Разработка систем теплоснабжения с энерготехнологическими станциями

ционная связь декоративного фонтана и здания муниципалитета задаёт мощную динамику (рис. 7).

Эти примеры не только соответствуют трём основным архитектурно-ландшафтным приёмам, но и попадают под основные рекомендации современных исследователей по направлениям совершенствования качеств городской среды.

Во-первых, это разделение пространств с контрастными функциями (транспортные и пешеходные пространства, транзитные пешеходные пути и др.).

Во-вторых, разграничение пространств с различным характером пребывания человека (отдых и движение, обслуживание и движение и др.).

В-третьих, обозначение границ пространств с определённой функцией (паркинг, отдых, рекреация и обслуживание).

В-четвертых, фиксирование мест «островной» рекреации в транзитном пространстве.

И, наконец, в-пятых, заполнение функциональных пауз в транзитном городском пространстве.

Использование ландшафтного дизайна становится всё более связанным с планомерным улучшением экологических и эстетических качеств ОП городских площадей.

Рассмотренный исторический опыт планировки центральных городских площадей может стать определённым ориентиром для пересмотра существующих подходов по их формированию.

Взгляд на практику европейских стран и России даёт достаточно оснований утверждать, что конфликт между технологией и природой в большинстве случаев уступил место разумному компромиссу. Технологические достижения используются для возвращения динамического равновесия между искусственными и естественными компонентами городского ландшафта

на открытых городских пространствах.

Архитектурно-ландшафтные приёмы и их композиционно-планировочная организация всегда влияют на оценку качества среды городских площадей. Их композиционно-планировочная организация также необходима для выработки системы устойчивых7 параметров дальнейшего качественного развития городской среды уже на сегодняшних современных площадях.

Библиографический список

1. Белоусов В.Н. Оздоровление городской среды - важнейшая градостроительная задача. М.: Знание, 1977. 62 с.

2. Зитте К. Художественные основы градостроительства. М.: Стройиздат, 1993. 225 с.

3. Лукьянин В, Никулина М. Прогулки по Екатеринбургу. Екатеринбург: Банк культурной информации, 1997. 220-221 с.

4. Ожегов С.С. Ландшафтная архитектура и история стилей. М.: Оникс, 2009.

5. Нефёдов В. Поверхность земли в новом качестве // Арх-ра. Строительство. Дизайн. 2006. № 5. С. 46-49.

6. Нефёдов В.А. Ландшафтный дизайн и устойчивость среды. СПб., 2002. 295 с.

7. Большаков А. Ландшафтный ресурс устойчивого развития территории в градостроительстве // Арх-ра, строительство, дизайн. 2002. № 1.

8. Боде Б. Столичный центр. Основные положения его развития // Арх-ра и стр-во Москвы. 1987. № 6.

7Понятие «устойчивость» применимо к описанию состояний городских площадей с учётом признания в их среде постоянно происходящих изменений, в ходе которых наиболее динамичные компоненты природной среды (рельеф, вода и зелёные насаждения) многократно с учётом времени трансформируются.

УДК 621.18

РАЗРАБОТКА СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ С ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ СТАНЦИЯМИ

Д.С.Калинин1, В.Д.Калинин2, Р.В.Романов3

Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Обоснована необходимость комплексного подхода к созданию энерготехнологий, в основе которых закладывается возможность получения из твердых топлив углеродных и строительных материалов, а также выработки тепловой и электрической энергии. Предложено создание энерготехнологических станций с высокими экономическими и экологическими показателями и замкнутой системой водопользования. Ил. 1. Табл. 2. Библиогр. 8 назв.

Ключевые слова: теплоснабжение; водопользование; сорбция; энерготехнологические станции; устойчивое развитие.

1Калинин Дмитрий Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры теплоэнергетики, тел.: 89501447044, e-mail: Ka-linin@irk.ru

Kalinin Dmitriy Sergeevich, a candidate of technical sciences, an associate professor of the Chair of Power Engineering, tel.:

89501447044, e-mail: Kalinin@irk.ru

2Калинин Вадим Дмитриевич, аспирант, тел.: 89501447244.

Kalinin Vadim Dmitrievich, a postgraduate of the Chair of Power Engineering, tel.: 89501447244.

3Романов Роман Викторович, аспирант, тел.: 89501140743, e-mail: aeratrance@mail.ru

Romanov Roman Victorovich, a postgraduate of the Chair of Power Engineering, tel.: 89501140743, e-mail: aeratrance@mail.ru

THE DEVELOPMENT OF HEAT SUPPLY SYSTEMS WITH POWER TECHNOLOGICAL STATIONS D.S.Kalinin, V.D.Kalinin, R.V. Romanov

Irkutsk State Technical University 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074

The authors prove the necessity of the complex approach to create power technologies based on the possibility to obtain carbonic and building materials from solid fuels as well as to work out heat and electrical energy. It is proposed to create power technological stations with high economical and ecological indices and closed system of water use. 1 figures. 2 table. 4 sources.

Key words: heat supply; water use; sorption; power technological stations; stable development.

В настоящее время основными источниками тепловой энергии для систем теплоснабжения являются тепловые электрические станции - теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), централизованные и автономные котельные. Общее количество производимой тепловой энергии в стране оценивается в 1700 - 1900 млн. Гкал/год, из которых на ТЭЦ производят 35 %, в централизованных котельных - 38 %, в автономных котельных - 8%, а остальные 19 % тепловой энергии получают в печах индивидуального пользования. При этом общий расход топлива, используемый на производство тепловой энергии, оценивается в 447 млн. тонн условного топлива (т.у.т.). Общее количество ТЭЦ в России составляет около 400 единиц, а количество централизованных и автономных котельных превышает 160 000 единиц.

Более 40% теплоэнергетического оборудования ТЭЦ, котельных и тепловых сетей отработало свой ресурс. Ввод новых мощностей фактически отсутствует. Эксплуатация физически изношенного и морально устаревшего оборудования приводит к перерасходу топлива. Перерасход топлива на стадии производства тепловой энергии и ее транспортировки к потребителям оценивается в 240 млн. т.у.т. или в 54 %. Наибольший перерасход топлива происходит в системах теплоснабжения с котельными малой мощности при сжигании твердых топлив, которые имеют фактический КПД менее 35%, а потери тепла в тепловых сетях превышают 40 % [1,2].

В 1960-1980 годах в России получило развитие новое направление в энергетике - энерготехнологическое. Энерготехнологии предназначены для одновременного получения дополнительной продукции из составляющих топлива и выработки тепловой энергии. Но промышленность и ведущие институты не были готовы к развитию энерготехнологий в должной мере. Попытки приспособить типовые котельные установки без учета особых энерготехнологических процессов не дали положительного эффекта.

Отметим, что автор настоящей статьи Д.С.Калинин, будучи ведущим конструктором СКБ «Белгородский котлостроительный завод» в 1968 -1977 гг., принимал непосредственное участие в разработке и освоении энерготехнологических котельных установок (ЭТКУ), предназначенных для энерготехнологических станций (ЭТС), работающих в разных отраслях промышленности. Новые ЭТКУ были изначально сконструированы с учетом особенностей энерготехнологий, что дало возможность успешно эксплуатировать их до настоящего времени. Среди энерготехнологических установок, разработанных при уча-

стии Д.С.Калинина:

• содорегенерационные котлы (СРК) для энерготехнологических ТЭЦ предприятий бумажной промышленности;

• установка с твердым теплоносителем (УТТ-3000) для переработки горючего сланца в количестве 3000 т/сутки с получением жидкого топлива;

• котлы - утилизаторы для производства технического углерода.

Многолетняя эксплуатация различных по назначению ЭТКУ подтвердила правильность проектных решений одновременного производства дополнительной продукции и выработки тепловой энергии, позволяющих по сравнению с раздельным производством:

• уменьшить капитальные и эксплуатационные затраты;

• уменьшить энерго- и ресурсоёмкость;

• повысить производительность труда;

• снизить себестоимость производимой продукции;

• значительно уменьшить выбросы вредных веществ в окружающую среду.

Современные энерготехнологии, помимо экономической эффективности, должны отвечать принципам устойчивого развития. Цель устойчивого развития - ответственное экономическое развитие, неотъемлемую часть которого составляет защита окружающей среды в интересах будущих поколений. Согласно принципам устойчивого развития, необходимо выработать меры, обеспечивающие сокращение выбросов загрязняющих веществ по каждому ингредиенту не менее чем в 10 раз на единицу производимой продукции, а также исключить все виды отходов, включая сточные воды [3].

Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы (НИОКР), выполняемые авторами настоящей статьи, направлены на создание ЭТС с замкнутой системой водопользования. Создаваемые ЭТС предназначены для выработки активированного угля из органической массы топлива, строительных материалов из минеральной части топлива, тепловой и электрической энергии [4]. Электрическая энергия на ЭТС будет вырабатываться по газовому циклу. Высококалорийный газ производится из подготовленного твердого топлива в предтопке ЭТКУ, откуда газ направляется в двигатели внутреннего сгорания (ДВС). ДВС являются преобразователями тепловой энергии в механическую энергию движения вала электрогенератора.

Надежность работы оборудования существующих ТЭЦ и создаваемых ЭТС, а также системы тепло-

снабжения в значительной степени зависит от качества подготовки воды. Традиционным методом водопод-готовки для парового цикла производства электроэнергии на ТЭЦ является химическая очистка воды, после которой производится ее деаэрация. Существенным недостатком химического обессоливания воды является применение дорогих ионно-обменных смол и большого количества регенерирующих веществ (едкий натр, серная и соляная кислота). При этом количество образующихся сточных вод составляет 25-30% от объема обессоленной воды, а общее содержание примесей в сточных водах в несколько раз превышает содержание примесей в исходной воде [5].

Подпиточная вода для систем теплоснабжения, предварительно очищенная в механических фильтрах и осветлителях и деаэрированная в вакуумных деаэраторах, имеет недостаточную дегазацию. Содержание растворенного кислорода в подпиточной воде остается высоким, вследствие чего происходит кислородная коррозия металла с образованием шлама. Повторная обработка циркулирующей сетевой воды на отечественных ТЭЦ не производится, и поэтому в системах теплоснабжения происходит накопление шлама с заносом сетевых теплообменников, трубопроводов и приборов отопления.

Проблемы водоподготовки наиболее остры для систем теплоснабжения, имеющих водогрейные котлы малой мощности. Зачастую в децентрализованном теплоснабжении устройства водоподготовки отсутствуют. В результате трубные элементы поверхностей нагрева котлов, теплотрассы и приборы отопления полностью выходят из строя и подлежат замене через 1 - 5 лет эксплуатации.

Учитывая современные экологические требования, формулируемые в соответствии с принципами устойчивого развития, мы разрабатываем систему теплоснабжения с ЭТС, работающую по замкнутому циклу водопользования. Для водоподготовки мы создаем новую сорбционно-термическую технологию. Пример замкнутой системы водопользования ЭТС на основе сорбционно-термической технологии показан на рисунке.

Исходная вода поступает в механический фильтр (1), где очищается от крупных включений и взвешенных частиц, а уловленные примеси вместе с отработанным фильтрующим материалом направляются в блок топливоприготовления (12). Далее вода поступает в блок сорбции (2), предназначенный для извлечения из воды органических веществ и тяжелых металлов, а отработанный сорбент периодически направляется в блок топливоприготовления. Предварительно очищенная вода с температурой 5-150С направляется в деаэратор (3), где происходит «шоковый» нагрев воды до температуры кипения. В процессе кипения воды в деаэраторе и интенсивной циркуляции с тур-булизацией потока из воды выделяются растворенные газы. Выпар, содержащий пар и выделившиеся газы, направляется в блок топливоприготовления для подогрева водотопливной суспензии. Из деаэратора вода подается насосом (15) на подпитку тепловой сети,

которая работает по открытой схеме подключения потребителей (9,10). Питательным насосом (14) вода из деаэратора подается в барабан ЭТКУ (4). Отличительной особенностью работы ЭТКУ является выработка пара. Часть пара из ЭТКУ подается в деаэратор для поддержания процесса деаэрации, другая часть подается в подогреватель смешивающего типа (8) для регулирования температуры воды, подаваемой в тепловую сеть. Часть пара транспортируется по паропроводу к технологическим потребителям пара (13). Обратная сетевая вода, поступающая от потребителя (9), подается в разделитель (11), где формируется три потока.

Схема системы замкнутого водопользования на ЭТС с применением сорбционно-термической технологии: 1 - механический фильтр; 2 - блок сорбции; 3 - деаэратор; 4 - энерготехнологическая котельная установка (этку); 5 - сухое золоудаление; 6 - циклон контура циркуляции; 7 - мокрый золоуловитель; 8 - подогреватель смешивающего типа; 9 - потребитель тепловой энергии; 10 - потребитель ГВС; 11 - разделитель; 12 - блок топливоприготовления; 13 - потребитель пара; 14 - питательный насос; 15 - насос подпитки сети; 16 - сетевой насос

Один поток через сетевой насос (16) направляется в подогреватель смешивающего типа (8), второй поток направляется в деаэратор для повторной термической обработки. Третий поток с уловленными взвешенными частицами направляют в блок топливо-приготовления. В контуре циркуляции ЭТКУ встроен циклон контура циркуляции (6), с помощью которого производится продувка котла. Продувочная вода подается в мокрый золоуловитель (7), где очищает дымовые газы. Вместе с уловленной золой отработанная вода поступает в блок топливоприготовления. Водо-топливная суспензия, приготовленная в блоке топли-воприготовления, поступает на сжигание в ЭТКУ.

Конструкция топки ЭТКУ предусматривает возможность вывода до 95 % золы через систему сухого золоудаления (5), что позволяет использовать сухую золу для производства строительных материалов.

При разработке сорбционно-термической технологии и системы замкнутого водопользования для ЭТС и систем теплоснабжения было учтено, что качество

Таблица 1

Нормативные показатели качества воды для паровых котлов низкого давления

и систем теплоснабжения

Показатель Питательная вода Котловая вода Подпиточная вода Сетевая вода

Жесткость

- общая, мг-экв/л 0,02 - - 7

- по СаСО3, мг/л - 5 0,8 -

Солесодержание, мг/л Не норм. 3000-3500 1000 Не норм.

Взвешенные вещества, мг/л 5 Не норм. 5 5

Соединения железа, мг/л 0,3 Не норм. 0,3 0,3-0,5

Содержание нефтепродуктов, мг/л 1 Не норм. 0,1-1 1

Содержание кислорода, мг/л 0,05 Не норм. 0,05 0,02

рН 8,5-10,5 9-11 6-9 8,3-9

питательной и котловой воды должно соответствовать требованиям к качеству воды, предъявляемым в «Правилах» [6], или превышать эти требования. А качество подпиточной и сетевой вод открытой системы теплоснабжения должно соответствовать или превышать нормативные показатели [7, 8]. В табл. 1 представлены нормативные показатели качества питательной и котловой воды для паровых котлов низкого давления, а также подпиточной и сетевой воды систем теплоснабжения.

Поскольку приведенные нормативные показатели качества были разработаны в разное время изготовителями энергетического оборудования и утверждались разными ведомствами, то требования к качеству воды отличаются существенно. Поскольку водоподго-товка ЭТС является единой для ЭТКУ и системы теплоснабжения, то необходимо создать новые нормативные документы, нормирующие качество воды. Поэтому производственные воды, участвующие в технологических процессах ЭТС и циркулирующие в системе теплоснабжения, в соответствии с документами [6, 7, 8] и в зависимости от степени загрязнения, предлагаем разделить на 4 класса:

I. Вода для питания котлов и подпитки тепловой сети.

II. Котловая вода и сетевая вода систем теплоснабжения.

III. Свежая (исходная) вода.

IV. Продувочные воды и водотопливная суспензия.

Объединенные показатели качества воды для

систем теплоснабжения с ЭТС, работающих по газовому циклу, приведены в табл. 2.

Для определения качества воды, очищаемой по сорбционно-термической технологии, мы вводим новые значения показателей. Основным критерием выбора значений показателей качества воды для системы замкнутого водопользования является обеспечение безнакипного режима работы котельного оборудования и предотвращение кислородной коррозии.

Пересчет показателей качества питательной и подпиточной воды производится с учетом доли продувки, равной р = 3%.

Показатель карбонатной жесткости котловой воды Жк = 5мг/л принимаем согласно «Правил» [6]. Соответственно, показатель карбонатной жесткости для питательной и подпиточной воды I класса равен Жк * р = 5 * 0,03 = 0,15 мг/л.

Аналогичным способом рассчитываем солесодер-жание в I классе. Содержание железа в котловой воде не нормируется, поэтому мы вводим этот показатель, взяв за исходное значение содержание железа в питательной воде 0,3 мг/л. Количество взвешенных веществ в I группе принимаем в соответствии с «Правилами», значение для II группы рассчитывается по аналогии с жесткостью.

Содержание нефтепродуктов, кислорода и рН в I и II классе принято в соответствии с «Правилами» и РД 24.031.120-91.

Показатели качества III класса приняты, исходя из списка самых загрязненных пресных поверхностных водоемов и рек России. Очистку воды до показателей

Таблица 2

Классификация вод на ЭТС_

Показатель Классы воды ЭТС

I II III IV

Жесткость - общая, мг-экв/л - по СаСО3, мг/л 0,15 5 до 6 до 10000

Солесодержание, мг/л 105 3500 до 1000 более 3500

Соединения железа, мг/л 0,3 10/0,5 до 10 до 1000

Взвешенные вещества, мг/л 5 170 Не норм. 100000

Содержание нефтепродуктов, мг/л 0,1 1 до 10 до 100000

Содержание кислорода, мг/л 0,05 0,02 до 14 до 10

рН 6-10,5 8,3-11 6-8 6-11

Примечание. Значение в числителе II класса относится к котловой воде, а в знаменателе - к сетевой воде.

качества I класса обеспечивают:

• блок механической очистки, где задерживаются взвешенные частицы и крупные включения;

• блок сорбции, в котором производится очистка исходной воды от тяжелых металлов, соединений железа и органических веществ;

• деаэратор, в котором производится удаление из воды кислорода и углекислого газа, а часть солей временной жесткости переводится в шлам.

Таким образом, системы замкнутого водопользования на ЭТС с применением сорбционно-термической технологии позволяют:

1. Обеспечить требуемые показатели качества питательной, котловой, подпиточной и сетевой воды;

2. Получить сбросные воды с высокой концентрацией примесей до 100 г/л от механических и сорбцион-ных фильтров, а также из мокрого золоуловителя;

3. Направить сбросные и продувочные воды на приготовление водотопливных суспензий;

4. Сжигать водотопливные суспензии, обезвреживая уловленные осадки с переводом их минеральной части в золу;

5. Использовать тепло продувочных вод и выпара из деаэратора для подогрева водотопливных суспензий;

6. Использовать исходную воду с широким диапазоном примесей за счет применения унифицированной сорбционно-термической водоподготовки.

В соответствии с принципами устойчивого развития, выполнены научно- исследовательские работы, направленные на создание технологий, предназна-

ченных для применения в системах теплоснабжения с ЭТС. Дальнейшие опытно-конструкторские работы планируется проводить на создаваемой опытно-промышленной энерготехнологической котельной установке.

Библиографический список

1. Некрасов А.С., Воронина С.А. Состояние и перспективы развития теплоснабжения в России. Материалы семинара «Проблемы теплофикации в странах с переходной экономикой» 23 марта 2004 г. Москва. [Электронный ресурс]

2. Безруких П.П. Малая и возобновляемая энергетика России сегодня. [Электронный ресурс]

3. Стратегия и проблемы устойчивого развития России в ХХ1 веке / под ред. А.Г. Гринберга, В.И. Данилова-Данильяна и др. М.: Экономика, 2002. 414 с.

4. Номер контракта: 02.526.11.6009. Разработка и создание опытно-промышленной установки по комплексной технологии термической переработки торфа с получением высококалорийного газового топлива и углеродных материалов для энергетического и промышленного использования // Приоритетное направление: «энергетика и энергосбережение». Избранные материалы. М.: Министерство образования и науки РФ, Федеральное агентство по науке и инновациям РФ.

5. Шелдон Страусе Проблемы водоподготовки // Мировая электроэнергетика. 1998. №1. С. 12-22.

6. Правила устройства и безопасной эксплуатации паровых котлов с давлением пара не более 0,07 МПа (0,7 кгс/см2), водогрейных котлов и водоподогревателей с температурой нагрева воды не выше 338К (115°С).

7. РД 24.031.120-91.

8. СанПиН 2.1.4.1074-01.

УДК 625.122+625.731.1

РАСЧЁТ ТЕПЛО - И ВЛАГООБМЕНА МКЭ В ЗЕМЛЯНОМ ПОЛОТНЕ ЖЕЛЕЗНЫХ И АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

О. Л. Рудых1

Дальневосточный государственный университет путей сообщения, 690990, г. Владивосток, ул. Пушкинская, 10.

Описана методика расчёта тепло - и влагообмена в земляном полотне железных и автомобильных дорог методом конечных элементов (МКЭ). Для этого используются дифференциальные уравнения теории тепло- и массо-переноса в капиллярно-пористых средах. Эти уравнения представлены в безразмерном виде, что позволило те-плофизические коэффициенты переноса привести к симметричному виду. Последнее обстоятельство позволяет получить основные уравнения МКЭ с симметричными коэффициентами, что можно использовать в существующих вычислительных комплексах МКЭ. Библиогр.17 назв.

Ключевые слова: железные и автомобильные дороги; земляное полотно; тепло - и влагообмен; метод конечных элементов; теория тепло - и массопереноса; капиллярно-пористые среды; дисперсные влажные грунты; теплофизические коэффициенты переноса; аппроксимация опытных данных; потенциал влажности; модели промерзающего, оттаивающего и мерзлого грунтов.

CALCULATION OF HEAT- AND MOISTURE EXCHANGE BY THE METHOD OF FININTE ELEMENTS IN THE

EARTH BED OF RAILROADS AND AUTOMOBILE ROADS

O.L.Rudyh

Far East state university of railway engineering 10, Pushkinskaya St., Vladivostok, 690990

1Рудых Олег Львович, доцент, кандидат технических наук, заведующий кафедрой строительной механики, начальник управления аспирантуры, докторантуры и подготовки научных кадров, тел.: (4212)407276, e-mail: aspir@festu.khv.ru Rudyh Oleg Lvovich, an associate professor, a candidate of technical sciences, the head of the Chair of Structural Mechanics, the head of the post-graduate course administration, doctor's degree course and scientific staff training, tel.: (4212)407276, e-mail: as-pir@festu.khv.ru