Экологические проблемы снабжения зданий теплом

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Южно-Уральский государственный университет»

(национальный исследовательский  университет) в г. Снежинске

Кафедра  « Гражданского и промышленного строительства »

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине _____________________________________________________

Тема: «Экологические проблемы снабжения зданий теплом»

СШ3 –574.270102.2015

Снежинск, 2015

СОДЕРЖАНИЕ

Введение………………………………………………………………………………2

1. Типы систем теплоснабжения…………………………………………………….3

2. Зарубежный опыт………………………………………………………………….5

3. Условия модернизации системы теплоснабжения в России……………………8

4. Решение проблем повышения безопасности и энергосбережения в системах снабжения теплом и горячей водой…………………………………………..……10

Заключение………………………………………………………………..…………17

Список использованной литературы………………………………………………19

ВВЕДЕНИЕ

Вопросы теплоснабжения крупных городов становятся камнем преткновения в рамках реализации реформы жилищно-коммунального хозяйства России. Эта реформа — одна из самых сложных и многоаспектных. Во-первых, она затрагивает каждого жителя страны, во-вторых, слишком много проблем накопилось в сфере ЖКХ за последние 15 лет.

Постепенно обновляется законодательная база, готовятся новые положения и регламенты, однако принципиальные решения о приоритетных направлениях развития теплоснабжения крупных городов так и не были приняты. Сегодня «на подходе» новый закон «О теплоснабжении», разрабатывающийся в рамках энергетической реформы. Возможно, он внесет некоторые коррективы в развитие этой отрасли.

1. Типы систем теплоснабжения

Главный вопрос, который необходимо решить, — каким образом строить новую систему теплоснабжения: модернизировать существующую сеть теплоцентралей или внедрять малые персональные котельные, обеспечивающие теплом отдельные дома или кварталы. С экономической точки зрения доказано, что в общем централизованное теплоснабжение на базе ТЭЦ более выгодно.

Во-первых, выработка тепла на ТЭЦ проводится на принципе когенерации — одновременной выработки тепловой и электрической энергии. КПД такого процесса значительно выше, чем КПД обычной котельной. Во-вторых, за счет масштабов производства тепла ТЭЦ работает в более экономичных термодинамических режимах, позволяющих генерировать тепло с большей эффективностью. В-третьих, централизованная логистика крупной ТЭЦ, меньшие накладные расходы, меньшая отапливаемая площадь (относительно объемов генерации) позволяют говорить о том, что себестоимость тепловой энергии, произведенной ТЭЦ, ниже, чем у автономного теплогенерирующего пункта.

Поэтому с экономической точки зрения централизованное производство тепловой энергии дает лучшие результаты. Также лучшие результаты дает ТЭЦ и с точки зрения экологии. Конечно, при условии, что станция оборудована современно, опираясь на стандарты. Суммарные выбросы котельных, вырабатывающих такое же количество тепла, как одна ТЭЦ, наносят природе больший ущерб.

Остается одна важная деталь, которая сводит на нет все преимущества ТЭЦ — распределительные сети. Плачевное состояние тепловых сетей, неэффективная теплоизоляция делают потери тепла при его передаче катастрофическими — в ряде случаев они достигают 60 %. Эти потери ложатся финансовым бременем на потребителя, который вынужден по завышенному тарифу оплачивать не только ушедшие в атмосферу гекакалории, но и модернизацию теплосетей, их замену и строительство.

Однако стоимость модернизации и прокладки новых теплосетей такова, что нецелевых средств, полученных через повышенные тарифы, едва ли хватает на поддержание теплоцентрали в рабочем состоянии. А целевые инвестиции на данные нужды энергетики получают крайне редко. По различным экспертным оценкам, стоимость прокладки одного километра современной теплотрассы составляет $250–300 тыс.

При этом в России сегодня нуждаются в замене более 60 % тепловых сетей, а это около 120 тыс. км трубопровода. Корни этой проблемы исторические. Когда в стране закладывалась основа теплоэнергетики, на большие энергопотери никто особого внимания не обращал — СССР был одной из самых ресурсо-обеспеченных стран мира. «Эпоха безвременья» середины 1990х гг. прошлого века окончательно подорвала техническую надежность оставшихся сетей.

Сегодня перед специалистами стоит сложная задача модернизации существующей системы в рамках жесткой концепции реформирования энергетики в целом. Постепенно все распределительные сети городов переходят от энерго-компаний в ведение МУПов, а в дальнейшем — частных инвесторов. По идее, наличие «хозяина» должно сдвинуть ситуацию с мертвой точки. 

2. Зарубежный опыт

Анализ показывает, что проблема российского теплоснабжения не в централизованной системе как таковой, а в неэффективной распределительной сети. Для сравнения можно рассмотреть ситуацию в таких странах, как Германия, Италия и Дания. В Германии и Италии отопление организовано по принципу мини-котельных. Их опыт также показывает, что единственный плюс в подобной организации — снижение теплопотерь при транспортировке тепла потребителю.

В целом же затраты на генерацию выше, чем при использовании теплоцентрали. Помимо специфики термодинамических циклов, в которых работает оборудование, здесь увеличиваются затраты на закупку, транспортировку и хранение топлива, особо остро встают вопросы обеспечения экологической безопасности котельной, расположенной внутри жилых кварталов. В Дании же ситуация несколько иная. В начале 1970х гг. прошлого века Европа переживала жесткий энергетический кризис, возникший из-за дефицита импортируемой нефти.

Он привел к тому, что большинство европейских стран пересмотрело свою энергетическую и топливную политику. В частности Дания была вынуждена начать коренную перестройку всей энергетической системы страны, для того чтобы снизить зависимость от поставок нефти из-за рубежа. Реформирование энергетики страны заняло более десяти лет. Только к середине 1980х гг. энергетическая система Дании была модернизирована полностью и функционировала по новым принципам, зафиксированным в законах об электроснабжении и теплоснабжении еще в 1976 г.

Анализируя опыт всего мира в вопросах теплоснабжения, датчане с некоторыми корректировками применили в качестве базового практику, принятую в СССР. В стране была построена система централизованного теплоснабжения на основе укрупненных ТЭЦ.В середине 1990х гг. приоритетность в вопросах энергообеспечения Дания несколько сместила на проблемы экологичности и социальной эффективности.

Результатом работы по модернизации и улучшению системы теплоснабжения стало снижение практически вдвое стоимости обогрева 1 м2 жилого помещения. Это было достигнуто за счет применения энергосберегающих технологий, о которых поговорим чуть позже. Конечно, сложно сравнивать масштабы энергосистем Дании и России, однако опыт западных коллег показывает, что развитие теплоцентралей — не тупиковое, а достаточно перспективное направление развития.

Важными моментами являются применение полимерных труб, качественных теплоизоляционных материалов, современного насосного оборудования. Есть еще два принципиальных отличия систем центрального отопления России и Дании. Первое заключается в том, что регулировка объема поставляемого тепла производится не за счет изменения температуры теплоносителя, а благодаря изменению скорости циркуляции путем применения частотных регуляторов на циркуляционных насосах.

Это также фактор, определяющий экономичность системы в целом. Второе отличие датской системы — принцип организации отопления помещений. Радиаторное отопление, наиболее распространенное в России, постепенно уступает свое место различным видам воздушного отопления. Радиаторы не позволяют создать эффективную конвекцию в помещении, такие системы инерционны и недостаточно комфортны для человека.

Базовая технология, позволяющая избежать упомянутых проблем и эффективно использовать центральное теплоснабжение, — установка тепловых насосов. Теплоцентраль напрямую не отапливает помещения через радиаторы-теплообменники, но тепло подается к тепловому насосу с помощью кольцевого контура, передающего энергию в те помещения, где требуется обогрев. Притом подача тепла прекращается, как только в кольцевом контуре его становится достаточно.

Фактически это классическая система центрального воздушного отопления, построенная на базе кольцевой тепло-насосной системы. Плюсов в такой системе достаточно много, и главным является экономичность. Например, российский опыт применения подобных систем в крупных зданиях (в гостиницах, офисных центрах) показывает, что подача тепла в систему требуется всего несколько раз в год — в периоды сильных морозов.

В остальное время года внутри здания производится достаточно тепла, чтобы покрывать потребности в отоплении — необходимо лишь утилизировать эту теплоту и передать ее в другие зоны. Как раз эту задачу успешно и выполняют тепловые насосы. Однако пока российский опыт в данных вопросах просто микроскопичен. Но в странах Скандинавии, где климатические условия можно сравнивать с российскими, тепловые насосы являются фактически приоритетным направлением развития, в т.ч. и системы, использующие в качестве источника низко-потенциальное тепло земли, водоемов, моря.

В Стокгольме функционирует крупнейшая на сегодняшний день тепло-насосная станция. Ее выходная тепловая мощность составляет 320 МВт. Станция перекачивает тепло Балтийского моря, температура воды которого практически круглогодично составляет 4 °С. Охлаждая воду до 2 °С, станция поставляет тепло, стоимость которого на 20 % ниже, чем у любой другой ТЭЦ или котельной.

В общей сложности около 80 тепло-насосных станций мощностью от 5 до 80 МВт обеспечивают потребности Швеции в тепловой энергии. Другим путем пошли власти Шотландии, реализуя программу строительства доступного жилья. Они субсидируют граждан, желающих установить в строящейся квартире тепловые насосы. Единовременные затраты на установку оборудования позволяют снизить расходы на отопление дома до 10–15 фунтов в год.

Во-первых, окупаемость такого решения составляет не более трех лет, во-вторых, оно позволяет снизить нагрузку на котельные и тепловые станции.

3. Условия модернизации системы теплоснабжения в России

Анализируя опыт западных стран, понимаешь, что одним из самых приемлемых вариантов развития системы теплоснабжения в такой большой стране, как Россия, имеющей сложный климат и проблемы с транспортировкой топлива, является центральное теплоснабжение. Однако необходимо учитывать следующие условия:

1. Необходима полная передача распределительных сетей от ТЭЦ отдельным частным или государственным компаниям. Это, во-первых, позволит на коммерческой основе пересматривать тарифы на транспортировку тепла, во-вторых, даст возможность привлекать целевое финансирование на модернизацию ветхих распределительных теплотрасс. Касаясь тарифов, важно понимать, что такое разделение даст возможность более четко отслеживать себестоимость поставляемой тепловой энергии и позволит исключить переплаты потребителем за потери, которые несет поставщик при транспортировке тепла.
2. Требуется модернизация тепловых сетей с применением новых энергоэффективных технологий. Строительство новых сетей, ремонт старого трубопровода должны осуществляться с применением новых полимерных материалов, с использованием качественной теплоизоляции.
3. Требуется поэтапный уход от практики применения радиаторного отопления. Повышение качества строительных материалов и технологий сегодня поднимает уровень энергоэффективности здания в целом. Поэтому важно сохранить и использовать ту энергию, которая уже произведена внутри здания. Важно снижать инерционность работы отопительного оборудования и в то же время повышать его комфортабельность.
4. Задача теплоцентрали — доставить тепловую энергию к зданию. И уже от собственника зависит, насколько эффективно он использует это тепло. Девелопер, внедривший в своем здании тепло-насосную систему, может эффективно обогревать его, даже если температура в теплоцентрали опустилась до 30–40 °С. Кольцевая система будет нормально функционировать, пусть даже с меньшей эффективностью, даже если температура в сети упадет до 0 °С.
5. И, наконец, потребитель должен платить только за фактически израсходованное тепло. Необходимо повсеместное внедрение счетчиков и систем учета расхода тепловой энергии.

4. Решение проблем повышения безопасности и энергосбережения в системах снабжения теплом и горячей водой

Ежегодный рост числа аварий на объектах теплоэнергетики свидетельствует об износе основных фондов, который достиг критической отметки. Для решения проблемы теплообменников, наряду с заменой изношенного оборудования и ремонтом тепловых систем, необходима также замена устаревшего оборудования. Использование парка физически и морально устаревших теплообменников приводит к существенным потерям теплоты, увеличению выброса загрязняющих веществ в атмосферу, росту парникового эффекта, снижению безопасности их эксплуатации. Большое энергопотребление существенно увеличивает себестоимость продукции, уменьшает ееконкурентоспособность. Тепло и горячая вода - самая затратная часть энергетического баланса предприятия (до 10 % себестоимости выпускаемой продукции). В то же время большое количество низкопотенциального пара (отработавший пар после паровых машин, вагоноразмораживателей, систем парового отопления, технологических процессов) выбрасывается в атмосферу, ухудшая условия жизнедеятельности. В связи с этим особую остроту и актуальность приобретают повышение безопасности, улучшение экологии и энергосбережения путем применения новых эффективных технологий и оборудования.

В настоящее время в системах теплофикации промышленных предприятий и коммунальной сферы наиболее распространены теплообменники поверхностного типа (водогрейные котлы, пароводяные кожухотрубные подогреватели, пластинчатые теплообменники) и пароводяные инжекторы (струйные аппараты ТСА, ПСА, «Фисоник», «Транссоник»).

Традиционные водогрейные котлы имеют значительную материалоемкость из-за низких коэффициентов теплопередачи от продуктов сгорания к нагреваемой воде, а общие потери теплоты в них составляют 30-40%. Недостатки кожухотрубных и пластинчатых теплообменных аппаратов - дорогой ремонт и зависимость от качества нагреваемой воды. При подогреве исходной воды из водоема в системе химической очистки на внутренних поверхностях латунных трубок образуются отложения, что приводит к повышенному расходу греющего пара, потере конденсата и значительному (до 60 %) снижению кпд. При потере герметичности в теплообменнике к пару может подмешиваться сырая вода, которая попадает в котел при возврате конденсата. Очистка внутренних каналов теплообменника от накипи - дорогостоящий и трудоемкий процесс. В частности, при разборке пластинчатых подогревателей повреждаются многочисленные резиновые уплотнительные прокладки, имеющие сложную форму. В результате часто (а при использовании клеевых прокладок всегда) требуется их замена, и это при том, что стоимость комплекта таких прокладок составляет около 30 % стоимости нового теплообменника.

В отличие от теплообменников поверхностного типа, в которых теплообмен между теплоносителем и нагреваемой водой осуществляется через стенку, в пароводяных инжекторах теплопередача от пара к воде происходит при их смешении, т.е. в процессе полной конденсации пара вся его внутренняя энергия передается воде. Пароводяные инжекторы представляют собой струйные аппараты, выполненные по классической схеме: паровое сопло для разгона рабочего пара до требуемых скоростей; приемная камера для подачи инжектируемой воды; камера смешения, где выравниваются скорости рабочего и инжектируемого потоков и происходит обратное преобразование кинетической энергии в потенциальную; диффузор для дальнейшего восстановления давления. Такие аппараты, обладающие компактностью при высокой тепловой мощности и отсутствии потерь при теплопередаче, в последнее время получают широкое распространение. К факторам, ограничивающим их использование, можно отнести высокий уровень шума и ограниченный диапазон диаметров трубопроводов - не более 150 мм.

Сотрудники ООО «Прессмаш» и Магнитогорского металлургического комбината в 1999 г. разработали водоструйный паровой эжектор УМПЭУ, позволяющий обеспечить бесшумный ввод пара в поток воды и его конденсацию безвибраций и гидравлических ударов с одновременным расширением диапазона диаметров используемых трубопроводных систем до 500 мм. В отличие от пароводяных инжекторов, рабочее тело в УМПЭУ - нагреваемая вода, а инжектируемое - пар. Отход от классической гидродинамической схемы струйного аппарата заключается и в отсутствии камеры смешения между приемной камерой и диффузором.

УМПЭУ (рис. 1) состоит из конфузора 1, водяного сопла 2, приемной камеры 3, диффузора 10, камеры предварительного смешения пара с водой 4, установленной на подводе пара в приемную камеру, гасителя пульсаций давления 11, трубопровода с задвижкой 5 для перепуска части нагреваемой воды из широкой части конфузора в камеру предварительного смешения. На рис. 2 показан общий вид УМПЭУ.

Рис. 1. Схема УМПЭУ :

П - греющий пар; ХВ и ГВ - соответственно холодная и горячая вода

Рис. 2. Общий вид УМПЭУ

Работает УМПЭУ следующим образом. Холодная (нагреваемая) вода, поступающая на вход в конфузор 1, разгоняется в водяном коническом сопле 2 до 5-25 м/с, что сопровождается понижением статического давления в приемной камере3. В камере предварительного смешения 4 получается двухфазная смесь путем диспергирования в форсунках 7 и 8части нагреваемой воды (в объеме до 10 %), отбираемой трубопроводом 5. Вода распыляется под разными углами к потоку пара, подводимого по паропроводу 6. Попадая из паропровода 6 в камеру смешения 4, диаметр которой больше диаметра паропровода, пар резко расширяется, что сопровождается его редуцированием и понижением температуры (дроссель-эффект). Для лучшего перемешивания пара с водой и увеличения времени взаимодействия сред в УМПЭУ предусмотрено формирование интенсивных вихревых течений, образуемых с помощью генераторов вихрей 9 в результате отрыва потока при их обтекании. Подготовленная двухфазная смесь, имеющая вихревую структуру, поступает в зону разрежения, созданную соплом 2 в приемной камере 3, и конденсируется на водяной турбулентной струе, нагревая поток воды за счет внутренней энергии пара. При перетекании смеси из камеры смешения 4 в приемную камеру 3 часть потока, обтекая наружную поверхность сопла и внутреннюю поверхность входной горловины диффузора, образует на них водяную пленку (эффект Коанда), защищающую от образования отложений и сносимую турбулентным потоком инжектируемой двухфазной смеси. В диффузоре 10 и в гасителе пульсаций 11 завершается конденсация и возрастает давление нагретого потока воды. Пульсации давления потока, которые может вызвать несконденсировавшаяся часть пара, демпфируются в гасителе пульсаций 11. Эффект демпфирования обусловлен упругостью газов, находящихся над свободной поверхностью воды, а для увеличения времени взаимодействия смешиваемых сред в емкости гасителя, отделенной перфорированной стенкой от основного потока, создаются возвратные течения за счет градиента давления по длине отводящей трубы.

Внутреннюю структуру течений в УМПЭУ исследовали на плоских прозрачных моделях. Полноразмерные испытания УМПЭУ проводили на промышленных установках с условным диаметром D у магистралей 50, 80, 100, 150, 200, 250, 300, 400 мм в составе тепловых сетей потребителей при различных расходах и давлениях воды и пара применительно к IV категории трубопроводов в соответствии с ПБ 10-573-03. На основании положительных результатов эксплуатации в промышленности и коммунальном хозяйстве более 30 головных образцов УМПЭУ разного назначения в течение 3-6 лет в различных климатических условиях Ростехнадзор выдал разрешение на их применение на опасных производственных объектах. Производство УМПЭУ налажено в г. Миассе Челябинской обл.

В таблице приведены некоторые данные, полученные в результате испытаний УМПЭУ, на рис. 3 - типовая схема его включения (с контрольно-измерительными приборами) и пьезометрический график давления.

___________

1 Эксплуатирующая организация.

Рис. 3. Схема включения УМПЭУ (а) и пьезометрический график (б):

1, 8 - коллекторы соответственно холодной и горячей воды; 2, 7 - запорные задвижки; 3 - УМПЭУ; 4, 5, 6 - соответственно обратный, регулирующий и отсечной клапаны

Испытанные УМПЭУ использовали для нагревания воды в системах химической очистки воды, деаэрации, отопления, горячего водоснабжения, вентиляции, утилизации отработавшего пара, технологических процессах подогрева перегретой воды на резинотехнических производствах. Наиболее эффективным оказалось применение УМПЭУ для подогрева исходной воды из водоема системы химической водоочистки, так как ни разу с начала непрерывной эксплуатации в течение нескольких лет не требовалась их остановка для очистки.

Оптимальный подогрев воды одним УМПЭУ с условием обеспечения его бесшумной работы составлял в среднем 30 °С (максимальный коэффициент инжекции около 0,06). Дальнейшее увеличение температуры подогрева (до 50 °С) на ряде установок сопровождалось вибрацией трубопроводов и пульсациями давления воды. Поэтому надежность и безопасность работы УМПЭУ для подогрева воды более чем на 30 °С в дальнейшем обеспечивали, используя двухступенчатую схему ввода пара с последовательной установкой устройств «в линию» или «калачом» (подогрев достигал 60-65 °С).

Основные режимные факторы, влияющие на работу УМПЭУ, - расход нагреваемой воды и пара, давление и температура воды на входе, давление греющего пара. Выход этих входных параметров за номинальные пределы, на которые рассчитано УМПЭУ, приводил к недогреву или отсутствию подогрева. Так, если статическое давление в зоне инжекции пара превышало давление пара, подогрев не осуществлялся вследствие запирания сечения для подачи пара. Аналогичный эффект давало снижение давления и расхода пара ниже минимального значения, определенного путем расчета. Противодавление в значительной мере зависело от соотношения значений реального давления пара и воды.

Для повышения устойчивости УМПЭУ при работе с тепловыми сетями, параметры которых изменяются в широких пределах, разработаны новые конструкции УМПЭУ. Они позволяют регулировать статическое давление в зоне инжекции пара и противодавление путем перепуска части нагреваемой воды в обход зоны инжекции пара или путем изменения критического сечения сопла за счет угла наклона его стенок с одновременным изменением формы струи с круглой на эллиптическую или плоскую. С этой целью сопло выполняют в виде полусопел, установленных на шарнирах и снабженных приводом.

Безопасную эксплуатацию УМПЭУ обеспечивают путем применения:

- системы автоматики (для поддержания указанных параметров в заданных пределах);

- качественного или количественного регулирования расхода пара, например регулирующим клапаном (для регулирования тепловой мощности в зависимости от режима течения инжектируемого пара);

- установки обратного клапана на подводе пара и быстродействующего отсечного клапана со временем срабатывания 1-3 с для отсечки пара при прекращении подачи воды (авария теплосети, отключение насоса или электроснабжения и т.п.);

- создания на выходе УМПЭУ прямолинейного участка трубы, длина которого определяется на основании известных закономерностей для турбулентной затопленной струи.

УМПЭУ позволяет:

- экономить пар (топливо) за счет максимального коэффициента теплопередачи от пара к воде;

- исключить: шум при смешении пара с водой, пульсации давления потока нагретой воды, образование внутренних отложений при нагревании неочищенной воды;

- улучшить экологическую обстановку путем утилизации отработавшего пара, сокращения выброса отработанных газов из котельных и снижения парникового эффекта;

- расширить диапазон применения струйных аппаратов в тепловых сетях до 500 мм;

- уменьшить число ремонтов оборудования и повысить безопасность его эксплуатации вследствие высокой надежности и простоты конструкции.

Установка УМПЭУ на объекте теплопотребления способствует улучшению эксплуатационных показателей системы теплоснабжения и горячего водоснабжения и безопасности труда обслуживающего персонала.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Все заключения, изложенные ранее, сделаны на основе анализа фактической ситуации в России и западной Европе. Если же взглянуть на законы, принимающиеся в рамках реформы ЖКХ, то станет ясно: пока политика применения энергосберегающих технологий никак практически в них не отражена. По большому счету, высокоэффективные подходы к генерации и транспортировке тепловой энергии начнут применяться только в том случае, если эти области полностью перейдут в руки частных инвесторов, готовых поднимать эффективность своего бизнеса.