Разработка и исследование устройств, снижающих энергетические затраты при поддержании теплогидравлического режима тепловых сетей

Актуальность темы

Экономия топливно-энергетических ресурсов рассматривается в Федеральной программе «Энергетическая стратегия России до 2020 года» в качестве основного фактора повышения конкурентоспособности отечественной продукции и снижения загрязняющего воздействия на окружающую среду. Анализ энергетических потерь в тепловых сетях различного назначения показывает, что их значительную часть составляют избыточная подача тепла потребителям, превышение расчетных затрат энергии на перекачку теплоносителя, потери тепла и воды связанные с несанкционированным вмешательством абонентов в работу оборудования тепловых сетей. Величина этих потерь напрямую связана с состоянием гидравлического режима в тепловых сетях, эксплуатационный ресурс которых практически исчерпан.

Различные средства автоматизации (регуляторы расхода, регуляторы давления, средства местного регулирования отпуска тепла и т. д.) позволяют поддерживать заданный теплогидравлический режим тепловых сетей, что обеспечивает режим расходов и давлений по участкам сети и, тем самым, обеспечивает экономию потребляемой тепловой энергии, а также снижает затраты на перекачку теплоносителя. Однако технико-экономическая целесообразность применения средств автоматического регулирования не всегда оправдана, что связано, в основном, с существенной изношенностью основного оборудования тепловых сетей, абонентских вводов и котельных, не устойчивостью регулирующего оборудования к несанкционированному вмешательству, высокой стоимостью систем и необходимостью их постоянного обслуживания.

В этой связи весьма перспективными, на наш взгляд, являются кавитационные ограничители расхода, в которых постоянство расхода возникает из-за гидродинамических особенностей течения при больших перепадах давления. Достоинства данного устройства обусловлены такими его свойствами, как отсутствие движущихся частей, невозможность несанкционированного вмешательства в работу устройства, высокая точность и воспроизводимость характеристик и т. д. Из известных схем и конструкций устройств подобного типа следует выделить ограничители утечек теплоносителя, в которых ограничение наступает за счет кризиса истечения вскипающего потока в среду с давлением ниже давления насыщения, поскольку теплоносители в защищаемых таким образом трубопроводах обладают высокими температурами и давлениями. Однако недостаточная изученность процессов течения вскипающих жидкостей, препятствует широкому и разностороннему применению ограничителей подобного типа. В связи с этим тема диссертации представляется актуальной.

Работа выполнялась в соответствии с научным направлением «Исследование кавитационных течений жидкостей и характеристик кавитационных ограничителей расхода в системах транспорта и распределения энергоносителей металлургического производства и функциональных характеристик систем», номер государственной регистрации НИР: 1.1.07. Цель работы. Исследование и разработка методов и устройств поддержания параметров гидравлического режима сетей на требуемом уровне. •Для достижения этой цели поставлены и решены следующие задачи:

— анализ существующих представлений о методах и средствах поддержания тепловых и гидравлических режимов и управлении тепловыми сетями;

— экспериментальное и теоретическое исследование гидравлических характеристик кавитационных ограничительных устройствразработка метода расчета и конструирования ограничителей для работы в сети;

— усовершенствование математической модели системы теплоснабжения с учетом использования кавитационных ограничителей расхода и моделирование гидравлических режимов при присоединении нового абонента в условиях действующих сетей.

Научная новизна.

Новые экспериментальные и теоретические результаты по исследованию характеристик кавитационных ограничителей расхода применительно к условиям тепловых сетей.

Усовершенствована методика расчета гидравлических режимов тепловых сетей с учетом характеристик кавитационных ограничителей.

Разработана методика расчета геометрических параметров ограничителя для работы в тепловых сетях.

Практическая значимость. Разработанные устройства, методика их расчета и проектирования могут быть использованы как для работы на новых системах теплоснабжения, так и для корректировки режимов работы действующих систем.

Экспериментальное применение ограничительных устройств и новых подходов к управлению гидравлическими режимами подтвердило их эффективность.

Получены теоретические и экспериментальные результаты, показывающие, что использование ограничителей позволяет увеличить энергетическую эффективность транспорта тепла потребителям.

Результаты исследований применялись в рамках хоздоговорных работ с ОАО «Липецкэнерго», МУП «Липецктеплосеть» и др. На защиту выносятся:

Результаты экспериментальных исследований гидравлических характеристик кавитационных ограничителей при температурах тепловых сетей.

Методика расчета характеристик кавитационных ограничителей при температурах тепловых сетей.

Метод расчета гидравлических режимов в тепловых сетях при наличии ограничителей.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных конференциях: V Международной научно-практической конференции «Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах» (Пенза, 2004) — Международной конференции «Энергетика и энергоэффективные технологии» (Липецк, 2006). Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ, в том числе 2 — в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1] - методика расчетного исследования влияния несанкционированного снижения сопротивления абонентских вводов на гидравлический режим тепловой сети- [2] - разработка методики проектирования ограничителей для установки в тепловых сетях- [4] -разработка методики анализа данных о суточном водопотреблении горячей воды- [5] — разработка математической модели тепловой сети и расчетное исследование гидравлических режимов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 58 наименований. Основная часть работы изложена на 97 страницах, содержит 29 рисунков, 3 таблицы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Нарушения гидравлического режима тепловых сетей, которые связаны с недостатком подачи тепла абонентам, могут быть причиной дополнительных потерь тепла и теплоносителя и усугубления нарушения гидравлического режима сети. Потери эти обусловлены взаимодействием тепловой сети и абонента в условиях недостатка подачи тепла. Предотвращение нарушения гидравлического режима системы теплоснабжения в целом возможно путем построения иерархии внутри тепловой сети. Одним из технических средств ее осуществления является ограничитель расхода. Важным критерием энергетической эффективности такого ограничителя является минимальный перепад давлений, при котором он вступает в работу.

2. Рассматриваемые в данной работе ограничители могут работать как при падении давления за ними, так и при повышении давления перед ними. Их гидравлическая характеристика может быть рассчитана по простой методике. При использовании вместо конфузорного перехода внезапного сужения можно существенно снизить минимальный перепад ограничения, благодаря чему увеличивается его энергетическая эффективность.

3. Рассмотренные в работе ограничители расхода способны существенно снизить перерасходы при малых энергозатратах.

4. Практические результаты достигнуты при нормализации гидравлических режимов систем теплоснабжения города Липецка. Одним из примеров является улучшение теплоснабжения абонентов эксплуатационного района от Первого коллектора котельной Привокзальная.