IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Россия является страной с высоким уровнем централизованного теплоснабжения, с большой протяженностью тепловых сетей, обеспечивающих значительные тепловые нагрузки различного назначения. Учитывая, к тому же, суровый климат страны остро возникает проблема потерь тепловой энергии через изоляцию трубопроводов тепловых сетей.

Согласно статистическим данным последних лет общие потери тепловой энергии объектами строительного комплекса составляют в настоящее время около 2 млрд Гкал/год, или 364,5 млн т у.т/год, т.е. около 20 % годового производства первичных топливно-энергетических ресурсов России [1]. Из них на долю тепловых потерь через изоляцию трубопроводов тепловых сетей приходится 324 млн Гкал/год, или 59,5 млн т у.т/год.

В свете политики энергосбережения, проводимой нашим правительством, снижение тепловых потерь в системах теплоснабжения, оптимизация тепловых режимов эксплуатации трубопроводов становятся приоритетными направлениями энергосберегающей деятельности любого предприятия.

Особое значение оптимизация тепловых режимов приобретает при эксплуатации паропроводов систем пароснабжения промышленных предприятий в силу их существенных отличий от водяных сетей.

Заводские сети паропроводов имеют разветвленную структуру, образованную несколькими потоками с резервными перемычками. Система пароснабжения, как правило, имеет резервирование 100% по источникам и частично по магистральным паропроводам. Диаметры участков паропроводов находятся в диапазоне от 50 до 600 мм, суммарная длина всей сети паропроводов составляет несколько десятков километров. Параметры пара в сети и режимы потребления могут различаться в зависимости от технологических потребностей.

Тепловой режим паропровода должен обеспечивать в первую очередь качество пара, которое характеризуется его термодинамическими параметрами, определяющими энергетическую мощность парового потока. Качество пара характеризуется сочетанием его параметров, обеспечивающих наиболее эффективное использование энергетического потенциала пара для совершения механической работы (паровые турбины и двигатели) или передачи тепловой энергии в теплообменных аппаратах. Качество пара, поступающего к потребителю, должно обеспечивать: во-первых, оптимальное ведение технологического процесса, исключающее образование брака и снижение производительности выпускаемой продукции; во-вторых, эффективное использование энергетического потенциала пара с минимальными потерями.

Тепловой режим паропровода создается и поддерживается следующими показателями:

а) параметрами вырабатываемого пара, которые определяются оптимальными показателями работы парогенерирующего оборудования, достигнутыми при режимной наладке;

б) рабочим давлением пара в котле, которое определяется режимом работы системы пароснабжения и поддерживается питательным насосом;

в) температурой пара, зависящей от наличия пароперегревателя в составе котла и потребности в технологическом процессе производства;

г) предельными значениями давления и температуры вырабатываемого пара, которые ограничиваются конструктивными особенностями котельного агрегата, в частности, величиной поверхностей нагрева элементов котла;

е) изменением параметров в случае потребности в паре с параметрами меньшими, чем вырабатываются в котле, которое осуществляется редуцированием потока с потерей его работоспособности;

ж) количеством вырабатываемого пара, которое обеспечивается изменением расхода топлива, подаваемого на горение.

На тепловой режим паропровода влияет большое количество факторов: климатических, конструктивных, эксплуатационных, экономических.

Климатические факторы проявляются в виде особенностей погоды, присущих региону расположения предприятия. К ним следует отнести изменение температуры наружного воздуха в течение года, продолжительность холодного периода, скорость ветра и др.

К конструктивным факторам можно отнести диаметр и длину паропроводов, наличие запорно-регулирующей арматуры и других элементов паровой сети, способ прокладки паропроводов, особенности конструкции тепловой изоляции.

К эксплуатационным факторам следует отнести в первую очередь особенности проведения производственного процесса, режимные значения параметров пара, соответствующие требованиям технологических регламентов. Во вторую очередь следует учитывать техническое состояние генерирующего и паропотребляющего оборудования, а также трубопроводов и элементов паровой сети предприятия.

Экономические факторы - это стоимость покупной тепловой энергии или себестоимость собственной выработки пара, величина тарифов на топливно-энергетические ресурсы, стоимость ремонтов оборудования и тепловых сетей и др.

Оптимизация теплового режима паропровода заключается в принятии правильного оперативного решения, учитывающего все названные факторы и приводящего в итоге к обеспечению надлежащего качества теплоносителя с минимальными энергетическими затратами. В случае с системой пароснабжения оптимизация может быть режимной, связанной с выбором наилучших параметров теплоносителя, и конструктивной, требующей изменения диаметров, перекладки трубопроводов и т.п. В связи с этим можно ранжировать факторы по степени их влияния на тепловые режимы паропроводов и возможности управления ими при наладке паровых сетей.

Климатические факторы не подлежат управлению, поэтому они учитываются при проектировании системы пароснабжения, а в процессе эксплуатации под них подстраиваются режимные параметры посредством регулирования.

Аналогично обслуживающий персонал не может влиять на величину стоимости топливно-энергетических ресурсов, материалов, оборудования.

Конструктивные показатели выбираются при проектировании с учетом надежности теплоснабжения, энергетической эффективности паровых сетей, минимизации капитальных затрат на момент ввода системы теплоснабжения в эксплуатацию. Последующее изменение конструктивных показателей происходит через определенный срок в результате реконструкции, модернизации и других технических преобразований системы теплоснабжения.

Эксплуатационные факторы являются наиболее значащими, так как определяют надежность и эффективность работы предприятия и могут обеспечиваться эксплуатационным персоналом в оптимальных пределах.

Качественные показатели пара (давление и температура), непосредственно передаваемые потребителю, определяются параметрами на выходе из источника пароснабжения и изменениями их при транспортировке пара по трубопроводам.

На рисунке 1 представлена T-s диаграмма водяного пара с параметрами четырех котельных, работающих на одну заводскую сеть. (Представлены реальные данные обследования системы пароснабжения одного из промышленных предприятий). Анализ рабочих процессов каждой котельной показывает, что наиболее неблагоприятные показатели имеет котельная ДКВ. Параметры пара, вырабатываемого в ней, таковы, что при отпуске в сеть вследствие тепловых потерь в паропроводе состояние пара из перегретого быстро переходит в состояние насыщения, сопровождающееся образованием конденсата со всеми вытекающими последствиями (необходимость дренажа, гидравлические удары, некорректность показаний приборов учета и др.). Кроме того, давление пара, поступающего в сеть от котельной ДКВ, существенно отличается от давления пара, поступающего от других котельных. Это приводит к ограничению радиуса действия котельной ДКВ, а местами и к смене направления потоков.

Рисунок 1. Рабочие процессы котельных при работе на заводскую сеть

Проведенный эксергетический анализ режимов работы котельных доказал, что котельная ДКВ действительно имеет наименьший КПД и наибольшую потерю работоспособности (таблица 1).

Одновременно можно отметить, что котельные, работающие на мазуте, имеют более низкие показатели по сравнению с газовыми котельными.

Как отмечено выше, параметры пара сильно зависят от температуры и давления, которые в процессе транспорта от источника до потребителей могут значительно снижаться из-за гидравлических и тепловых потерь. Источник обычно вырабатывает перегретый пар, но по мере его продвижения по сети, пар может перейти в состояние насыщенного, частично или полностью сконденсироваться. Из-за этого при расчетах приходится иметь дело с фазовыми переходами и двухфазными смесями.

Наличие двухфазного состояния теплоносителя и сильная зависимость параметров пара от температуры и давления представляют собой основные трудности, которые приходится преодолевать при расчетах паропроводных сетей. Кроме того, при расчетах систем пароснабжения приходится учитывать все процессы, происходящие с паром во время его передвижения по трубопроводным сетям, такие, как потери давления из-за трения, теплообмен с окружающей средой, эффект Джоуля-Томсона, истечение через дренажи и т.п. Достоверные результаты расчета можно получить только при использовании программного продукта, основанного на математической модели системы пароснабжения конкретного предприятия.

Основные закономерности изменения параметров пара при движении по трубам можно описать следующими формулами:

- изменение температуры пара по длине трубопровода из-за тепловых потерь в окружающую среду

(1)

где - расход пара на участке, т/ч; - теплоемкость пара, Дж/(кг·°С); - температура пара в начале и конце участка, °С; - коэффициент теплопередачи от пара в окружающую среду через изолированную поверхность трубопровода, Вт/(м²·°С); - поверхность теплопередачи, м²; - средняя температура пара на участке трубопровода, °С; - температура окружающей среды, °С.

- изменение температуры пара в процессе адиабатного дросселирования (Эффект Джоуля-Томсона)

(2)

где - температура пара в начале и конце участка, соответственно, К; – давление пара в начале и конце участка, соответственно, МПа.

- падение давления теплоносителя по длине трубопровода

(3)

где – коэффициент гидравлического трения; – внутренний диаметр трубопровода, м; – плотность теплоносителя, кг/м³; – скорость движения теплоносителя, м/с; – геометрическая длина трубопровода, м; – эквивалентная длина местных сопротивлений, м; – расход теплоносителя, т/ч.

Реальные результаты расчетов на конкретных объектах позволили выявить фактические направления движения пара на кольцевых участках магистрального паропровода, места возможного образования конденсата за счет снижения температуры пара при транспортировке его по трубам, потери давления и температуры на участках от источников до потребителей. Анализ полученных результатов позволяет сделать некоторые общие выводы.

1. Недостаточная загрузка паропровода характеризуется низкой скоростью пара, и, как следствие, высокими потерями температуры пара, которые влекут за собой, во-первых, снижение теплотворной способности пара, а во-вторых, приводят к образованию конденсата в паропроводе, что отрицательно сказывается на надежности системы пароснабжения в целом.

2. Увеличение расхода пара на участке постоянного диаметра уменьшает падение температуры, что является положительным явлением, так как снижает вероятность образования конденсата при транспортировке. Как следствие, увеличивается тепловой потенциал пара при использовании его у потребителя;

3. Увеличение расхода пара на участке постоянного диаметра приводит к повышенной потере давления, что является отрицательным фактором, так как приводит к снижению энергетического потенциала пара.

4. Очевидно, существует некоторый оптимальный расход пара или оптимальная скорость движения, при которых энергетические потери пара при его транспортировке по трубопроводу будут минимальными.

Для отыскания этого минимума сотрудниками ООО НТЦ «Промышленная энергетика» совместно с учеными Ивановского государственного политехнического университета использован анализ потери работоспособности потока пара с эксергетической точки зрения [2]. В основу методики при движении пара в трубопроводе авторы заложили следующие совокупные процессы:

1. уменьшение энтальпии и энтропии вследствие теплопотерь в окружающую среду;

2. увеличение энтропии вследствие дросселирования потока (уменьшения давления).

Совокупность процессов теплообмена, эффекта Джоуля-Томсона, а так же расширения пара в ходе его течения через трубопровод постоянного диаметра, описывается понятием эксергии. Потери эксергии включают в себя как потери температуры пара, так и его давления. Увеличение расхода пара напрямую связано с увеличением скорости его движения. Увеличение скорости ведет к уменьшению потерь температуры пара, поскольку ее влияние на теплообмен с окружающей средой пренебрежимо мало. Однако увеличение скорости также ведет к увеличению потерь давления, т.е. затрат энергии пара на преодоление гидравлического сопротивления трубопровода. В свою очередь, увеличение потерь давления ведет к увеличению влияния эффекта Джоуля-Томсона и соответствующему падению температуры.

Величина эксергии учитывает механические (эксергия потока) и тепловые (эксергия потока теплоты) параметры пара. Составляющие эксергии определяются по формулам:

- эксергия потока пара, кДж/кг

(4)

• эксергия потока теплоты, кДж/кг

(5)

В приведенных формулах: - энтальпия пара и окружающей среды, кДж/кг; - энтропия пара и окружающей среды, кДж/(кг·К); – температура пара и окружающей среды, К; - величина теплового потока, кДж/кг.

Анализируя полученные зависимости можно говорить о том, что существует такое значение расхода, при котором потери эксергии по длине трубы будут минимальны. Этот расход можно считать оптимальным для трубопровода данного диаметра, при данном давлении и температуре пара.

(6)

Изменение энтальпии (первое слагаемое в правой части уравнения (6)) происходит исключительно вследствие теплопотерь, а изменение энтропии (второе слагаемое) - как вследствие дросселирования потока, так и вследствие теплопотерь.

В реальных системах пароснабжения промышленных предприятий уменьшение температуры пара, обусловленное дросселированием потока, превышает ее уменьшение вследствие тепловых потерь. Исключение составляют недогруженные участки паропроводов. Это объясняется большими величинами эффекта Джоуля-Томсона для перегретого пара, который, в зависимости от температуры, составляет 14…25 °С/МПа, что значительно больше, чем для природного газа [3].

Величину минимальных потерь эксергии можно получить, составив выражение зависимости эксергии от расхода пара, найти первую производную этого выражения и решить уравнение, приравняв ее нулю

dЕ/dG=0. (7)

Следует также иметь в виду, что конкретное значение оптимального расхода для данного участка трубопровода зависит от параметров пара в начале участка, иначе говоря, от параметров пара, вырабатываемого источниками.

Конкретный вид графиков, построенных по уравнениям 4-7, представлен в качестве примера на рисунке 2.

Рисунок 2. Зависимость эксергетических потерь dE/dL от расхода пара для диаметра 300 мм и давления 1,3 МПа

На рисунке четко виден минимум эксергетических потерь, соответствующий скорости пара примерно 17 м/с и расходу порядка 30 т/ч. С уверенностью можно заявить, что оптимальным будет не какое-то конкретное значение параметров, а некоторый диапазон расходов пара. При выборе расхода пара, соответствующего данному диаметру, расчет потерь температуры и давления производят по удельным потерям этих величин, найденных графически для требуемого расхода. Подобные графики могут быть построены для всех стандартных диаметров труб, применяемых в системах теплоснабжения.

Таблица 1

Эксергетический анализ режимов работы котельных

Котельная, тип котлов	Топливо	D, т/ч	P, МПа	T, °С	hвх, кДж/кг	hвых, кДж/кг	Sвх, кДж/кг °С	Sвых, кДж/кг °С	евх, кДж/кг	евых, кДж/кг	Tт, °С	ηка	qт, кДж/кг	eq, кДж/кг	ΔLка, кДж/кг
ДКВ, ДЕ-10-14-225ГМ	мазут	60	0,68	198	419	2842	0,35	6,89	51,4	1220	2273	0,88	3206	2807	1640
ПКК ПКК-75/24-150-5	газ УПБ	32,3	0,73	270	419	2995	0,35	7,16	51,4	980	1100	0,90	2840	2109	1180
ДЕ-100, ДЕ-25-14-250 ГМ	мазут	65,3	0,78	240	419	2930	0,35	7,01	51,4	1260	2300	0,89	3210	2815	1606
Изомеризация, CTD 65/32/300	природный газ	112	2,13	328	419	3085	0,35	6,84	51,4	1120	1400	0,94	2950	2353	1284

Примечание: в таблице приняты следующие обозначения: D, P, T – соответственно, расход, давление и температура пара;

h_вх, S_вх, е_вх – энтальпия питательной воды на входе в котел; h_вых, S_вых, е_вых – энтальпия пара на выходе из котла; T_т - температура;

η_ка – коэффициент полезного действия котельной; q_т – величина ; e_q - эксергия потока теплоты; ΔL_ка – потеря работоспособности котельной.

Оптимизация теплового режима паропровода проводится, как правило, при наладочных работах тепловых сетей. Для подобных работ можно предложить следующий порядок их проведения.

1. Измеряют фактические параметры пара на участках тепловой сети: давление, температура, расход.

2. Проводят анализ полученных результатов, в ходе которого определяют состояние пара, выявляют участки с возможной конденсацией, определяют степень загрузки паропровода.

3.По графикам (рисунок 3) определяют положение рабочей точки. Если она находится вне области оптимальности, то принимают решения либо по замене участка паропровода на другой диаметр, либо по изменению расхода пара на данном участке.

Рисунок 3. Пример проведения режимно-конструктивной оптимизации

паропровода

Библиографический список

1.  
   1.  
      1.  

         1. МДС 41-7.2004 Методика оценки влияния влажности на эффективность теплоизоляции оборудования и трубопроводов.

         2. Методика определения энергетически оптимальных режимов эксплуатации паропроводов. Елин Н.Н., Шомов П.А., Перов П.А., Голыбин М.А. Промышленная энергетика №11, 2015, с. 21-24.

         3. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. М., «Наука», 1979, с. 512.

Код для цитирования: Скопировать