Регулирование нагрузки городских теплофикационных систем
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Теплоэнергетика. Теплотехника
Издательство:
Инфра-Инженерия
Год издания: 2023
Кол-во страниц: 356
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
Профессиональное образование
ISBN: 978-5-9729-1330-5
Артикул: 815389.01.99
Приведен анализ современного состояния отечественных систем теплоснабжения и недостатков существующих технологии регулирования отпуска теплоты. Сформулированы основные принципы и предложена концепция развития отечественных теплофикационных систем, предусматривающая перевод систем теплоснабжения на низкотемпературное теплоснабжение при количественном и качественно-количественном регулировании тепловой нагрузки, комбинирование центрального и местного регулирования. Для инженерно-технических и научных работников, а также студентов теплоэнергетических специальностей вузов.
Тематика:
ББК:
УДК:
- 620: Испытания материалов. Товароведение. Силовые станции. Общая энергетика
- 69: Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 13.03.01: Теплоэнергетика и теплотехника
- ВО - Магистратура
- 13.04.01: Теплоэнергетика и теплотехника
- Аспирантура
- 13.06.01: Электро- и теплоэнергетика
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
П. В. Ротов, В. И. Шарапов РЕГУЛИРОВАНИЕ НАГРУЗКИ ГОРОДСКИХ ТЕПЛОФИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ 2-е издание Монография Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023
УДК 697.34 ББК 31.38 Р79 Рецензенты: доктор технических наук, профессор СГТУ имени Ю. А. Гагарина Николаев Ю. Е.; доктор технических наук, профессор НГТУ Щинников П. А. Ротов, П. В. Р79 Регулирование нагрузки городских теплофикационных систем : монография / П. В. Ротов, В. И. Шарапов. – 2-е изд. – Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2023. – 356 с. : ил., табл. ISBN 978-5-9729-1330-5 Приведен анализ современного состояния отечественных систем теплоснабжения и недостатков существующих технологий регулирования отпуска теплоты. Сформулированы основные принципы и предложена концепция развития отечественных теплофикационных систем, предусматривающая перевод систем теплоснабжения на низкотемпературное теплоснабжение при количественном и качественно-количественном регулировании тепловой нагрузки, комбинирование центрального и местного регулирования. Для инженерно-технических и научных работников, а также студентов теплоэнергетических специальностей вузов. УДК 697.34 ББК 31.38 ISBN 978-5-9729-1330-5 Ротов П. В., Шарапов В. И., 2023 Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
ОГЛАВЛЕНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ .................................................................................................................. 6 Глава первая ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕПЛОФИКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ И ТЕХНОЛОГИЯХ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ НАГРУЗКИ ........................ 8 1.1. Теплофикация. Виды систем теплоснабжения ............................................................ 8 1.2. Теплоисточники систем теплоснабжения ..................................................................... 9 1.3. Системы транспорта теплоты ...................................................................................... 14 1.4. Схемы присоединения теплопотребляющих установок к тепловым сетям централизованной системы теплоснабжения .................................................................... 16 1.4.1. Схемы присоединения систем отопления к тепловым сетям ......................... 16 1.4.2. Схемы присоединения установок горячего водоснабжения к тепловым сетям .................................................................................................................. 21 1.5. Способы регулирования отпуска теплоты .................................................................. 25 1.6. Уравнение тепловой характеристики теплообменных аппаратов ........................... 27 1.7. Центральное регулирование отопительной нагрузки ............................................... 30 1.8. Центральное регулирование по совмещенной нагрузке отопления и горячего водоснабжения ...................................................................................................................... 33 1.8.1. Центральное регулирование по совмещенной нагрузке в открытых системах теплоснабжения ................................................................................................... 36 1.8.2. Центральное регулирование по совмещенной нагрузке в закрытых системах теплоснабжения ................................................................................................... 43 Глава вторая СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАГРУЗКИ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ТЕПЛОФИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ .................................... 49 2.1. Этапы развития централизованного теплоснабжения на основе теплофикационных систем в России .................................................................................. 49 2.2. Исторические особенности развития отечественных теплофикационных систем ...... 54 2.3. Анализ температурного графика центрального качественного регулирования ..... 59 2.4. Современное состояние регулирования нагрузки в отечественных теплофикационных системах .............................................................................................. 67 2.5. Анализ механизмов компенсации потребителями недоотпуска тепла от теплоисточников ................................................................................................... 82 2.6. Зарубежный опыт повышения энергетической эффективности централизованного теплоснабжения .................................................................................. 90 2.7. Концепция совершенствования технологий регулирования нагрузки теплофикационных систем .................................................................................................. 97 Глава третья ТЕХНОЛОГИИ КАЧЕСТВЕННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ НАГРУЗКИ В ДВУХКОНТУРНЫХ СХЕМАХ ТЭЦ ................................................ 104 3.1. Технология обеспечения пиковой тепловой нагрузки с включением водогрейных котлов в замкнутый контур ............................................... 104 3.2. Методика расчета температурного графика замкнутого контура в двухконтурных схемах ТЭЦ ........................................................................................... 106 3.3. Автоматизация расчета температурного графика замкнутого контура водогрейных котлов ........................................................................................................... 111 3
3.4. Показатели надежности технологий обеспечения пиковой тепловой нагрузки с включением водогрейных котлов в замкнутый контур на ТЭЦ ................................. 115 Глава четвертая НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ НАГРУЗКИ ТЕПЛОФИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ .......................................................................... 120 4.1. Технологии количественного и качественно-количественного регулирования тепловой нагрузки в теплофикационных системах ........................................................ 120 4.2. Технико-экономическое обоснование эффективности количественного и качественно-количественного способов регулирования тепловой нагрузки теплофикационных систем ................................................................................................ 124 4.3. Методика расчета количественного регулирования тепловой нагрузки открытых систем теплоснабжения ................................................................................... 135 4.4. Методика расчета качественно-количественного регулирования тепловой нагрузки открытых систем теплоснабжения ................................................................... 143 4.5. Оценка энергетической эффективности технологий количественного регулирования тепловой нагрузки на ТЭЦ ...................................................................... 147 4.6. Моделирование режима работы системы теплоснабжения при различных способах регулирования отпуска теплоты ...................................................................... 155 Глава пятая СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ТЕПЛОФИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ НАГРУЗКИ ..................................................... 161 5.1. Структурные схемы теплофикационных систем ..................................................... 161 5.2. Комбинированные теплофикационные системы с централизованными и децентрализованными источниками теплоты ....................... 167 5.3. Зонирование температурного графика ...................................................................... 175 5.4. Совмещение качественного и количественного способов регулирования тепловых нагрузок систем теплоснабжения ......................................... 179 5.5. Влияние режима работы системы теплоснабжения при комбинированном регулировании на теплофикационную выработку электроэнергии на ТЭЦ ................ 196 5.6. Экспериментальное исследование системы теплоснабжения в режиме комбинированного регулирования тепловой нагрузки .................................................. 208 5.6.1. Характеристика объекта исследования ........................................................... 208 5.6.2. Обработка результатов эксперимента ............................................................. 211 5.6.3. Проверка адекватности уравнений регрессии ................................................ 216 5.7. Технико-экономическое обоснование технологий комбинированного регулирования параметров теплоносителя в теплофикационных системах теплоснабжения ......................................................................................................................... 220 5.8. Особенности теплоснабжения в модели рынка тепла по методу «Альтернативная котельная» ............................................................................................ 224 Глава шестая РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ НАГРУЗКИ МЕСТНЫХ СИСТЕМ ТЕПЛОПОТРЕБЛЕНИЯ ............................................................................. 231 6.1. Особенности работы централизованных систем горячего водоснабжения .......... 231 6.2. Технологии регулирования нагрузки в системах горячего водоснабжения ......... 245 6.3. Об эффективности управления циркуляцией горячей воды ................................... 253 6.4. Анализ влияния способа регулирования тепловой нагрузки на режимы работы систем отопления ............................................................................................................... 266 4
6.5. Стабилизация гидравлических режимов местных систем отопления при переменном расходе воды в теплосети ..................................................................... 271 6.6. Оценка влияния способа регулирования тепловой нагрузки на показатели качества теплоснабжения .................................................................................................. 278 Глава седьмая ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ В ПЕРЕХОДНЫЕ ПЕРИОДЫ ОТОПИТЕЛЬНОГО СЕЗОНА .............................. 281 7.1. Технологии теплоснабжения в переходные периоды с использованием тепловых насосов ............................................................................................................... 281 7.2. Расчетная оценка режимов работы теплового насоса в централизованной системе теплоснабжения ................................................................................................... 284 7.2.1. Исходные данные .............................................................................................. 284 7.2.2. Одноступенчатый цикл без перегрева и переохлаждения хладагента при температуре низкопотенциального источника теплоты на входе в испаритель 34 qС ............................................................................................................. 285 7.2.3. Одноступенчатый цикл без перегрева и переохлаждения хладагента при температуре низкопотенциального источника теплоты на входе в испаритель 31 qС ............................................................................................................. 288 7.2.4. Одноступенчатый цикл с переохлаждением хладагента при температуре низкопотенциального источника теплоты на входе в испаритель 37 qС ............................................................................................................. 289 7.2.5. Одноступенчатый цикл с переохлаждением хладагента при температуре низкопотенциального источника теплоты на входе в испаритель 31 qС ............................................................................................................. 291 7.2.6. Одноступенчатый цикл с перегревом и переохлаждением хладагента при температуре низкопотенциального источника теплоты на входе в испаритель 37 qС ............................................................................................................. 292 7.2.7. Одноступенчатый цикл с перегревом и переохлаждением хладагента при температуре низкопотенциального источника теплоты на входе в испаритель 31 qС ............................................................................................................. 294 7.3. Расчет режимов работы теплового насоса при использовании сетевой воды из подающей магистрали ................................................................................................... 296 7.3.1. Одноступенчатый цикл с переохлаждением хладагента при температуре низкопотенциального источника теплоты на входе в испаритель 55 qС ............................................................................................................. 297 7.3.2. Одноступенчатый цикл с переохлаждением хладагента при температуре низкопотенциального источника теплоты на входе в испаритель 44 qС ............................................................................................................. 298 7.4. Определение режимных параметров работы ТНУ .................................................. 301 7.5. Эксергетический анализ работы режимов работы теплонасосной установки ...... 307 7.6. Технико-экономическое обоснование низкотемпературного теплоснабжения с использованием теплонасосных установок .................................................................. 312 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................................ 328 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .............................................................................................. 329 5
ПРЕДИСЛОВИЕ Современное отечественное теплоснабжение находится в постоянном непростом поиске путей развития. Происходит изменение экономики, формирование и развитие нового рынка тепла, что требует соответствующей корректировки законодательства. Существенно ужесточились требования к системам теплоснабжения и теплопотребления по энергосбережению и энергетической эффективности. Значительно усилилось влияние конечного потребителя на режимы работы энергетических систем и т. п. Одним из неоспоримых достижений отечественной теплоэнергетики является централизация теплоснабжения на основе систем, подключенных к тепловым электрическим станциям. Сегодня такие системы характеризуются невысокой энергетической эффективностью, что обусловлено недостаточно четкой государственной политикой в области энергетики и, зачастую, нерациональным их управлением. Безусловность термодинамического преимущества теплофикационных систем с комбинированной выработкой электрической и тепловой энергии свидетельствует о необходимости их сохранения и развития с адаптацией к современным реалиям. Многие технические, структурные и режимные решения, принимаемые в период развития отечественного теплоснабжения, не отвечают современным требованиям экологичности и энергосбережения. Следует отметить, что структура отечественных систем теплоснабжения формировалась продолжительное время, в том числе, и в условиях восстановления экономики страны после разрушительных войн ХХ века, когда в качестве основного экономического критерия выступали невысокие капитальные затраты. Как показывают результаты современных технико-экономических исследований, существенным недостатком структуры теплоснабжения, при которой теплогенерирующие мощности (включая пиковые котлы) размещались на значительном удалении от потребителей, является недостаточная гибкость по отношению к внешним экономическим условиям. Положительный эффект от централизованного теплоснабжения в значительной мере нивелируется потерями топливно-энергетических ресурсов из-за несоответствия традиционных режимов работы теплофикационных систем теплоснабжения современным экономическим требованиям. Повысить эффективность систем централизованного теплоснабжения возможно за счет пересмотра и корректировки ряда концептуальных положений по схемам и режимам их работы, адаптации к современным экономическим условиям и требованиям по энергосбережению. В монографии представлены результаты многолетних обследований системы теплоснабжения г. Ульяновска, анализ современного состояния централизованного теплоснабжения в России и зарубежного опыта энергосбережения, исследованы исторические особенности развития отечественных теплофикационных систем. 6
Авторами предложена концепция совершенствования технологий регулирования нагрузки теплофикационных систем, основным положением которой является низкотемпературное теплоснабжение при количественном и качественно-количественном регулировании тепловой нагрузки. В целях реализации этой концепции предложено внести структурные изменения в действующие теплофикационные системы, для чего разработаны и технико-экономически обоснованы новые технологии комбинированного низкотемпературного теплоснабжения, позволяющие существенно повысить эффективность работы теплофикационных систем. На основании многолетнего наблюдения за действующими системами теплоснабжения и исследований режимов их работы определены периоды снижения эффективности работы теплофикационных систем и предложены способы и технологии повышения эффективности теплоснабжения в эти периоды, в том числе, с использованием теплонасосных установок. Также, большое внимание в монографии уделено регулированию нагрузки систем отопления, горячего водоснабжения и повышению эффективности их работы. При работе над монографией мы стремились сделать ее полезной прежде всего для специалистов-теплоэнергетиков, работников ТЭЦ и других теплоснабжающих предприятий. Книга также может быть использована в качестве учебного пособия для студентов специальностей (профилей) «Теплогазоснабжение и вентиляция», «Тепловые электрические станции», «Промышленная теплоэнергетика», магистерской программы «Теплогазоснабжение населенных мест и предприятий». Работа над монографией велась авторами совместно. Раздел 5.2 монографии написан в соавторстве с М. Е. Орловым, разделы 5.8 и 6.3 – в соавторстве с Сивухиным А. А. и Гафуровым Р. А. Авторы с благодарностью примут замечания и предложения по улучшению книги. 7
Глава первая ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕПЛОФИКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ И ТЕХНОЛОГИЯХ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ НАГРУЗКИ 1.1. Теплофикация. Виды систем теплоснабжения Теплофикация, по определению проф. Е. Я. Соколова, это централизованное теплоснабжение на базе комбинированного производства электроэнергии и тепла на теплоэлектроцентралях. Термодинамическая эффективность производства электроэнергии по теплофикационному циклу обусловлена исключением отвода теплоты в окружающую среду, неизбежного при производстве электроэнергии по конденсационному циклу [20, 190, 191, 240]. Под термином «теплоснабжение» понимается обеспечение потребителей тепловой энергией [142]. Термин «система теплоснабжения» обозначает совокупность взаимосвязанных энергоустановок, осуществляющих теплоснабжение города, района, предприятия [142]. Основными элементами теплофикационной системы теплоснабжения являются теплоисточник тепловая электрическая станция, тепловые сети, абонентские установки потребителей. Теплоисточник является определяющим элементом системы теплоснабжения: его мощность и место расположения влияют на тип, линейные размеры, оборудование остальных элементов системы теплоснабжения. В зависимости от размещения теплоисточника системы теплоснабжения бывают централизованные и децентрализованные. Особенностью децентрализованных систем является то, что теплоисточник располагается в непосредственной близости от приемников тепловой энергии (потребителей). В таких системах протяженность тепловых сетей, как правило, невелика, что позволяет осуществлять транспорт теплоносителя практически без теплопотерь. В свою очередь децентрализованные системы теплоснабжения, согласно классификации, принятой в [190, 191], подразделяются на индивидуальные и местные. В индивидуальных системах теплоснабжения теплоисточник предназначен для снабжения тепловой энергией отдельного помещения. В местных системах от теплоисточника осуществляется теплоснабжение отдельного здания. Примером индивидуальной системы может служить система поквартирного отопления и горячего водоснабжения, где в качестве теплоисточника выступает настенный газовый котел. Такие системы на практике встречаются довольно редко, что обусловлено необходимостью дополнительных капитальных вложений при строительстве таких систем. Так, размещение настенных газовых котлов в каждом помещении здания требует устройства дополнительных вытяжных и приточных каналов, противопожарного водопровода, установки повысительных насосов на вводе водопровода в здание для бесперебойной работы газовых котлов. Местные системы, в отличие от индивидуальных, получили более широкое распространение в отечественном теплоснабжении. В настоящее время существует большая номенклатура отечественных и импортных бытовых котлов ма8
лой мощности, которые могут быть использованы в местных системах в качестве теплоисточников. Для применения как местных, так и индивидуальных систем теплоснабжения необходимо подробное технико-экономическое обоснование путем сравнения с централизованными системами теплоснабжения. В централизованных системах теплоснабжения теплоисточник и теплоприемники (абоненты) расположены, как правило, на значительном расстоянии. Наличие крупных систем транспорта теплоты, протяженность которых может превышать 10 км, является отличительной особенностью централизованных систем от местных или индивидуальных. Существенными недостатками крупных систем транспорта теплоты являются значительные теплопотери, обусловленные, как правило, несовершенством существующих конструкций тепловой изоляции теплопроводов, и инерционность систем теплоснабжения: при изменении температуры сетевой воды на теплоисточнике транспортное запаздывание у наиболее удаленных потребителей может составлять несколько часов. Важным элементом централизованных систем теплоснабжения являются тепловые пункты – тепловые узлы, предназначенные для распределения теплоносителя по видам теплового потребления. В тепловом пункте размещают оборудование, арматуру, приборы контроля, управления и автоматизации, с помощью которых осуществляются [142]: преобразование вида теплоносителя или изменение его параметров; контроль параметров теплоносителя; учет тепловой энергии, расходов теплоносителя и конденсата; регулирование расхода теплоносителя и распределение его по системам теплопотребления; защита местных систем от аварийного повышения параметров теплоносителя; заполнение и подпитка систем теплопотребления; сбор, охлаждение, возврат конденсата и контроль его качества; аккумулирование тепловой энергии; водоподготовка для систем горячего водоснабжения. Тепловой пункт, обслуживающий два или более зданий, называется центральным тепловым пунктом. 1.2. Теплоисточники систем теплоснабжения Источник теплоты (тепловой энергии) – энергоустановка, предназначенная для производства теплоты (тепловой энергии) [142]. Теплофикация, с точки зрения термодинамики, является более совершенным, по сравнению с раздельной выработкой, способом производства электрической и тепловой энергии, позволяющим существенно уменьшить расход органического топлива на выработку электрической и тепловой энергии [5, 49, 190, 285]. Раздельное производство тепловой и электрической энергии производится на конденсационных электрических станциях (КЭС) и районных паровых или водогрейных котельных. При этом на КЭС не используется значительное количество тепловой энергии отработавшего пара, которая теряется с охлаждающей водой в конденсаторе турбинной установки. Принципиальная схема паротурбинной конденсационной электростанции без промежуточного перегрева пара приведена на рисунке 1.1. 9
1 4 3 9 5 9 9 10 10 7 8 6 Рис. 1.1. Тепловая схема КЭС: 1 – теплофикационная турбина; 2 – электрогенератор; 3 – энергетический котел; 4 – конденсатор; 5 – конденсатный насос; 6 – деаэратор повышенного давления; 7 – конденсатный насос регенеративных подогревателей; 8 – питательный насос; 9 – регенеративные подогреватели низкого давления; 10 – регенеративные подогреватели высокого давления Паровые и водогрейные котельные предназначены для покрытия тепловой нагрузки систем теплоснабжения при раздельной выработке или могут выступать в качестве пиковых источников тепловой мощности при комбинированном производстве тепловой и электрической энергии. Основными элементами котельных установок являются: паровой (водогрейный) котлоагрегат, тягодутьевые и питательные устройства, оборудование водоподготовки, деаэратор [64, 144, 276, 290]. Пар, вырабатываемый на паровой котельной, может быть использован одновременно для покрытия тепловых нагрузок промышленных потребителей и системы теплоснабжения (рис. 1.2). Схема водогрейной котельной представлена на рисунке 1.3. В отечественной теплоэнергетике комбинированная выработка тепловой и электрической энергии производится на городских, районных и промышленных ТЭЦ различной мощности [191, 205, 206, 224]. Электрические станции, предназначенные для комбинированной выработки тепловой и электрической энергии, оборудованы паротурбинными установками единичной мощностью 6250 МВт с регулируемыми отборами пара. Рабочее давление на ТЭЦ среднего давления составляет 4 МПа, высокого давления 9 и 13 МПа, на ТЭЦ сверхкритических параметров пара 24 МПа. На ТЭЦ, как правило, устанавливаются конденсационные турбины с отборами пара П с производственным отбором, Т с отопительными отборами, ПТ с производственным и отопительным отбором или турбины с противодавлением (Р). В маркировку турбины входят тип, номинальная элек10