В конце ХХ века компании, вырабатывающие тепловую и (или) электрическую энергию, получили на свое вооружение большое количество эффективных технологий и новое оборудование, позволяющее значительно (до 50%) повысить надежность и экономичность работы уже существующих систем теплогазоснабжения.
Разработка современных энергосберегающих элементов и применение эффективного оборудования для производства и использования теплоносителя и экономии топливных ресурсов (сжиженного природного газа) является одним из наиболее перспективных направлений мировой энергетики.
Сжиженный природный газ (СПГ) представляет собой криогенную жидкость, являющуюся смесью углеводородов ряда С 1 …С 10 и азота с преобладающей долей метана (0,85…0,99). Он получается из природного газа методом охлаждения его до криогенных температур: –160…–130 0 С [1]. Физико-химические свойства и компонентный состав СПГ соответствуют требованиям и нормам ТУ 51-03-03-85.
При переводе СПГ в газообразное состояние (газификации) свойства соответствуют свойствам природного газа из магистрального газопровода (ГОСТу 5542-87). Из одной тонны данного газа получается около 1 400 нм3 природного газа.
Сжиженный природный газ, как топливо, имеет еще целый ряд преимуществ:
– метан, который легче воздуха, и в случае аварийного разлива он быстро испаряется.
– он не токсичен, не вызывает коррозии металлов.
– СПГ дешевле, чем любое нефтяное топливо, в том числе и дизельное, но по калорийности их превосходит.
– Газоиспользующие установки, работающие на природном газе, имеют больший КПД; – до 94%, не требуют расхода топлива на предварительный его подогрев зимой;
– низкая температура кипения гарантирует полное испарение СПГ при самых низких температурах окружающего воздуха, не требуется периодической чистки камеры сгорания котлов и дымовой трубы котельной;
– отводимые дымовые газы не имеют примесей серы и не разрушают металл дымовой трубы;
– эксплуатационные затраты на обслуживание газовых котельных также ниже, чем традиционных [1].
В современных условиях мероприятия, способствующие энергосбережению в системах теплоснабжения, можно условно разделить по месту их внедрения:
– на участке производства тепловой энергии (котельная или ТЭЦ);
– на участках транспортировки тепловой энергии потребителю (трубопроводы тепловых сетей);
– на участках потребления тепловой энергии (энергоснабжаемый объект).
Каждый из приведенных участков обладает характерными непроизводительными потерями, снижение которых и является основной функцией энергосбережения [2,3,4,5,6].
В качестве источников тепловой энергии используются тепловые электростанции (ТЭЦ) и котельные: районные, автономные, встроенные, крышные, поквартирные.
Наиболее выгодной является выработка тепловой энергии на ТЭЦ. Конденсационные станции (КЭС) используют только кинетическую энергию пара и вырабатывают только электрическую энергию, при этом ~50% тепла отработавшего пара выбрасывается с охлаждающей водой конденсатора через градирни в атмосферу. На ТЭЦ пар, вырабатываемый в котельных агрегатах, используется сначала для выработки электрической энергии, а затем отработавший пар более низких параметров направляется в теплообменники-подогреватели и нагревает сетевую воду для теплоснабжения зданий.
Тепловая энергия вырабатывается, как правило, путем использования органического топлива, при сжигании которого образуется и выбрасывается в воздушный бассейн целая гамма токсичных продуктов сгорания [7] , поэтому необходима разработка экологически эффективных систем для создания и поддержания требуемых параметров микроклимата.
Приоритетные загрязняющие вещества:
- бенз(а)пирен – канцерогенное вещество (1-й класс опасности);
- оксиды азота и серы, взвешенные вещества и сажа (3-й класс опасности);
- оксид углерода (4-й класс опасности).
Среднегодовое превышение гигиенических нормативов в крупных промышленных центрах (более 1 ПДК) наблюдается, в основном, по 2 веществам - бенз(а)пирену (162 города) и диоксиду азота (106 городов).
Средние за месяц концентрации бенз(а)пирена превышают 5 ПДК в 45 городах с населением 13,6 млн. человек.
Использование энергосберегающих технологий в котельных и ТЭЦ приводит к существенному снижению вредных выбросов в атмосферу [7] .
Рассмотрим мероприятия по энергосбережению в системе теплоснабжение собора св. А. Невского.
Теплота системы теплоснабжения расходуется на отопление, вентиляцию, кондиционирование воздуха и горячее водоснабжение зданий соборного комплекса.
Потребители соборного комплекса получают теплоту централизованно от Сормовской ТЭЦ.
Для распределения и регулирования теплоты в подвалах зданий запроектированы тепловые вводы, оснащённые современным оборудованием.
В тепловом вводе происходит обработка, распределение и снабжение тепловой энергии системы отопления здания. Качество работы оборудования теплового ввода зависит в основном от стабильности параметров теплоносителя в тепловых сетях. Даже незначительное отклонение этих параметров во многом влияет на температуру воздуха в отапливаемых помещениях. Неравномерное распределение потоков теплоносителя по направлениям колец системы отопления имеет прямое влияние на общий расход теплоты, так как невозможно точно поддерживать одинаковые температуры воздуха в угловых помещениях и помещениях, находящихся в центральной части здания. Это приводит к перерасходу тепловой энергии, и, как следствие увеличению расхода топлива на котельную, что приводит к увеличению вредных выбросов и ухудшению экологической обстановки.
Реконструкция теплового ввода собора святого А. Невского была вызвана необходимостью обеспечения теплотой построенного в 2004 г. автосалона «Автомобили Баварии» (в настоящее время это салон «Опель Шевроле»), расположенного на расстоянии 100 м. от собора. В результате расчетов гидравлического режима тепловых сетей МУП «Теплоэнерго» подводящий трубопровод тепловой сети к зданию собора был заменён на меньший диаметр (с диаметра 159х4,5 на 108х4,0). Для обеспечения требуемых параметров микроклимата была спроектирована независимая система подключения здания к тепловой сети. Независимая схема подключения здания к тепловым сетям характеризуется наличием двух контуров – внешнего (тепловая сеть) и внутреннего – система отопления.
Для сравнения приведём расчётные данные по сокращению экологического ущерба при экономии 1 МВт тепловой энергии.
На рисунках 1 - 6 представлены результаты расчета валового выброса вредных веществ на 1 МВт тепловой энергии. Проведен сравнительный анализ выброса при сжигании различных видов топлива:
- оксидов азота (NO и NO2 - см. рисунок 1, 2);
- оксида углерода (СО) и диоксида серы (SО2 – см. рисунок 3, 4);
- золы и бенз(а)пирена.
Рис.1 Валовый выброс NO2
Рис. 2 Валовый выброс NO
Рис. 3 Валовый выброс СО
Рис. 4 Валовый выброс SО2
Рис. 5 Валовый выброс золы
Рис. 6 Валовый выброс бенз(а)пирена
В результате анализа проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Использование природного газа в качестве топлива позволяет существенно сократить массу выброса вредных веществ в атмосферу воздуха.
2. Присоединение здания к тепловой сети по независимой схеме позволяет экономить электрическую энергию, потребляемую насосами в индивидуальном тепловом пункте.
3. Автоматическое регулирование потребляемой зданием тепловой энергии в соответствии с температурным графиком отпуска тепла и температурой наружного воздуха позволяет снизить теплопотребление до 20%.