУ с дизель  - генератором мощностью 630 кВт и двигателем 6ЧН 21/21.

_________ электрическая нагрузка ДГ   DG Electrical Load

_ _ _ _ _ _ _ тепловая нагрузка СУОТ   heat load of the OSH management system

Рис. 1. Изменение электрической и тепловой нагрузки

двигателя - генератора в течение суток (условный пример)

Rice. 1. Change in the electric and thermal load of the engine-generator during the day (conditional example)

  В работе [4] приведены режимы работы различных энергетических установок в том числе и дизель – генераторов различного назначения.

  В составе КУ с двигателем – генератором 6ГЧН 21/21 электрической мощностью 500 кВт, можно получить такую же величину тепловой мощности.  В состав СУ этой КУ входит блок утилизации компоновка и общий вид которого представлена на рисунке 2, а общий вид КУ на объекте эксплуатации представлена на рисунке 3.

Более подробные и детальные проработки КУ с двигателем 6ЧН21/21, мощностью 500 кВт газового и дизельного 520 кВт, позволяющих повысить их эффективность применения представлено в работе [5].

Рис. 2. Компоновка блока утилизации теплоты ГДГ 500,

А – эскиз компоновки блока утилизации теплоты,

Б – общий вид блока утилизации теплоты

Rice. 2. Layout of the heat recovery unit GDG 500,

A – sketch of the layout of the heat recovery unit,

B – general view of the heat recovery unit

1 – выход выхлопных газов из водо – газового теплообменника; 2 – водо – газовый теплообменник; 3 – расширительный бак; 4 – сервопривод газовой заслонки; 5 – рама блока утилизации; 6 – вход выхлопных газов в водо – газовый теплообменник; отвод 7 и 8 подвод воды от контура потребителя; 9 – водяной насос; 10 – водо – водяной теплообменник контура потребителя; 11 - водо – водяной теплообменник контура утилизации.

Таким образом, разработанный алгоритм расчета теплоты совместной работы КУ и потребителя с учетом специфики работы КУ в составе ДГ (или ГДГ) и СУ, переведенный на ЭВМ, для обеспечения объекта теплом от системы утилизации тепла КУ позволяет:

- значительно сократить время расчета обеспечения объекта теплом от системы утилизации тепла ДГ (или ГДГ), а также варьируя значениями, входящими в этот расчет, дает возможность подобрать рациональные параметры теплообменного оборудования, входящего в СУ;

- получить исходные данные для заказа (расчета) теплообменного оборудования, входящего в СУ;

- ввести в алгоритм системы автоматики приоритетность использования тепла от СУ;

- разработать алгоритм и техническое задание на систему автоматики КУ в составе поршневого ДВС и его СУ непосредственно связанных с объектом потребления тепла;

- рассчитать экономический эффект на стадии проектных предложений или разработки бизнес – плана от применения КУ в составе поршневого ДВС и СУ для отопления объекта потребителя (либо использовать теплоту для других нужд) с учетом климатической зоны эксплуатации объекта и реальных режимов работы ДГ по электрической нагрузки.

Об авторах

Александр Валентинович Разуваев

Автор, ответственный за переписку.
Email: vipdomik@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4593-0653

доктор технических наук, профессор кафедры "Атомная энергетика"

Список литературы

Дополнительные файлы