Повышение эффективности эксплуатации источника тепловой энергии

УДК: 697.34

Д. А. КОВАЛЁВ, аспирант

Харьковская национальная академия городского хазяйства, г. Харьков

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ИСТОЧНИКА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

Рассматриваются вопросы повышения эффективности эксплуатации источника тепловой энергии - котельной, за счет выбора рациональных величин расходов теплоносителя для отдельных котлов.

Розглядаються питання підвищення ефективності експлуатації джерела теплової енергії - котельної, за рахунок вибору раціональних величин витрат теплоносія для окремих котлів.

Введение

Известно [1], что система централизованного теплоснабжения (СЦТ) города представляет собой сложную иерархическую структуру, в состав которой входят: источник тепловой энергии (ТЭС или районные котельные), магистральные тепловые сети с подкачивающими насосными станциями на них и тепловыми камерами, центральные тепловые пункты (ЦТП) на группы зданий, внутриквартальные тепловые сети, индивидуальные тепловые пункты с системами отопления (ИТП с СО) и непосредственно тепловые приборы потребителей тепловой энергии.

Исходя из проведенных ранее исследований и публикаций [2,3] актуальным, ввиду высокой стоимости топливно-энергетических ресурсов, является решение задач по повышению эффективности эксплуатации объектов СЦТ, в частности, по повышению эффективности эксплуатации источника тепловой энергии - котельной. Одним из вариантов решения этой задачи может быть выбор рациональных величин расходов теплоносителя для отдельных котлов котельной.

Основная часть

Для источника тепловой энергии - котельной ОАО «Хартрон» (г. Харьков) был проведен пассивный эксперимент, в результате которого были получены массивы данных почасовой работы водогрейных газомазутных котлов (ПТВМ). Существующая котельная оборудована 4 котлами ПТВМ-30М, во время проведения пассивного эксперимента требуемое количество тепловой энергии производилось двумя работающими котлами.

Водогрейный отопительный котел ПТВМ-30 М тепловой мощностью 35 МВт (30 Гкал/ч) предназначен для получения горячего теплоносителя давлением до 1,35 МПа (13,5 кгс/см2) и температурой до 150 °С [4].

Котел ПТВМ-30М оборудован шестью газомазутными горелками, установленными по три встречно на каждой боковой стенке топочной камеры котла. Диапазон управления нагрузкой отопительных котлов 30-100% номинальной производительности. Управление производительностью осуществляется путем изменения числа работающих горелок.

Технические данные котла ПТВМ-30 М приведены в табл. 1 [5].

Для повышения эффективности эксплуатации котельной ОАО «Хартрон» целесообразно выбрать рациональные величины расходов теплоносителя для котлов ПТВМ - 30 М, при которых суммарные затраты для котельной будут минимальными, при условии, что общая тепловая производительность котлов будет соответствовать требуемым значениям.

Для этого при текущих температурах: наружного воздуха, уходящих дымовых газов и теплоносителя до и после котлов необходимо выбрать такое сочетание расходов теплоносителя через котлы при которых суммарные затраты (З) для котельной будут минимальными:

Таблица 1

Технические данные котла ПТВМ-30М___________________________

Наименование Единица измерения Величина

Тепловая производительность МВт

а) топливо - газ 35

б) топливо - мазут МПа

Рабочее давление 1-1,68

Номинальная температура

теплоносителя °С

а) на входе 70

б) на выходе 150

Номинальный расход

теплоносителя, при режиме кг/с

а) пиковом 208,3

б)основном 103,3

Расчётное гидравлическое МПа

сопротивление котла 0,25

Температура уходящих газов °С

а) топливо - газ 150

б) топливо - мазут 220

К.П.Д. брутто %

а) топливо - газ 91,08

б) топливо - мазут 87,91

Расход топлива нм3/с

а) топливо - газ 1,08

б) топливо - мазут кг/с

Минимальный расход

теплоносителя через котёл кг/с

3= X 3 г ^ ^ грн/ч

1=1

где Зi - величина затрат для каждого работающего котла, грн/ч;

г = 1;2- количество постоянно работающих котлов.

Величина затрат для каждого котла представляет собой:

ЗгЗ^+З^), грн/ч

где Зг-(К) - величина затрат на электрическую энергию для преодоления

гидравлического сопротивления работающих котлов и потерь давления в магистральной тепловой сети, грн/час;

Зг^) - величина затрат на тепловую производительность для каждого работающего котла, грн/ч;

Величина затрат на электрическую энергию для каждого работающего котла для преодоления его гидравлического сопротивления и потерь давления в магистральной тепловой сети определяем по формуле:

3,

где Зэл = 0,485 грн/кВт»ч - тариф на электрическую энергию;

N - мощность электродвигателя насоса на преодоление гидравлических сопротивлений котла и магистральной тепловой сети, кВт;

Величина затрат на тепловую производительность для каждого работающего котла определяем по формуле:

3^) = Зтепл • Qг , грн/ч ,

где: Зтепл = 265,12 грн/Гкал*ч - тариф на тепловую энергию;

Qг - тепловая производительность котла, Вт;

Исходя из [6], мощность электродвигателя насоса на преодоление гидравлических сопротивлений котла и магистральной тепловой сети определяется по формуле:

¥ •(Р + Р

N. = шепл.гУ к.г--, кВт,

1000 ^

где ¥тетЛ - расход теплоносителя проходящего через котел, кг/с;

Рк — гидравлическое сопротивление котла, м. вод. ст;

Рс- гидравлическое сопротивление магистральной тепловой сети, м. вод. ст; g - ускорение свободного падения, g =9,8 м/с2 [7]; щ - к.п.д. насоса, принимаем щ =0,6 [6];

Гидравлическое сопротивление котла определяем по формуле [8]:

Р = Р

1 к.г 1 к.г расч

( ¥2 ^

тепл

. ¥2 .

\ ном /

МПа ,

где РкЛрс1сч=0,25 МПа - расчетное гидравлическое сопротивление котла (табл. 1);

¥ном = 103,3 кг/с - номинальный расход теплоносителя проходящего через котел при основном режиме (табл. 1);

Гидравлическое сопротивление магистральной тепловой сети определяем по формуле

[9]:

Рс = 2 • ^ • I •

где R - удельные потери давления на трение на участке магистральной тепловой сети, принимаем R =80 Па/м [9];

I - длина участка магистральной тепловой сети от котельной ОАО Хартрон до ТРС ,

I = 420 м;

км - коэффициент потерь давления на местные сопротивления,

принимаем км =0,25 [9].

Исходя из [10] упрощенно определяем тепловую производительность котла:

Qi Qmem.i+Qy.д.г.i , Вт ,

где Qmenл.i - количество тепловой энергии производимое котлом, Вт;

Qy.д.г.i - потери тепловой энергии с уходящими дымовыми

газами, Вт;

Количество тепловой энергии производимое котлом определяем по формуле [10]:

Qmenл.i &тепл ' ¥тепл.г •

где с тепл - удельная теплоемкость теплоносителя,

С тепл = 4187 Дж/(кг-°С) [7];

Тп - температура теплоносителя после /-го котла, °С;

Т2/ - температура теплоносителя перед /-м котлом, °С;

Теплосодержание уходящих дымовых газов определяем по формуле [10]:

Оу. д. г.~ СУ- г ^ ^У- г- / ^ ^у. д.г. / , Вт ,

где: су. з. г - удельная теплоемкость уходящих дымовых газов,

Су.д.г =1000 Дж/(кг-°С) [7];

Ру.д.гл - расход уходящих дымовых газов после /-го котла, кг/с;

Ту.д.гл - температура уходящих дымовых газов после /-го котла, °С;

Расход уходящих дымовых газов после /-го котла [10]:

Ру.д.гл= -Ргаза / ' Vcг ' Ру.д.г. , М /Ч ,

где: Бгаза г - расход сжигаемого газа для /-го котла, кг/с;

Vcг - объем продуктов сгорания газа на м3 сжигаемого газа, для природного газа

3 3

Vcг = 10,52 м нам сжигаемого газа [7];

Ру.д.г. - плотность уходящих дымовых газов [10], кг/м3.

Из массивов данных полученных в результате проведения пассивного эксперимента на котельной ОАО «Хартрон» были выбраны пять различных значений Тп/ и соответствующие им значения Т2/, Бтепл, Ргаза, Ру.д.г. для двух котлов работающих одновременно (табл. 2).

Таблица 2

Экспериментальные значения параметров технологического процесса котельной _____________________ ОАО «Хартрон»__________________________________________

№ Ті, °С 2, o О F 1 тепл f 1 газа Тул, , °С

м3/ч кг/с м3/ч кг/с

l котел

l 88 5l 475 l32 3340 928 llO

2 96 50 470 l3l 4700 l306 ll8

3 llO 49 475 l32 5195 l443 l30

4 l22 50 470 l3l 5700 l583 l62

5 l30 55 465 l29 5755 l599 l63

2 котел

l 65 5l 490 l36 3340 928 69

2 74 50 490 l36 5700 l583 80

3 88 55 495 l38 6245 l735 99

4 95 59 490 l36 6600 l833 l00

5 llO 60 450 l25 6800 l889 l24

Для выбранных параметров технологического процесса котельной по приведенным выше формулам (5) - (11) были рассчитаны значения мощности электродвигателей насосов и тепловой производительности для характерного при проведении пассивного эксперимента режима с двумя работающими котлами (табл. 3).

Задача выбора рациональных величин расходов теплоносителя для двух котлов источника тепловой энергии ПТВМ-30М, с использованием стандартных программных комплексов (Excel) может быть поставлена как задача нелинейного математического программирования [11], т. е. выражение (1) является целевой функцией. Далее, варьируя параметры управления, необходимо найти такие значения Fmem.i для двух работающих

котлов, которые обеспечат минимальные затраты для котельной, при условии изменения расхода теплоносителя в пределах 10 % FmerлЛ [4].

Таблица 3

Расчетные значения мощности электродвигателей насосов и тепловой производительности ____________________________ котельной ОАО «Хартрон»___________________________________

№ р . 1 К.И М. ВОД. ст. Рс м. ВОД. ст. Ni , кВт Q^menn., Вт Р„.д.г. Q д. z.i, Вт Qi, Вт

мЗ/ч кг/с

1 котел

1 40,76 105,946 20440701 З51З7 8,8 8696З6 21З10ЗЗ7

2 З 9,91 10З,010 25145261 49444 12,4 1З127З8 26457999

З 40,76 8,4 105,946 ЗЗ6995З5 54651 1З,7 159855З З5298088

4 З 9,91 10З,010 З9З57800 59964 15,0 2185688 4154З488

5 З9,06 100,1ЗЗ 4056156З 6054З 15,1 2220400 42781962

2 котел

1 4З,З8 115,105 7978561 З51З7 8,8 545499 8524060

2 4З,З8 115,105 1З6775ЗЗ 59964 15,0 1079З52 14756885

З 44,27 8,4 118,278 1899851З 65697 16,4 146З410 20461922

4 4З,З8 115,105 20516З00 694З2 17,4 1562220 22078520

5 З6,58 91,840 26168750 715З6 17,9 1995854 28164604

Из выражений (1)-(4) определяем расчетные затраты для котельной (табл. 4).

Таблица 4

Расчетные затраты для котельной ОАО «Хартрон»_________________________

№ 1 котел 2 котел з, грн/час

Ni , кВт 3i(N) грн/час Qi, Вт 3;(Q) грн/час Ni , кВт 3i(N) грн/час Qi, Вт 3i(Q) грн/час

1 105,946 51,З8 21З10ЗЗ7 6570,71 115,105 55,8З 8524060 2628,26 9З06,19

2 10З,010 49,96 26457999 8157,92 115,105 55,8З 14756885 4550,06 1281З,76

З 105,946 51,З8 З5298088 1088З,62 118,278 57,З6 20461922 6З09,12 17З01,49

4 10З,010 49,96 4154З488 12809,29 115,105 55,8З 22078520 6807,57 19722,65

5 100,1ЗЗ 48,56 42781962 13191,16 91,840 44,54 28164604 8684,12 21968,З9

Область определения целевой функции будет определяться соотношениями:

Qmem =ZQ mern.i 5

F < F < F

1 ном. mm — 1 mem.i — 1 ном. max • V1

Для решения задачи выбора рациональной тепловой производительности для двух котлов необходимо разработать алгоритм оценки целевой функции:

3 = 3 -Y

эл / j n n n ^тепл / jW тепл. menn.i \ 1i 2iJ/ уу.д.г. у.д.г. у.д.г.// ' \ /

i=i v 1000 ' 'П у i=i

Применяя MHK получены линейные зависимости между расчетными значениями Qy.d.Bi = AFrnewu) для двух котлов :

1 котел: Qy.d.z.i = - 417668 + 0,065 •

2 котел: Qy.d.8.2 = - 46274 + 0,079 •

3 = 3,

Подставляя (15) и (16) в (14) получаем:

+ 3тепл{(Степл 'Fmennl iTu “ T2.i)) + (“ 417668" 0,065'(стеил ‘FmenJll ~ T2.1)))) +

+3.

Г Fmeml(PK.l + Pc }g^

1000- ц

(F -(P + P W^

тепл2\1 к2^ 1а J6

+ 3 '

теплустепл тепл2 V1.2 2.2// \ 1 v-/5^ ^X^merni тепл2 V1.2 2.2////

Для решения задачи по повышению эффективности эксплуатации котельной применяем программное средство Excel - поиск решения, использующее алгоритм нелинейной оптимизации Generalized Reduced Gradient [12]. При этом процедура поиска решения позволяет найти оптимальное значение формулы содержащейся в ячейке, которая называется целевой. Эта процедура работает с группой ячеек, прямо или косвенно связанных с формулой в целевой ячейке. Чтобы получить по формуле, содержащейся в целевой ячейке, заданный результат, процедура изменяет значения во влияющих ячейках. Для сужения множества значений, используемых в модели, применяются ограничения. Эти ограничения могут ссылаться на другие влияющие ячейки.

В результате расчетов целевой функции (17) получаем значения расходов теплоносителя для двух котлов, а также величину затрат для котельной (табл. 5).

Таблица 5

Полученные значения расходов теплоносителя для двух котлов, а также величина затрат для

котельной ОАО «Хартрон»

№ 1 котел 2 котел 3, грн/час

1 тепл 1 тепл

кг/с м3/ч кг/с м3/ч

1 138 497 125 450 9259,56

2 140 504 128 460 12598,55

3 142 512 126 453 17240,64

4 141 508 120 432 19511,8

5 143 514 124 446 21796,82

Выводы

1. Для повышения эффективности эксплуатации источника тепловой энергии -котельной был разработан алгоритм выбора рациональных величин расходов теплоносителя для отдельных котлов источника тепловой энергии - котельной.

2. В результате расчетов были получены значения расходов теплоносителя для двух котлов, а также величины затрат для котельной, которые меньше расчетных затрат.

3. Разработанный алгоритм выбора рациональных величин расходов теплоносителя для отдельных котлов источника тепловой энергии - котельной в первом приближении может быть использован при создании систем автоматического управления (САУ) технологическими процессами для объектов управления закрытой СЦТ.

Список литературы

1. Н. А. Шульга, А. А. Бобух, Д. А. Ковалев. Исследование закрытой системы централизованного теплоснабжения как сложного объекта управления. // Коммунальное хозяйство городов: Науч.- техн. сб. Вып. 72. - К: Техшка, 2006. - С. 164 - 169.

2. Н. А. Шульга, А. А. Бобух, Д. А. Ковалев. Разработка многопараметрической линейной математической модели источника тепловой энергии - котельной// Коммунальное хозяйство городов: Науч.-техн. сб. Вып. 67. - К.: Техшка, 2006. - С. 206 - 211.

3. Н. А. Шульга, А. А. Бобух, Д. А. Ковалев. К вопросу применения метода наименьших квадратов для разработки математических моделей объектов управления технологическими процессами инженерных систем// XXXIII научно-техническая

конференция преподавателей, аспирантов и сотрудников ХНАГХ: тезисы докл. - Харьков, 2006. - С. 223.

4. Котел водогрейный типа ПТВМ-30М. Руководство по монтажу и эксплуатации А-7513 РЭ. Дорогобужкотломаш. 20 с.

5. Павлов Н.И. Котельные установки и тепловые сети/ Н. И.Павлов, М. Н.Федоров. -М : Стройиздат. 1986. - 232 с.

6. Справочник эксплуатационника газифицированных котельных/ Под ред. Е. Б. Столпнера. - Л.: Недра, 1988. - <5053 с.

7. Чеботарев В.П. Справочник работника газифицированных котельных/ Чеботарев В. П. -К.: Основа, 2000.- 298 с.

8. Справочник по гидравлике/ Под ред. В.А. Большакова. - К.: Вища школа, 1984. -

343 с.

9. ДБНВ.2.5-39:2008. Те плові мережі. Інженерне обладнання будинків і споруд. Зовнішні мережі та споруди. - К: Мінрегіонбуд України, 2009. - 5(5 с.

10. Тепловой расчет котельных агрегатов/Под ред. Н. В. Кузнецова. - М.: Энергия, 1973. - 296 с.

11. Стоянов Ф. А. Методы системного анализа в задачах рационального проектирования централизованных систем теплоснабжения: Учеб. пособие для студентов вузов/ Стоянов Ф. А., Андреев С. Ю., Шевченко Л.П. - Харьков: Золотые страницы, 2005. - 140 с.

12. Васильев А. Н. Научные вычисления в Microsoft Excel/ Васильев А. Н. - M.: Издательский дом «Вильяме»), 2004. - 512 с.

INCREASE OF EFFICIENCY OF OPERATION OF THE SOURCE OF THERMAL ENERGY

D. A. KOVALJEV, graduate student

The questisn sf increase sf efficiency sf speratisn sf a source of thermal energy - a boiler-hsuse, (ft the expense of a choice of rational sizes of expenses of the heat-carrier for separate coppers are considered.

Поступила в редакцию 20.10 2010 г.