CC BY
18
УДК 629
Применение тепловых аккумуляторов на объектах стационарной теплоэнергетики железнодорожного транспорта
И. Г. Киселев 1, Н. С. Кузнеченков 1, П. А. Ковалева 2
1 Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9
2 Октябрьская дирекция по тепловодоснабжению - филиал ОАО «РЖД», Центральная дирекция по тепловодоснабжению, Санкт-Петербургский территориальный участок (ДТВУ-3), Российская Федерация, 195009, Санкт-Петербург, ул. Комсомола, 37а
Для цитирования: Киселев И. Г., Кузнеченков Н. С., Ковалева П. А. Применение тепловых аккумуляторов на объектах стационарной теплоэнергетики железнодорожного транспорта // Известия Петербургского университета путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2019. - Т. 16, вып. 3. - С. 410-418. БО1: 10.20295/1815-588Х-2019-3-410-418
Аннотация
Цель: Определение перспективности применения аккумуляторов тепловой энергии на теплопо-требляющих объектах железнодорожного транспорта Российской Федерации, поиск возможных объектов внедрения и их характеристик. Методы: Используется сравнительный анализ зависимости годовых эксплуатационных затрат от мощности источника тепловой энергии. Результаты: Исследуется возможность применения тепловых аккумуляторов в стационарной теплоэнергетике железнодорожного транспорта. Выбраны типовые объекты, на которых возможно внедрить тепловые аккумуляторы. Для типовых объектов произведены расчеты эксплуатационных затрат, капитальных затрат, срока окупаемости и себестоимости отпускаемой тепловой энергии. Построена зависимость изменения годовых затрат от величины присоединенной нагрузки. Установлено, что эффективность применения тепловых аккумуляторов прямо зависит от подсоединенной тепловой нагрузки, при увеличении которой наблюдаются рост эксплуатационных затрат и снижение эффекта от внедрения. Определен предел этой эффективности, зависящий от разности ночного и дневного тарифов на электроэнергию, а также от величины подключенной нагрузки. Практическая значимость: На основе полученных зависимостей проводится оценка возможности внедрения тепловых аккумуляторов. Результаты исследования могут быть использованы как при модернизации существующих железнодорожных котельных, так и при проектировании новых.
Ключевые слова: Тепловой аккумулятор, твердотопливные котельные, эффективность применения, снижение эксплуатационных затрат, использование разности тарифов.
Введение
В настоящее время в области генерации тепловой энергии наиболее важной задачей является снижение себестоимости. Также в процессе выработки тепловой энергии воз-
никают проблемы загрязнения окружающей среды.
Российские железные дороги как один из крупнейших потребителей топливно-энергетических ресурсов на территории Российской Федерации постоянно сталкиваются с необхо-
димостью повышения эффективности их потребления. С этой целью и для выравнивания суточных нагрузок на объектах энергетики широкое применение нашли энерготехнологии с использованием тепловых аккумуляторов [1-15].
Структура потребления топливно-энергетических ресурсов объектами стационарной энергетики Октябрьской дирекции по тепловодоснабжению
На железнодорожном транспорте потребители энергоресурсов условно разделены на тяговые и нетяговые. К тяговым относятся энергетические установки электровозов, тепловозов, а также системы их энергоснабжения; к нетяговым - энергетическое оборудование железнодорожных станций, узлов, локомотивных и вагонных депо, компрессорные станции, отопительно-производственные котельные и т. п.
Среди нетяговых потребителей стоит выделить стационарную теплоэнергетику, которая включает в себя паровые и водогрейные котельные установки, системы теплоснабжения
(отопление, горячее водоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха производственных и бытовых зданий) и пр.
Одним из направлений повышения энергетической эффективности и снижения затрат является внедрение энергоэффективных технологий у нетяговых потребителей. Так, на потребление ими котельно-печного топлива приходится более 60 % от общего потребления железнодорожным транспортом.
Исходя из данных, предоставленных Октябрьской дирекцией по тепловодоснабжению, 61 % всех объектов производства тепловой энергии малой мощности составляют твердотопливные котельные со слоевым сжиганием (32 % на пиллетах и 29 % на каменном угле). На рис. 1 показано распределение котельных по видам сжигаемого топлива. Лишь 3 % тепловой энергии вырабатывается на современных котельных, работающих на природном газе. На рис. 2 представлено распределение потребления условного топлива.
В целях снижения затрат при использовании электро- и твердотопливных котельных, а также для уменьшения выбросов вредных веществ в атмосферу предлагается перейти на иные способы выработки тепловой энергии с использованием тепловых аккумуляторов.
■ Природный газ ■ Дизельное топливо
■ Электроэнергия Каменный уголь
■ Пиллеты
Рис. 1. Распределение котельных по видам сжигаемого топлива на 2017 г.
Природный газ Каменный уголь
Рис. 2. Распределение потребления условного топлива в 2017 г.
Характеристика объекта внедрения. Схемы теплоснабжения с использованием тепловых аккумуляторов
Наиболее подходящими, с точки зрения использования тепловой аккумуляции, являются объекты, отапливаемые от котельных, работающих на твердом топливе, а также от электрокотельных с тепловой нагрузкой на отопление до 350 кВт. На котельные данной мощности приходится наибольшая себестоимость тепловой энергии ввиду значительных эксплуатационных затрат и небольшой выработки. Перечень котельных и подключенных к ним потребителей представлен в таблице.
Предлагается провести модернизацию электрокотельных и реконструкцию твердотопливных котельных с переводом последних на электрическую энергию с заменой существующих котлов на электрокотлы с включением в действующую схему теплоснабжения аккумуляторов тепловой энергии.
Основными преимуществами электрических котлов являются:
1) высокий коэффициент полезного действия (до 98 %);
2) работа в автоматическом режиме;
3) простота ремонта;
4) экологическая безопасность.
К недостаткам применения электрокотлов относится высокая стоимость электрической энергии, что может отрицательно повлиять на получаемый экономический эффект. В целях исключения данного фактора на котельной необходимо разместить аккумуляторы тепловой энергии, что позволит включать котлы преимущественно в ночное время суток, когда тариф на используемую электроэнергию значительно ниже. Теплоаккумулирующий материал (ТАМ) теплового аккумулятора набирает тепловую энергию, которую вырабатывают водогрейные электрокотлы, а затем после полного накопления раздают его в дневное время суток, когда тариф на тепловую энергию выше. С прекращением работы котла помещение начинает охлаждаться. Датчик температуры воздуха (или температуры воды в системе отопления) включает циркуляционный насос, который подает горячую воду из аккумулятора в систему отопления. Температура воздуха (воды) повышается до установленного значения, и датчик выключает насос. Температура воды в аккумуляторе немного уменьшается, но из-за теплоизоляции продолжает оставаться достаточно высокой. Циклы включения и вы-
Перечень котельных и подсоединенных потребителей тепловой энергии
Наименование котельной Вид топлива Присоединенная нагрузка, кВт Себестоимость тепловой энергии, руб./кВтч Годовые затраты, млн руб. Потребитель тепловой энергии
Ильинская Каменный уголь 35 8,07 0,905 Станционное здание
Заборье Электроэнергия 23 15,66 1,058 Пост ЭЦ
Будогощь Электроэнергия 42 5,73 1,03 Пост ЭЦ, товарная контора, здание ДС
Кадуй Каменный уголь 140 4,31 2,044 Пост ЭЦ, вокзал, товарная контора, здание ПЧ-33
Пикалево-1 Каменный уголь 326 3,42 1,34 Административно-хозяйственное здание, здание ПТО ВЧД-28
Примечание: Пост ЭЦ - пост электрической централизации, здание ДС - здание дежурного по станции, ПЧ-33 - путевая часть 33, ПТО ВЧД-28 - пункт технического обслуживания вагонной части депо 28.
ключения насоса продолжаются до тех пор, пока температура воды в аккумуляторе будет оставаться выше, чем в системе отопления.
Элементарную систему отопления с тепловым аккумулятором иллюстрирует рис. 3. Система представляет собой вертикально расположенный тепловой аккумулятор, к которому подводятся 4 патрубка.
В тепловом аккумуляторе предусмотрены контуры, в обратные магистрали которых мон-
тируются насосы для циркуляции теплоносителя в сети:
- 1-й контур - 2 патрубка, подключенных к источнику тепловой энергии (верхний - прямой, нижний - обратный);
- 2-й контур - 2 патрубка, подключенных к системе отопления (верхний - прямой, нижний - обратный).
Время, требующееся для заполнения теплового аккумулятора, и время работы системы
Система отопления
Источник тепловой энергии
Рис. 3. Система отопления с тепловым аккумулятором (ТА)
на аккумулированной энергии рассчитываются исходя из мощности системы.
Практическое применение различных типов тепловых аккумуляторов связано в первую очередь с определением их оптимальных рабочих характеристик, с выбором недорогих и эффективных конструкционных материалов и теплоаккумулирующих сред.
Эффективность теплового аккумулятора при прочих равных условиях определяется массой и объемом ТАМ, необходимого для обеспечения заданных параметров процесса.
Расчет экономической эффективности от внедрения тепловых аккумуляторов. Расчет капитальных и эксплуатационных затрат
Для расчета были взяты такие данные:
1) расчетная тепловая нагрузка: Q0 = = 35 кВт;
2) продолжительность отопительного периода: n = 220 сут.;
3) основное оборудование до внедрения -котлы водогрейные: КЧМ-5 - 2011 г.;
4) годовые эксплуатационные затраты до реконструкции: Сдо = 905 тыс. руб.;
5) себестоимость тепловой энергии до внедрения: £до = 8070 руб./МВт-ч;
6) основное оборудование после внедрения - электрокотел марки ЭВАН UNIVERSAL 120 с установленной мощностью 120 кВт, две буферные емкости SunSystem P5000 для аккумулирования тепловой энергии объемом 5 м 3 каждая;
7) тарифы на электрическую энергию (включая НДС):
- ночной (23.00-7.00) Цэн = 0,69 руб./кВт-ч,
- дневной (7.00-23.00) Цд = 3,75 руб./кВт-ч.
Расчет выполнялся при допущениях:
- не учитывались изменения цен на топливно-энергетические ресурсы и действующих тарифов;
- капитальные вложения являются единовременными.
Определим количество тепловой энергии в тепловом аккумуляторе, работающем в качестве источника теплоснабжения:
0> = етД = 4,19 • 10 000 • 40 = = 1,676 ГДж (466 кВт-ч),
где Q - количество тепловой энергии, необходимое, чтобы нагреть массу жидкости (т) с известной теплоемкостью (с) на определенное количество градусов (Д?). Время работы теплового аккумулятора
? = Q/q = 466/35 = 13 ч,
здесь q - максимальная тепловая нагрузка котельной, кВт.
Таким образом, при пиковой нагрузке заряда теплового аккумулятора будет хватать на 13 ч.
Капитальные вложения составляют
К = Коб + Км = 1118 + 11180,2 = = 1341,6 тыс. руб.,
где Коб - стоимость устанавливаемого оборудования, тыс. руб.; Км- стоимость монтажа оборудования, принимается равной 20 % от стоимости оборудования, тыс. руб.
Рассчитаем годовые эксплуатационные затраты по формуле
С = С + С + С,
э пмз а'
в которой Сэ - годовые эксплуатационные расходы, связанные с потреблением электроэнергии:
Сэ = СкВтч • Цэлэн = 105,881 • 0,69/1000 = = 73,058 тыс. руб.
Здесь СкВтч - расход электроэнергии на котельной в натуральном выражении, тыс. кВт-ч; Цэлэн - тариф на электрическую энергию (принят средний тариф в ночное время для зоны расположения объекта расчета), руб./кВт^ч; Спмз - прочие материальные затраты (аутсор-
Рис. 4. Зависимость годовых эксплуатационных затрат С от присоединенной тепловой нагрузки: 1 - до внедрения тепловых аккумуляторов; 2 - после внедрения
синг, техническое обслуживание, материалы и др.), принимаются на основании средних иных материальных затрат на электрокотельных Октябрьской дирекции по тепловодоснаб-жению и составляют 500 тыс. руб.; Сз - затраты на амортизационные отчисления, тыс. руб.:
Сз= К/Т = 1341,6/20 = 67,08 тыс. руб.,
где Т - срок полезного использования оборудования, равный 20 годам.
На основании сделанного расчета годовые эксплуатационные затраты составят
С = 73,058 + 500 + 67,08 = 640,08 тыс. руб.
Тогда экономия годовых затрат
Э = Сдо - С = 905 - 640,08 = = 264,862 тыс. руб.,
здесь Сдо - годовые затраты на эксплуатацию котельной до модернизации, тыс. руб. Срок окупаемости равен
А = К/Э = 1341,6/264,862 = 5 лет.
Себестоимость вырабатываемой тепловой энергии
^ = С/д ™д = 640,08/112,142 = = 5,71 руб./кВт-ч,
где д год - годовая выработка тепловой энергии, кВтч.
Аналогичным образом был проведен расчет для объектов с тепловой мощностью до 350 кВт. Его результаты приведены на рис. 4.
Заключение
Эффективность применения тепловых аккумуляторов зависит от подсоединенной тепловой нагрузки, при увеличении которой наблюдаются рост эксплуатационных затрат и снижение эффекта от внедрения.
В зависимости от разницы дневного и ночного тарифов целесообразно использование тепловых аккумуляторов с подключенной нагрузкой до 200 кВт.
Библиографический список
1. Киселев И. Г. Теплотехника на подвижном составе железных дорог : учеб. пособие для вузов ж.-д. транспорта / И. Г. Киселев. - М. : Учеб.-метод. центр по образованию на ж.-д. транспорте, 2008. -278 с.
2. Куколев М. И. Основы проектирования тепловых накопителей энергии / М. И. Куколев. - Петрозаводск : ПетрГУ, 2001. - 240 с.
3. Левенберг В. Д. Аккумулирование тепла / В. Д. Левенберг, М. Р. Ткач, В. А. Гольстрем. -Киев : Техника, 1991. - 74 с.
4. Киселев И. Г. Способы и устройства экономии топлива на железнодорожном транспорте / И. Г. Киселев. - СПб. : Изд-во ЛИИЖТ, 1991. - 47 с.
5. Кистьянц Л. К. Экономия топлива на предприятиях железнодорожного транспорта / Л. К. Кистьянц, Е. М. Юдаева. - М. : Транспорт, 1984. - 256 с.
6. Киселев И. Г. Перспективы использования аккумуляторов теплоты в стационарной теплоэнергетике железнодорожного транспорта / И. Г. Киселев, О. Л. Попова // Изв. Петерб. ун-та путей сообщения. - СПб. : ПГУПС, 2004. - Вып. 2. - С. 231240.
7. Куколев М. И. Расчет процессов заряда и разряда в тепловом накопителе энергии (Ч. I) / М. И. Куколев, Ю. К. Кукелев // Труды лесоинженерного факультета ПетрГУ. - Петрозаводск : Изд-во ПетрГУ, 2001. - Вып. 3. - С. 48-51.
8. Куколев М. И. Расчет процессов заряда и разряда в тепловом накопителе энергии (Ч. II) / М. И. Ку-колев, Ю. К. Кукелев // Труды лесоинженерного факультета ПетрГУ. - Петрозаводск : Изд-во ПетрГУ, 2003. - Вып. 4. - С. 68-72.
9. Бекман Г. Тепловое аккумулирование энергии / Г. Бекман ; пер. с англ. В. Я. Сидорова, Е. В. Сидорова ; под ред. В. М. Бродянского. - М. : Мир, 1987. - 271 с.
10. Яковлев Б. В. Повышение эффективности систем теплофикации и теплоснабжения / Б. В. Яковлев. - М. : Новости теплоснабжения, 2008. - 446 с.
11. ГОСТ Р 55656-2013. Энергетические характеристики зданий. Расчет использования энергии для отопления помещений. - М. : Стандартинформ, 2014. - 28 с.
12. Киселев И. Г. Изучение конструкции и процесса зарядки теплового аккумулятора / И. Г. Киселев, Е. В. Комин. - СПб. : ПГУПС, 2007. - 12 с.
13. Алексеев Г. Н. Общая теплотехника / Г. Н. Алексеев. - М. : Высшая школа, 1980. - 552 с.
14. Гулина Н. В. Накопители энергии / Н. В. Гу-лина. - М. : Наука, 1980. - 152 с.
15. Задвинская Т. О. Методика повышения энергоэффективности типового многоквартирного дома путем внедрения систем учета, автоматизации и регулирования тепловой энергии / Т. О. Задвинская, А. С. Горшков // Строительство уникальных зданий и сооружений (СПб.). - 2014. - № 8 (23). -С. 79-92.
Дата поступления: 22.01.2019 Решение о публикации: 13.02.2019
Контактная информация:
КИСЕЛЕВ Игорь Георгиевич - д-р техн. наук, профессор; kteploteh@pgups.ru КУЗНЕЧЕНКОВ Николай Сергеевич - ст. преподаватель; ardos911@yandex.ru КОВАЛЕВА Полина Алексеевна - магистр; polina-kovaleva@mail.ru
The use of heat accumulators at stationary railway heat-power engineering facilities
I. G. Kiselev 1, N. S. Kuznechenkov 1, R A. Kovaleva 2
1 Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation
2 October management office for heat and water supply - a branch of OAO "Russian Railways" Head management office for heat and water supply, Saint Petersburg territorial district (DTVU-3), bld. 37a, Komsomol ul., Saint Petersburg, 195009, Russian Federation
For citation: Kiselev I. G., Kuznechenkov N. S., Kovaleva P.A. The use of heat accumulators at stationary railway heat-power engineering facilities. Proceedings of Petersburg State Transport University, 2019, vol. 16, iss. 3, pp. 410-418. DOI: 10.20295/1815-588X-2019-3-410-418 (In Russian)
Summary
Objective: To determine the prospects of application of thermal energy accumulators at railway transport heat-consuming facilities of the Russian Federation. To search for possible embedding objects and study their characteristics. Methods: Comparative analysis was conducted showing the dependence of total annual operating costs on the capacity of the heat source. Results: Applicability of thermal accumulators in stationary heat power engineering of railway transport was investigated. Typical facilities, at which it would be possible to implement thermal batteries, were selected. Calculations of operating costs, capital costs, payback period and the cost of the released thermal energy were carried out for typical facilities. The graph showing the dependence of annual cost changes and the value of the attached load was designed. It was established that the efficiency of using heat accumulators depends directly on the connected heat load. It should be mentioned that together with the increase of connected heat load a rise in operating costs can be seen and lowering of the effect from object embedding. The limit of the efficiency in question was determined, depending on the difference between night and day electricity tariffs, as well as the value of the connected load. Practical importance: On the basis of the obtained dependences, the possibility of introducing thermal accumulators is evaluated. The results of the study can be applied both in modernization of the existing railway boilers and in the design of the new ones.
Keywords: Heat accumulator, solid fuel boiler, application efficiency, the reduction of operating costs, the use of tariff variation.
References
1. Kiselev I. G. Teplotekhnika na podvizhnom sostave zheleznykh dorog [Thermal technology for the railway rolling stock]. Manual for universities of railroad transport. Moscow, Uchebno-metodicheskiy tsentr po obra-zovaniyu na zheleznodorozhnom transporte [Training and methodology center for railway transport] Publ., 2008, 278 p. (In Russian)
2. Kukolev M. I. Osnovyproektirovaniya teplovykh nakopiteley energii [Heat energy storage units: engineering foundations]. Petrozavodsk, PetrGU [Petrozavodsk State University] Publ., 2001, 240 p. (In Russian)
3. Levenberg V. D., Tkach M. R. & Golstrem V.A. Ak-kumulirovaniye tepla [Heat storage]. Kiev, Tekhnika Publ., 1991, 74 p. (In Russian)
4. Kiselev I. G. Sposoby i ustroistva ekonomii top-liva na zheleznodorozhnom transporte [Methods and facilities for fuel economy on railway transport]. Leningrad, LIIZhT [Leningrad State Transport University] Publ., 1991, 47 p. (In Russian)
5. Kistyantz L. K. & Yudaeva E. M. Ekonomiya top-liva na predpriyatiyakh zheleznodorozhnogo transporta [Fuel economy at railway enterprises]. Moscow, Transport Publ., 1984, 256 p. (In Russian)
6. Kiselev I. G. & Popova O. L. Perspektivy ispolzo-vaniya akkumulyatorov teploty v statsionarnoy teplo-
energetike zheleznodorozhnogo transporta [Application prospects for heat accumulators in stationary railway heat-power engineering]. Izvestiya Peterburgskogo universiteta putey soobshcheniya [Proceedings of Petersburg State University]. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2004, iss. 2, pp. 231-240. (In Russian)
7. Kukolev M. I. & Kukelev Yu. K. Raschet protses-sov zaryada i razryada v teplovom nakopitele energii (Ch. 1) [Calculation of charging and discharging processes in the heat energy storage unit (Pt 1)]. Trudy lesoinzhenernogo fakulteta PetrGU [Proceedings of PetrGU Forest Engineering faculty]. Petrozavodsk, PetrGU [Petrozavodsk State University] Publ., 2001, iss. 3, pp. 48-51. (In Russian)
8. Kukolev M. I. & Kukelev Yu. K. Raschet protses-sov zaryada i razryada v teplovom nakopitele energii (Ch. 2) [Calculation of charging and discharging processes in the heat energy storage unit (Pt 2)]. Trudy lesoinzhenernogo fakulteta PetrGU [Proceedings of PetrGU Forest Engineering faculty]. Petrozavodsk, PetrGU [Petrozavodsk State University] Publ., 2003, iss. 4, pp. 68-72. (In Russian)
9. Beckmann G. Teplovoye akkumulirovaniye energii [Thermal energy storage]. Tr. from Eng. V. Ya. Sido-rova, E. V. Sidorova; by red. V. M. Brodyanskiy. Moscow, Mir Publ., 1987, 271 p. (In Russian)
10. Yakovlev B. V. Povysheniye effektivnosty system teplofikatsii i teplosnabzheniya [Improvement of efficiency in district heating cogeneration and heat supply]. Moscow, Novosty teplosnabzheniya [Heating supply bulletin] Publ., 2008, 446 p. (In Russian)
11. GOST R 55656-2013. Energeticheskiye kharak-teristiky zdaniy. Raschet ispolzovaniya energii dlya otopleniyapomeshcheniy [Energy performance of buildings. The analysis of energy use for heating buildings']. Moscow, Standartinform Publ., 2014, 28 p. (In Russian)
12. Kiselev I. G. & Komin E. V. Izucheniye kon-struktsii iprotsessa zaryadky teplovogo akkumulyatora [The study of charging process and design of a heat accumulator]. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2007, 12 p. (In Russian)
13. Alekseyev G. N. Obshchaya teplotekhnika [General thermal engineering]. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1980, 552 p. (In Russian)
14. Gulina N. V. Nakopitely energii [Energy storage units]. Moscow, Nauka Publ., 1980, 552 p. (In Russian)
15. Zadvinskaya T. O & Gorshkov A. S. Metodika povysheniya energoeffektivnosty tipovogo mnogo-kvartirnogo doma putem vnedreniya system ucheta, avtomatizatsii i regulirovaniya teplovoy energii [Energy efficiency improvement method for a block of flats by introducing heat energy accounting, automation and control]. Stroitelstvo unikalnykh zdaniy i sooruzheniy [Construction of unique buildings and structures] (Saint Petersburg), 2014, no. 8 (23), pp. 79-92. (In Russian)
Received: January 22, 2019 Accepted: February 13, 2019
Author's information:
Igor G. KISELEV - D. Sci. in Engineering, Professor; kteploteh@pgups.ru Nikolay S. KUZNECHENKOV - Senior Lecturer; ardos911@yandex.ru
Polina A. KOVALEVA - Master; polina-kovaleva@ mail.ru
