THE EFFICIENCY OF HEATING SYSTEMS CHP

Full Text

Известно, что основные затраты электроэнергии в тепловых сетях ТЭЦ связаны с работой сетевых насосов. Например, расходуемая мощность сетевых насосов Самарской ТЭЦ (всего около 30 насосов) составляет 18 145 кВт, из которых 8 040 кВт теряется у потребителей теплоты, 1915 кВт - на подогревателях и пиковых котлах, 850 кВт - в трубопроводах, 7340 кВт - на регуляторах давления и задвижках (распределение затрат мощности получено на компьютерной модели теплосети Самарской ТЭЦ) [1]). Анализ полученных на модели результатов позволяет заключить, что затраты мощности на преодоление потерь напора в трубопроводах относительно невелики и практически находятся в пределах нормативных величин. Сопротивления подогревателей и пиковых котлов превышают их паспортные значения, однако их доля в общих потерях мощности относительно невелика. Относительно велика доля затрат мощности на регуляторах давления и регулируемых задвижках. Основные причины состоят в применении повышенных мощностей, а также в нерациональных схемах их использования и регулирования. Как показывают результаты расчетов на компьютерной модели, практически на всех насосах имеется избыточный напор на выходе, который гасится соответствующими задвижками. Могут быть следующие пути уменьшения этих потерь: 1) следует максимально (в пределах рабочей характеристики) загружать параллельно работающие насосы, уменьшая их число; 2) вместо регулировки выходного давления перепуском (или дросселированием) применять обточку рабочих колес (с целью уменьшения их диаметра) либо использовать привод насосов с регулируемой частотой вращения электродвигателей. Каждое из этих мероприятий рассмотрим более подробно. В ряде случаев число параллельно работающих насосов на один тепловой вывод избыточно. Покажем, что замена одного работающего насоса несколькими (такой же мощности) параллельно включенными приводит к увеличению потребляемой мощности при сохранении давления и расхода среды на выходе [2, 3]. Допустим, что характеристика насоса задана соотношением (1) где - напор, создаваемый насосом, м; - подача насоса, м3/ч; - напор, создаваемый насосом при закрытой на выходе задвижке, то есть при , м; - гидравлическое сопротивление насоса. Потребляемая насосом мощность (без учета КПД насоса) будет равна (2) где - мощность, кВт; - плотность перекачиваемой жидкости, кг/м3; g = 9,81 м/с2 - ускорение силы тяжести. Формула (2) с учетом (1) будет (3) Соотношение (3) представляет собой уравнение параболы относительно расхода . На рис. 1 приведена кривая зависимости расхода от мощности, построенная по формуле (3) (см. кривую 1). В точке А, где подача = , наблюдается экстремум, соответствующий максимальной мощности =. Из формулы (3) следует, что расход в точке В = . Если использовать параллельно включенных насосов, сохранив их суммарную подачу, равную, то подача каждого из насосов будет , а потребляемая ими суммарная мощность . Рис. 1. Зависимость потребляемой насосом мощности от его подачи: 1 - по формуле (3); 2 - кривая КПД насоса; 3 - зависимость действительной (реальной) потребляемой мощности от расхода По сравнению с одним насосом потребляемая мощность возрастает на величину кВт. В качестве примера рассмотрим случай, когда насос СЭ-2500-180, перекачивающий 2500 м3/час воды, заменяется двумя такими же насосами. Увеличение потребляемой мощности составит кВт. Эта избыточная мощность должна быть погашена за счет потерь на задвижках напорных линий насосов, поскольку необходимо сохранить неизменным давление воды на выходе. Увеличение потребляемой мощности относительно невелико. Однако следует учесть, что расчеты выполнены без учета КПД насосов, который, во-первых, всегда меньше единицы, а во-вторых, с уменьшением подачи уменьшается (кривая 2 на рис. 1). Реальная кривая потребляемой мощности дана на рис. 1 (кривая 3). Согласно ей даже при закрытой на выходе насоса задвижке () эта мощность не только не уменьшается до нуля, как это следует из теоретической формулы (3), а составляет довольно значительную величину (мощность холостого хода). Например, для насоса СЭ-2500-180 в соответствии с его паспортной характеристикой она составляет около 600 кВт. Следовательно, реальные затраты мощности при замене одного насоса несколькими параллельно включенными возрастут более значительно по сравнению с затратами по вышеприведенному расчету. Таким образом, по возможности следует уменьшать число параллельно работающих насосов, максимально нагружая их в пределах рабочей области характеристики. В ряде случаев для ограничения давления перед сетевым подогревателями и пиковыми котлами напор насосов регулируется путем перепуска части сетевой воды из напорного коллектора на всасывающий с помощью регулятора давления. Среди известных схем регулирования насосов регулирование перепуском считается наименее экономичным. Регулирование дросселированием, хотя и не является оптимальным, более экономично по сравнению с регулированием перепуском. На рис. 2 приведены характеристики насоса и сети для этих двух методов регулирования. В исходном состоянии насос имеет расход и создает напор , что соответствует точке 0 на рабочей характеристике. Уменьшить подачу до можно или прикрывая задвижку на напорной линии, или перепуская часть воды из напорной линии во всасывающую. В первом случае рабочая точка смещается в положение 1. Разность напоров соответствует сопротивлению задвижки. Потребляемая мощность при этом уменьшается до . Во втором случае рабочая точка занимает положение 2. Расход воды через насос будет равен . В сеть подается вода в количестве , а разность циркулирует через насос, дополнительно нагружая его. Потребляемая насосом мощность в этом случае равна . Как видно из приведенной схемы, < , то есть метод регулирования перепуском менее экономичен по сравнению с регулированием задвижкой. Рис. 2. Регулирование давления на выходе из насоса путем перепуска и дросселирования С использованием компьютерной модели теплосети Самарской ТЭЦ были выполнены исследования совместной работы параллельно соединенных насосов с регулируемым и нерегулируемым приводом [4]. Эти исследования позволили сделать следующие выводы. При использовании одного насоса с регулируемым приводом в системе нескольких параллельно соединенных насосов экономия затрачиваемой мощности происходит только на этом насосе. На всех насосах с нерегулируемым приводом расход при этом возрастает. Один насос с регулируемым приводом, установленный в группе параллельно работающих насосов, позволяет выполнять регулирование расхода теплоносителя в сети в диапазоне расхода, развиваемого данным насосом. При этом экономия мощности при использовании насоса с регулируемым приводом по сравнению с регулированием задвижкой зависит от величины расхода через него. Конкретный пример экономии мощности в зависимости от расхода через насос с регулируемым приводом для системы, состоящей из шести параллельно работающих насосов СЭ-2500-130, приведен на рис. 3. В табл. 1, 2 представлены результаты исследований, полученные для двух вариантов регулирования расхода - задвижкой на выходе одного из насосов (табл. 1) и путем применения регулируемого привода для этого же насоса (табл. 2). Параметром регулирования являлось давление на выходном коллекторе, которое в процессе работы поддерживалось постоянным и равным 145 м вод. ст. Анализ полученных результатов позволяет заключить, что максимальная экономия мощности наблюдается в диапазоне расходов от 200 до 3500 т/час. Отметим, что кривая экономии мощности, приведенная на рис. 3, построена на основе данных табл. 1, 2. Рис. 3. График зависимости экономии мощности от расхода через насос с регулируемым приводом Таблица 1 Регулирование задвижкой Число оборотов, мин Полезная мощность, кВт Затрачиваемая мощность, кВт Напор на входе, м Напор на выходе (до задвижки), м Расход, м3/час Потеря мощности на задвижке, кВт Суммарный расход в сети, м3/час 3000 971 1 197 56 276 1 641 715 21 060 3000 1 193 1 417 53 244 2 316 624 21 570 3000 1 225 1 600 49 198 3 072 485 22 110 3000 1 032 1 600 47 152 3 686 64 22 560 3000 120 710 63 310 180 568 20 010 Таблица 2 Использование регулируемого привода Число оборотов, мин Полезная мощность, кВт Затрачиваемая мощность, кВт Напор на входе, м Напор на выходе (до задвижки), м Расход, м3/час Потеря мощности на задвижке, кВт Суммарный расход в сети, м3/час 1 040 404 482 56 147 1 680 715 21 060 1 160 570 739 53 146 2 317 624 21 570 1 330 787 1 115 49 146 3 068 485 22 110 1 480 971 1 536 47 146 3 678 64 22 560 860 39 142 63 146 179 568 20 010 Выполненные в настоящей работе исследования качественно согласуются с результатами, полученными в публикации [5] применительно к насосам типа 14НДс. Таким образом, регулирование переменного расхода в сети при постоянном напоре на выходном коллекторе, объединяющем выходные трубопроводы всех параллельно соединенных насосов, выполняется лишь на насосе с регулируемым приводом. Диапазон регулирования ограничивается максимальной подачей насоса, с помощью которого оно выполняется. При колебаниях расхода в сети, превышающих эту величину, необходимо либо выключать один из насосов с нерегулируемым приводом (при уменьшении расхода в сети), либо включать дополнительный насос с нерегулируемым приводом (при соответствующем увеличении расхода в сети). Дальнейшие изменения расхода в сети регулируются насосом с регулируемым приводом.

About the authors

Anastasia N Branfilova

Samara State Technical University

Email: totig@yandex.ru
Postgraduate Student. 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Ekaterina V Stefanuk

Samara State Technical University

Email: totig@yandex.ru
(Dr. Sci. (Techn.)), Professor. 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Sergey V Kolesnikov

Samara State Technical University

Email: totig@yandex.ru
(Ph.D. (Techn.)), Doctoral Student. 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Marina P Skvortsova

Samara State Technical University

Email: totig@yandex.ru
Postgraduate Student. 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

References

Supplementary files