CC BY
28
СТРОИТЕЛЬСТВО. Водоснабжение и теплоснабжение
D0I.org/10.5281/zenodo.1286032 УДК 697.34
В.П. Черненков, Д.А. Макаров, И.Д. Лихачев, М.С. Барышев
ЧЕРНЕНКОВ ВЛАДИМИР ПЕТРОВИЧ - к.т.н., профессор кафедры, e-mail: cvp_dv@mail.ru.
МАКАРОВ ДМИТРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ - старший преподаватель, e-mail: makentosh101@mail.ru
ЛИХАЧЕВ ИЛЬЯ ДМИТРИЕВИЧ - ассистент кафедры, e-mail: likhachev.id@dvfu.ru БАРЫШЕВ МИХАИЛ СЕРГЕЕВИЧ - лаборант кафедры, e-mail: baryshev_ms@mail.ru Кафедра инженерных систем зданий и сооружений Инженерной школы Дальневосточный федеральный университет Суханова ул., 8, Владивосток, 690091
Повышение энергетической эффективности системы теплоснабжения с помощью устройства для рекуперации дросселируемого напора
Аннотация: Представлен один из способов повышения энергоэффективности существующей системы теплоснабжения. Рассмотрена возможность практического применения новой энергосберегающей технологии - авторского устройства, позволяющего осуществить рекуперацию дросселируемого напора. Подробно описана работа центрального теплового пункта при разных эксплуатационных режимах. Оценён экономический эффект от внедрения энергосберегающей технологии.
Ключевые слова: рекуперация дросселируемого напора, энергосбережение, энергетическая эффективность, роторно-пластинчатая гидравлическая турбина, система теплоснабжения, избыточное давление, режимы работы.
Введение
Повышение энергоэффективности всех сфер энергетики определяет вектор развития топливно-энергетического комплекса России: курс на сокращение отставания в сфере энергосбережения закреплен в законодательстве [2].
В системах теплоснабжения со сложным рельефом местности при большой разности отметок между группами потребителей для обеспечения допустимого режима давления применяются зонирующие и насосно-дросселирующие станции. На таких станциях напор не только повышается с помощью насосов, но и дросселируется регуляторами давления различного типа. Для полезного использования дросселируемого напора необходима установка специального оборудования. Таким оборудованием является разработанное нами устройство для рекуперации дросселируемого напора [1]. Центральный тепловой пункт (ЦТП), для которого спроектировано устройство, работает в трех основных режимах: 1) «ЦТП», 2) «ТНС» (тепловая насосная станция), 3) «летний». Также предусмотрена работа теплового пункта в статическом режиме. На рис. 1 схематически изображен пьезометрический график средней зоны теплоснабжения в режиме «ЦТП» с рекуперацией дросселируемого напора.
© Черненков В.П., Макаров Д.А., Лихачев И.Д., Барышев М.С., 2018 О статье: поступила: 26.03.2018; финансирование: бюджет ДВФУ.
»м
*тооо •и»
*%В,000 гЩООО
*тт *тт
+УО.ООО
*ПООй
*тт_
1-73 ООО
*бдш
*5Р,УОО гЬОЖ
Рис. 1. Пьезометрический график средней зоны теплоснабжения в режиме «ЦТП». Здесь и далее: ЦТП - центральный тепловой пункт; ТНС - тепловая насосная станция;
ЛСД - линия статического давления.
Устройство для рекуперации дросселируемого напора является довольно простым оборудованием, не требующим больших затрат на его производство (табл. 1, 2). У научного коллектива, в который входят авторы данной статьи, имеются несколько вариантов исполнения данного устройства, из которых можно выбрать наиболее подходящее решение для конкретного технологического процесса.
Расчет и выбор каждого узла устройства зависит от параметров работы системы теплоснабжения, учитывающих изменения в режимах эксплуатации. Рассмотрим применение устройства на примере реконструкции ЦТП в г. Владивостоке. Необходимо внедрить устройство для рекуперации дросселируемого напора таким образом, чтобы реконструируемый объект удовлетворял требованиям СП 41-101-95. Проектирование тепловых пунктов [3].
Режимы работы ЦТП
ЦТП предусматривает возможность подключения потребителей по зависимой и независимой схеме (см. рис. 4) с открытым водоразбором на горячее водоснабжение у потребителей.
При независимой схеме подключения необходимые параметры теплоносителя обеспечиваются группой сетевых насосов и регулятором давления. Насосы повышают напор теплоносителя с 36 м вод. ст. до 116 м вод. ст., регулятор давления дросселирует напор с 74,5 м вод. ст. до 36 м вод. ст. Подпитка осуществляется из обратного трубопровода первого контура в обратный трубопровод второго контура.
При зависимой схеме подключения работа ЦТП осуществляется в режиме насосно-дросселирующей станции.
Статический режим обеспечивается совместной работой сетевых и подпиточных насосов, регулятор давления полностью закрывается, когда на теплоисточнике устанавливается статический режим.
Для обеспечения бесперебойности работы ЦТП предусмотрена установка резервного оборудования (резервные сетевые и подпиточные насосы).
Работа устройства для рекуперации дросселируемого напора предусматривается при следующих рабочих параметрах.
Параметры теплоносителя в первом контуре (греющая среда):
- напор в подающем трубопроводе 36 м вод. ст.;
- напор в обратном трубопроводе 23 м вод. ст.
Параметры теплоносителя во втором контуре при независимой схеме:
- напор в подающем трубопроводе 116 м вод. ст.;
- напор в обратном трубопроводе 74,5 м вод. ст. Параметры теплоносителя при работе в режиме «ТНС»:
- давление в подающем трубопроводе 116 м вод. ст.;
- давление в обратном трубопроводе 76 м вод. ст.
На рис. 2 схематически изображен пьезометрический график средней зоны теплоснабжения в режиме «ТНС» с рекуперацией дросселируемого напора.
*W000 *тооо *шооо *щоос 'моао *mwo *щооо moco *тооо
.9Q000
*.astro
.7QQ00 *Щ000 rsmv
*тооо
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 %00
штат евши
Рис. 2. Пьезометрический график средней зоны теплоснабжения в режиме «ТНС».
^ С W U 3
В зимний период расчетный максимальный расход сетевой воды второго контура - 510 м /ч. Параметры теплоносителя при работе в режиме «летний» (с нагрузкой горячего водоснабжения) следующие:
- давление в подающем трубопроводе - 94м вод. ст.;
- давление в обратном трубопроводе - 77 м вод. ст.
На рис. 3 схематически изображен пьезометрический график средней зоны теплоснабжения в летнем режиме работы с рекуперацией дросселируемого напора.
*т.т
гШШ гЩт *ts.m лот *тооо *тш тот .тш
.aiaa .дай ,№tm rsarn
Рис. 3. Пьезометрический график средней зоны теплоснабжения в режиме «летний».
В летний период расчетный максимальный расход воды на ГВС - 124 м /ч, отметка линии статического давления - 138 м.
Рис. 4. Схема ЦТП. ЦПВБ - центральная пароводяная бойлерная (то же - для рис. 5).
Обеспечение режимов работы ЦТП
с использованием устройства для рекуперации дросселируемого напора
Авторское устройство для рекуперации дросселируемого напора (далее - устройство) позволяет преобразовать энергию потока теплоносителя в энергию вращения вала гидравлической турбины, затем с помощью работы механического редуктора передать данную энергию на вал сетевого насоса, а уже в насосной части устройства происходит передача этой энергии потоку теплоносителя.
Подробнее о принципе работы и составляющих данного устройства см. [4].
На основании расчета устройства на приведенные параметры ЦТП в качестве турбины была выбрана роторно-пластинчатая гидравлическая машина ПН150.
Для передачи механической энергии с вала турбины на насос подобран серийный вариатор ВЦ6А. Данный вариатор имеет возможность подключения дополнительного привода (электродвигателя) к свободному валу для обеспечения возможности резервирования.
Насосная часть устройства представляет собой насос Grundfoss NB 100-250/259, электродвигатель которого подключен к свободному валу вариатора.
Схема ЦТП с использованием устройства для рекуперации дросселируемого напора представлена на рис. 5.
Рис. 5. Схема ЦТП устройством рекуперации.
При независимой схеме ЦТП теплоноситель от ТНС с напором 74,5 м вод. ст. и температурой 70 °С поступает на турбину устройства, где дросселируется до отметки 36 м вод. ст., затем направляется на блок подогревателей, где нагревается до температуры 120 °С. После подогревателей поступает на насосы устройства, которые повышают напор до 56 м вод ст. Блок дополнительных сетевых насосов увеличивает напор до необходимого уровняв 116 м вод. ст.
При зависимой схеме в режиме ТНС теплоноситель от теплоисточника с температурой 120 °С и напором 36 м вод. ст., минуя блок теплообменных аппаратов, поступает на насосы устройства, которые повышают напор до 56 м вод. ст., после чего теплоноситель поступает в дополнительные насосы, повышающие напор до 116 м вод. ст. Турбина, установленная на обратном трубопроводе, понижает напор с 74,5 м вод. ст. до 23 м вод. ст., при этом энергия потока через вариатор передается на насос устройства.
В летний период года при обеспечении нагрузки горячего водоснабжения теплоноситель, поступивший от теплоисточника с температурой 70 °С и напором 36 м вод. ст., минуя блок теплообменных аппаратов, поступает на насосы устройства. Данные насосы повышают напор до 56 м вод. ст., после чего теплоноситель поступает на дополнительные насосы, которые увеличивают напор до 94 м вод. ст.
Турбина на обратном трубопроводе понижает напор с 77 м вод. ст. до 23 м вод. ст.
В случае перехода ЦТП в статический режим работы регулятор давления на обратном трубопроводе полностью закрывается, подпиточные насосы осуществляют подачу теплоносителя из обратного трубопровода первого контура до отметки 36 м вод. ст., затем насосы устройства и дополнительные сетевые насосы создают необходимый подпор 87,5 м вод. ст. в контуре потребителей.
Технико-экономические показатели
Рассмотренный пример реконструкции ЦТП обеспечивает снижение эксплуатационных затрат в системе теплоснабжения за счет сокращения затрат электроэнергии на перекачку теплоносителя, обеспечивая тем самым повышение энергетической эффективности схемы (табл. 1-3).
Таблица 1
Стоимость заменяемого оборудования
Проект до внедрения энергосберегающей технологии
Наименование оборудования Стоимость общая, руб.
Насос сетевой 962 800
Прибор управления насосами 1 395 300
Клапан Ду 250, Kvs 630 2 350 500
Общая стоимость оборудования 4 708 600
Таблица 2
Стоимость оборудования, установка которого предусмотрена проектом внедрения устройства для рекуперации дросселируемого напора в существующую систему теплоснабжения
Проект после внедрения энергосберегающей технологии
Наименование оборудования Цена за ед., руб. Оборудование, ед. Стоимость общая, руб.
Насос, входящий в состав устройства 200 200 4 800 800
Вариатор 600 000 3 1 800 000
Турбина 500 000 3 1 500 000
Насос дополнительный 967 300 2 1 934 600
Клапан Ду 150, Кте 320 810 000 1 810 000
Общая стоимость оборудования 6 845 400
Таблица 3
Основные показатели энергосбережения схемы теплоснабжения
Показатель Без устройства рекуперации дрос. напора С устройством рекуперации дрос. напора
Потребление эл. энергии, кВт в год 1 004 520 661 056
Затраты на электроэнергию, руб./год. 2 852 837 1 877 399
Экономия, руб./год. 975 438
Вложения, руб. 4 708 600 6 845 400
Простой срок окупаемости, лет 2,19
Заключение
Итак, нами разработана принципиальная схема ЦТП с внедрением устройства рекуперации дросселируемого напора. На примере системы теплоснабжения со сложным рельефом местности показана возможность внедрения и практического применения устройства для рекуперации дросселируемого напора. Подтверждены экономическая и энергетическая эффективность нового способа теплоснабжения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Макаров Д.А., Лихачев И.Д., Черненков В.П., Еськин А.А., Ревенко Д.О. Способ работы системы теплоснабжения: пат. РФ № 2577714 2016. Опубл. 20.03.2016.
2. Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации: федерал. закон от 23.11.2009, N 261-ФЗ (последняя редакция).
3. СП 41-101-95. Проектирование тепловых пунктов. 1996. 71 с.
4. Makarov D.A., Chernenkov V.P., Likhachev I.D. Optimization of pump-throttling substation of heating networks. Applied Mechanics and Materials. 2015(792):375—378. [Trans Tech Publications, Switzerland].
THIS ARTICLE IN ENGLISH SEE NEXT PAGE
Water Supply and Heating
D0I.org/10.5281/zenodo.1286032
Chernenkov V., Makarov D., Likhachev I., Baryshev M.
VLADIMIR CHERNENKOV, Candidate of Engineering Sciences, Professor, e-mail: cvp_dv@mail.ru
DMITRIY MAKAROV, Senior Lecturer, e-mail: Makarov.da@dvfu.ru ILIA LIKHACHEV, Assistant of the Department, e-mail: Likhachev.id@dvfu.ru MIKHAIL BARYSHEV, Laboratory Assistant, e-mail: misha.karyshev@mail.ru Department of Engineering Systems of Buildings and Structures, School of Engineering Far Eastern Federal University 8 Sukhanova St., Vladivostok, Russia, 690091
Increasing the energy efficiency of the heat supply system with the help of the device for recuperation of throttling head
Abstract: The paper presents one of the ways to increase the efficiency of the existing heating system. The possibility of practical application of the device allows for the recovery of the throttled pressure. Described in detail is the work of the central heat supply station in all its operating modes. Evaluated is the anticipated economic benefit from the implementation of the energy-saving technologies. Key words: recovery of the throttled pressure, energy saving, energy efficiency, rotary-vane hydraulic turbine, heating system, overpressure, operation modes.
REFERENCES
1. Makarov D.A., Likhachev D.I., Chernenkov V.P., Eskin A.A., Revenko D.O. A method of operating a heating system. Patent for invention RF № 2577714 2016. Publ. 20.03.2016.
2. On energy saving and on increasing energy efficiency and on amendments to certain legislative acts of the Russian Federation. The Federal Law of 23.11.2009, N 261 (last version).
3. Set of Rules 41-101-95. The design of the heat stations. 1996, 71 p.
4. Makarov D.A., Chernenkov V.P., Likhachev I.D. Optimization of pump-throttling substation of heating networks. Applied Mechanics and Materials. 2015(792):375—378 [Trans Tech Publications, Switzerland].
