Оптимизация конструкции и режимов работы газовоздушных теплогенераторов и жаротрубно-дымогарных водогрейных котлов

Основным показателем энергоёмкости промышленности является доля энергетической составляющей в себестоимости продукции. Если для промышленности СССР этот показатель находился в пределах до 9%, (для развитых стран он составлял в то же время не более 3%), то при отпуске цен на энергоносители данный показатель поднялся до катастрофического уровня, составляющего 60−70%.

Современное состояние энергопотребления определяется не только техническим и технологическим наследием бывшего СССР. Согласно имеющимся данным [1] в период с 1990 по 1995 год энергоемкость производства в России увеличилась не менее чем на 35%. Недогрузка промышленного оборудования сочетается с ростом потерь в сетях централизованного теплоснабжения. В итоге российские производители тратят на единицу продукции ориентировочно в три-четыре раза больше энергии (на долю промышленного производства от всех потребляемых энергоресурсов приходится в стране до 55%), оплачивая последнюю в сопоставимых с Западной Европой ценах и находясь, по сути, в едином с ней экономическом пространстве.

При подобном положении проблема стабилизации промышленного производства решена быть не может. Услуги производящих тепловую энергию предприятий и посредников оцениваются дорого, и вопрос об альтернативных источниках теплоты становится вопросом выживания предприятия в рыночных условиях.

Если сегодня практически неизбежно использование централизованно производимой электроэнергии (следует отметить, что одним из приоритетных направлений развития газовой отрасли [2] является создание собственных специализированных электростанций), то задача снабжения предприятий тепловой энергией, затрачиваемой в значительной мере на отопление производственных помещений и бытовые нужды, не имеет однозначного решения.

Необходимость снижения энергопотребления промышленными предприятиями определяет особую роль газовой отрасли. Среди стоящих перед ней задач важное место занимает повышение эффективности внутреннего рынка путём формирования новой хозяйственной деятельности, заключающейся в прямом участии в газоснабжении и теплоснабжении конечных потребителей.

Поставщик природного газа, осуществляющий его добычу, транспортирование и непосредственно газоснабжение промышленных и сельскохозяйственных производств, не может стоять в стороне от проблем энергопотребления и энергосбережения. Настоящая работа способствует решению этой проблемы за счёт обеспечения потребителей не только газом, но также и теплотой.

Опыт наиболее развитых стран мира показывает, что производство энергоресурсов на душу населения и их рациональное потребление являются основой высокого уровня жизни и эффективной экономики. В начале третьего тысячелетия экономия всех видов энергии, ее эффективное использование, внедрение энергои ресурсосберегающих технологий становятся приоритетными направлениями развития промышленности и сельского хозяйства. Энергосбережение как способ обеспечения растущей потребности в энергии и энергоносителях, по разным оценкам в 2−5 раз выгоднее, чем строительство новых мощностей для тех же целей. Энергосбережение возведено в ранг государственной политики, и только при таком подходе за счет активного энергои ресурсосбережения можно решить стоящие перед Россией экономические, экологические, научно-технические и социальные проблемы.

Основой развития НИОКР в области энергосберегающих технологий является законодательная база. Нормативно-правовая база в Свердловской области по вопросам энергосбережения формируется в соответствии с Федеральным законом «Об энергосбережении» и Соглашением между министерством энергетики РФ и Свердловской областью о сотрудничестве в этой сфере.

Участие ОАО «ГАЗПРОМ» осуществляется на основе системного подхода, предполагающего разумное сочетание научных, проектных, производственных, организационных и финансовых мероприятий. Для обеспечения эффективного использования ресурсов ОАО «ГАЗПРОМ» реализует следующие принципы:

— создание благоприятных условий для выполнения программ энергосбережения и повышения эффективности использования газа;

— организация производства и внедрение эффективного газоисполь-зующего оборудования, в том числе для децентрализованного теплои энергоснабжения небольших городов и сельских населенных пунктов;

— проведение энергосберегающих мероприятий при соблюдении экологических требований.

В 1997 году между ОАО «ГАЗПРОМ» и Правительством Свердловской области были подписаны Соглашение и Договор о взаимном сотрудничестве по вопросам энергосбережения, связанного с использованием природного газа. Проблема рационального потребления топливно-энергетических ресурсов сводится к созданию и повсеместному внедрению энергосберегающих технологий и систем сбережения энергии во всех отраслях, включая жилищно-коммунальное хозяйство и бюджетную сферу.

Одной из приоритетных научно-технических проблем ОАО «ГАЗПРОМ» на 2002;2006 годы, в перечне, утвержденном Председателем Правления 15.04.2002 года, является обеспечение надежного и экономичного те-пловодоснабжения собственных объектов за счет создания и внедрения высокотехнологичного оборудования и материалов, локальных источников теплоты. При этом предусматривается максимальное использование продукции предприятий собственно газовой отрасли для осуществления газификации, теплоснабжения и энергосбережения.

Для решения указанной проблемы за последние годы предприятие ООО «УРАЛТРАНСГАЗ» в сотрудничестве с оборонным комплексом разработало и освоило выпуск целой гаммы высокоэффективного энергетического оборудования, позволяющего экономить газ и предназначенного для теплоснабжения при использовании в промышленности, сельском хозяйстве и жилищно-коммунальном хозяйстве.

В представляемой работе соблюден важнейший принцип, состоящий в расширении использования газа во всех сферах хозяйственной деятельности страны. Анализ работы предприятий Уральского региона позволил вычленить наиболее слабые места технологической цепочки теплоснабжения и принять меры к возможному их исключению. Анализу подверглись, прежде всего, собственные предприятия системы ООО «УРАЛТРАНСГАЗ». Например, сопоставительный анализ затрат на обогрев производственных помещений в течение осенне-зимнего периода определил для условий г. Екатеринбурга безусловную целесообразность исключения городских тепловых сетей из источников теплоснабжения.

Учитывая достаточно широкий спектр требований к виду генерирующих тепловую энергию устройств, в управлении «ЭНЕРГОГАЗРЕМОНТ» ООО «УРАЛТРАНСГАЗ» для собственных нужд и для внешнего потребления были разработаны модернизированные газоиспользующие аппараты для производства теплоты, отличающиеся повышенной надёжностью и экономичностью. Среди них особый интерес представляют газовоздушные теплогенераторы (воздухонагреватели) для отопления производственных помещений и жаротрубно-дымогарные водогрейные котлы средней мощности.

В настоящее время осуществляется серийное производство указанного оборудования (совместно с Российско-Германским предприятием ООО «УРОМГАЗ» и ООО «АГРОГАЗ»), его поставка, монтаж и сервисное обслуживание. При этом проведен в полной мере комплекс необходимых для серийного выпуска изделий мероприятий, включая подготовку конструкторской документации, утверждение в соответствующих инстанциях технических условий и паспортов, получение гигиенических заключений на продукцию и сертификатов соответствия. Для каждого из выпускаемых аппаратов разработана и реализована система автоматического контроля и регулирования.

Промышленному выпуску газовоздушных теплогенераторов и жарот-рубно-дымогарных водогрейных котлов средней мощности предшествовала значительная научно-исследовательская работа, определившая принципиальные положения конструирования газоиспользующего оборудования данного класса.

Работа выполнена на предприятии «ЭНЕРГОГАЗРЕМОНТ» ООО «УРАЛТРАНСГАЗ» и на кафедре «ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ» ГОУ «УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ — УПИ» и предназначена для разработки и производства газоиспользующего оборудования, состоящего в номенклатуре ООО «УРАЛТРАНСГАЗ» и применяемого в системах децентрализованного теплоснабжения промышленных предприятий.

Актуальность темы

Применение децентрализованного теплоснабжения дает возможность снизить долю энергетической составляющей в себестоимости продукции за счет энергосбережения. Настоящая работа позволяет создавать и использовать надежные газовоздушные теплогенераторы и жа-ротрубно-дымогарные водогрейные котлы средней мощности при сниженных массогабаритных характеристиках и повышенном коэффициенте топли-воиспользования по сравнению с импортными и отечественными аналогами. Работа выполнена по приоритетному направлению развития науки, технологий и техники РФ Пр-577 «ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ», критические технологии: «ПРОИЗВОДСТВО ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И ТЕП.

ЛА НА ОРГАНИЧЕСКОМ ТОПЛИВЕ", «СИСТЕМЫ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ И ЗАЩИТЫ ЧЕЛОВЕКА», «ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ» и предназначена для разработки и производства энергоэффективного газоиспользующего оборудования, применяемого в системах децентрализованного теплоснабжения промышленных предприятий. Актуальность работы подтверждена соглашениями и договорами о взаимном сотрудничестве, подписанными председателем правления ОАО «ГАЗПРОМ» и Губернатором Свердловской области и предусматривающими объединение усилий по внедрению генерирующего теплоту оборудования как в пределах области, так и в других регионах России.

Цель работы состоит в оптимизации режимов работы и разработке технологичных, надежных и экономически обоснованных конструкций газовоздушных теплогенераторов и жаротрубно-дымогарных водогрейных котлов промышленного назначения с повышенными технико-экономическими показателями.

Задачи исследования.

— Разработать комплексную методику расчета жаротрубных теплогенераторов, позволяющую на простом инженерном уровне проводить численный анализ протекающих в радиационно-конвективном теплообменнике типа «труба в трубе» и его модификациях с низкопотенциальным нагреваемым теплоносителем сложных тепловых процессов и давать приемлемые по точности рекомендации по их оптимизации.

— Провести с помощью предложенной методики исследование тепловой эффективности газовоздушного теплообменника и разработать методы его оптимизации.

— Произвести посредством численных исследований работы газоводяного теплообменника оптимизацию конструкции жаротрубно-дымогарного водогрейного котла с переводом в некипящий режим в расширенном диапазоне тепловых нагрузок и повышением эффективности работы его конвективной части.

— Разработать на основании проведенных исследований новые высокоэффективные конструкции газовоздушного нагревателя и водогрейного котла жаротрубно-дымогарного типа промышленного назначения.

Достоверность и обоснованность результатов подтверждается применением современных численных методов решения и соответствующей точностью систем измерений контролируемых параметров, удовлетворительным совпадением расчетных и экспериментальных данных, полученных на испытательных стендах и промышленном оборудовании.

Научная новизна:

1 На основании уравнений теплового баланса и теплопередачи разработана методика анализа жаротрубных теплогенераторов с низкопотенциальным нагреваемым теплоносителем (горячая вода, воздух на отопление).

2 Выполнен детальный тепловой анализ теплогенератора типа «труба в трубе», определены и разработаны направления интенсификации процесса теплопередачи.

3 Показана двойная роль размещаемых в воздушном канале теплогенератора твердых тел,-экранирование корпуса и нагрев воздушного потока.

4 Уточнена картина теплообмена стенки жаровой трубы с потоком не-догретой жидкости в условиях свободной (СК) и вынужденной (ВК) конвекции.

5 Доказано, что в условиях СК жидкость при расчетных нагрузках находится, как правило, в состоянии пристенного кипения, тогда как в состоянии ВК пристенное кипение не развивается.

6 Выявлена и аналитически обоснована нетривиальная роль объемных топочных теплонапряжений в котле, позволившая заложить в опытную конструкцию удвоенные против допустимых теплонапряжения.

Практическая значимость работы. Разработка алгоритмов и методов расчета и оптимизации конструкции радиационно-конвективных теплогенераторов типа «труба в трубе» позволяет выполнять инженерные расчеты газовоздушных теплогенераторов и жаротрубных водогрейных котлов. Выявленные особенности тепловых режимов жаротрубных теплогенераторов дали возможность создать и запатентовать новые конструкции газовоздушных нагревателей сниженной массы и габаритов при повышенной степени использования топлива. Переход к некипящим режимам в широком диапазоне тепловых нагрузок qv =(1. .4)[qv] резко улучшает массогабаритные и эксплуатационные характеристики котлов емкостного типа при снижении уровня затрат.

Реализация. Полученные данные и запатентованные решения использованы при разработке промышленных конструкций водогрейных котлов КВТ-3 и газовоздушных нагревателей ГВН-450, введенных в эксплуатацию. На сегодняшний день внедрено и находится в эксплуатации 160 теплогенераторов. Идет опытная эксплуатация водогрейного котла КВТ-3, готовится документация для его серийного производства. Расчетные соотношения опубликованы в периодической печати и используются организациями, разрабатывающими жаротрубные теплогенераторы промышленного назначения.

На защиту выносятся:

1 Результаты комплексного исследования по оптимизации режимов работы и конструкции газовоздушных теплогенераторов и жаротрубно-дымогарных водогрейных котлов.

2 Новые научно обоснованные решения по усовершенствованию конструкции газовоздушных теплогенераторов и жаротрубно-дымогарных водогрейных котлов.

Личный вклад автора состоит в формировании основных предпосылок исследования и разработке методик анализа, в непосредственном проведении комплекса исследований и обобщении их результатов, в подготовке исходных данных для проектирования газоиспользующего оборудования, в проведении испытаний опытно-промышленных образцов разрабатываемых газовоздушных теплогенераторов и жаротрубно-дымогарных котлов.

Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы обсуждены и доложены на: Первой в Украине международной конференции «Энергия из биомассы» (Киев, 2002) — Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 70-летию кафедры ТЭС УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2002) — III Всероссийском семинаре по энергосбережению (Екатеринбург, 2002) — Всероссийской конференции «Техника и оборудование, новые технологии для муниципального хозяйства и сохранения окружающей среды» (Москва, 2002) — конференции предприятий ОАО «Газпром» по проблемам выпуска нового оборудования (в рамках Всероссийского экономического форума «Россия единая») (Нижний Новгород, 2002).

Практические результаты работы представлялись на региональных, российских и международных выставках: на 1-ой международной выставке по энергосбережению (Москва, 1999 г. — диплом победителя) — Екатеринбургском городском конкурсе по энергосбережению среди промышленных предприятий (Екатеринбург, 1999 г. — диплом за 1-е место) — VI международной специализированной выставке (Челябинск, 2001 г. — диплом за разработку и внедрение) — выставке «Энергосбережение — 1999» (Екатеринбург, 1999 г. -диплом и серебряная медаль)-Свердловском областном смотре-конкурсе по энергосбережению (Екатеринбург, 2000 г. — диплом победителя) — Международной выставке «Город. Ресурсы. Энергетика — XXI век» (Екатеринбург, 2001 г. — диплом победителя и золотая медаль) — Екатеринбургском смотре-конкурсе по энергосбережению (Екатеринбург, 2002 г. — диплом победителя).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 5 статей в реферируемых изданиях, 1 доклад в ближнем зарубежье, 1 учебное пособие и 3 патента РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 117 наименований и приложений. Общий объем диссертации — 116 страниц, в том числе 36 рисунков, 8 таблиц. Приложения на 50 С.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1 На основании уравнений теплового баланса и теплопередачи разработана комплексная методика анализа жаротрубных теплогенераторов, позволяющая на простом инженерном уровне проводить численный анализ протекающих в радиационно-конвективном теплообменнике типа «труба в трубе» и его модификациях с низкопотенциальным нагреваемым теплоносителем сложных тепловых процессов и давать приемлемые по точности рекомендации по их оптимизации.

2 С помощью разработанной методики выявлено и доказано, что в случае нагрева воздуха в простейшем теплогенераторе типа «труба в трубе» температура жаровой трубы может превышать допустимую, температура корпуса чрезмерно высока и стимулирует сверхнормативные потери в окружающую среду, а теплообмен жаровой трубы с дымовыми газами и воздухом нуждается в интенсификации.

3 Показано, что размещение в воздушном канале теплогенератора твердых тел (сеток, обечаек и т. п.), помимо выполнения тривиальной задачи экранирования корпуса от перегрева, повышает эффективность трансформации лучистой энергии жаровой трубы в теплосодержание потока и решает проблему насыщения воздушного канала дополнительными поверхностями нагрева. Разработана технологичная конструкция предназначенного для этой цели многолучевого объемного экрана.

4 Проведена интенсификация теплообмена между дымовыми газами и жаровой трубой посредством ее внутреннего продольного оребрения и гофрирования. Разработана оптимальная конструкция и технология изготовления внутренне-оребренной жаровой трубы с увеличенной поверхностью теплообмена. Общий тепловой эффект от разработанных мероприятий по РКЧ ГВН составляет 55%, плотность теплового потока через стенку жаровой трубы увеличивается до 87 кВт/м .

5 Уточнены особенности теплообмена жаровой трубы с потоком недогретой жидкости в условиях осложненной пристенным кипением свободной (СКК) и вынужденной (ВК) конвекции. Выявлено значительное понижение температуры стенки tCT в условиях ВК (tCT< ts) по сравнению с tCT при СКК (tCT> ts). Отмечено, что для уменьшения t^. на 50−55С (и понижения интенсивности накипеобразования) необходимо организовать вдоль жаровой трубы циркуляцию воды со скоростью 0,4−0,8 м/сек. Для ухода от кипения на дымогарных трубах достаточно W^O, 1 м/с.

6 Увеличение объемных теплонапряжений топки qv котла при неизменной мощности агрегата сдвигает тепловой режим топки от преимущественно-радиационного к более эффективному радиационно-конвективному, что в разрабатываемой конструкции сопровождается увеличением скорости циркуляции воды вдоль жаровой трубы и дополнительным уменьшением температуры ее стенки. Происходящее при этом уменьшение металлоемкости создает экономическую основу для тепловой «разгрузки» жаровой трубы.

7 Модернизирована и запущена в производство конструкция жаротрубно-дымогарного водогрейного котла при объемных о теплонапряжениях топочного объема цу=2МВт/м с работой в некипящем режиме, выносом дымогарных труб третьего хода в компактный экономайзерный участок водотрубной компоновки, увеличением фактического КПД до 95%. Разработанный котел имеет свойства проточно-емкостных систем и выгодно отличается по удельным показателям от исходных емкостных конструкций (по массовым показателям — в 1,6- по габаритным — в 2,7- по стоимостным — в 1,6 раза по сравнению с прототипом).

8 Разработана и проверена шестилетней эксплуатацией 160-ти установок конструкция адаптированного к российским условиям газовоздушного теплогенератора с высокой температурой нагрева воздуха и фактическим КПД 85% при сокращении габаритных (в 2,5 раза) и стоимостных (в 1,6 раза) характеристик по сравнению с прототипом. Подтвержденный экономический эффект от внедрения 22 установок составляет 21 млн руб./год. Общий эффект от внедрения оценивается более 100 млн. руб/год.