Formation of thermal and steam generation at industrial enterprise

УДК 621.3

ФОРМИРОВАНИЕ ГЕНЕРАЦИИ ТЕПЛОВОЙ И ПАРОВОЙ ЭНЕРГИИ НА ПРОМЫШЛЕННОМ ПРЕДПРИЯТИИ

В.М. Степанов, О.В. Фирсков

Проведен анализ формирования тепловой и паровой энергии. Проанализированы параметры транспортировки пара. Построена математическая модель поступления пара к потребителям с учетом всех узлов и устройств встречающихся в таких схемах на промышленных предприятиях. Предложены меры, способствующие повышению энергоэффективности за счет повышения качественных показателей системы.

Ключевые слова: тепловая энергия, паровая энергия, параметры пара, энергоэффективность.

Отпуск пара технологическим потребителям часто производится от теплоцентралей, называемых производственными. Это теплоцентрали вырабатывают насыщенный или слабо перегретый пар с давлением до 1,4 или 2,4 МПа. Пар используется технологическими потребителями и на приготовление горячей воды, направляемой в систему теплоснабжения. Нагрев горячей воды производится в сетевых подогревателях, устанавливаемых в теплоцентрали.

В кризисные 1991-2000 годы многие предприятия оказались на грани банкротства, и восстановление производства до докризисного уровня продолжается до сих пор. В связи с этим широко распространена проблема устаревшего оборудования. Так в частности на исследуемом предприятии для генерации тепловой и паровой энергии используются котлы ДКВР выпуска конца 80-х годов, в совокупности с блоком управления "Сапфир" для контроля давления воды в котловом контуре рис. 1 и блоком управления "Кристалл" для регулирования уровня воды в котле и давления пара в деаэраторе рис. 2.

=24,..36 В

Рис. 1. Тензометрический датчик давления

106

Рис. 2. Схема устройства датчика "Кристалл

Недостатки тензометрических датчиков давления связаны с механической усталостью тензорезисторов, надежность которых оказалась ниже надежности самих механических мембран, на которых они расположены. Кроме того, тензорезисторы требуют определенных температурных условий для своей работы, что не всегда выполнимо в условиях эксплуатации. Одним из недостатков таких устройств является протокол передачи данных HART. Суть метода в том, что на токовый сигнал при помощи специального устройства накладывается кодированный цифровой сигнал, передаваемый по линии передачи токового сигнала в виде пульсаций тока в выходной линии. Однако помехоустойчивость такой связи оказалась весьма низкой, и датчики с протоколом HART использовались в основном на объектах с низким уровнем помех. Также им присуща большая погрешность измерения, около 0,2%, и низкая ударостойкость.

Регулировка остальных параметров работы котельной производится в ручную с помощью механических клапанов и задвижек, что приводит к неоперативному воздействию на управляющие органы системы в ответ на изменение различных параметров, что в свою очередь увеличивает затраты трудовых ресурсов. Также следует отметить низкую энергоэффективность насосов, определяющуюся из соотношения производительности к потребляемой электроэнергии.

В качестве рекомендаций предлагается произвести реконструкцию котельной, описанную в блок-схеме на рис. 3.

107

Рис. 3. Блок-схема генерации тепловой и паровой энергии

Насос сырой воды (НСВ) подает воду в пароводяной подогреватель, где она подогревается до 20...30 оС и направляется на химические фильтры химводоочистки (ХВО). Химочищенная вода направляется в охладитель деаэрированной воды (ОДВ). Где подогревается до 50...60 оС. Дальнейший подогрев химочищенной воды осуществляется в пароводяном подогревателе (ПХВ) до 80...90 оС. Перед поступлением в головку деаэратора часть химочищенной воды проходит через охладитель выпара (ОВ).

Подогрев сетевой воды производится паром. Конденсат греющего пара сетевых подогревателей направляется в головку деаэратора, в которую также поступает конденсат от внешних потребителей пара.

Деаэрированная вода с температурой 104 оС питательным электронасосом ПЭН подается в паровые котлы.

Использование общего деаэратора для приготовления питательной и подпиточной воды возможно только для закрытых систем теплоснабжения ввиду малого расхода подпитки. В открытых системах теплоснабжения расход подпиточной воды значителен, поэтому в теплоцентралях устанавливают два деаэратора: один для приготовления питательной воды, другой - для подпиточной воды.

Для технологических потребителей, использующих пар более низкого давления по сравнению с вырабатываемым котлоагрегатами, и для подогревателей собственных нужд в тепловых схемах теплоцентралей

предусматривается редукционная установка РУ для снижения давления пара или редукционно-охладительная установка РОУ для снижения давления и температуры пара рис. 4.

1 - Вентиль фланцевый

2 - Фильтр

3 - Клапан редукционный мембранный с электроприводом

4 - Вентиль фланцевый

Рис. 4. Схема редукционной установки

Редуцирование пара производится дроссельным клапаном, а охлаждение пара - впрыском конденсата через сопла. За охладителем пара имеется трубопровод значительной протяженности для выравнивания температуры пара.

Регулирование давления и температуры редуцированного пара производится автоматически с помощью приборов электронного типа.

Параметры транспортируемой среды могут меняться в широких пределах. Как правило, от источника пара (котел) в трубу поступает сухой пар. При движении теплоносителя по паропроводу его параметры (давление, температура и др.) меняются вдоль трубы. Эти изменения связаны с охлаждением теплоносителя через стенку и теплоизоляцию трубы, а также с потерей давления из-за трения. На некотором расстоянии от источника пар может стать влажным насыщенным (двухфазное состояние теплоносителя), а затем и полностью сконденсироваться. Таким образом, при расчетах приходится иметь дело с фазовыми переходами и двухфазными состояниями теплоносителя.

Кроме того, параметры пара сильно зависят от температуры и давления. В процессе расчетов теплофизические характеристики воды и пара определяются не на основании приближенных моделей, а с использованием уравнений состояния реальных воды и пара.

Наличие двухфазного состояния теплоносителя и сильная зависимость параметров пара от температуры и давления представляют собой основные трудности, которые приходится преодолевать при расчетах паропроводных сетей.

При движении теплоносителя по паропроводу его параметры (давление, температура и др.) меняются вдоль трубы. Эти изменения связаны с охлаждением теплоносителя через стенку и теплоизоляцию трубы, а также

с потерей давления из-за трения. На некотором расстоянии от источника пар может стать влажным (двухфазное состояние теплоносителя) и в этом случае температура и давление не определяют однозначно состояние теплоносителя. Привлекать третий параметр влажность либо степень сухости пара не слишком удобно, более естественно выбрать в качестве динамических переменных давление и энтальпию. Эти переменные однозначно определяют состояние теплоносителя, в том числе температуру и влажность. В общем случае, уравнение, описывающее изменение давления и энтальпии вдоль трубы можно записать в виде

dP

— = f

dz JlK ' ' }

^ = f

dz

В качестве параметра здесь присутствует массовый расход. Для определения массовых расходов во всех трубах нужно решить уравнения Кирхгофа первого и второго рода. Первый из них утверждает, что алгебраическая сумма расходов, втекающих в узел, равна нулю (вытекающие расходы входят в эту сумму со знаком минус). Второй закон Кирхгофа гласит, что сумма изменений давления по всем участкам, образующим замкнутый цикл, равна нулю.

Таким образом, чтобы из дифференциальных уравнений найти давления нужно знать расходы, а чтобы решить алгебраические уравнения Кирхгофа с целью отыскания расходов нужно знать давления. Чтобы выйти из этого "заколдованного" круга, естественно применить метод последовательных приближений при котором поочередно решаются система алгебраических уравнений, а затем система дифференциальных уравнений.

Начальные условия для дифференциальных уравнений определяются последовательно, начиная с труб, выходящих из источников пара. Для других труб начальные условия для давлений вычисляются из уравнений Кирхгофа, а начальная энтальпия для трубы по которой теплоноситель вытекает из узла, вычисляется как средневзвешенная энтальпия по всем расходам втекающим в этот узел, причем в качестве весов выступают расходы.

H = G1H1 + G2H2 + • • • + GmHm

G + G2 +••• + Gm W

Одномерное стационарное, неизотермическое движение пара по трубе описывается фундаментальными уравнениями: первое начало термодинамики

2

dh q¡ ¡ xdp dp . 1 pw dw . „ — = + v(z)—; —— = 1—-— + pw— + pgsing; G = const dz G dz dz d1 2 dz

Здесь И - энтальпия; р - давление; 2 - координата, направленная вдоль трубы; д1 - линейная плотность теплового потока от пара к воздуху; О -массовый расход; V - удельный объем пара; р - плотность пара; ( - скорость движения пара; - внутренний диаметр трубы; 1 - коэффициент гидравлического трения (безразмерный); у - угол наклона трубы; g - ускорение свободного падения.

41 = [/ ]; л=Л+Я2+Лз + Я4; Л = —;Я = -^,1/Яз ^4 = 1

) ^ / 2р^2 () I ^2 / ра2^з а, а - коэффициенты теплоотдачи соответственно от пара к внутренней стенке трубы и от наружной поверхности изоляции к воздуху, Вт/м К.

В месте соединения труб могут находиться объекты сети, предназначенные для изменения параметров пара, например: локальное сопротивление; задвижка; регулятор давления; сепаратор; пароперегревающее устройство; охлаждающий теплообменник; редукционно-охладительное устройство; сопло Вентури; паровая турбина; потребитель; шайба; узел; источник; участок трубопровода.

Все эти элементы сети на карте или схеме изображаются как узел, но как элемент математической модели они представляют собой участок (дуга графа). Действительно, пар на входе и выходе из этих устройств имеет различные параметры, что было бы не возможно, если бы устройство представляло собой узел, а не участок. В частности, все эти устройства, как и всякий участок, имеют гидравлическое сопротивление.

На основании технической информации, представленной службами предприятия, была построена имитационная компьютерная модель системы пароснабжения. Результаты расчетов представлены в таблице.

Расчетные параметры источника пароснабжения

Наимен Геодезич Макси Фактич Теплов

ование еская Давлен Темпер мальма еская Темпера Энтальп ой

источни отметка, ие, атура, Влажнос я подача, тура, Влажнос ия, поток,

ка м кг/см2 град С ть подача, т/час град С ть ккал/кг ккал/ча

Котельн

ая 0 60 400 15 14,027 400 0 759,614 1,1Е+07

На основании анализа расчетных данных по системе пароснабже-ния предприятия предлагаются следующие мероприятия по повышению ее энергоэффективности: снижение потерь при преобразовании паровой энергии в водогрейную энергию позволяет переход от 34 точек преобразования к одной точке - котельной за счет установки пароводогрейного оборудования с котлами и, дополнительным оборудованием (конденсатный модуль, горелка, компрессор с рессивером, водоподготовительный мо-

111

дуль). После реконструкции КПД достигнет 94...95%, что позволит сократить потребление природного газа на 20...25% и сэкономить 350 тыс. КВт.ч в год электроэнергии. Работа котлов и химводоподготовки будет осуществляться в автоматическом режиме, что позволит сократить трудовые затраты.

Список литературы

1. Энергоэффективность и энергетический менеджмент: учебно-методическое пособие / Т.Х. Гулбрандсен, Л.П. Падалко, В. Л. Червинский. Минск: БГАТУ, 2010. 240 с.

2. Хаустович Н.А. Проблемы повышения энергоэффективности производства и потребления энергии. Ж-л «Экономика и управление». № 3, 2007. С. 64-69.

3. Козин В.Е., Левина Т.А., Марков А.П. Теплоснабжение. М: Высшая школа, 1980.

4. Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях: учебник для вузов / О.Л. Данилов, А.Б. Гаряев, И.В. Яковлев и др.; под ред. А.В. Клименко. М: Издательский дом МЭИ, 2010. 424 с.

5. Ф. Дайсон, Э. Монтролл, М. Кац, М. Фишер. Устойчивость и фазовые переходы. М: Изд-во "МИР", 1973.

Степанов Владимир Михайлович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, директор УТЦ «Энергоэффективность»» energy,tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Фирсков Олег Вячеславович, асп., fiuukovamail.uu, Россия, Тула, Тульский государственный университет

FORMATION OF THERMAL AND STEAM GENERATION AT INDUSTRIAL ENTERPRISE

V.M. Strpaeov, O. V. Fiuukov

Thr analysis of hrat aed utram rerugy formation hau brre cauuird out. Pauamrtruu of utram tuaeupoutatioe havr brre aealyurd. Mathrmatical modrl of utram supply to thr coe-uumruu taking ieto account all circuit rlrmretu aed othru drvicru found ie uuch uchrmru ie ieduutuial retrupuiuru hau brre drvrloprd. Aed thr mrauuuru to impvuovr rerugy rfficirecy by impuovieg quality pauamrtruu of thr uyutrm havr brre offrurd.

Kry woudu: thrumal rerugy, utram rerugy, utram pauamrtruu, rerugy rfficirecy.

Strpaeov Vladimiu Mikhailovich, doctou of trcheical ucirecr, puofruuou, thr hrad of chaiu, diurctou of thr tuaieieg cretru «Eerugy rfficirecy» energy(Уa,tsu.tula.ru. Ruuuia, Tula, Tula Statr Ueivruuity,

Fiuukov Olrg Vyachrulavovich, poutguaduatr, fiuukovamail.uu, Ruuuia, Tula, Tula Statr Ueivruuity