Разработка рекомендаций по повышению энергоэффективности первого участка поселка Шексна

Разработка рекомендаций по повышению энергоэффективности первого участка поселка Шексна

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

. Обзор источников по теме дипломной работы

1.1 Особенности теплоснабжения малых населенных пунктов

1.2 Повышение эффективности газовых котельных агрегатов

1.3 Современная тепловая изоляция трубопроводов

.4 Повышение эффективности системы теплоснабжения у потребителей

2. Исходные данные для выполнения дипломной работы

2.1 Общая характеристика системы теплоснабжения

.2 Описание тепловой сети

2.3 Описание потребителей тепловой энергии

.4 Выводы и постановка задачи дипломной работы

. Анализ основных параметров системы теплоснабжения

.1 Анализ основных параметров магистральных трубопроводов

.1.1 Скорость движения теплоносителя

.1.2 Тепловые потери по участкам

.2 Анализ отводящих участков тепловой сети

.2.1 Основные параметры отводящих участков

.2.2 Затраты на транспортировку тепловой энергии

.3 Гидравлический расчет тепловой сети

. Разработка рекомендаций по повышению эффективности системы теплоснабжения

.1 Рекомендации по модернизации отводящих участков тепловой сети

.2 Рекомендации по осуществлению регулировки тепловой сети

. Технико-экономическая оценка инвестиций в реконструкцию тепловых сетей

.1 ТЭО регулировки тепловых сетей

.1.1 Расчет экономической эффективности

.1.2 Пример расчета регулировки теплосети

.2 Расчет NPV регулировки тепловых сетей

.3 Расчет NPV замены отводящих трубопроводов

.4 Выводы по оценке эффективности65

. Автоматизация котла марки КВа-1,0Г

.1 Общие данные

.2 Контрольно-измерительные приборы

.2.1 Местные приборы

.2.2 Автоматические приборы

.3 Автоматическое регулирование

.3.1 Приборы

.3.2 Исполнительный механизм

.4 Защита и блокировка

.5 Технико-экономическая эффективность автоматизации

.6 Решения в области автоматизации

.7 Контрольно-измерительные приборы

. Безопасность жизнедеятельности при эксплуатации оборудования под давлением

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Теплоснабжение по расходу первичных топливно-энергетических ресурсов является самым крупным сегментом в энергообеспечении нашей страны. Однако, как показывает практика, техническое состояние теплового хозяйства России и его производственная деятельность - ниже критического уровня [1].

Так как большая часть территории нашей страны находится в суровой климатической зоне, то для нас обеспечение населения тепловой энергией имеет первостепенное значение. Именно поэтому системы централизованного теплоснабжения получили здесь столь широкое распространение. Они позволяют создавать благоприятные условия для жизнедеятельности людей и при этом существенно снизить затраты на топливно-энергетические ресурсы и, следовательно, затраты на эксплуатацию.

В целом тепловое хозяйство России - это множество локальных систем централизованного (СЦТ) и децентрализованного (ДТ) теплоснабжения, рассредоточенных по отдельным населенным пунктам и промышленным предприятиям. В то же время тепловое хозяйство имеет общенациональный характер, поэтому его следует рассматривать как отрасль топливно-энергетического комплекса со своими внутренними и внешними материальными, финансовыми, технико-технологическими и организационными связями [1].

Одной из самых значимых и технически сложных составляющих систем теплоснабжения населенных пунктов являются тепловые сети. В суровых рабочих условиях высоких температур и давлений теплоносителя они должны соответствовать повышенным требованиям безопасности и надежности.

Следствием высокого износа и ветхости тепловых сетей, отсутствия у большей их части современной теплоизоляции стали крайне высокие потери тепла. По данным [2], потери тепла в тепловых сетях в среднем по России в 2008 г. достигли 24,2%.

Так как в России процесс реорганизации и реконструкции действующих инженерных сетей достаточно долговременный, это приводит к тому, что традиционные материалы, применяемые для строительства сетей, и технологии, многие из которых не менялись со времен СССР, не соответствуют современным условиям эксплуатации и требованиям энергосбережения и качества теплоснабжения. Как следствие, возникает необходимость в капитальных ремонтных работах (иногда с полной заменой оборудования и трубопроводов) каждые 10-15 лет.

В настоящее время энергосбережение - это одно из самых перспективных направлений в области энергетики [3]. По оценкам специалистов, что при проведении энергосберегающих мероприятий и внедрении соответствующих технологий потенциал сбережения энергетических ресурсов может достигать 40%.

Самый верный вектор в этом направлении - это внедрять программы и комплексы мероприятий, которые позволят получать дешевое, качественное, надежное теплоснабжение.

Для дипломной работы выбрана котельная первого участка поселка Шексна с двухтрубной тупиковой тепловой сетью и закрытой системой теплоснабжения - котельная №3, расположенная по адресу ул. Дзержинского, д. 3. Прокладка сети большей частью осуществлена надземным способом.

Котельная обеспечивает теплом 39 объектов. В котельной отсутствует тепловая нагрузка на горячее водоснабжение - только на вентиляцию и отопление жилых, общественных и производственных зданий.

Цель дипломной работы - разработка рекомендаций для увеличения показателей эффективности системы теплоснабжения первого участка поселка Шексна.

В рамках дипломной работы необходимо провести анализ следующих энергосберегающих мероприятий:

обследование и составление характеристики системы теплоснабжения, расчет гидравлического режима и ТЭО его регулировки;

составление рекомендаций по реконструкции тепловых сетей;

расчет ТЭО проекта реконструкции тепловых сетей;

разработка инструкции по технике безопасности.

Дипломная работа включает в себя пояснительную записку с подробной информацией по каждому пункту проекта, а также презентацию в электронном виде, в которой представлены основные тезисы и выводы.

1. ОБЗОР ИСТОЧНИКОВ ПО ТЕМЕ ДИПЛОМНОЙ РАБОТЫ

.1 Особенности теплоснабжения малых населенных пунктов

Главная особенность и, собственно, недостаток теплоснабжения небольших населенных пунктов - это отсутствие систем центрального теплоснабжения (СЦТ). Зачастую, мы можем наблюдать следующую картину. Источники тепловой энергии разбросаны по территории населенного пункта, каждый из них снабжает теплом отдельный район, при этом теплоисточники не соединены друг с другом. Это приводит к тому, что, при сбое в работе теплогенерирующего предприятия, появляется опасность полного обесточивания потребителей тепловой энергии района, который обслуживается этим предприятием. И если при наличии СЦТ, этот район может обеспечиваться теплом от других котельных, то здесь такое невозможно. Соответственно, потребитель остается без тепла. Это очевидный минус систем теплоснабжения небольших населенных пунктов.

Также нужно обратить внимание на слабую материально-техническую базу малых городов и населенных пунктов.

Еще одна слабая сторона такого теплоснабжения - это низкая квалификация обслуживающего теплоисточники и тепловые сети персонала. В частности, это касается вопросов автоматизации рабочих процессов и правильной эксплуатации оборудования.

Далее нужно отметить, что в большинстве котельных используется изношенное и технологически устаревшее оборудование с низкими показателями КПД.

Также особенностью является низкое, в большинстве случаев, качество теплоносителя, которое вызвано отсутствием химводоподготовки и нормальных источников воды. Это приводит к ускоренным темпам износа тепловых сетей и оборудования. Так как во многих малых населенных пунктах бюджет сильно ограничен, нет возможности регулярно выделять средства на ремонт и замену элементов систем теплоснабжения. Как следствие, оборудование и трубопроводы работают, иногда в разы превышая рекомендованные сроки эксплуатации.

На работу котельной, также, неблагоприятно влияет низкий уровень механизации топливного и золошлакового трактов.

.2 Повышение эффективности газовых котельных агрегатов

В данном пункте предлагается рассмотреть возможные пути повышения эффективности работы газифицированных котельных установок за счет комплексного использования вторичных ресурсов.

Основой современного общества является сбалансированное решение экологических и энергетических проблем.

Растущее потребление органического топлива при одновременно высоком расходе на единицу валового продукта усугубляет как экономические, так и экологические показатели.

Одним из путей существенного улучшения использования топлива в теплогенерирующих установках является глубокая утилизация теплоты продуктов сгорания.

Эффективным оборудованием для осуществления этого процесса являются конденсационные теплообменники (КТ), в частности, калориферного типа, устанавливаемые в хвостовой части котельного агрегата.

В результате установки КТ калориферного типа потенциально достигнуть повышения КПД котельного агрегата до 10%. Например, при установке КТ за котлом КВ-ГМ-20-150, работающем на номинальной нагрузке, снижение расхода топлива составит 1220 тыс. м³/год.

Реализация энергосберегающих технологий позволяет существенно улучшить не только экономическую, но и экологическую ситуацию. Это особенно касается наиболее актуальной экологической проблемы - изменения климата в результате растущего парникового эффекта.

Влияние техногенных факторов на эмиссию так называемых «парниковых газов» (ПГ) настолько существенно, что приводит к глобальным изменениям температуры поверхности Земли и уровня мирового океана. Это вынудило международное сообщество принять в 1992 году Рамочную Конвенцию ООН по изменению климата, а в 1997 году подписать Киотский протокол по недопущению возрастания парникового эффекта, который в 2004 году ратифицирован и Россией.

Около 80% парниковых газов антропогенного характера поступает в атмосферу Земли с продуктами сгорания органического топлива. Это основные продукты сгорания - углекислый газ и водяные пары, а также метан, выделяющийся в процессах неполного сгорания природного газа и в результате утечек из газопроводов. Токсичные компоненты продуктов сгорания - оксид углерода СО и оксиды азота NO_х не являются парниковыми газами, но влияют на фотохимические процессы в атмосфере и в конечном итоге - на парниковый эффект. Тепловое загрязнение воздушного бассейна уходящими газами котлов и печей еще более усиливает негативное воздействие процессов горения на экологическую ситуацию.

Энергосберегающие технологии, решая проблему сокращения расхода топлива, непосредственно воздействуют на снижение выброса ПГ, а использование конденсационных теплообменников (КТ) приводит к дополнительному уменьшению выброса СО₂ и Н₂О в результате их конденсации и снижению растворимых в воде токсичных веществ.

Рассмотрим эффективность установки КТ за котлом КВ-ГМ-20-150. Расчеты показывают следующие изменения экологических характеристик котла:

сокращается выброс СО₂ и Н₂О соответственно на 2400 т/год и 1950 т/год за счет экономии топлива и около 10000 т/год за счет конденсации;

уменьшается расход выбросов на 8000 м³/ч;

сокращается тепловое загрязнение атмосферы на 1,4 МВт.

Кроме того, сокращается негативное воздействие газодобывающих технологий на почву, растительность и водный бассейн эквивалентно сэкономленному топливу.

Внедрение теплоутилизаторов в существующих котельных приводит к ухудшению рассеивания вредных веществ в атмосфере в результате снижения температуры уходящих газов, т.е. несколько снижает экологические характеристики. Это вызывает необходимость сочетания энергосберегающих установок с природоохранными технологиями.

В связи с актуальностью экологических проблем разработан ряд комплексных схем снижения вредных выбросов промышленных котлов.

Все схемы включают сочетание технологических методов снижения загрязнения и методов очистки, а также оборудование для глубокой утилизации теплоты продуктов сгорания.

Сочетание энергосберегающих технологий с природоохранными способствует эффективному решению энергетических и экологических проблем [4].

.3 Современная тепловая изоляция трубопроводов

Тепловая изоляция - это важнейший конструктивный элемент системы теплоснабжения. Ее главная функция - максимально снизить тепловые потери в тепловых сетях. Тем самым она формирует ТЭО, надежность и стабильность всей системы теплоснабжения. Кроме того, при бесканальной прокладке теплоизоляция выполняет роль несущей конструкции.

Применяются как сборные конструкции, так и готовые трубы с теплоизоляцией заводской готовности. Обычно, тепловая изоляция трубопроводов имеет следующую структуру: теплоизоляционный слой, арматура и крепежные изделия, пароизоляционный и покровный защитный слой.

Согласно [5], в качестве теплоизоляционного слоя рекомендуется более 30 основных материалов либо готовых изделий, которые обеспечивают необходимый тепловой поток через поверхность трубопровода согласно нормам или принятому технологическому режиму, а также исключают выделение вредных, взрывоопасных, пожароопасных и зловонных веществе в процессе эксплуатации в количествах, которые превышают ПДК.

В числе традиционных эффективных материалов, используемых в теплосетях, находятся битумоперлит, газосиликат, армопенобетон автоклавного твердения, фенольные пенопласты, минеральная вата, асфальтокерамзитобетон, вулканитовые. В таблице 1.1 приведены основные усредненные характеристики теплоизоляционных материалов и готовых изделий.

Таблица 1.1

Основные характеристики теплоизоляционных материалов и изделий

Покровный слой тепловой изоляции при новом строительстве выполняется из следующих материалов:

металл (сталь тонколистовая оцинкованная и кровельная, металлопласты, алюминиевые ленты и листы и др.);

на основе природных полимеров (толь, стеклорубероид, рубероид и др.);

на основе синтетических полимеров (стеклопластик, армопластмасса, стеклотекстолит и др.);

минеральные (асбоцементная штукатурка, стеклоцемент и др.);

дублированные фольгой (алюминиевая фольга, фольгоизол и др.).

В качестве гидроизоляционных и антикоррозийных покрытий применяют полимерные, силикатные, металлизационные и органосиликатные покрытия, а также на основе битумного вяжущего.

При бесканальной прокладке тепловых сетей необходимо использовать материалы, средняя плотность которых не превышает 600 кг/м³, а теплопроводность - 0,13 Вт/(м^оС). При этом, прочность на сжатие конструкции тепловой изоляции должна быть не менее 0,4 МПа. В таблице 1.2 приведены характеристики материалов, которые применяются при бесканальной прокладке.

Таблица 1.2

Технические характеристики материалов, применяемых при изоляции тепловых сетей при бесканальной прокладке

1.4 Повышение эффективности системы теплоснабжения у потребителей

Одним из самых доступных и эффективных способов повышения качества теплоснабжения является уплотнение щелей оконных и дверных проемов у потребителей. Потери тепловой энергии за счет инфильтрации могут достигать 20%. Если неконтролируемую инфильтрацию воздуха в отапливаемое помещение свести к минимуму, то можно значительно сэкономить тепловую энергию. Проблема тепловых потерь у потребителей - это не только проблема экономии денежных средств, но и проблема создания комфортных условий в помещении.

Для уплотнения оконных переплетов, форточек, створок, клапанов и полотен эффективно применять полиуретановые вставки.

Более интенсивная инфильтрафия происходит через ограждающие конструкции на нижних этажах за счет большего перепада давлений внутри и снаружи помещения. При уплотнении одновременно и внутренних, и наружных притворов окон уменьшение воздухопроницаемости в среднем достигает 40%. Очевидно, что это эффективное мероприятие.

Уплотняющие прокладки способствуют повышению температуры на внутренней поверхности в среднем на 1-2^оС, защищают стекла и переплеты от излишнего загрязнения и сводят к минимуму запотевание и, как следствие, образование конденсата. Таким образом, теплозащита дверных и оконных проемов повышается на 15-20%.

В большинстве домой собранных из крупноразмерных панелей наблюдается высокий уровень инфильтрации через зазоры стенами и оконными коробками или балконной двери. Для выполнения герметизации этих зон применяют растворы, монтажные пены или другие герметизирующие материалы. При применении уплотняющих прокладок, которые устанавливают по периметру балконных дверей и переплетов, срок их службы принимается равным 6-9 годам. По его истечению необходимо заменить изделия на новые. При высоте здания 9 этажей и более рекомендуют применять двойную герметизацию сопряжений в притворах внутренних и наружных створок, спаренных переплетов, а также повышенную герметизацию с внутренней стороны помещений.

Также при герметизации крупнопанельных зданий широко применяется герметизация горизонтальных и вертикальных стыков уплотняющими прокладками из пористой резины (гернит), однако, как показывает практика, эта методика не обеспечивает требуемых показателей эффективности. Гораздо эффективнее являются изделия «Вилатерм-С». Эти уплотняющие прокладки производят методом экструзии из гранулированного полиэтилена. Такие прокладки подходят для герметизации стыков открытого и закрытого типа в гражданском строительстве при наружной температуре не менее -30^оС.

По данным [6], уплотнение дверных и оконных проемов приносит экономию 15-20 долл. на 1 м² остекления. На настоящий момент только жилых зданиях в нашей стране используется более 700 млн м² окон старого типа и еще 800 млн м² - в общественных и производственных зданиях. В целом, по России, если применить утепление дверных и оконных проемов у потребителей хотя бы в 25% случаев, то экономия может достигнуть 5-7 млрд. долл. в год.

2. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ДИПЛОМНОЙ РАБОТЫ

.1 Общая характеристика системы теплоснабжения

Котельная №3 расположена по адресу пос. Шексна, ул. Дзержинского, д. 3. Закрытая система теплоснабжения с двухтрубной тупиковой тепловой сетью. Вся тепловая нагрузка котельной приходится на отопление и вентиляцию жилых, общественных и производственных зданий. Тепловая нагрузка на горячее водоснабжение отсутствует.

Основные параметры климата поселка Шексна в соответствии с [7] представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Основные климатические параметры поселка Шексна

Котельная №3 обеспечивает теплом 39 объектов. Теплоноситель - вода. Отпуск тепловой энергии производится согласно температурному графику 95-70^оС. Применяется качественное центральное регулирование.

.2 Описание тепловой сети

Двухтрубная тупиковая система теплоснабжения закрытого типа. Выполнена из стальных электросварных труб согласно ГОСТ 10704-63 «Трубы стальные электросварные». Сеть проложена как подземным способом в непроходных каналах, так и надземным способом (большая часть сети).

Суммарная длина теплосетей - 3273 метра, из них надземной прокладки - 2830 метров, подземной - 443 метра. Условные проходы трубопроводов в диапазоне 25-200 мм, в основном 50-150 мм. На протяжении всей тепловой сети выполнена тепловая изоляция: материал - минеральная вата, покрытая листами оцинкованной стали при надземном способе прокладки, либо 2-3 слоями бризола или изола при прокладке под землей. Во избежание нарушений системы теплоснабжения из-за тепловой деформации труб применены компенсаторы (гнутые П-образные и сварные), а также естественные повороты теплотрассы. Для закрепления, а также разделения теплосети на независимые по тепловым деформациям участки, применены неподвижные опоры. В случае надземной прокладки это лобовые хомутовые опоры, а при подземной - щитовые. Кроме того, использованы подвижные опоры для осуществления передачи веса трубопроводов на грунт, а для обеспечения их беспрепятственного перемещения при тепловых деформациях - скользящие. Применяемая запорная арматура в основном стальная, с ручным приводом на фланцевом соединении. Также используется арматура из ковкого чугуна.

В тепловой сети существуют тепловые камеры из сборного железобетона для обслуживания отдельных участков и ответвлений. В камерах установлены воздушные и дренажные краны, а также запорная арматура. На вводе потребителей есть тепловые пункты.

На рисунке 2.1 изображен фрагмент схемы тепловой сети первого участка поселка Шексна. Полная схема тепловой сети представлена в Приложении 1.

Рисунок 2.1 - Схема тепловой сети первого участка поселка Шексна (фрагмент)

В таблицах 2.2 и 2.3 представлены характеристики, соответственно, магистральных и отводящих участков тепловой сети.

Таблица 2.2

Характеристика магистральных участков тепловой сети

Таблица 2.3

Характеристика отводящих участков тепловой сети

.3 Описание потребителей тепловой энергии

Потребителями тепловой энергии на первом участке поселка Шексна являются жилые, общественные и производственные здания. На территории района находится ФКУ ИК-17 «Исправительная колония №17», которая включает в себя около половины всех потребителей котельной. 38 из 39 абонентов - это малоэтажные здания (1-2 эт.). Единственный дом №33 на ул. Спортивной является 3-этажным.

В таблице 2.4 представлена характеристика всех потребителей котельной на первом участке поселка Шексна с указанием количества потребляемой энергии.

Таблица 2.4

Потребители котельной первого участка поселка Шексна

.4 Выводы и постановка задачи дипломной работы

Тепловая сеть является одним из важнейших элементов системы теплоснабжения, от которого во многом и зависят показатели эффективности работы системы. Но, к сожалению, большинство тепловых сетей в наше время характеризуется низкой эффективностью. Это вызывает регулярный, порой неоправданный, рост тарифов на теплоснабжение. Поэтому необходимо стремиться проводить мероприятия по их снижению. Этого можно добиться, например, уменьшением затрат на производство тепловой энергии, ее транспортировку и распределение между абонентами.

Проведение экономически обоснованных энергоресурсосберегающих мероприятий (ЭРСМ) позволит значительно сократить расходы теплоснабжающих организаций. Возможны такие мероприятия, как:

модернизация источника тепловой энергии, т.е. котельной;

реконструкция теплосетей;

децентрализация теплоснабжения - наиболее радикальный, но, в то же время, дешевый и эффективный способ решения многих проблем современных систем теплоснабжения;

проведение ЭРСМ непосредственно на объектах теплоснабжения (потери на объектах теплоснабжения могут достигать 35% от общей нагрузки системы).

Остановимся на первых двух пунктах более подробно.

Модернизация (совершенствование) источника тепловой энергии. Максимально возможный КПД, которым обладают существующие источники тепловой энергии, не превышает 80-85%, если говорить о тех, что работают на природном газе, потому что с другими видами топлива этот показатель еще ниже. Во многом этому способствуют несовершенство технологий и устаревшее оборудование. Практика показывает, что предприятиям невыгодно проводить мероприятия по модернизации оборудования при текущем тарифообразовании и кредитной политике в стране. Самый перспективный и доступный на сегодня путь - это пошаговое снижение мощности источника тепловой энергии и сопутствующая этому замена устаревшего оборудования на более совершенное.

Реконструкция теплосетей. Не секрет, что тепловые сети - это одно из самых слабых мест в системе теплоснабжения. Тепловые потери через тепловую изоляцию трубопроводов порой достигают огромных величин (до 30% от всей транспортируемой тепловой энергии). Главной причиной опять-таки являются устаревшие технологии. Защитный слой из листовой стали не обеспечивает надежную защиту изоляции от влаги. При увлажнении теплоизоляционного материала, в частности, минеральной ваты, происходит резкое увеличение потерь теплоты, возникает наружная коррозия трубопроводов, и как следствие - сверхнормативные потери энергии и утечки теплоносителя.

Большую популярность в мире получили трубы из пенополиуретана (ППУ). Главные их составляющие это стальная труба, изоляционный слой из пенополиуретана и наружный защитный слой из полиэтилена. Такая конструкция позволяет добиться высокого качества сохранения теплоты при транспортировке. Коэффициент теплопередачи таких труб мало зависим от диаметра и приблизительно равен  , тогда как в существующих тепловых сетях этот показатель может быть в 2-3 раза больше. Кроме того, стоимость изготовления и монтажа также является плюсом таких труб.

Конечно, при ремонте сетей, применяют трубы из этого материала, но, зачастую, по той причине, что на это требуется меньше капитальных затрат, а не из соображений энергосбережения и повышения качества транспортировки тепловой энергии.

Анализируя реальную ситуацию, можно ожидать, что в ближайшие 10-15 лет тепловые сети в нашей стране полностью перейдут на трубы из пенополиуретана. Хотя современные технологии и возможности производственной сферы экономики позволяют сделать это быстрее.

Исходя из представленной выше информации сформулируем следующие задачи дипломного проекта:

провести описание и анализ источника тепловой энергии, а также разработать рекомендации по его совершенствованию;

разработать мероприятия по повышению эффективности и оптимизации тепловых сетей первого участка поселка Шексна;

произвести расчет ТЭО разработанных мероприятий.

3. АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

.1 Анализ основных параметров магистральных трубопроводов

.1.1 Скорость движения теплоносителя

Определим расходы сетевой воды по участкам магистральных трубопроводов, в т/ч, по формуле:

(3.1)

Где - присоединительная тепловая нагрузка на отопление, Мкал/ч;

- присоединительная тепловая нагрузка на вентиляцию, Мкал/ч;

- разность температур подающего и обратного трубопровода, ^оС, при температурном графике 95-70^оС .

Зная расчетные расходы сетевой воды, определим скорость движения воды на участках, м/с, по формуле:

(3.2)

Где - диаметр расчетного участка трубопровода, м.

Результаты расчета представлены в табличной форме (табл. 3.1).

На основе полученных результатов строим рейтинговую диаграмму скоростей теплоносителя на магистральных участках тепловой сети.

Низкая скорость свидетельствует о завышенном диаметре и, следовательно, больших тепловых потерях на участке. Диаграмма представлена на рисунке 3.1.

Таблица 3.1

Расчетные данные для магистральных участков тепловой сети

Из диаграммы скоростей видно, что на 16 участках из 41 скорость ниже отметки в 0,5 м/с. Это участки с самыми большими тепловыми потерями. Кроме того, на девяти участках скорость теплоносителя сильно превышает нормативную скорость 1,5 м/с. Это может привести к кавитации и более интенсивному износу внутренней поверхности трубопровода.

.1.2 Тепловые потери по участкам

В соответствии с [8], теплопотери на участке трубопровода определяются согласно формуле:

(3.3)

Где - диаметр расчетного участка трубопровода, м;

- норма линейной плотности теплового потока, Вт/м [5].

Так как нагрузка на горячее водоснабжение отсутствует, то расчет ведем только для отопительного периода. Результаты расчета представлены в таблице 3.2.

Таблица 3.2

Тепловые потери на магистральных участках сети

В результате расчетов получаем значения тепловых потерь для каждого из участков в Мкал/ч и суммарные потери за год в Гкал/год. На основе полученных данных построим сравнительную диаграмму тепловых потерь в процентах от суммарной тепловой энергии, проходящей через участок за год (рис. 3.2).

Рисунок 3.2 - Сравнительная диаграмма тепловых потерь за год на магистральных участках тепловой сети

В принципе, потери тепловой энергии укладываются в нормативные показатели, но на участках №35, №36 и №45 рекомендуется улучшить изоляцию для достижения более высокого уровня теплоснабжения потребителей.

.2 Анализ отводящих участков тепловой сети

.2.1 Основные параметры отводящих участков

Методика расчета основных параметров отводящих участков тепловой сети такая же, как и для магистральных участков. Результаты расчетов приведены в таблице 3.3.

По полученным данным строим рейтинговую диаграмму скоростей теплоносителя и сравнительную диаграмму тепловых потерь на отводящих участках тепловой сети. Диаграммы представлены на рисунках 3.3 и 3.4 соответственно.

Рисунок 3.3 - Рейтинговая диаграмма скоростей теплоносителя на отводящих участках тепловой сети

Таблица 3.3

Основные параметры отводящих участков тепловой сети

Около 50% процентов участков с явно завышенным диаметром, так как скорость движения теплоносителя ниже 0,5 м/с, что способствует неоправданно высоким потерям тепловой энергии на пути к потребителям.

Рисунок 3.4 - Сравнительная диаграмма тепловых потерь за год на отводящих участках тепловой сети

На большинстве участков потери незначительны, но есть несколько участков с высокими потерями (от 5% до 14%). Если сравнить диаграммы на рисунках 3.3 и 3.4, то мы увидим, что на этих участках скорость движения теплоносителя ниже 0,5 м/с, что говорит о прямой зависимости величины потерь от диаметра трубопровода.

.2.2 Затраты на транспортировку тепловой энергии

Удельную стоимость транспортировки тепловой энергии, в руб./Гкал, определим по формуле:

(3.4)

где- сумма затрат участка, руб./год;

- годовое потребление тепловой энергии, Гкал/год.

 (3.5)

Где - годовые амортизационнные отчисления, приходящиеся на рассматриваемый участок сети, руб./год;

- стоимость годовых тепловых потерь участка, руб./год;

- затраты на перекачку теплоносителя по участку, руб./год.

 (3.6)

где- стоимость трубопровода на участке сети, руб.;

- срок амортизации, год.

 (3.7)

где- величина тепловых потерь на участке, Гкал/час;

- установленный тариф на тепловую энергию, руб/Гкал, принимаем равным 1698,02 руб./Гкал, в соответствии с [9];

- время работы системы отопления за год, час/год.

(3.8)

Где - мощность сетевых насосов необходимая для преодоления гидравлического сопротивления, кВт;

 - тариф на электрическую энергию, руб./кВт*ч, принимаем равным 3,6961 руб./кВт*ч (средний тариф за отопительный период 2015-16 гг.);

- время работы системы теплоснабжения, час/год.

 (3.9)

Где - напор сетевого насоса, кПа;

- расход сетевой воды, м³/с; - КПД сетевого насоса.

Результаты расчетов представлены в табличной форме (табл. 3.4).

Таблица 3.4

Затраты на транспортировку теплоносителя

По результатам расчета построим диаграмму удельных стоимостей транспортировки (рис. 3.5) тепловой энергии и сравним показатели с тарифом. Как видно из диаграммы, удельная стоимость транспортировки на всех участках не превышает установленного тарифа в 1698,02 руб./Гкал.

Рисунок 3.5 - Диаграмма удельных стоимостей транспортировки тепловой энергии

.3 Гидравлический расчет тепловой сети

Гидравлический режим тепловых сетей оказывает решающее значение на качество теплоснабжения потребителей теплоты. В свою очередь гидравлический режим в основном зависит от:

характеристики сетевых насосов, установленных в источнике теплоснабжения;

профиля местности, на которой проложены тепловые сети;

пропускной способности тепловых сетей и качества их эксплуатации и ремонта.

Расчет гидравлического режима тепловых сетей ставит своей целью следующие задачи:

давление в подающем и обратном теплопроводах должно обеспечивать надежную работу веек систем отопления потребителей теплоты;

давление в тепловой сети не должно превышать допустимого давления для работы систем отопления потребителей теплоты.

При регулировке гидравлического режима [10] необходимо, чтобы как можно меньше терялся напор, развиваемый сетевыми насосами источника теплоснабжения, и как можно больше был избыток этого напора на вводах потребителей теплоты. При этом будут устойчивее работать тепловые сети и системы отопления.

В результате гидравлического расчета тепловой сети определяют диаметры всех участков трубопроводов, оборудования и запорно-регулирующей арматуры, а также потери давления теплоносителя на всех элементах сети.

В данном случае требуется выполнить гидравлический расчет уже существующей тепловой сети, задача сводиться лишь к определению потерь давления на участках сети.

Суммарные потери давления на участке состоят из потерь давления на трение и потерь в местных сопротивлениях:

 (3.10)

Где - потери давления на трение, Па;

- потери давления в местных сопротивлениях, Па.

Найдем потери давления на трение по формуле 3.11:

 (3.11)

Где  - абсолютная эквивалентная шероховатость, м, принимаем равной 0,001 м;

- длина участка, м;

- диаметр участка, м;

- массовый расход теплоносителя, кг/с;

- плотность теплоносителя, кг/м³;

Потери в местных сопротивлениях находятся с учетом эквивалентной длины:

 (3.12)

Где - эквивалентная местным сопротивлениям длина, м.

Эквивалентная длина местных сопротивлений - это длина прямолинейного участка трубопровода диаметром d, на котором линейное падение давления равно падению давления в местных сопротивлениях [10]. Найти ее можно воспользовавшись следующей формулой:

 (3.13)

Где - сумма коэффициентов местных сопротивлений, которые имеются на участке.

Так как для нахождения суммы коэффициентов местных сопротивлений необходимо знать обо всех нюансах трубопровода на расчетном участке, таких как углы поворотов, наличие запорной арматуры, сужение и расширений и т.д., то за отсутствием такой информации, воспользуемся упрощенной формой расчета эквивалентной длины местных сопротивлений - l_э  принимается равной 10% от длины участка l.

Тогда конечная формула для нахождения суммарных потерь на участке тепловой сети будет иметь следующий вид:

(3.14)

При расчете гидравлического режима тепловой сети необходимо соблюдать следующие требования:

. Величины напора в обратном трубопроводе должно быть достаточно для залива верхних отопительных приборов системы отопления, а также не превышать допустимое рабочее давление в местных системах. Допустимое рабочее давление в системах отопления первого участка поселка Шексна, где установлены чугунные радиаторы, равняется 60 м. вод. ст.;

. Также в линии обратного трубопровода давление не должно быть менее 0,5 кгс/м² во избежание подсоса воздуха;

. Давление на всасывающих патрубках сетевых и подпиточных насосов не должно быть ниже 0,5 кгс/м² и не должно превышать допустимое значение по условиям прочности насосного оборудования;

. Учитывая падения давления в соплах элеваторов и дроссельных диафрагмах, перепад давления на тепловых пунктах у абонентов не должен быть менее гидравлического сопротивления систем теплопотребления.

Также необходимо построить пьезометрический график. Пьезометрический график позволяет учесть все факторы, влияющие на гидравлический режим (рельеф местности, высота систем потребителей, потери давления). Пьезометрический график - это графическое изображение напоров в теплосети относительно рельефа местности, по которой она пролегает. На нем в масштабе наносятся рельеф местности, величины напоров и высоты зданий абонентов. Напоры откладываются по оси ординат, а по оси абсцисс - длина тепловой сети. Наносятся как рабочие напоры, так и для статического режима.

В таблице 3.5 приведен фрагмент гидравлического расчета тепловой сети первого участка поселка Шексна.

Рисунок 3.5 - Пьезометрический график до самого удаленного потребителя

Таблица 3.5

Гидравлический расчет тепловой сети первого участка поселка Шексна (фрагмент)

На рисунке 3.5 представлен пьезометрический график до самого удаленного потребителя котельной - 3-этажный дом по адресу ул. Спортивная, 33. Суммарная длина трубопровода составляет 848 метров.

инвестиция модернизация тепловой сеть

4. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Данная глава посвящена разработке рекомендаций по улучшению показателей эффективности существующей системы теплоснабжения первого участка поселка Шексна.

.1 Рекомендации по модернизации отводящих участков тепловой сети

Основной причиной высоких показателей тепловых потерь в системах теплоснабжения является необоснованное применение трубопроводов завышенного диаметра.

На наш взгляд, наиболее правильным решением данной проблемы будет расчет трубопроводов оптимальных диаметров на отводящих участках и потенциальная установка взамен старых при плановых либо аварийных ремонтных работах. Такой подход позволяет произвести модернизацию действующей тепловой сети, сохранив при этом потенциал системы на случай расширения сети потребителей, а также оказывает наименьшее влияние на всю систему в целом.

При расчете диаметра необходимо учитывать, что гидравлическое сопротивление в подающем и обратном трубопроводах должно быть максимально близким к сопротивлению сужающего устройства, но, при этом, не превышало его. Как правило, прежде всего заменяют подающие участки сети, т. к. на них происходят наибольшие потери тепловой энергии.

Минимальный допустимы диаметр находится по формуле [11]:

 (4.1)

Где - расход теплоносителя на участке, м³/ч;

 - плотность теплоносителя, кг/м³;

 - перепад давления на отводящем участке, Па;

 - требуемый перепад давления для теплоснабжения объекта, Па;

Также, важным моментом при реализации этого мероприятия, который нужно учитывать, является увеличения скорости движения теплоносителя на участках тепловой сети, что может вызвать повышенный уровень шума и вибрации. При возникновении таких явлений, нужно предусмотреть инсталляцию антивибрационных компенсаторов, который будут гасить возникающие вибрации и помогут уберечь систему от негативных последствий.

Определив величины оптимального среднего диаметра отводящих трубопроводов с учётом энергоэкономических показателей ТС, сравниваем полученные значения с существующим средним. Определённая таким образом величина оптимального диаметра зависит как от энергетических параметров (качества изоляции трубопроводов ТС, температурного графика, КПД сетевых насосов), так и от экономических (соотношения тарифов на тепловую и электрическую энергию) и будет динамически изменяться с течением времени [12].

Годовой экономический эффект от замены трубопроводов на новые вычислим по формуле:

 (4.2)

Где - экономия за счет сокращения амортизационных издержек, руб./год;

- экономия за счет сокращения расходов на транспортировку тепловой энергии, руб./год;

 (4.3)

Где и - затраты на тепловые потери до и после подбора новых диаметров, руб/год;

 (4.4)

Где и - амортизационные издержки до и после подбора новых диаметров, руб/год;

Подбираем для новых трубопроводов стальные трубы в изоляции из пенополиуретана (ППУ) [13]. Для расчета вложений принимаем средние цены за погонный метр трубы, которые предлагают производители. Расчет оптимальных диаметров, а также сроков окупаемости по каждому участку представлены в таблице 4.1.

Таблица 4.1

Подбор оптимальных диаметров для отводящих участков тепловой сети

Для наглядности построим рейтинговую диаграмму сроков окупаемости по участкам (рис. 4.1).

Диаграмма демонстрирует, что примерно 50% участков окупятся в течение 3 лет, что является хорошим показателем. Поэтому эти участки рекомендуется менять в первую очередь.

Рисунок 4.1 - Диаграмма сроков окупаемости новых трубопроводов на отводящих участках

.2 Рекомендации по осуществлению регулировки тепловой сети

Важным звеном любой системы централизованного теплоснабжения являются тепловые сети. В транспорт тепловой энергии вкладываются большие капиталовложения, соизмеримые со стоимостью строительства ТЭЦ и крупных котельных. Повышение надежности и долговечности систем транспорта тепла является важнейшей экономической задачей при проектировании, строительстве и эксплуатации теплопроводов [14].

Решить эту задачу можно путем периодического проведения мероприятий по оптимизации гидравлического режима тепловой сети, главная цель которых - обеспечить распределение теплоносителя в сети пропорционально тепловым нагрузкам потребителей.

Из большого количества энергосберегающих мероприятий в теплоснабжении оптимизация гидравлического режима тепловой сети (далее - регулировка) является наиболее эффективной. Кроме того, улучшается качество теплоснабжения.

Как правило, регулировка состоит из трех этапов:

. Расчет гидравлического режима с последующей разработкой рекомендаций.

. Подготовительные работы.

. Монтажные работы по установке, распределяющих общий расход теплоносителя, устройств.

Т.к. многие реальные параметры теплосети определить невозможно, либо для этого потребуется сделать затраты, несопоставимые с экономическим эффектом, то регулировка носит вероятностный характер [15].

Данный способ регулировки заключается в расчете и дальнейшей установке сужающих устройств на участках тепловой сети. Сначала для всех объектов рассчитывается рейтинговая величина, которая покажет, на каком участке, в первую очередь, будет наибольший эффект от установки сужающего устройства для оптимизации работы сети. Далее производится новый расчет, но уже без первого объекта и снова выбирают наиболее подходящий. Расчеты производят до того момента, пока расчетная и фактическая величина расхода на оставшихся участках не будет отличаться на заданную величину.

Рейтинг потребителей составляется по безразмерному параметру Z, определяемому из соотношения [10]:

 (4.5)

Где - расчетный расход теплоносителя на объекте, т/ч;

- фактический расход теплоносителя на выходе из котельной, т/ч;

- расчетный перепад давления на объекте, Па;

- фактический перепад давления на котельной, Па.

Диаметр отверстия дроссельной диафрагмы определяют по формуле:

 (4.6)

Где  - расчетный расход теплоносителя через дроссельную диафрагму, т/ч;

 - напор дросселируемый диафрагмой, м. вод. ст.

Расчет ведется в табличной форме (табл. 4.2). Также по полученным результатам построим диаграмму рейтинга регулировки тепловой сети по участкам (рис. 4.2).

Таблица 4.2

Регулировка тепловой сети первого участка поселка Шексна

Рисунок 4.2 - Рейтинг регулировки тепловой сети

Данный рейтинг позволяет определить участки сети, обладающие наибольшими затратами на обеспечение теплоснабжения. Необходимо отметить, что данный рейтинг не учитывает тепловую нагрузку потребителей.

5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ИНВЕСТИЦИЙ В РЕКОНСТРУКЦИЮ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ

.1 ТЭО регулировки тепловых сетей

.1.1 Расчет экономической эффективности

Самая простая оценка эффективности регулировки теплосетей - это срок окупаемости затрат, необходимых для реализации данного мероприятия [16]:

 (5.1)

Где  - суммарные вложения, руб.;

 - годовой экономический эффект от реализации проекта, руб./год.

Более качественная оценка эффективности учитывает такие пункты, как банковская кредитная ставка и инфляция. Инвестиционный анализ позволяет сравнивать эффективность различных энергосберегающих проектов, оценивать, насколько эффективным окажется вложение денежных средств в реализацию энергосберегающего проекта по сравнению с использованием их в банковском бизнесе и других финансовых проектах, в которых можно получить заранее обусловленный процент прибыли.

Для этого сравнивают доходы, которые получаются в результате проведения энергосберегающего мероприятия и затраты, необходимые для его реализации. Разность между вложениями и суммой дисконтированных денежных потоков, получаемых за счет проекта, называется чистой приведенной стоимостью проекта - NPV (от англ. Net present value).

Очевидно, что если эта разность оказывается положительной, то проект окупается и есть смысл его реализовывать. В противном случае, проект не будет доходным, следовательно, вкладываться в его осуществление нет смысла.

NPV определяется по следующей формуле:

 (5.2)

Где  - инвестиционные платежи в течение t лет;

 - дисконт;

 - первоначальные инвестиции.

Результатом регулировки является снижение расхода теплоносителя на , т/ч:

 (5.3)

Где  - существующий расход теплоносителя, т/ч;

- расход теплоносителя после проведения регулировки, т/ч;

Общую сумму сэкономленных средств можно найти по формуле:

 (5.4)

Где  - экономия за счет снижения расходов тепловой энергии, руб.;

 - экономия за счет снижения утечек теплоносителя, руб.;

 - экономия за счет снижения расходов тепловой энергии, вызванных утечками теплоносителя, руб.;

 - экономия за счет снижения расходов электроэнергии, руб.;

 (5.5)

где - период времени, ч;

 -средний температурный график, ^оС;

 - тариф на тепловую энергию, руб./Гкал;

(5.6)

Где  - утечки теплоносителя, м³/Гкал;

 - тариф на водоснабжение, руб./м³;

 (5.7)

Где  - средняя величина нагрева воды, ^оС.

(5.8)

Где  - перепад давления на котельной, Па;

 - тариф на электроэнергию, руб./кВт*ч;

 - КПД сетевых насосов.

Тогда выражение (5.4) обретает вид:

 (5.9)

Где  - экономия за счет снижения расходов тепловой энергии, руб.;

 - экономия за счет снижения утечек теплоносителя, руб.;

 - экономия за счет снижения расходов тепловой энергии, вызванных утечками теплоносителя, руб.;

 - экономия за счет снижения расходов электроэнергии, руб.;

Капитальные затраты на первые два этапа регулировки рассчитываются по прейскуранту и зависят от количества потребителей в тепловой сети, а затраты на заключительный этап регулировки рассчитываются по сметной документации в зависимости от выбора оборудования.

.1.2 Пример расчета регулировки теплосети

. Исходные данные.

Мощность газовой котельной - 3,44 Гкал/ч;

Присоединительная нагрузка - 3,02 Гкал/ч;

Количество абонентов - 39;

Температурный график - 95-70^оС;

Перепад давления на выходе - 9,2*10⁵ Па;

КПД сетевых насосов - 0,7;

Существующий расход теплоносителя - 165,23 т/ч;

Утечки теплоносителя - 0,15 т/Гкал;

Время работы системы теплоснабжения - 5904 ч.

. Результаты регулировки.

Предполагается, что в результате регулировки удалось установить снижение расхода теплоносителя на:

Рассчитываем составляющие годового экономического эффекта:

Тогда общая экономия будет равна:

. Укрупненный расчет

Капитальные затраты включают в себя проектные расходы К₁, затраты на материалы К₂ и производственные затраты К₃.

Приняты следующие нормы:

К₁ = 1000 руб./проект;

К₂ = 100 руб./проект;

К₃ = 1500 руб./проект.

Для рассматриваемого случая с N = 39 (количество потребителей тепловой энергии) соответствующие затраты составят:

К₁ = 39000 руб.;

К₂ = 3900 руб.;

К₃ = 58500 руб.;

К = К₁+ К₂+ К₃=101400 руб.

Срок окупаемости:

Т_ок = 101400/207910 = 0,5 лет.

.2 Расчет NPV регулировки тепловых сетей

Расчет срока окупаемости регулировки по укрупненным показателям дает, как правило, заниженное значение срока окупаемости, так как не учитывает сроков реализации проекта, инфляции, неравномерности теплопотребления и т.д.

Проведем этот расчет с использованием NРV при следующих исходных данных:

срок реализации первого этапа регулировки - 3 месяца;

срок реализации второго этапа регулировки - 1 месяц;

срок реализации третьего этапа регулировки - 2 месяца;

оплата каждого этапа осуществляется в начале его реализации;

норму дисконтирования примем равной инфляции (1%);

предполагаем, что проект завершен к 1 октября (началу отопительного сезона);

не учитываем возможное изменение тарифов в период срока окупаемости проекта.

С учетом этих допущений срок окупаемости проекта по нашему примеру составляет 1 год.

В таблице 5.1 приведен расчет срока окупаемости проекта по укрупненным показателям.

Таблица 5.1

Расчет NPV регулировки тепловых сетей

.3 Расчет NPV замены отводящих трубопроводов

На настоящий момент регулировка гидравлического режима тепловой сети - это один из самых малозатратных и быстро окупаемых энергосберегающих мероприятий. Многолетняя практика проведения регулировки убеждает нас в этом и доказывает ее энергетическую и экономическую эффективность. Но вместе с этим, в результате многочисленных проведений этого ЭРСМ выявились некоторые недостатки регулировки, которые снижают ее эффективность. Мониторинг результатов проведения регулировки в тепловых сетях по Вологодской области показал противоречивые результаты. В большинстве случаев регулировка гидравлического режима не принесла должного экономического эффекта, а в некоторых случаях и вовсе привела к понижению качества теплоснабжения потребителей.

Это можно объяснить следующими причинами:

нет проверенной информации об отклонениях проекта системы теплоснабжения;

существует некоторая вероятность, что жильцы демонтировали сужающие устройства на своих объектах;

неизвестна величина шероховатости трубопроводов, а значит и их реальное гидравлическое сопротивление;

зачастую регулировке подвергаются не все объекты тепловой сети, а порядок их выбора - случайный.

Поэтому предлагается другой способ оптимизации работы тепловой сети, который позволяет устранить некоторые из перечисленных недостатков и снизить затраты на проведение монтажных работ.

Заменять магистральные участки с завышенными диаметрами нецелесообразно, так как в их потенциал заложена в том числе и возможность расширения тепловой сети, подключения новых потребителей. А что касается отводящих участков тепловой сети, то здесь такая замена абсолютно уместна, потому что завышение диаметра на участке потребителя является причиной неоправданных потерь тепловой энергии.

К установке принимаются трубопроводы с наиболее близким по значению большим внутренним диаметром. Также возможна установка подающего и обратного трубопроводов разного диаметра, но средний диаметр на отводящих участках должен быть больше минимально допустимого.

Так как расчет срока окупаемости происходит по укрупненным показателям, как правило, его результат дает заниженную величину срока окупаемости, т.е. наиболее оптимистичный вариант. При таком расчете не учитываются такие показатели, как срок реализации проекта, инфляция, неравномерность теплопотребления и т.п. Поэтому проводим расчет, так же, как и в предыдущем пункте, в NPV.

В таблице 5.2 приведен расчет NPV замены участка №2, потому что этот проект имеет наименьший срок окупаемости.

Нужно отметить, что заменять все участки нецелесообразно, но при проведении плановых или аварийных ремонтных работ следует заменять трубопроводы на рекомендуемые.

Таблица 5.2

Расчет NPV замены трубопровода на участке №2

Продолжение таблицы 5.2