Теплоснабжение и тепловые сети

Перечень материалов

1.Теоретический раздел:

–методические материалы;

2.Практический раздел:

–перечень тем практических занятий;

–задачи по темам для проведения практических занятий;

3.Контроль знаний:

–перечень экзаменационных вопросов по дисциплине;

4.Вспомогательный раздел:

–учебная программа дисциплины.

Пояснительная записка

Целью создания ЭУМК является повышение качества образования путем систематизации теоретических знаний и практических умений за счет научнометодического обеспечения, основанного на результатах фундаментальных и прикладных научных исследований; обеспечение студента полным комплектом учебных и учебно-методических материалов, позволяющим в бóльшей степени самостоятельно овладевать знаниями (особенно это важно для студентов-заочников).

Особенности структурирования и подачи учебного материала

Настоящий учебно-методический комплекс (УМК) по дисциплине «Теплоснабжение и тепловые сети» разработан в соответствии со статьей 94 Кодекса Республики Беларусь об образовании и определяет структуру учебно-методического комплекса, порядок его создания на уровне высшего образования в учреждениях высшего образования.

ЭУМК по дисциплине «Теплоснабжение и тепловые сети» выполнен в соответствии с требованиями межгосударственного стандарта ГОСТ 7.83-2001 «Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Электронные издания. Основные виды и выходные сведения», введенного в действие на территории Республики Беларусь постановлением Комитета по стандартизации, метрологии и сертификации при Совете Министров Республики Беларусь от 22 августа 2002 г. N

37.

В ЭУМК объединяются структурные элементы научно-методического обеспечения образования. Научно-методическое обеспечение образования осуществляется в целях обеспечения получения образования, повышения его качества и основывается на результатах фундаментальных и прикладных научных исследований в сфере образования.

2

ЭУМК предназначен для реализации требований образовательных программ и образовательных стандартов высшего образования и создается по учебной дисциплине.

Структурными элементами научно-методического обеспечения, которые могут объединяться в ЭУМК, являются:

типовой учебный план по специальности;

типовая учебная программа по учебной дисциплине;

программно-планирующая документация воспитания;

учебно-методическая документация;

учебные издания.

УМК включает разделы: теоретический, практический, контроля знаний и вспомогательный:

1.Теоретический раздел УМК содержит материалы для теоретического изучения учебной дисциплины в объеме, установленном типовым учебным планом по специальности.

2.Практический раздел УМК содержит материалы для проведения практических занятий и организовывается в соответствии с типовым учебным планом по специальности.

3.Раздел контроля знаний УМК содержит материалы текущей и итоговой аттестации, иные материалы, позволяющие определить соответствие результатов учебной деятельности обучающихся требованиям образовательных стандартов высшего образования и учебно-программной документации образовательных программ высшего образования.

4.Вспомогательный раздел УМК содержит элементы учебно-программной документации, перечень учебных изданий и информационно-аналитических материалов, рекомендуемых для изучения учебной дисциплины.

Рекомендации по организации работы с ЭУМК

Материалы данного учебно-методического комплекса можно использовать при изучении существующих систем теплоснабжения, оборудования и конструкций тепловых сетей, а также при выполнении курсовых и дипломных проектов, посвященных проектированию и эксплуатации систем теплоснабжения и тепловым сетям.

Полученные знания при изучении данного ЭУМК предназначены для формирования научного мышления и профессиональной ответственности инженера энергетического профиля, которые должны явиться основой приобретения умения и навыков для решения технических задач при эксплуатации и проектирования систем теплоснабжения.

3

СОДЕРЖАНИЕ

4

5

ВВЕДЕНИЕ

Внастоящее время централизованное теплоснабжение развивается на базе ТЭЦ

ипроизводственных, районных или квартальных котельных. Основные преимуще-

ства централизованного теплоснабжения (экономное сжигание топлива и меньшая степень загрязнения окружающей среды) способствует его развитию.

В последних постановлениях правительства РБ подчёркивается, что осуществ-

ление мероприятий по совершенствованию структуры топливно-энергетического баланса и более рациональному использованию топлива и энергии даст значитель-

ную экономию всех энергоресурсов. В этом играет значительную роль централизо-

ванное теплоснабжение.

С каждым годом к этому виду теплоснабжения предъявляются всё более высо-

кие требования. Система должна быть надёжной, экономичной, индустриальной и гибкой в эксплуатации. Таким требованиям должны удовлетворять все элементы централизованного теплоснабжения – источник теплоты, тепловые сети и потреби-

тель.

Для повышения надёжности тепловых сетей необходимы внедрение более со-

вершенных схем, разработка нового оборудования и конструкций тепловых сетей и т.д. Наряду с надёжностью тепловые сети должны удовлетворять требованиям эко-

номичности, одним из возможных вариантов увеличения которой является повыше-

ние параметров теплоносителя в тепловых сетях до 200°. Совершенствуются также способы прокладки тепловых сетей. Всё большее распространение получает беска-

нальная прокладка трубопроводов с предизолированными трубами. Применение для тепловых сетей неметаллических труб и более совершенных схем позволит увели-

чить удельный вес централизованного теплоснабжения в сельской местности.

Важную роль при выполнении требований надёжности и экономичности играет качество проекта. Правильное проектирование тепловых сетей способствует эконо-

мичному расходованию материальных и топливных ресурсов, обеспечению беспе-

ребойности теплоснабжения.

7

Глава 1

ТЕПЛОФИКАЦИЯ

1.1. Принципы и эффективность комбинированного

производства электрической и тепловой энергии

В простейшем случае тепловая и электрическая энергия вырабатываются раздельно – соответственно в котельной и на так называемой конденсационной электростанции (паротурбинной, газотурбинной, парогазотурбинной), использующих для этого какое-либо органическое топливо (твердое, жидкое, газообразное). При этом котельная располагается в зоне теплопотребления, а электростанция – на значительном удалении от потребителя энергии по условиям ее топливоснабжения, наличия необходимого источника технического водоснабжения, а также вредного воздействия на окружающую природную среду (воздух, вода, почва).

При раздельном производстве энергоносителей тепловая энергия обычно вырабатывается с коэффициентом полезного использования энергии сжигаемого топлива (или к.п.д. установки), равным порядка 90%, а электроэнергия, даже на современных паротурбинных электростанциях, – с к.п.д. около 43%.

Причем последний показатель может быть достигнут в термодинамическом цикле с закритическими начальными параметрами пара (давление 24 МПа, температура 560 С), однократным промежуточным перегревом пара, развитым регенеративным подогревом питательной воды, весьма низкими конечными параметрами отработавшего пара (0,03 бар – температура насыщения 24 С), если при этом в качестве топлива используется природный газ.

На конденсационной электростанции основная доля потерь энергии сжигаемого топлива приходится на холодный источник – конденсатор турбины, где отработавший пар при конденсации (изменение агрегатного состояния) отдает охлаждающей воде до 50% подведенной к рабочему телу в котле теплоты.

Термодинамическая эффективность конденсационного цикла характеризуется термическим к.п.д. t, который в простейшем виде представляет отношение полученной полезной энергии (электрической) qо к затраченной энергии (теплоты топлива) q1 в горячем источнике (котле):

где q2 – теплота отводится от рабочего тела в холодном источнике.

8

Как видно из (1.1), чем больше q1 и меньше q2, тем больше полезна работа и, соответственно, термический к.п.д. А это зависит от начальных и конечных параметров цикла, наличия промежуточного подвода теплоты в цикл и регенеративного подогрева рабочего тела. Начальные параметры (давление, температура) рабочего тела должны быть как можно выше, а конечные - ниже.

На рис. 1.1 конденсационный цикл представлен в Т–S диаграмме, где площади цикла показывают подведенную q1, полезно использованную (полученная работа) qо и отведенную q2 теплоту на единицу рабочего тела.

Ввиду низких конечных параметров пара в конденсационном цикле и соответственно температурного потенциала охлаждающей воды (24– 30 С) использовать его далее, кроме как в сельхозтеплицах, не представляется возможным.

например, для целей отопления зданий и горячего водоснабжения потребителей требуется теплоноситель с температурой не менее 60 С, что соответствует давлению насыщенного пара 0,2 бар. В среднем за отопительный период эта температура находится на уровне 90 С (давление пара 0,7 бар), а максимальное ее значение

по температурному графику системы водяного теплоснабжения доходит до 150 С (давление пара 5 бар). Для технологических потребителей промпредприятий требуется пар давлением 5–15 бар и более.

Чтобы обеспечить указанные параметры теплоносителя системы теплоснабжения конденсационный паротурбинный цикл должен быть урезан ( рис. 1.1), в результате чего 1 кг подведенного к турбине рабочего тела будет производить меньшую работу, но без потерь теплоты отработавшего пара в холодном источнике. В Т– S диаграмме на рис. 1.1 площадь 1 – 2 – 3 – 4 – 5 – 1 полезная работа qо в теплофикационном цикле, а площадь 1 – 5 – 6 –7 – 1 – полезно используемая теплота q2 отработавшего пара.

Отсюда следуют два существенных вывода относительно совместной выработки в одном термодинамическом цикле электрической и тепловой энергии – называемом теплофикационным:

–для сохранения в теплофикационном цикле той же выработки электроэнергии, что и в конденсационном, на турбоустановку необходимо подавать больше рабочего тепла (пара) что увеличивает ее тепловую мощность и, соответственно, теплопроизводительность котлов;

–для сохранения в энергосистеме той же выработки электроэнергии, что и конденсационном цикле, ее недовыработка в теплофикационном цикле должна быть компенсирована выработкой их замещающей КЭС энергосистемы.

В обоих случаях появляются дополнительные капитальные затраты в источники энергии, по учитывая значительное уменьшение при этом расхода топлива на производство одинакового количества электрической и тепловой энергии, в целом ком-

9

бинированное производство оказывается термодинамически и экономически более выгодным, чем раздельное.

Термодинамическое преимущество комбинированного производства электрической и тепловой энергии наглядно иллюстрирует представленный на рис. 1.2 – 1.4 баланс энергетических потоков использования теплоты топлива на трех тепловых электростанциях (ТЭС): КЭС, ТЭЦ с турбиной типа Р (с противодавлением), ТЭЦ с турбиной типа Т (с теплофикационной и конденсационной частью).

Полученная электрическая и тепловая энергия, а также потери энергии в технологическом цикле представлены в единицах (%) по отношению к 100 единицам энергии, содержащимся в топливе.

Коэффициент полезного использования энергии топлива, определяется отношением

или

где Э и Qисп – произведенная электрическая и тепловая энергия ( в одинаковых единицах измерения); Qтопл – теплота, выделенная сжигаемым топливом, для ТЭЦ с турбиной типа Р в данном примере составляет 90%.

Реально при строго фиксированном для такой ТЭЦ соотношении количества вырабатываемой электрической энергии и теплоты он может быть в пределах 84–

87%.

Для ТЭЦ с турбиной типа Т, которая может работать в различных режимах производства электрической и тепловой энергии в зависимости от их потребления, годовой коэффициент Ктопл обычно составляет 70 – 75%. То есть ТЭЦ приблизительно удваивает полезное использование содержащейся в топливе энергии.

Применительно к схемам энергоснабжения(раздельная или комбинированная) экономия топлива в энергосистеме при комбинированной выработке электрической и тепловой энергии может быть найдена исходя из следующих условий.

Обе схемы энергоснабжения должны быть уравнены по выработке электрической и тепловой энергии. Это значит, что в раздельной схеме дополнительно к 100 единицам расхода топлива на производство 43 единицы электрической энергии необходимо добавить 56/0.9 62 единицы топлива на производство 56 единиц теплоты в котельной, имеющей к.п.д. 90% (ниже чем у котлов ТЭЦ), а в комбинированной схеме дополнительно к 100 единицам расхода топлива на производство 34 единиц электрической энергии и 56 единиц тепловой энергии надо добавить 9/0,43 = 21

10