Теплотехнический контроль как важное направление в экономии топлива в котельных установках железнодорожного транспорта Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

4. Обельницкий, А. М. Топливо и смазочные материалы [Текст] / А. М. Обельницкий. -М.: Высшая школа, 1982. - 208 с.

5. Кулешов, А. С. Программа расчета и оптимизации двигателей внутреннего сгорания ДИЗЕЛЬ-РК. Описание математических моделей, решение оптимизационных задач [Текст] / А. С. Кулешов / МГТУ им. Н. Э. Баумана. - М., 2004. - 123 с.

6. Федотов, Г. Б. Топливные системы тепловозных дизелей. Ремонт, испытание, совершенствование [Текст] / Г. Б. Федотов, Г. И. Левин. - М.: Транспорт, 1983. - 192 с.

УДК 662.61.502.36

В. Р. Ведрученко, В. В. Крайнов, М. В. Кокшаров

ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ КАК ВАЖНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ В ЭКОНОМИИ ТОПЛИВА В КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Выполнен анализ разведанных запасов основных энергетических ресурсов (нефти и газа) на перспективу до 2030 г. в разных странах мира и прогноз добычи угля, нефти и газа в России до 2020 г. Приведены приближенная оценка эффективности инженерно-технических мероприятий для котельных малой мощности и некоторые результаты испытаний котлов фирмы «Октан» на газе.

Современная структура топливно-энергетического баланса в значительной степени определяется заметным истощением запасов нефти и продолжающимся повышением мировых цен на нефть, превысивших уровень 50 долларов за баррель (158,987 л). Мировые ресурсы разведанных месторождений составляют около 150 млрд т нефти (из них в странах бывшего СССР - примерно 10 млрд т, или около 7 % мировых запасов нефти) [1]. Россия добывает около 10 % от мирового производства нефти [1]. Однако основными поставщиками жидких углеводородов на мировой рынок являются страны Ближнего Востока (Ирак, Саудовская Аравия, Иран), обладающие наибольшими сырьевыми ресурсами (рисунок 1) [2].

Алжир 12051 - нефть ~ - газ

А ■ 2006 АНГЛИЯ Р, 2007

Венесуэла

Голландия |2031

Индонезия | 2041

Ирак 2116

Иран 2071 2383

У//////////////////////////////////////////////////А

Канада 2010

Китай ■ ^и/и

Мексика ^^ 2026

Норвегия И°121024

Россия ^Н-202!-1 20 83

Сауд. Аравия 20 82

США ■ 2010 У 2009

Узбекистан I2036

2000 2100 2200 2300 2400

Годы -►

Рисунок 1 - Разведанные запасы полезных ископаемых в разных регионах мира (по данным организации стран - экспортеров нефти ОПЕК) с указанием прогнозируемых сроков истощения месторождений нефти и природного газа

В настоящее время в мире ежегодно добывается около 3 млрд т нефти. При сохранении такого уровня добычи нефти ее запасов может хватить на 50 лет. Причем из-за роста спроса на нефть будет непрерывно нарастать ее дефицит, который к 2025 г. достигнет 16 млн баррелей в день.

В Российской Федерации ситуация осложняется прогнозируемым падением добычи нефти после 2010 г. К этому времени Россия будет испытывать дефицит нефтепродуктов в размере до 10 млн т в год [1]. В то же время добыча каменного угля и природного газа в период до 2020 г. будет увеличиваться (рисунок 2) [3]. Поэтому рациональное энергосбережение является главной задачей в практике эксплуатации теплоэнергетического оборудования в промышленной сфере и жилищно-коммунальном хозяйстве. Для решения такой задачи требуются разработка и внедрение энергосберегающих технологий с минимальным удельным расходом энергоресурсов. Это в значительной мере относится к котельным малой и средней мощности [5 - 7].

Годы-►

Рисунок 2 - Прогноз добычи каменного угля (1), нефти (2) и природного газа (3) в России на период до 2020 г.

Причины отклонения от исходного оптимального режима, на который котел настраивается при его пуске, - естественная разрегулировка топливосжигающих устройств, смена вида топлива, его сорта или качества ит. д. В любом случае результатом является нерациональное (неоптимальное) использование топлива, например, его неполное сгорание, увеличение выбросов вредных веществ в окружающую среду. Учитывая, что малых котельных существует большое количество, обеспечение постоянного контроля за режимами работы становится серьезной народнохозяйственной проблемой как в области энергосбережения, так и в области охраны окружающей среды [4 - 8].

Анализ материалов по экономии и рациональному расходованию топлива и топливо-энергетических ресурсов применительно к промышленным предприятиям, потребляющим тепловую энергию, позволяет наметить следующие основные направления экономии топлива: технические мероприятия, касающиеся энергоустановок, вырабатывающих тепловую энергию; технические мероприятия, касающиеся потребителей тепловой энергии; организационные мероприятия, позволяющие более точно нормировать расход тепловой энергии потребителями.

Оценка эффективности технических мероприятий для повышения экономичности ко -тельных установок приведена в таблице [9]. Как следует из данных этой таблицы, наибольший эффект дают следующие технические мероприятия: дополнительный подогрев питательной воды котла благодаря использованию бросовой теплоты выпускных газов; перевод котлов с твердого и жидкого топлива на газообразное; уменьшение накипеобразования на поверхностях нагрева котлов; переоборудование паровых котлов в водогрейные.

Приближенная оценка эффективности мероприятий по изменению экономичности котельных установок

Мероприятие Экономия топлива, % Перерасход топлива, %

Снижение подсоса воздуха по газовому тракту котельной ус - 0,5

тановки

Увеличение коэффициента избытка воздуха в топке на 0,1 - 0,7

Увеличение температуры питательной воды на входе в бара- 2,0

бан котла на 10°С (р = 0,13 МПа и = 0,8)

Увеличение температуры питательной воды на входе в водяной экономайзер на 10°С - 0,23 - 0,24

Подогрев питательной воды в водяном экономайзере на 6°С 1,0 -

Уменьшение температуры выпускных газов на 10°С 0,6 - 0,7 -

Установка водяного поверхностного экономайзера 4 - 7 -

Установка водяного поверхностного экономайзера при температуре газа на входе 150 - 200°С 12 - 15 -

Отклонение содержания С02 от оптимального значения на 1% - 0,6

Перевод котла с каменного и бурого угля на природный газ 6 - 10 -

Отложение накипи на внутренних сторонах поверхностей на- 2,0

грева на 1 мм

Расход пара на распыление мазута в форсунках - 2,5 - 4

Забор теплого воздуха из верхней зоны котельного зала на каждые 10 тыс. м3 0,013 т условного топлива 2,5 - 4

Уменьшение размера продувки на 1% 0,3 -

Установка обдувочного устройства для очистки наружных по - 2 - 3

верхностей нагрева

Автоматизация процессов горения и питания котлов 1 - 4 -

Наладка и эксплуатация котельной установки по контрольно- 3 - 5

измерительным приборам, не менее

Технические мероприятия по экономии топлива, касающиеся потребителей тепловой энергии, весьма разнообразны. Наиболее целесообразно эти вопросы решать непосредственно для конкретного промышленного предприятия. К таким мероприятиям можно отнести более полное и качественное утепление производственных и жилых помещений; снижение или полное отключение выдачи теплоты нагревателям в период длительного (более 7 - 8 ч) отсутствия людей в помещении (в цехе, на участке и т. д.), а в остальное время поддержание температуры в помещении не более рекомендуемой санитарными нормами; более качественную теплоизоляцию трубопроводов (особенно паровых); снижение утечек пара и воды; более полную утилизацию теплоты отработанного технического пара и т. д.

Расчеты показывают что наличие 1 м неизолированного паропровода с давлением 0,5 МПа приводит к перерасходу условного топлива на 0,4 кг/ч, а парение через отверстие 1мм при 0,7 МПа - на 3,6 кг/ч.

При работе котлов необходим постоянный или периодический контроль за составом продуктов горения, позволяющий определить степень завершенности процесса сгорания (количество продуктов неполного сгорания), условия сгорания топлива (коэффициент избытка воздуха а) и т. д.

При неполном сгорании топлива в продуктах сгорания могут быть окись углерода, водород, метан и другие углеводороды.

Метан в выпускных газах может вызвать неравномерность смешения топлива с воздухом, наличие локальных низкотемпературных зон и др. Оценивать химическую неполноту сгорания топлива только по присутствию в продуктах горения СО, особенно при сжигании природного газа, недопустимо, поскольку наличие в продуктах горения даже небольшого количества метана приводит к значительным ошибкам в определении химической неполноты сгорания топлива.

Иногда при испытаниях контроль за избытком воздуха ведут только по содержанию С02. Однако у такого метода контроля топочного режима есть ряд недостатков. Содержание С02 в продуктах горения при наличии химической неполноты сгорания не определяется одно -значно избытком воздуха даже при постоянном составе топлива. Одно и то же значение С02 может соответствовать двум разным значениям а. Снижение С02 может быть вызвано, с одной стороны, увеличением подачи воздуха в систему, а с другой - его снижением, сопровождающимся значительными потерями теплоты с химической неполнотой сгорания.

Для правильного ведения топочного режима необходим (наряду с другими газами) контроль за содержанием кислорода в выпускных газах. Только в этом случае можно быть уверенным в правильном определении а.

Во время испытаний систематически проверяют правильность и закономерность газового анализа. При этом необходимо учитывать, что при отсутствии догорания газов в газоходах котла содержание в продуктах горения Я02, СО, СН4 будет постепенно уменьшаться из-за подсоса воздуха по мере удаления исследуемого сечения газохода от топки, а содержание 02 - увеличиваться [8, 9].

Содержание Я02 и 02 контролируют по отдельным сечениям газохода. Результаты анализа газа в каком-либо сечении газохода принимают за наиболее достоверные. Такое сечение называется достоверным.

Содержание Я02 и 02 за выбранным достоверным сечением при отсутствии химической неполноты сгорания контролируют по формуле:

д2т = Гя02102 + 21( Я02 - Я021)"

/Я0

2 '

где Я02 и 02 - содержание Я02 и 02 в наиболее достоверном сечении газохода;

Я021 и Q2I - то же, во втором (произвольном) сечении газохода.

Для контроля за составом газа наиболее часто применяют газоанализаторы волюметри-ческого и хроматографического типов [8, 9].

Газоанализаторы волюметрического типа (ГХП-2, ГХП-3, ГХП-ЗМ) предназначены для определения Я02, 02 и СО. Их широко используют в производствах с небольшим количеством анализов, где погрешность измерений составляет 2 - 4 %.

В последнее время все чаще в контроле за составом выпускных газов применяют хрома-тографические методы контроля. С помощью хроматографов можно определить любые горючие и негорючие газы. У хроматографических газоанализаторов более высокая точность измерения, чем у волюметрических. Недостатки хромотографических газоанализаторов — длительная подготовка к работе, необходимость источника питания, использование специальных газоносителей.

По результатам газового анализа определяют тепловые потери котла с выпускными газами и из-за химического недожога.

В современных котельных периодический контроль за котлом следует заменить на непрерывный, что позволит добиться наибольшей экономичности его работы.

Известно, что режимы работы промышленных котлов и установок определяются и регулируются на основе измерений тепловых характеристик сжигания топлива в топке и показателей утилизации, переработки и транспортировки отходящих газов в атмосферу через дымовую трубу. Тепловые характеристики зависят от полноты сгорания топлива, а экологические - от степени выполнения требований нормативных документов относительно уровня выбросов дымовых газов и содержания в них СО, NO, NO2, SO2, H2S, CH и других токсичных газов, а также от утечек этих компонентов в рабочую зону помещения котельных.

При наладке топливосжигающего оборудования специализированными организациями оптимизируются режимы его работы с учетом требований максимального энергосбережения и минимального загрязнения окружающей среды вредными выбросами [4]. По результатам настройки составляется режимная карта, в которой наряду с другими многочисленными параметрами указываются концентрация CO2, O2, СО, NO, температура отходящих топочных газов и дутьевого воздуха, коэффициент избытка воздуха за топочной камерой, КПД котла и соответствующим этим показателям оптимальный расход натурального и условного топлива на 1 Гкал выработанной и отпущенной теплоты. Режимная карта утверждается ведомственной топливной инспекцией и является инструктивным документом для технического персонала, обслуживающего котлоагрегат.

На рисунке 3 представлены полученные при испытаниях пусконаладочной группой фирмы OOO ПФ «Октан» экспериментальные данные о составе уходящих газов, значения коэффициента избытка воздуха а и КПД брутто водогрейного ц котла КВСА-2. С увеличением теплопроизводительности котла экологические показатели улучшаются, а КПД брутто остается практически постоянным.

Состав уходящих газов за котлом определяли с помощью анализатора топочных газов Drager MSI 150 EURO, который был сертифицирован в системе TUV (немецкая техническая надзорная организация) для всех измерительных каналов. Техническая характеристика анализатора и результаты его аттестации приведены в работе [4].

На основании изложенного можно сделать выводы.

1. Выполнен ретроспективный анализ разведанных запасов полезных ископаемых сырьевых стран на долгосрочную перспективу.

2. Для России результаты прогнозных исследований добычи угля, нефти и газа позволяют говорить о постепенном спаде добычи нефти, начиная с 2010 г., а добыча газа и угля будет расти вплоть до 2020 г.

3. Выполненная оценка эффективности работы стационарных котельных малой мощности позволила разработать комплекс инженерных и организационных решений по повышению экономичности энергоисточников внедрением эффективных методов теплотехническо-го контроля котлоагрегатов.

а)

о

к

А** О ее

Ой

К* Ей к

ЁЛ

|Ц О

О ^ Ою

11,

0 %

7,0 5,0 3,0 1,0

I

1,3

0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 Теплопроизводительность котла -

б)

1,2

1,1

1,0

0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 Теплопроизводительность котла -

1,2

1,3

1,4

94

А %

93 92

0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 Теплопроизводительность котла -

1,2

1,3

1,4

-О -<•

о-

С02

о2

__л

-□ 1

1,2 1,3 1,4 1,5 Гкал/ч 1,7 -►

____о

-О

1,5 Гкал/ч

1,7

1,5 Гкал/ч

1,7

Рисунок 3 - Результаты пусконаладочных испытаний водогрейного котла типа КВСА-2 Омской фирмы ООО

ПФ «Октан» на природном газе (газовая горелка ГГкБ-2,2)

Список литературы

1. Работы дизелей иа нетрадиционных топливах [Текст] / В. А. Марков, А. И. Гайворон-ский и др. - М.: Легион-Автодата, 2008. - 464 с.

2. Пронин, Е. Н. В поисках ответов [Текст] / Е. Н. Пронин // Автозаправочный комплекс + альтернативное топливо. - 2003. - № 6. - С. 5 - 11.

3. Григорьев, М. В центре внимания - центры нефтедобычи [Текст] / М. Григорьев // Нефть России. - 2004. - № 3. - С. 32 - 34.

4. Актуальные задачи коммунальной теплоэнергетики Омского региона [Текст] / В. Р. Ведрученко, В. В. Крайнов и др. // Омский научный вестник / Омский гос. техн. ун-т. -Омск, 2006. - Вып. 4. - С. 104 - 108.

5. Алешина, М. Основа добрых перемен [Текст] / М. Алешина // Энергосбережение и энергетика в Омской области. - 2006. - № 2 (19). - С. 3 - 6.

6. Комплексные исследования ТЭС с новыми технологиями: Монография [Текст] / П. А. Щинников, Г. В. Ноздренко и др. / Новосибирский гос. техн. ун-т. - Новосибирск, 2005. -528 с.

№ 3(3) 2010

7. Томилов, В. Г. Проблемы теплообеспечения жилищно-коммунального комплекса [Текст] / В. Г. Томилов // Энергосистемы, электростанции и их агрегаты / Новосибирский гос. техн. ун-т. - Новосибирск, 2004. - Вып. 8. - С. 249 - 263.

8. Пономаренко, И. С. Газоанализатор «Топаз-01» - топливосберегающий и природоохранный измерительный прибор [Текст] / И. С. Пономаренко, И. А. Серова // Промышленная энергетика. - 2003. - № 6. - С. 13 - 16.

9. Селиверстов, В. М. Экономия топлива на речном флоте [Текст] / В. М. Селиверстов, М. И. Браславский. - М.: Транспорт, 1983. - 231 с.

УДК 624.332:621.316.97

А. М. Ерита, В. А. Кандаев, К. В. Авдеева

ПАРАМЕТРЫ ИЗОЛИРОВАННОГО ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ПРОВОДНИКА

В ОДНОРОДНОЙ СРЕДЕ

В статье определены параметры -изолированного -цилиндрического проводника в однородной среде.

Распределение электрических величин в линейном источнике, расположенном в однородной среде, определяется геометрическими размерами источника, материалом, из которого он изготовлен, наличием изолирующего покрытия, его конструкцией и свойствами, а также параметрами земли (среды, в которой располагается проводник). Под линейным источником будем понимать протяженное металлическое сооружение, которое может быть как с изолирующим покрытием, так и без него, по нему протекает электрический ток как за счет внешнего источника, подключенного к нему, так и за счет электромагнитных связей с другими сооружениями. Термин «источник» понимается в смысле источника электромагнитного поля, которое возникает в пространстве, окружающем проводник, и в самом проводнике. Примером названного выше источника могут быть кабели электроснабжения или связи или их металлические покровы, которые представляют собой однопроводные цепи (линии) с распределенными по длине параметрами с возвратом тока через землю, рельсовые цепи, трубопроводы различного назначения, элементы заземляющих систем и т. д. Распределение тока и потенциала в них описывается системой дифференциальных уравнений, для решения которых должны быть известны их первичные и волновые параметры.

Определим параметры электромагнитного поля для однородной среды (земли). В общем случае параметры земли - ее удельное сопротивление р3 или обратная величина, проводимость земли а3 - являются величинами переменными. Удельная проводимость зависит от многих трудно учитываемых факторов, таких как температура земли, ее влажность, минералогический состав, количество слоев и их мощность [1]. В настоящее время многие специалисты стремятся получить решение задачи по определению параметров электромагнитного поля для общего случая, т. е. для А-слойной земли. Однако это приводит к громоздким, не решаемым аналитически выражениям, которые трудно применять для решения практических задач. Поэтому многослойную структуру, как правило, приводят к эквивалентной двухслойной. Для промышленных площадок, территорий тяговых подстанций или домов связи, а также вблизи рельсовой цепи такое эквивалентирование не совсем оправданно по причине изменения структуры и состава земли в период выполнения строительно-монтажных работ. Например, при строительстве заземляющего устройства тяговой подстанции верхний слой земли привозной, поэтому ее проводимость будет отличаться от проводимости коренных пород. Кроме того, для определения технического состояния подземного сооружения особенность задач такова, что решения необходимо искать в ближней к источнику зоне, в которой

№ 3( 2010