Scientific journal

Modern high technologies

ISSN 1812-7320

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,940

Современные системы теплоснабжения имеют достаточно высокий уровень надежности, а с повсеместным внедрением высокоэффективных источников теплоснабжения, автоматизированных систем управления и др. существенно увеличилась и их энергетическая эффективность. При этом надежность и эффективность систем теплоснабжения напрямую зависит от надежности электроснабжения. В практике теплоснабжения населенных пунктов нередки случаи перебоев с электроснабжением как на короткий промежуток времени (2–3 часа), так и на длительный период (от 3 часов до нескольких дней). Наиболее известные из них отключения 15 ноября 2016 г. в Екатеринбурге, в ноябре-декабре 2015 г. в Крыму, а также в других странах мира. Учитывая, что в большинстве регионов России даже кратковременное прекращение подачи тепловой энергии может привести к серьезным последствиям, таким как замерзание теплоносителя, промерзание объектов теплоснабжения и др., то актуальность применения энергонезависимых систем теплоснабжения весьма актуальна для любого региона России.

Материалы и методы исследования

В данной работе на примере систем теплоснабжения Республики Мордовия поставлена цель проанализировать параметры работы энергонезависимых систем теплоснабжения. Для достижения цели поставлены задачи:

– оценка эффективности источников теплоснабжения;

– определение величины отклонения параметров их работы от нормативных значений.

Для этого выявили критерии [1, 2], по которым можно отнести систему теплоснабжения к энергонезависимой:

– наличие теплогенератора, который не использует электрическую энергию от внешних источников;

– циркуляция теплоносителя должна осуществляться за счет естественной конвекции;

В процессе анализа использования энергонезависимых систем теплоснабжения выяснилась их область применения – системы отопления, вентиляции и горячего водоснабжения одноэтажных (максимум двухэтажных) зданий различного назначения мощностью до 100 кВт. Чаще всего это частное домостроение. В промышленности процент их использования постоянно снижается, предприятия зачастую переходят на системы принудительной циркуляции за счет внедрения высокоэффективных насосных систем. Но в районах значительного удаления от крупных населенных пунктов, где происходят относительно частые перебои с электроснабжением, энергонезависимым системам теплоснабжения практически нет альтернативы.

Для оценки эффективности провели энергетическое обследование нескольких энергонезависимых систем теплоснабжения [3, 4] (оценка режимов работы с помощью газоанализатора Testo 340, измерение температур контактным термометром Testo и других параметров).

Результаты исследования и их обсуждение

Результаты анализа энергонезависимых котлов приведены в таблице.

Одним из наиболее важных параметров работы котлоагрегата является коэффициент избытка воздуха α, свидетельствующий об эффективности режимов работы. Все приведенные в анализе котлы работают на природном газе, для которого характерен коэффициент избытка воздуха (находится в пределах 1,05–1,2). Из таблицы видно, что диапазон данного коэффициента в обследуемых котлах находится в пределах от 1 до 5,08. Процентное соотношение по диапазонам коэффициента избытка воздуха приведено на рис. 1.

Рис. 1. Диапазоны измерения коэффициента избытка воздуха

Как видно из рис. 1, 32,26 % всех обследуемых котлов имеют значение коэффициента больше 2, что свидетельствует об низкой эффективности сгорания топлива, вследствие большого количества подаваемого воздуха на горение. Значительное количество теплоты выдувается из котла избыточным воздухом.

Следующий важнейший показатель работы котлоагрегата – температура уходящих газов. По этому показателю можно судить о коэффициенте теплопередачи в топке от дымовых газов к теплоносителю. Как видно из таблицы, температура уходящих газов колеблется в диапазоне 53,2–364,1 °С, когда его нормативное значение составляет 100–120 °С. Как правило, чем ниже температура, тем выше коэффициент теплопередачи топки и соответственно КПД котла. Процентное соотношение по диапазонам температуры уходящих газов приведено на рис. 2.

Как видно из рис. 2, температура уходящих газов в 51,61 % случаев превышает значение в 200 °С. Это свидетельствует о высоких потерях с уходящими газами q2. Считается, что при снижении на каждые 17–18 % КПД котла повышается на 1 % [5, 6].

Рис. 2. Диапазоны измерения температуры уходящих газов

По двум рассмотренным параметрам можно судить о величине потерь с уходящими газами котельного агрегата. Коэффициент избытка воздуха и температура уходящих газов влияют друг на друга особенно сильно в энергонезависимых системах, так как от температуры дымовых газов зависит величина тяги в дымоходе котла. Поэтому целесообразно рассмотреть распределение по диапазонам потери с уходящими газами q2 котлоагрегатов (рис. 3).

Рис. 3. Диапазоны измерения потерь с уходящими газами

Как видно из рис. 3, потери с уходящими газами в 41,94 % случаев превышают значение 15 %, тогда как минимальное значение для обследуемых энергонезависимых котлов 5,1 %. Далее необходимо рассмотреть потери с химической неполнотой сгорания топлива, которые характеризуются наличием в дымовых газах окиси углерода СО (рис. 4).

По наличию окиси углерода в дымовых газах судят о качестве сгорания топлива. Природный газ и воздух очень хорошо смешиваются и соответственно природный газ полностью сгорает. В дымовых газах котлов, работающих на природном газе, должна отсутствовать окись углерода во всех режимах работы. В случае наличия СО необходимо произвести режимную наладку котла. Так как тяга в дымоходе энергонезависимых котлов существенно зависит от температуры уходящих газов, то любые изменения температуры могут существенно влиять на коэффициент избытка воздуха. Как видно из рис. 4 в 16 % случаев содержание окиси углерода превышает 1000 ппм, что свидетельствует о крайне неэффективной их работе.

Рис. 4. Диапазоны измерения содержания окиси углерода в дымовых газах

Заключение

При анализе энергонезависимых систем теплоснабжения основное внимание было уделено работе котлоагрегатов, так как зачастую от их эффективной работы зависит эффективность всей системы в целом. Так, только 3,23 % обследуемых котлов работают при нормативном коэффициенте избытка воздуха 1,05–1,2. Значение коэффициента меньше 1 неминуемо приводит к увеличению СО в дымовых газах и, соответственно, к увеличению потерь с химической неполнотой сгорания, а значение больше нормативного приводит к увеличению потерь с уходящими газами.

Нормативное значение температуры уходящих газов составляет 100–120 °С, при уменьшении температуры начинается конденсация влаги в дымоходе и на поверхностях нагрева котла, что приводит к их коррозии и разрушению, тогда как увеличение температуры ведет к увеличению потерь с уходящими газами. Так нормативное значение температуры уходящих газов имеет лишь 9,68 % обследуемых котлов.

От коэффициента избытка воздуха и температуры уходящих газов зависят потери с уходящими газами. Так, значение меньше 5 % потерь имеют лишь 3,23 % котлов.

Нормативное значение содержания окиси углерода в уходящих газах равняется нулю. Лишь в 26 % котлов соответствуют данному значению. При этом удалось подтвердить зависимость содержания окиси углерода в дымовых газах от коэффициента избытка воздуха – при низких значениях коэффициента избытка воздуха неминуемо растет содержание СО. Но в обследуемых системах есть и исключения (таблица) при высоких значениях коэффициента избытка воздуха в дымовых газах все равно присутствует окись углерода, что свидетельствует о том, что большое количество воздуха приводит к частичному отрыву пламени и неполному сгоранию газа.

Как показали инструментальное энергетическое обследование и его анализ, значительное количество энергонезависимых систем теплоснабжения (41,94 %) имеют низкую эффективность (КПД ниже 85 %). Существует достаточно много способов повышения эффективности энергонезависимых систем теплоснабжения, такие как режимная наладка котлоагрегатов, утилизация теплоты уходящих газов [7, 8] и повышение эффективности транспортировки теплоносителя [9], при этом их применение зависит от конкретных условий эксплуатации системы теплоснабжения и показателей эффективности её работы.