CC BY
22
Николаева Н.А. ©
Аспирант, кафедра инженерных коммуникаций и систем жизнеобеспечения, Иркутский государственный технический университет
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ РАСЧЕТЕ ПОТЕНЦИАЛА ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ
Аннотация
В статье рассматриваются альтернативные методы оценки потенциала энергосбережения при проведении энергообследования. Приводится пример расчета, выполненного при обязательном энергообследовании Иркутского кабельного завода.
Ключевые слова: энергосбережение, энергоаудит, моделирование.
Keywords: energy saving, energy audit, simulation.
Современные программные средства позволяют проводить расчеты тепломасообменных процессов с высокой скоростью и точностью. Примером может служить комплекс ANSYS® (Ansys 1пс., США), представляющий собой набор программных средств, позволяющих решать сложные задачи в области тепломассобмена, электродинамики, акустики, прочностной механики и гидрогазодинамики методом конечных элементов (МКЭ).
В основе МКЭ лежит решение дифференциальных и интегральных уравнений, описывающих законы тех или иных физических процессов. Область решения разбивается на конечное число элементов, в каждом из которых задается функция аппроксимации. Значение функций на границах элементов неизвестны, коэффициенты аппроксимирующих функций ищутся из условия равенства значений соседних функций на границах между элементами. Составляется система линейных алгебраических уравнений. Количество
уравнений равно количеству неизвестных значений в узлах, на которых ищется решение исходной системы, прямо пропорционально количеству элементов и ограничивается только возможностями средств вычислительной техники (СВТ). МКЭ позволяет задавать произвольную форму обрабатываемых значений, а также делать сетку более частой или редкой в зависимости от требуемой точности.
Поскольку МКЭ направлен в том числе на решение задач теплообмена и гидрогазодинамики, целесообразно рассмотреть автоматизацию расчетов при проведении энергетических обследований (энергоаудита). В процессе поиска нерациональных потерь энергии энергоаудитор может применять различные средства - в том числе расчетные. Например, потери теплоты с поверхности трубопроводов или теплообменников с нагретым теплоносителем, потери через ограждающие конструкции зданий в окружающую среду, гидравлические расчеты и т.д.
При проведении энергообследования Иркутского кабельного завода [1] был применен программный комплекс ANSYS , позволивший не только определить точную величину нерациональных тепловых потерь, но и разработать мероприятия по их устранению.
Источником теплоснабжения завода является ТЭЦ г. Шелехово. В технологии производства кабельной продукции непрерывно в течение суток и года используется пар. Возврат конденсата не производится ввиду его загрязненности.
Общая протяженность паротрассы составляет 2500 м, наружный диаметр 273 мм, толщина стенки 8 мм. Прокладка паропровода надземная на эстакаде и низких опорах. Паропровод введен в эксплуатацию в 1971 г. Проектом предусматривалась изоляция из минеральных матов толщиной 120 мм, антикоррозионное покрытие - оцинкованная жесть.
Поставка пара с параметрами Р=5±0,4кгс/см2; t=280±20оС; Qгод=61700Гкал; Qmax=10 Гкал/ч осуществляется ТЭЦ на основании договора. Основной проблемой, выявленной при
© Николаева Н.А., 2014 г.
обследовании паропровода, явилось получение заводом пара с пониженной температурой.
Горячая вода используется заводом для нужд горячего водоснабжения и отопления производственных и бытовых зданий, а также передается субабонентам (Qnp = 36 Гкал/ч, в т.ч. Qom,BeHm =33 Гкал/ч; Q^c(cpedH) = 4 Гкал/ч. Температурный график 140/70оС). Общая протяженность теплотрассы (в двухтрубном исчислении) составляет 2800 м, диаметр переменный (250мм, 500мм, 700мм). Система горячего водоснабжения потребителей открытая, подключение потребителей зависимое. Прокладка трубопроводов надземная, на эстакадах по территории ТЭЦ, а между ТЭЦ и предприятием на низко стоящих опорах. Тепловые сети эксплуатируются круглогодично с 1969 г. Срок эксплуатации тепловых сетей 43 года, превышает нормативный (25 лет). Изоляция была спроектирована и выполнена из минеральных матов толщиной 150 мм, покровный слой - оцинкованная жесть. На территории ТЭЦ изоляция частично была заменена на пенополиуретановые скорлупы.
На рис. 1 приведена схема организации учета тепловой энергии. Так как расчет с теплоисточником осуществляется по показаниям приборов учета, расположенным в 2,5 км от завода, убытки от потери теплоты на этом участке несет завод.
Рис. 1. Схема организации учета тепловой энергии
При обследовании трубопроводов горячей воды и пара на участке между заводом и ТЭЦ было выявлено частичное отсутствие теплоизоляции; деформация изолирующего слоя - неравномерность толщины, провисание в результате воздействия природных факторов (см. рис. 2).
б)
Рис.2. Состояние тепловой изоляции: а) паропровода; б) теплотрассы
Таким образом, основные задачи энергообследования системы теплоснабжения кабельного завода заключались в определении величины нерациональных тепловых потерь с поверхности трубопроводов пара и горячей воды, разработке решений по их устранению и оценки их экономической эффективности.
Для решения указанных задач был применен программный комплекс ANSYS®. Для ввода исходных значений были выполнены инструментальные замеры расходов и температуры теплоносителей на входе и выходе из трубопровода. Затем в программе была построена модель трубопроводов, заданы граничные условия, расчетные климатические характеристики, параметры среды. Результаты расчета приведены в табл. 1.
Таблица 1
Результаты расчета потерь тепловой энергии
Наименование Фактические значения Нормативные значения [2,31
Потери тепловой энергии с поверхности трубопровода пара 2560 Гкал/год 1565 Гкал/год
Потери тепловой энергии с поверхности трубопровода горячей воды 3797 Гкал/год 2655 Гкал/год
Кроме расчетных значений программой был визуализирован процесс теплообмена, происходящего между теплоносителем, стенкой трубы и окружающей средой. Полученная картина обосновывала значительное снижение температуры пара на технологическом вводе (до 80оС) и его частичную конденсацию. Эти факторы не только являются причиной
убытков завода от недополученной теплоты, но и оказывают влияние на удорожание технологического процесса.
Для трубопровода горячей воды также было выявлено ухудшение теплоизоляционных свойств изоляции в два раза.
Затем при помощи программных средств ANSYS® были разработаны модели с различными видами современной тепловой изоляции и выбраны наиболее оптимальные с технико-экономической точки зрения [4].
В энергетический паспорт включено мероприятие по замене существующей изоляции на минеральную вату (для паропровода) и пенополиуретановые скорлупы (для трубопроводов горячей воды). Ожидаемый эффект от реализации мероприятия составляет 2066 Гкал (1 239 тыс. руб.) за отопительный период, срок окупаемости 6,2 года.
Роль средств автоматизации инженерных расчетов трудно переоценить. Несмотря на то, что в США появление таких средств относят к 1960-70-х гг., для России они по-прежнему остаются инновационными. Сказывается и высокая стоимость программных средств, и низкая осведомленность специалистов, непосредственно занятых на производстве. Однако в современном информационном обществе невозможно игнорировать повышение требований к скорости и точности всех видов инженерных расчетов и проектирования. Таким образом, необходимо расширять область практического применения методов автоматизированных инженерных расчетов, в том числе и в таком актуальном направлении, как энергоаудит и энергосбережение.
Литература
1. Федеральный закон от 23 ноября 2009 г. N 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». [Электронный ресурс]: Информационно-правовой портал Гарант. Режим доступа: http://base.garant.ru/12171109/ (дата обращения 30.03.2014).
2. СНиП 41-02-2003. Тепловые сети. М., 2004 г. 55с.
3. Инструкция по организации в Минэнерго России работы по расчету и обоснованию нормативов технологических потерь при передаче тепловой энергии. Утверждена приказом Минэнерго России от 30 декабря 2008 года № 325.
4. СНиП 41-03-2003. Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов. М., 2004 г. 28с.
