CC BY
93
УДК 620.91(477)+797.34(477)
ББК 31.388(4Укр)
С. А. Горожанкин, Д. В. Выборнов, С. И. Монах
ТЕПЛОВАЯ СХЕМА ИСТОЧНИКА ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ С ТЕПЛОНАСОСНОЙ УСТАНОВКОЙ НА ШАХТНОЙ ВОДЕ
S. A. Gorozhankin, D. V. Vybornov, S. I. Monakh
HEAT DIAGRAM OF HEAT SUPPLY SOURCE WITH HEAT PUMPING UNIT USING MINE WATER
Проанализировано энергетическое состояние топливного и теплогенерирующего сектора хозяйствования Украины, выделены аспекты государственной политики в области энергетического хозяйствования на ближайшую перспективу. Рассмотрены варианты источников теплоты для теплонасосных установок в рамках их использования на шахтах. Предложена схема внедрения теплонасосных установок, в частности, для систем теплоснабжения на шахтах для обеспечения потребности в горячем водоснабжении на нужды этих предприятий. Просчитан вариант утилизации теплоты шахтных вод, откачиваемых из выработок, для теплоснабжения помещения административно-бытового комбината, помещения шахтных стволов, вспомогательных помещений и помещений инженерных служб шахты им. В. М. Бажа-нова г. Макеевки Донецкой области (Украина). В качестве теплонасосных установок предлагается применить 6 агрегатов Mayekawa Plus heat, что позволит заместить до 20 % сгенерированного тепла при использовании бивалентной схемы выработки теплоты.
Ключевые слова: теплонасосная установка, котельная, шахтная вода, теплообменник, температура, теплоснабжение.
The power state of the fuel and heat generating sector of the Ukraine economy is analyzed, the aspects of state policy in the field of energy management in the near future are highlighted. The variants of the heat sources for the heat pumping units within their usage at mines are considered.
A scheme for the introduction of heat pumping units, in particular for the heating systems at the mines to ensure the needs of the hot water supply to the needs of these enterprises is presented. The options of heat utilization of mine water pumped from the mines to heat the rooms of the administration building, of shaft facilities, support facilities and facilities of engineering services of the mine named after V. M. Bazhanov in Makeyevka, Donetsk region (Ukraine) are examined. 6 units Mayekawa Plus heat are suggested to use as heat pumping units; that allows to replace 20 % of the generated heat by using bivalent circuits of heat generation.
Key words: heat pumping unit, boiler, mine water, heat exchanger, temperature, heat supply.
Введение
Энергетическое состояние экономики страны характеризуется коэффициентом энергообеспеченности, который представляет собой отношение собственного производства энергоресурсов к их потреблению. Если коэффициент меньше единицы - страна удовлетворяет свои потребности за счет импорта энергоресурсов. Если коэффициент больше единицы - страна экспортирует энергоносители.
В Украине коэффициент энергообеспеченности составляет 0,77. Именно поэтому, в связи с повышением цен на природный газ, вопрос о внедрении мероприятий, способствующих энергосбережению на объектах жилищно-коммунального хозяйства, приобретает особое значение.
Согласно данным Министерства по вопросам жилищно-коммунального хозяйства, ежегодно коммунальная сфера Украины потребляет: электроэнергии - около 10,0 млрд кВт-ч, природного газа - около 14,0 млрд м3, угля - около 1,5 млн т. Следует отметить, что нетрадиционные и возобновляемые виды энергии составляют лишь 0,87 млн т у. т.
Затраты топлива на одного украинца в год составляют 0,7... 1,0 т у. т., в то время как в Европе этот показатель значительно меньше [1].
Коммунальная теплоэнергетика - основной потребитель природного газа в жилищнокоммунальной сфере. Она насчитывает 21 792 котельных, суммарная мощность которых со-
ставляет 296,1 млн ГДж/год, а присоединенная тепловая нагрузка - 205,8 млн ГДж/год. Отметим, что предприятия загружены лишь на 70 %, значительная часть котлов имеет КПД меньше 80 %, техника эксплуатируется свыше 20 лет и использование несовершенного и устаревшего котельного оборудования приводит к перерасходу топлива на 20 % относительно мирового уровня, к значительному загрязнению окружающей среды [1].
Министерством регионального развития, строительства и жилищно-коммунального хозяйства Украины разработана и утверждена «Отраслевая программа энергоэффективности и энергосбережения в жилищно-коммунальном хозяйстве». Цель программы - повышение эффективности использования и уменьшение потребления энергоресурсов жилищнокоммунальным комплексом, увеличение объемов и сферы применения нетрадиционных и возобновляемых источников энергии, использование инновационных технических, технологических, организационных решений, создание экономически привлекательных условий для инвестиционных проектов в сфере жилищно-коммунального хозяйства.
Среди основных мероприятий, изложенных в Отраслевой программе и ориентированных на экономию энергоресурсов, целесообразно выделить использование местных видов топлива (уголь, торф, древесина и т. п.), а также привлечение нетрадиционных видов топлива, вторичных тепловых энергоресурсов.
Одним из эффективных мероприятий, обеспечивающих экономию топлива в системах теплоснабжения с одновременной защитой окружающей среды, является преобразование энергии низкопотенциальных источников с помощью термотрансформаторов. Они являются основными агрегатами в составе как тепловых насосов, так и холодильных машин. Высокая энергетическая эффективность теплонасосных установок (ТНУ) обеспечила их широкое распространение в США и многих европейских странах. В Украине ТНУ, к сожалению, до настоящего времени широкого распространения не получили, хотя их численность возрастает. Для нашей страны, в зависимости от необходимости теплоснабжения различных объектов, установки должны иметь тепловую мощность от 5 кВт и выше.
Недостаточный объем разработок и внедрения ТНУ в Украине должен быть восполнен в ближайшее время. Решения многих задач в этой области могут быть найдены путем использования возобновляемых низкопотенциальных источников энергии, вторичных энергоресурсов. В большинстве случаев это требует значительных капитальных затрат, причем применение источников, использующих энергию солнца, ветра, моря, сдерживается слабой материальнотехнической базой.
Использование тепловых насосов только для целей отопления ограничивает их возможности. Комплексная ТНУ позволяет с помощью одного агрегата, а также соответствующих систем управления и регулирования обеспечить выполнение необходимых требований к микроклимату и создать комфортные условия пребывания человека в любых помещениях. С ее помощью решаются следующие задачи:
- отопление помещений с дифференциацией температуры в них;
- поддержание установленной температуры воды в сети горячего водоснабжения;
- охлаждение помещений в жаркий период;
- нагрев или охлаждение отдельных объектов (бассейн, оранжерея, зимний сад, искусственный каток и др.).
Для тепловых насосов, работающих вне крупных предприятий, городов, первостепенный интерес представляют возобновляемые природные источники низкопотенциальной теплоты. В районах с малой плотностью застройки, сельской местности они являются фактически единственными ресурсами для обеспечения работы ТНУ в течение длительного периода.
Сравнение и сопоставительный анализ возможных источников теплоты для ТНУ обычно осуществляется с учетом плотности отводимого потока энергии, стабильности этих источников, возможностей их практического использования. Вода пресноводных водоемов представляет мощный и относительно стабильный источник низкопотенциальной теплоты.
Наружный воздух может быть использован в качестве основного источника теплоты в большинстве регионов Украины, с учетом климата, лишь при наличии дополнительных источников либо резервных средств отопления. Температура грунтовых вод незначительно изменяется в течение года и обычно лежит в пределах от +4 до +14 °С в зависимости от глубины расположения водоносных слоев. Этот источник низкопотенциальной теплоты, однако, требует предварительного бурения скважин для забора грунтовых вод, а также их обратной закачки [2, 3].
Значительный интерес в качестве источника теплоты представляют шахтные воды, т. е. воды, откачиваемые из шахты с целью предотвращения затопления выработок при добыче угля. Одной из особенностей Донецкого региона является значительный дебет таких вод. Поскольку их температура при подаче на поверхность лежит в диапазоне +10______+25 °С, они пред-
ставляют интерес как источник теплоты значительно более высокого потенциала, чем вышеупомянутые грунтовые воды небольших глубин залегания. Другим их достоинством и несомненным преимуществом является возможность размещения теплообменников не в грунте (на значительных глубинах и при существенных площадях, занимаемых развитыми трубными коллекторами), а на поверхности земли в непосредственной близости от ТНУ [2, 3]. Кроме того, затраты энергии на прокачку теплоносителей через эти теплообменники сравнительно невелики и существенно меньше, чем при обеспечении циркуляции теплоносителя в упомянутых трубных коллекторах. Такой источник низкопотенциальной теплоты, в отсутствие близлежащих водоемов, является наиболее предпочтительным для обеспечения потребителей теплоносителем с помощью ТНУ. Сложность состоит в том, что возможная тепловая мощность ТНУ в этом случае ограничивается дебетом откачиваемой воды и ее температурой.
Нами в качестве примера изучены перспективы и разработана схема построения ТНУ с использованием теплоты откачиваемых шахтных вод на шахте им. В. М. Бажанова г. Макеевки.
Шахта им. В. М. Бажанова расположена в северной части г. Макеевки. Расход откачиваемой воды составляет 3 000 м3 в сутки, температура откачиваемой воды - 19 °С. В настоящее время на территории шахты функционируют и являются потребителями местной системы теплоснабжения следующие здания столовой, административно-бытового комбината (админбыт-комбината), инженерных и вспомогательно-складских помещений, гаражи, два клетевых и два скиповых ствола.
В качестве задачи расчета поставлена реконструкция существующей котельной с шестью котлами ДКВР 10-15, два из которых работают на твердом топливе на неполную установленную мощность, имея низкий КПД и выработанный морально-материальный ресурс. В качестве рекомендуемых к установке теплогенераторов предлагаются современные котлоагрегаты, использующие в качестве топлива дегазационный продукт. К установке предлагаются также тепловые насосы Mayekawa Plus heat, использующие теплоту шахтной воды. Целесообразной является реконструкция существующей системы теплоснабжения, что позволит наиболее экономично и целесообразно использовать топливно-энергетические ресурсы.
Полагая, что эту воду можно охладить до +4 °С в испарителе ТНУ, получаем тепловую мощность источника около 2 150 кВт. Приняв ориентировочно КПД ТНУ равным 3, получаем значение ее тепловой мощности около 3 200 кВт. Этой теплоты достаточно для обеспечения горячего водоснабжения всех потребителей шахты (админбыткомбинат и столовая). В качестве ТНУ предлагается использовать 6 агрегатов Mayekawa Plus heat с номинальной тепловой мощностью 523 кВт при параметрах теплоносителя 85/40 °С. Три из них обеспечивают работу сети горячего водоснабжения с температурой воды до +65 °С, два - работу прачечной с температурой воды до +90 °С, один является резервным для обеспечения горячей водой в пиковые периоды (окончание смены, обеденный перерыв, период приготовления пищи и т. п.).
Расчетная тепловая мощность на отопление, Вт, определяется по следующей формуле:
Qo = %0 -К (?вн -1 но) П
где q0 - удельная характеристика зданий постройки после 1958 г., Вт/(м3-°С-ч), рассчитываемая по формуле
(1 + 2 - d) A + S
q0 =------- -----,
V у н
где d - доля остекления стен; А; S - площадь соответственно наружных стен и здания в плане, м2; Кн - наружный объем зданий, м3; ^вн - температура внутреннего воздуха в помещении, °С, принимается равной = 20 °С; tua - расчетная отопительная температура наружного воздуха, °С, принимается 4о= -22 °С; п - поправочный коэффициент для зданий шахты, принимается в зависимости от tKo по [4, табл. 1.8], п = 1,12.
Результаты расчетов сведены в таблицу.
Горячее водоснабжение админбыткомбината осуществляется с использованием пластинчатых водоподогревателей, установленных в теплопункте.
Расчетные тепловые мощности
Группа объектов Расчетный тепловой поток на отопление Q, кВт
Админбыткомбинат и столовая 755,7
Помещения инженерных служб 451,6
Вспомогательные помещения 468
Помещения шахтных стволов 667,3
Итого 2 343
Расчетные тепловые потоки на нужды горячего водоснабжения и вентиляции составляют соответственно 1 847 и 11 524 кВт.
Расчет тепловой схемы турбогенераторной установки (ТГУ) с ТНУ произведен по известной методике, приведенной в технической литературе.
По результатам расчета тепловой схемы максимальная тепловая нагрузка ТГУ составляет Qт = 15,765 МВт (рис. 1).
Рис. 1. Годовой график потребления теплоты
Для выработки теплоты в таком количестве принимаются к установке 2 теплогенератора REX-600 номинальной теплопроизводительностью 6,2 МВт и один теплогенератор REX-400 номинальной теплопроизводительностью 4 МВт. В качестве топлива для котлов используется местное топливо - шахтный метан. Для частичного покрытия тепловой нагрузки с целью утилизации бросовой теплоты шахтной воды принимаются к установке 6 тепловых насосов Mayekawa Plus heat тепловой мощностью 523 кВт и общей установленной тепловой мощностью 3 138 кВт. Доля покрытия тепловой нагрузки с помощью ТНУ за счет теплоты шахтной воды представлена на годовом графике потребления теплоты шахтой.
Разработанная нами бивалентная схема ТНУ, работающая на теплоте шахтных вод, откачиваемых на шахте им. В. М. Бажанова, органично вписывается в тепловую схему системы теплоснабжения шахты (рис. 2).
На схеме приняты следующие обозначения: В1 - хозяйственно-питьевой водопровод; В3 - трубопроводы химочищенной воды; В9 - подземная шахтная вода; Т1 - контур теплогенератора; Т2 - контур системы теплоснабжения; Т3 - промежуточный контур с тепловым насосом; Х - контур циркуляции хладагента.
Рис. 2. Бивалентная тепловая схема ТНУ: 1 - теплогенератор на органическом топливе;
2 - испаритель и конденсатор ТНУ; 3 - теплообменники промежуточных контуров;
4 - система химводоочистки; 5 - бак запаса химочищенной воды; 6 - насосные группы подпиточных насосов; 7 - насосные группы циркуляционных насосов; 8 - шахтный ствол; 9 - емкость запаса и предварительного осветления шахтной воды; 10 - шламовый насос для удаления ила; 11 - насос подачи шахтной воды; 12 - аппарат электромагнитной обработки воды
Анализ расчетов и построенного по ним годового графика потребления теплоты позволяет заключить, что с помощью бросового тепла - теплоты шахтных вод - можно покрывать до 20 % от общей тепловой нагрузки шахты в самый холодный период года.
Следует подчеркнуть, что в масштабах всех шахт хотя бы только Донбасса экономия топливно-энергетических ресурсов может быть весьма значительной.
Заключение
Предложенная ТНУ может быть использована для охлаждения помещений предприятия в жаркий период года, т. е. приведенная тепловая схема может быть дополнена схемой централизованного кондиционирования зданий шахты.
Предложенная тепловая схема с ТНУ для использования теплоты шахтных вод, кроме того, позволяет использовать местные виды топлива, а именно - шахтный метан.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ансіліз регуляторного впливу до проекту Закону України «Про внесення змін до Закону України «Про електроенергетику» [Электронный ресурс]: http://www.mpe.kmu.gov.ua/fuel/doccatalog /document?id= 157299.
2. Виборнов Д. В. Шахтний водовідлив - джерело теплової енергії / Д. В. Виборнов // Вісн. ДонНАБА
«Інженерні системи та техногенна безпека». 2011. № 5 (91). С. 98-105.
3. Денисова А. Е. Модель комплексной альтернативной системы теплоснабжения / А. Е. Денисова, А. С. Мазуренко, Ю. К. Тодорцев // Экотехнологии и ресурсосбережение. 2000. № 5. С. 8-12.
4. Манюк В. И. Наладка и эксплуатация водяных тепловых сетей / В. И. Манюк, Я. И. Каплинский,
Э. Б. Хиж, А. И. Манюк, В. К. Ильин: Справочник. М.: Стройздат, 1988. 432 с.
REFERENCES
1. Analiz reguliatornogo vplivu do proektu Zakonu Ukrami «Pro vnesennia zmin do Zakonu Ukrami «Pro elektroenergetiku». Available at: http://www.mpe.kmu.gov.ua/fuel/doccatalog /document?id=157299.
2. Vibornov D. V. Shakhtnii vodovidliv — dzherelo teplovoЇ energu. Visnik DonNABA «Inzhenerni sistemi ta tekhnogenna bezpeka», 2011, no. 5 (91), pp. 98-105.
3. Denisova A. E., Mazurenko A. S., Todortsev Iu. K. Model' kompleksnoi al'temativnoi sistemy teplosnabzheniia [Model of complex alternative system of heat supply]. Ekotekhnologii i resursosberezhenie, 2000, no. 5, pp. 8-12.
4. Maniuk V. I., Kaplinskii Ia. I., Khizh E. B., Maniuk A. I., Il'in V. K. Naladka i ekspluatatsiia vodianykh te-plovykh setei: Spravochnik [Correction and exploitation of water heating networks]. Moscow, Stroiizdat, 1988. 432 p.
Статья поступила в редакцию 1.11.2013
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Горожанкин Сергей Андреевич - Донбасская национальная академия строительства и архитектуры, Макеевка, Украина; д-р техн. наук, профессор; зав. кафедрой «Автомобили и автомобильное хозяйство»; stakr@yandex.ru.
Gorozhankin Sergey Andreevich - Donbas National Academy of Civil Engineering and Architecture, Makiivka, Ukraine; Doctor of Technical Sciences; Professor; Head of the Department "Automobiles and Automobiles Engineering"; stakr@yandex.ru.
Выборнов Дмитрий Владимирович - Донбасская национальная академия строительства и архитектуры, Макеевка, Украина; ассистент кафедры «Теплотехника, тепло-газоснабжение и вентиляция»; vubornov@mail.ru.
Vybornov Dmitriy Vladimirovich - Donbas National Academy of Civil Engineering and Architecture, Makiivka, Ukraine; Assistant of the Department "Heating, Gas Supply and Ventilations"; vubornov@mail.ru.
Монах Светлана Игоревна - Донбасская национальная академия строительства и архитектуры, Макеевка, Украина; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры «Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция»; ms0660101047@mail.ru.
Monakh Svetlana Igorevna - Donbas National Academy of Civil Engineering and Architecture, Makiivka, Ukraine; Candidate of Technical Sciences; Assistant Professor; Assistant Professor of the Department "Heating, Gas Supply and Ventilations"; ms0660101047@mail.ru.
