Введение

Пиковая энергоустановка – это агрегат, который включается в работу тогда, когда потребление тепловой или электрической энергии в системе резко возрастает на небольшой промежуток времени – при так называемом пике нагрузки.

Самыми распространенными источниками тепловой мощности являются современные котельные установки различной производительности.

Теплоэнергетика нашей страны долгое время была ориентирована на поддержание пиковой тепловой нагрузки с помощью пиковых водогрейных котлов, которые могли быть установлены как в котельных, так и на ТЭЦ, были относительно дешевы и просты в эксплуатации. В 50-70-е годы XX в. под эти котлы был разработан весь комплекс основного и вспомогательного теплофикационного оборудования (паровые турбины, сетевые подогреватели и т.д.).[ 8 ]

Тепловые схемы

Водогрейные котлы предназначаются для подогрева воды, поступающей на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение. Распространенным режимом работы водогрейных котлов является подогрев воды от 70 до 150 °С, что удовлетворяет наиболее распространенному графику работы теплофикационной системы (рис. 1).

Рис. 1 Совмещенный температурный график работы котельной расположенной в рассматриваемом микрорайоне в гор. Чебоксары.

Тепловая нагрузка в отопительный период изменяется в соответствии с температурным графиком теплоснабжения и имеет минимальную мощность при включении отопления и максимальную мощность при расчётной температуре наиболее холодной пятидневки (-31 °С). Тепловая станция должна покрывать всю тепловую нагрузку во всем диапазоне изменения температур.

Существует три расчетных режима работы котельной: максимально зимний (температура наиболее холодной пятидневки), наиболее холодного месяца и летний. В каждом режиме котельная работает разные промежутки времени, но при максимально зимнем этот промежуток самый короткий в год (иногда он полностью отсутствует).

Наиболее эффективно котлы будут работать, если использовать их при номинальной мощности, т.к. в этом случае КПД достигает максимальных значений.

 В моем рассматриваемом районе города Чебоксары максимальная нагрузка на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение достигает 4 Гкал (4.65 Мвт). Ниже приведен часовой и годовой график расхода теплоты (рис. 2).

Рис. 2. Часовой и годовой график расхода теплоты в гор. Чебоксары.

Тепловые источники, особенно устаревшие и физически изношенные, работают с постоянным недогревом сетевой воды до температуры, требуемой по нормативу, что особенно ощущается в сильные морозы. Энергетически выгодно в данные моменты времени использовать пиковые источники теплоты, тем самым сокращая нагрузку на основные котельные, и покрывая излишки характерные для пикового периода. Работа водогрейных котлов при нагреве воды в них до 140-150 °С ненадежна из-за интенсивного накипеобразования. Для обеспечения требуемого водно-химического режима водогрейных котлов необходимо применять дорогостоящее ионообменное умягчение воды, после которого остаются сильно минерализованные стоки, загрязняющие окружающую среду и требующие утилизации. Низкая экономичность традиционной технологии обеспечения пиковой тепловой мощности с помощью водогрейных котлов связана со значительными потерями теплоты с уходящими газами, что снижает КПД котлов.  Центральное качественное регулирование нагрузки с высокими температурами теплоносителя в периоды пиковых нагрузок приводит к существенным потерям теплоты в теплосетях и повышенным энергозатратам на транспорт теплоносителя. [ 9 ]

Анализ

Проведем расчет и сравним два способа обеспечения потребителей теплотой, и убедимся в эффективности и выгоде применения пиковых энергоустановок.

Для обеспечения потребителей необходимым количеством теплоты используется котел КВГМ – 4,65 – 150. Технические характеристики котла указаны в таблице № 1.

Таблица № 1.

Для проверки эффективности котла проведем расчет, в котором определим расход топлива при разной нагрузке котла. Выбранные точки для расчета указаны на рис. 3.

Рис. 3

Расход топлива определяется по формуле:

(1)

Где кВт

, 39830 кДж / м3

Для определения КПД используется график на рис. 4. Где на оси ординат показан КПД, %, а на оси абсцисс мощность использования горелки, %. Котел КВГМ – 4,65 – 150 относится к котлам 70-ых годов ХХ века.

Для приблизительного подсчета объема газа, использованного в котле за весь год воспользуемся формулой:

(2)

Где – расход газ, условно принятый постоянным за выбранный период, м3/ч

период между расчетными точками, ч

Рис. 4. Определение КПД в зависимости от использования мощности горелки.

Т.1 В этой точке нагрузка составляет 35 % от всей мощности горелки следовательно:

Продолжение расчета сведено в таблицу №2

Таблица № 2

Номер точки	Нагрузка от всей мощности горелки, %	Метод определения	Расход газа
			Часовой, Bр,м3/ч	Годовой, Vг, м3/год
Т.1.	35		193,3	612374,4
Т.2.	68		380,7	659372,4
Т.3.	77		422,82	906526,1
Т.4.	90		476,2	511915
Т.5.	100		526,2	14786,2
Итого:				2838050,1

Суммарный расход газа составляет:

В целях экономии заменим существующий котел КВГМ – 4,65 – 150 на 2 котла REX 200 мощностью 2 МВт каждый и 1 котел КВГМ– 1,5 – 150 мощностью 1,5 МВт. Котлы REX 200 включаются последовательно при повышении нагрузки, в пиковом режиме в работу включается котел КВГМ– 1,5 – 150 как показано на рис. 5.

Рис. 5. График включения в работу котлов.

По аналогичной схеме определим расход топлива при использовании новых котлов. Для определения КПД воспользуемся графиком работы современных обычных котлов рис. 4.

Технические характеристики REX 200 сведены в таблицу № 3.

Таблица № 3.

Технические характеристики КВГМ – 1,5 - 150 сведены в таблицу № 4.

Таблица № 4.

.

Т.1 В этой точке работает 1 котел REX 200, нагрузка на него составляет 81 % от всей мощности горелки следовательно:

Дальнейший расчет сведен в таблицу № 5, порядок действий расписан по каждой точке.

Т.2 В этой точке работают 2 котла REX 200, нагрузка на них делится поровну и составляет 79 % от всей мощности горелки для каждого котла.

Т.3 В этой точке работать продолжают также 2 котла, нагрузка на них делится поровну и составляет 90 % от всей мощности горелок.

Т.4 В этой точке в работу включается КВГМ – 1,5 - 150, т.к. он используется как пиковый нагрузка на него составит 100%. Недостаток мощности компенсируют два котла REX 200, нагрузка на них составит 65 % от всей мощности горелки.

Т.5 В этой точке нагрузка на КВГМ – 1,5 – 150 составляет 100 %, а недостаток мощности компенсируют два котла REX 200, нагрузка на них составит 79 % от всей мощности горелки.

Таблица № 5

Номер точки	Нагрузка от всей мощности горелки, %	Метод определения	Расход газа
			Часовой, Bр,м3/ч	Годовой, Vг, м3/год
Т.1.	REX200 - 81%		180,5	571824
Т.2.	2 REX200 - 79%		359,7	623000
Т.3.	2 REX200 - 90%		406,5	871536
Т.4.	КВГМ–1,5-150 - 100% 2 REX200 - 65%		459,5	493962,5
Т.5.	КВГМ–1,5-150 - 100% 2 REX200 - 79%		519	145839
Итого:				2706161,9

Экономическая оценка

Суммарный расход газа после замены котлов составляет:

Тогда годовая экономия в денежном выражении составит:

Э = ΔЭ ∙ Т = 131888,2 ∙ 5 = 659444 руб. (3)

где Э [руб.] – экономия в денежном выражении,

ΔЭ [м3/год] - снижение потребления газа за год от замены котлов,

Т [ ] – тариф на 1 м3 газа.

Стоимость работ по замене котла сведена в таблицу № 6

Таблица № 6

Наименование работы	Стоимость работы, руб
1.Демонтаж старого котла	620000
2.Покупка котлов
2.1 Покупка котла REX 200	1078536
2.2 Покупка котла REX 200	1078536
2.3 Покупка котла КВГМ-1.5-115Н	615000
3. Монтаж котлов
3.1 Монтаж котла REX 200	862828
3.2 Монтаж котла REX 200	862828
3.3 Монтаж котла КВГМ-1.5-115Н	492000
Итого:	5609728

Объем инвестиций в данное мероприятие составляет 5609728 руб. Таким образом, используя формулу, находим срок окупаемости мероприятия:

(4)

Срок окупаемости рекомендуется округлять до целых чисел, т.е. в данном случае срок окупаемости составляет 9 лет.

Сравнив с объемом газа используемым в год ( = м3/год) получаем, что экономия составляет 4,6 %.

Выводы: Исходя из проведенного расчета, можно констатировать, что использование современных котлов при номинальной мощности (когда КПД котлоагрегатов близок к максимальному) и применение пиковых энергоустановок для снятия возникающих пиковых нагрузок является энергоэффективным решением при обеспечении теплотой микрорайона со сроками окупаемости реконструкции действующих котельных в 8,5 лет. При учёте инфляции стоимости энергоносителей сроки окупаемости будут сокращены и позволят данному решению перейти в разряд краткосрочных энергоэффективных решений. Так же не стоит забывать о внесении вклада предлагаемого решения не только в экономическую составляющую страны, но и снизить выбросы вредных компонентов продуктов сгорания, тем самым снизив ущерб наносимы окружающей среде.

Список использованных источников

СНиП 23-01-99* Строительная климатология (с изменением №1) – Изменение №1 утверждено Госстроем России от 24.12.2002г №164 и внесено в текст документа. – М.: Госстрой России, 2003.

СНиП 2.01.01-82 Строительная климатология и геофизика / Минстрой России. — М.: ГП ЦПП, 1996.

Эстеркин Р.И. Котельные установки. Курсовое и дипломное проектирование: Учеб.пособ. для техникумов. – М.: Интеграл, 2015. – 280с.: ил.

СНиП II-35-76* Котельные установки. Нормы проектирования (с изменением №1). – Изменение №1 утверждено Госстроем России от 11.09.97г №18-52 и внесено в текст документа. – М.: Госстрой России, 1977.

Бухмиров В.В., Нурахов Н.Н., Косарев П.Г., Фролов В.В., Пророкова М.В. Методические рекомендации по оценке эффективности энергосберегающих мероприятий - Томск: ИД ТГУ, 2014. – 96 с.

6. Шарапов В.И. Орлов М.Е. Пиковые источники теплоты систем централизованного теплоснабжения. Ульяновск: УлГТУ. 2002. 204 с.

7. Орлов М.Е., Шарапов В.И. Основные направления повышения эффективности обеспечения пиковой нагрузки систем теплоснабжения // Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности: Материалы IV РНТК. Т.2. - Ульяновск: УлГТУ. 2003. С. 110-116.

Электронные источники

8. Ростепло – Повышение эффективности технологий  обеспечения пиковой тепловой мощности - http://www.rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=799 - Дата обращения: 11.02.2019

9. Энергосовет - Применение пиковых энергоустановок для снятия возникающих пиковых нагрузок в городском хозяйстве - http://www.energosovet.ru/entech.php?idd=50 – Дата обращения: 10.02.2019

Код для цитирования: Скопировать