Расчет тепловых потерь здания главного корпуса электростанции

Анализ тепловых потерь проведем на примере Главного корпуса Усть-Илимской ТЭЦ. Здание имеет типовую компоновку, принятую для строительства электростанций с энергоблоками мощностью 100−300 МВт после 1940;х гг Проект выполнен Ленинградским отделением «ВНИПИэнергопром» в начале 70-х гг. прошлого века. Здание можно условно подразделить на машинный зал, деаэраторное, бункерное, котельное и дымососное отделения. Ниже деаэраторного и бункерного отделения (на строительной отметке 12 м) находятся щиты управления с тепловыделяющими сборками КИПиА. Под помещениями щитов управления находятся распределительное устройство собственных нужд (РУСН) и кабельные отсеки, снабженные собственной принудительной приточно-вытяжной вентиляцией. Главный корпус имеет длину 312 м и общую площадь 37 440 м². Отличительной чертой здания, с точки зрения конструкций ограждения, является наличие временного торца — некапитальной наружной стены из утепленных панелей. Наличие временного торца было обусловлено перспективой расширения Главного корпуса (строительством второй очереди).

Детальный расчет тепловых потерь больших производственных зданий — процедура достаточно сложная и трудоемкая и предусматривает как аналитические, так и опытные методы. По мнению автора статьи, для предварительного анализа достаточно использовать упрощенный подход, предназначенный для определения необходимой мощности системы отопления здания [1]. Согласно этому методу, тепловые потери теплопередачей через наружные ограждения Qт могут быть определены по формуле:

где ki — коэффициент теплопередачи наружных ограждений, Вт/(м2.К); Fi — площадь наружных ограждений, м2; tвнсредняя температура внутри здания, ОС; tн — расчетная температура наружного воздуха, ОС.

Согласно СНиП II-58−75 [2], минимальная температура, которую необходимо поддерживать системе отопления в главном корпусе станции, должна быть равна 10 ОС. В котельном отделении температура в холодный период года должна находиться в промежутке от 10 до 22 ОС; в турбинном отделении от 16 до 22 ОС. Примем tвн=16 ОС.

Согласно нормативным требованиям расчетную температуру наружного воздуха следует принимать в зависимости от теплоустойчивости и тепловой инерции ограждения. Для ориентировочного расчета можно принять температуру наиболее холодной пятидневки в данном регионе — tн= -46 ОС.

Коэффициент теплопередачи наружных ограждений является обратной величиной сопротивления теплопередачи наружных ограждений Ri:

ki=1/Ri.(3).

Сопротивление теплопередачи наружных ограждений Ri следует определять следующим образом [3]:

Ri=Rв+R1+R2+¦¦¦+Rn+Rвн+Rн,(4).

где Rв — сопротивление теплообмену у внутренней поверхности ограждения, (м2.К)/Вт; Rн — сопротивление теплообмену у наружной поверхности ограждения, (м2.К)/Вт; R1, R2… Rnсопротивление теплопроводности отдельных слоев ограждения, (м2.К)/Вт; RgH — сопротивление теплообмену внутренней воздушной прослойки.

Значения RE и Rн приводятся в справочной литературе в зависимости от типа ограждений [3]. Имеем сопротивление теплопередачи у внутренней поверхности стен, полов, потолка — 0,115 (м2. К)/Вт; сопротивление теплопередачи у внутренней поверхности заполнений световых проемов — 0,096 (м2.К)/Вт; сопротивление теплопередачи у наружной поверхности стен, покрытий, проемов — 0,043 (м2.К)/Вт.

Сопротивление теплопроводности отдельных слоев ограждения (R1, R2… Rn), в свою очередь, следует определять по формуле:

R=д/л,(5).

где д — толщина слоя поверхности ограждения, м; л — теплопроводность материала слоя поверхности ограждения, Вт/(м.К).

Величины теплопроводности для различных типов материалов приводятся в справочниках, например в [3, 4].

Зная исходные данные по ограждающим конструкциям Главного корпуса Усть-Илимской ТЭЦ (см. таблицу), сведем их в формулу (2) и получим тепловые потери теплопередачей через наружные ограждения Главного корпуса в размере примерно 14 290 кВт или 14,29 МВт, что само по себе представляется весьма внушительной величиной.

Важно отметить, что минимальное сопротивление ограждающих конструкций (Ri) регламентируется СНиП 23−02−2003 [5], требования которого распространяются, в том числе и на производственные здания. Нормируемое минимальное сопротивление теплопередачи по СНиП 23−02−2003 (Rreq, (м2.К)/Вт) определяется по табличным данным источника [5] в зависимости от количества градусо-суток района строительства Dd. Количество градусо-суток отопительного периода Dd (ОС.сут.) можно определить по формуле:

где zt — продолжительность отопительного периода, сут.; для Усть-Илимского района zt~240 сут., что эквивалентно 8-месячному отопительному сезону.

Для Dd по (6) получим значение 14 880 ОС.сут., что соответствует требуемому сопротивлению теплопередачи стен Rreq>3,4 (м2.К)/Вт, перекрытий Rreq>4,5 (м2.К)/Вт и окон (остекления) Rreq>0,5 (м2.К)/Вт. Очевидно, что существующие ограждения Главного корпуса не отвечают настоящим требованиям. С другой стороны, согласно этому же СНиПу, для производственных зданий с избытками явной теплоты более 23 Вт/м3 минимальное сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций (за исключением светопрозрачных) Rreq ((м2.К)/Вт) определяется по формуле, которая дает более низкие значения:

где n — коэффициент, учитывающий зависимость положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху, значения которого приведены в [5]; Atn — нормируемый температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции, ОС, принимаемый также в соответствии с табличными данными [5]; aint — коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций, Вт/(м2.К), принимаемый по данным [5].

На основании табличных данных [5] получаем Atn=12 ОС, aint=8,7 Вт/(м2.К) и затем по формуле (7) определяем Rreq, равное 0,594 (м2.К)/Вт, что позволяет сделать вывод о достаточном сопротивлении теплопередачи стен и перекрытий Главного корпуса.

Остается вопрос: подходит ли здание Главного корпуса под определение здания с избытками явной теплоты более 23 Вт/м3? Ведь интенсивность тепловыделений зависит от степени загрузки основного оборудования и от режимов его работы.

Расчет тепловых потерь останется не полным, если не добавить к тепловым потерям теплопередачей через наружные ограждения тепловые потери на нагрев инфильтрующегося холодного воздуха QE.

Значительное количество холодного воздуха поступает в Главный корпус путем естественной вентиляции здания, что соответствует требованиям СНиП [2]. В здании присутствует проектная естественная вентиляция через металлический щелевой фонарь, расположенный на крыше котельного отделения и через вытяжные зонты, расположенные на крыше машинного зала. Количество наружного воздуха, подаваемого в машинное отделение, должно быть не менее 0,4-кратного воздухообмена помещения в час; в котельном отделении — в количестве 0,7-кратного воздухообмена помещения в час [2]. При этом в Главном корпусе все же предполагается избыток тепловыделения, что подтверждается опытом. Существует практика активной дополнительной вентиляции отделений путем открытия ворот с противоположных торцов здания (сквозняки), открытие фрамуг оконного остекления. Все это предполагает значительные тепловые потери с инфильтрацией холодного воздуха. Методика расчета тепловых потерь с инфильтрацией изложена в [3, 4, 6]. В ней учитываются потери тепла через щели в окнах, ограждающих конструкциях, фонарях, воротах и дверных проемах. Для их определения в больших помещениях необходима весьма кропотливая работа. Стоит учесть, что воздухопроницаемость ограждений нормируется СНиП [5]. Опытные методы определения воздухопроницаемости изложены в ГОСТ [7].

По мнению автора статьи, для ориентировочной оценки можно определить тепловую мощность, необходимую для нагрева инфильтрующегося воздуха по нормативным требованиям для воздухообмена. То есть по формуле:

где cv — теплоемкость воздуха, равная 1005 Дж/(кгК); Gim, Gik — расходы холодного воздуха в машинный зал и в котельное отделение соответственно, для обеспечения нормативного значения воздухообмена, кг/с.

Имеем:

Gm=Vimp.0,4/3600, Gik=Vikp.0,7/3600,(9).

где с — ориентировочная плотность воздуха, кг/м3, которую проще всего определить по приближенной формуле, предложенной в [8]: p~353/(273+tM)=1,55 кг/м3; Vim, Vik — объем машинного зала и котельного отделения, соответственно, Vim=470 100 м3, Vik=870 900 м3. Здесь для упрощения весь объем Главного корпуса условно разделен на две половины; т. е. к объему машинного зала прибавлен объем деаэраторного отделения, к объему дымососного отделения прибавлены объемы бункерного и дымососного отделений.

Определим необходимые расходы: Gim=81,219 кг/с, Gik=263,32 кг/с и по (8) получим величину потерь на нагрев холодного воздуха Qe=21,5 МВт.

Следовательно, суммарные тепловые потери, включая потери с инфильтрацией холодного воздуха, можно оценить по формуле:

QРOT=QT+QB=(1+м)QT,(10).

где м=QB/QT — коэффициент инфильтрации, представляющий собой отношение тепловых потерь инфильтрацией холодного воздуха к тепловым потерям теплопередачей через ограждающие конструкции.

Используя вычисленные ранее значения Qв и QT, получим м=1,505 и суммарные тепловые потери в размере QРOT=35,79 МВт.

Сравним полученное значение с установленной тепловой мощностью ТЭЦ — 1070 Гкал/ч или 1244,4 МВт и получим около 3% установленной мощности! Такого количества вполне бы хватило для энергоснабжения и отопления целого поселка.

Определенный интерес вызывает определение удельной тепловой характеристики здания, позволяющей ориентировочно определить тепловые потери данного типа зданий. Удельные тепловые характеристики для большинства типов жилых и общественных зданий приводятся в справочниках (например, в [9, 10]), в то время как для производственных сооружений эти сведения, как правило, отсутствуют. Любопытен относительно новый документ — «АВОК-8−2007. Руководство по расчету теплопотребления эксплуатируемых жилых зданий» [11], где для ориентировочного расчета теплопотребления зданий также рекомендуется использовать удельные тепловые характеристики.

Выведем удельную тепловую характеристику типового здания Главного корпуса ТЭЦ с установленной тепловой мощностью 1244,4 МВт (1070 Гкал/ч) — q-гэц, Вт/(м3.К):

Здесь VH=Vim+Vik=1,341.106 (м3) — объем главного корпуса ТЭЦ, a — коэффициент учета района строительства здания, который можно определить по формуле [4, 6]: а=0,54+22/(tвн-tн)=0,895.

Окончательно получим удельную тепловую характеристику типового здания ТЭЦ qТЭЦ=0,538 Вт/(м3.К), которая существенно выше удельных тепловых характеристик большинства жилых и общественных зданий (от 0,2 до 0,4 Вт/(м3.К)).

Расчет тепловых выделений основного оборудования главного корпуса электростанции К основному тепловыделяющему оборудованию главного корпуса ТЭЦ можно причислить:

¦в машинном зале — турбоагрегаты, теплообменники, бойлеры;

¦в деаэраторном отделении — деаэраторы с баками питательной воды, переключательная магистраль главного паропровода;

¦в бункерном отделении — бункеры горячей угольной пыли, оборудование пылеприготовления;

¦в котельном отделении — паровые котлы;

¦в дымососном отделении — золоуловители, газоходы.

По данным источника [12], основное тепловыделение в условном отсеке, объединяющем бункерное, котельное и дымососное отделения, идет от трубопроводов в пределах котла, газои воздухопроводов и от вспомогательного оборудования. Существенная циркуляция воздуха при нормальном состоянии ограждения котлов обеспечивается дутьевыми вентиляторами. При этом 67,3% тепловыделения ограждения котла, коробов горячего воздуха и трубопроводов в пределах котла утилизируется самим котлом.

Большинство специалистов сходится во мнении, ч то относительная потеря тепла от наружного охлаждения обмуровки котельного агрегата мала и для мощного парогенератора не превышает 0,4−0,5% расхода топлива. Эта относительно небольшая величина в общем тепловом балансе приобретает совершенно другой масштаб при переводе ее в абсолютные значения, составляя около 5 кВт на 1 МВт установленной мощности [13].

По действующим правилам технической эксплуатации тепловых электростанций (ПТЭ) [15] при температуре окружающего воздуха в котельном помещении 25 ОС потери теплоты через обмуровку не должны превосходить 300 ккал/(ч.м2) или 348,9 Вт/м2, а наружная температура 45 ОС. В большинстве источников (см. например [14]) при анализе тепловых потерь оценивают потери теплоты от наружного охлаждения через обмуровку в % по графикам в зависимости от производительности и мощности. Например, для котельного агрегата БКЗ-420−140-ПТ2 производительностью 420 т/ч (116,67 кг/с) имеем приблизительно потерю теплоты через обмуровку q5=0,45%. Группа учета в составе персонала станции, как правило, отслеживает показатели тепловых потерь через обмуровку (как и многие другие).

Следовательно, тепловые выделения через обмуровку котельного агрегата без промежуточного перегрева (без учета потерь с продувочной водой) можно оценить по следующей формуле:

Q5к=(Dк (iпп-iпв)/збрутто)(q5/100%), кВт (12).

где D,< - производительность котла (расход пара), кг/с; Язр — энтальпия пара на выходе из котла, кДж/кг; im — энтальпия питательной воды, кДж/кг; збрУтто — КПД котла брутто.

КПД котельных агрегатов входит в состав основных экономических показателей, поэтому регулярно отслеживается инженерным персоналом станции (группой учета).

Например, для котельного агрегата БКЗ-420- 140-ПТ2 имеем: im=3485,8 кДж/кг, i^=1087,4 кДж/кг, збрутто=0,86. Тогда Q5l<=1464 кВт. При этом можно предположить, что до 67,3% тепла может утилизироваться самим котлом (приходится на всас дутьевого вентилятора) [12], поэтому суммарное тепловыделение в помещение Главного корпуса Усть-Илимской ТЭЦ от ограждения одного котла: QK=Q5K (1−0,673)=478,8 кВт.

Тепловыделения других крупных единиц основного оборудования и трубопроводов также может быть определено по известным методикам [6, 8−10]. Однако, интерес вызывает возможность оценить усредненную мощность тепловыделений Qtr (МВт), используя основные технико-экономические показатели станции, которые, как уже упоминалось выше, постоянно отслеживаются инженерным персоналом. Для этого можно предложить следующую несложную зависимость:

где Nc — средняя фактическая мощность на выработке электроэнергии, полученная за определенный отчетный период (1 полугодие), МВт; Qc — средняя фактическая тепловая мощность, полученная за определенный отчетный период, МВт; з^ - КПД ТЭЦ по производству электрической энергии (обычно от 0,4 до 0,5); з^ - КПД ТЭЦ по производству тепловой энергии (обычно для ТЭЦ с твердым топливом 0,82−0,88); з№ - КПД транспортировки теплоты, который учитывает потери теплоты в окружающую среду паропроводом, питательным трубопроводом и потери теплоты с утечками рабочего тела и с продувкой (0,97−0,99).

КПД ТЭЦ по производству электрической и тепловой энергии определяются по расходу условного топлива на выработку электроэнергии и теплоты:

где bNy, bQy — расход условного топлива на выработку электроэнергии и теплоты соответственно, кг/(кВт.ч).

Усть-Илимская ТЭЦ имеет установленную электрическую мощность Nmax=525 МВт и тепловую мощность Qmax=1070 Гкал/ч (1244,4 МВт). Если при этом предположить, что средние показатели КПД равны: з№=0,45, з^=0,85, з^=0,98, то получим максимальное значение тепловыделения Qmax=52,61 МВт. При номинальной загрузке всех 7-ми котлов дополнительно: Q^=7Q^3352 кВт=3,352 МВт.

Следовательно, тепловыделение основного оборудования ТЭЦ при максимальной загрузке ориентировочно равно Qmax=Qiriax+m.Qmax=55,962 МВт. Здесь m — число котлов в работе, m=7.

Попробуем ответить на вопрос: подходит ли здание Главного корпуса Усть-Илимской ТЭЦ под определение здания с избытками явной теплоты более 23 Вт/м3?

Имеем отношение максимального тепловыделения оборудования к объему здания: QoTax/Vн=41,73 Вт/м3, что соответственно больше 23 Вт/м3. Неравенство останется справедливым при степени загрузки основного оборудования в %: (23VH/Qmфax)100%=55,1%.

То есть здание Главного корпуса Усть-Илимской ТЭЦ подходит под определение здания с избытками явной теплоты более 23 Вт/м3 при загрузке основного оборудования более чем на 55,1%. Опыт показывает, что при такой нагрузке станция работает не часто. Обычным является средний показатель загрузки от 20 до 40% (за полугодие). Следовательно, формальных причин отказаться от утепления наружных заграждений — нет.