Автореферат (Научно-техническое обоснование бивалентного теплоснабжения с использованием энергетической утилизации органосодержащих отходов), страница 2

Кравченко (Москва, 21 декабря 2016 г.); Научной конференциис международным участием «Неделя науки СПбПУ» (Санкт-Петербург, 13-19ноября 2017 года); II международной научно-технической конференции«Энергетические системы» (Белгород, 23-24 ноября 2017 года); Семинарекафедры «Атомная и тепловая энергетика» ФГАОУ ВО СПбПУ (СанктПетербург, 29 мая 2018 года).МатериалыработыиспользуютсявСанкт-Петербургскомполитехническом университете Петра Великого при проведении занятий подисциплинам: «Теплофикация и теплоснабжение», «Возобновляемые источникиэнергиииустановкиутилизациинизкопотенциальнойтеплоты»и«Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях».Публикации.

По результатам выполненных исследований у автораопубликовано 11 работ, в т. ч. 3 в изданиях из перечня ВАК.6Структура и объём диссертации: диссертация состоит из введения,четырёх глав, заключения, списка литературы, включающего 102 источника, втом числе 14 зарубежных. Дополнительный материал и сведения о внедрениисведены в 6 приложений. Основной текст изложен на 121 с., снабжён 32 илл.и 15 табл.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы диссертации и недостаточнаястепень её разработанности, формулируются цель и задачи работы, научнаяновизна, практическая значимость полученных результатов и основныеположения, выносимые на защиту.

Даны сведения о методологии, степенидостоверности результатов, апробации и внедрении результатов исследования.Глава 1 посвящена обоснованию цели и задач исследования на основекраткого анализа совокупности научно-технических проблем, связанныхс разработкой схем теплоснабжения, и научных предпосылок для развитиябивалентных СЦТ.Прикомплексномрешенииобъективныхпроблемвобластитеплоснабжения, поставленных «Энергетической стратегией России на периоддо 2030 года», проектировщики сталкиваются как с типовыми задачами поповышению эффективности работы систем, так и с уникальными задачами, кпоследним зачастую относится распределение нагрузки между источниками,работающими на одну сеть, с учетом необходимых реконструкций итехнико-экономических показателей как источников в отдельности, так и всехСЦТ поселения.В последнее время появились исследования, связанные с решением кругавопросов, возникающих при разработке схем теплоснабжения в современнойпостановке, такие как: оптимальное распределение тепловой нагрузки междуТЭЦ и котельными; пути оптимизации зон действия источников тепловойэнергии; вопросы оценки эффективности внедрения энергосберегающихмероприятий; использование НиВИЭ; применение того или иного видатеплоснабжения на базе рассматриваемого источника; выбор показателей7эффективности, определяющих централизацию теплоснабжения на всейтерритории города и т.

п. Системам централизованного теплоснабжения,работающимисключительнонавозобновляемыхисточникахэнергии,посвящены многие публикации. Однако вопросы использования местных топливв СЦТ не выходят обычно за рамки автономных источников. Аналогичныекомплексные исследования для бивалентных СЦТ, насколько нам известно, досих пор отсутствуют.Из всего многообразия местных топлив следует выделить отходыпереработки древесины и твёрдые коммунальные отходы. Для оценкиперспектив использования местных топлив в бивалентных СЦТ представляютглавный интерес такие характеристики как ресурсы, топливный потенциал,экологическое воздействие и стоимость. Суммарный топливный потенциалтолько отходов лесозаготовок и деревообработки находится в диапазонезначений 19 – 34 млн.

т/год, и по самой ориентировочный оценке позволяетобеспечить около 15 % топливной потребности всех СЦТ страны. Твёрдыекоммунальные отходы, в отличие от древесных отходов, топливом можносчитать весьма условно, однако, место образования ТКО непосредственносовпадает с зоной СЦТ, что определяет целесообразность рассмотрения ТКО вкачестве дополнительного топливного ресурса теплоснабжения, позволяющегоодновременно решать задачи экологии.В последнее время быстро развиваются технологии создания изпредварительно обработанных ТКО топлива с высокими потребительскимикачествами: “refuse-derived fuel” (RDF).

Выход RDF в зависимости от страны итехнологии варьируется в пределах 25-50 % от массы ТКО, теплота сгоранияпревышает 12 000 кДж/кг.Теория тепловых процессов соответствующих установок разработана вдостаточном для инженерных расчётов объёме, однако подобные установкипреимущественно работают автономно, сочетание их с СЦТ пока требуетспециального анализа.8В главе 2 приводятся методические основы исследования, описываетсяметодика определения теплоты сгорания ТКО, оценивается их тепловойэквивалент, рассматривается опыт разработки схем теплоснабжения поселений,приводятся результаты экспериментальной оценки объема образования ТКО напримере г. Петрозаводска.Бивалентные системы централизованного теплоснабжения, согласноопределению, предусматривают наличие и совместное использование двухисточников тепловой энергии: основного – это обычно ТЭЦ или крупнаякотельная (традиционный источник), и дополнительного – как правило, этораспределённая теплоэнергетическая установка или котельная, применительно кнастоящему исследованию, использующая различные местные виды топлива(нетрадиционный источник).В качестве характеристики энергетической связи нетрадиционногоисточника с традиционным в бивалентной СЦТ вводится новое понятие степенибивалентности W, представляющей отношение максимальной тепловойнагрузки нетрадиционного источника Qн, к общей максимальной тепловойнагрузке бивалентной системы Q`Σ:Qн`Qн`W= ` = `,`QΣ Qн + Qтр(1)Данная характеристика достаточно универсальная и может рассматриватьсяприменительноклюбомунетрадиционномуисточнику,атакжеихсовокупности.

В случае использования ТКО в качестве топлива длянетрадиционного источника, полезная мощность энергетической установкибудет определяться зависимостью:пол = р ˑтко· н3600 ,(2)где η - КПД преобразования энергии в установке; Gтко- общая масса ТКО,собираемая в течение года, кг; J – коэффициент снижения массы ТКО; D – числочасов работы в год, Qнр - низшая рабочая теплота сгорания ТКО, кДж/кг.Термодинамическая эффективность бивалентных СЦТ будет в значительной9степени зависеть от теплоты сгорания топлива ( Qнр ), максимальной температурыгорения (Тгор) и ресурса местного топлива (Gн). Объем накопления ТКОопределяют исходя из утвержденных нормативов, которые не учитываютдинамичновозрастающееколичествоотходов,требуютпостояннойкорректировки.

В этой связи элементы упрощённой методики определениявеличиныGткоотрабатывалисьнамиэкспериментальнонапримерег. Петрозаводска. Для Петрозаводска определена норма накопления 280 кг/челв год. Для остальных населённых пунктов нормы накопления ТКО полученав диапазоне 1,9…1,3 м3/чел. в год.Для оценки ресурсной базы ТКО введена характеристика «тепловойэквивалент ТКО»:рQтко = J ˑGтко· н ,(3)Обобщение экспериментальных данных ОАО «Завод ТО ТБО» показало,что теплота сгорания ТКО находятся в диапазоне от 5024 кДж/кг до 9211 кДж/кг,средняя теплота сгорания составляет 6700 кДж/кг. Расчётный анализ показал,что в зависимости от климатической зоны и спроса на тепловую энергию длярассмотренной группы городов за счёт утилизации ТКО может быть покрыто от2 до 8,6% общей потребности в тепловой энергии. В диссертации даныалгоритмы определения теплофизических характеристик и свойств (теплотысгорания, плотности ρ, температуры горения tгор, теплоёмкости и показателяадиабаты k) ТКО в зависимости от способа энергетической утилизации.

Примеррасчётных значений теплофизических характеристик и свойств, полученных длябиогаза различного состава дан в таблице 1.Таблица 1. Теплофизические свойства и характеристики биогаза разногосоставаСостав газовой смесиQнр ,кДж/м3ρ, кг/м3tгор, 0СkСН4 - 40%, СО2 – 60%14 3441,47622251,3СН4 - 70%, СО2 – 30%25 1021,09825601,3СН4 – 33%, СО2 – 60%, Н2О – 7%11 8341,4817021,3СН4 – 63%, СО2 – 30%, Н2О – 7%22 5921,1019681,310Осуществлено сравнение топливных свойств биогаза и генераторного газаразличных составов, полученных из ТКО; приводится сопоставление топливныхсвойств этих газов со свойствами газов промышленного применения(природного, коксового, полукоксового, доменного, сланцевого).Наосновеанализаразработанныхсхемтеплоснабжениядлясистематизации СЦТ были выбраны следующие характеристики для их оценки:плотность тепловой нагрузки (q); относительная протяженность тепловых сетей( L ), отношение полезного отпуска тепловой энергии к тепловой нагрузке ( ξ ),степень централизации систем теплоснабжения ( β ).Глава 3 посвящена разработке методик предпроектной оценки отдельныххарактеристик бивалентных СЦТ с использованием ТКО.

Приведен алгоритмрасчётатехнико-экономическихпоказателейСЦТсизменениямиидополнениями, обусловленными наличием дополнительного источника.Очевидно, что в бивалентной СЦТ нетрадиционный источник, как наиболееэффективный, должен быть максимально загружен. Для реализации такойвозможности предлагается создание динамичной зоны действия источниковтепловой энергии, где в зависимости от температуры наружного воздухарегулирование отпуска тепловой энергии потребителю будет происходить засчет изменения температуры теплоносителя, то есть качественно. При этомтемпература теплоносителя в тепловой сети определяться формулами:τ 1 = t в.

р. + (τ 1` − t в. р ) ⋅ (t в. р −t нt в . р − t н .оτ 2 = t в. р. + (τ 2` − t в. р ) ⋅ (),(4)),(5)t в. р −t нt в . р − t н .огде τ 1 ,τ 2 - соответственно, температуры теплоносителя в подающем иобратном трубопроводах, оС; tв.р. – расчетная температура внутреннего воздуха,tн – текущая температура наружного воздуха, оС; tн.о – расчетная температуранаружного воздуха, оС; τ 1` , τ 2` - значение температуры сетевой воды в подающеми обратном трубопроводах соответственно при tн.о, оС.11Для обеспечения соответствия параметров горячего водоснабжениясанитарным нормам, в температурном графике предполагается нижняя срезка.На основании исследования математических моделей СЦТ, приведенного вдиссертации, оптимальным температурным графиком работы тепловой сетиявляется 110/70 оС.Возможность организации динамичной зоны действия источников вбивалентной СЦТ обеспечивается за счет переменного расхода теплоносителя натепловых выводах источников.

Расход определяется текущей нагрузкойнетрадиционного источника Qн и рассчитывается по следующим формулам:GН =GТРгде α =QТР==с ⋅ (τ 1 − τ 2 )QН,с ⋅ (τ 1 − τ 2 )(QΣ` ((1 − α ) ⋅(6)(t в. р − t н )(t в. р − t н.о )+ α ) − QН ),с ⋅ (τ 1 − τ 2 ) ⋅(7)`Q ГВС- доля нагрузки ГВС в общей нагрузке системы, c – удельная`Qсуммтеплоемкость теплоносителя, кДж/кг.оС.