Введение
Ранее основными источниками энергии, работающими с использованием органического топлива, были мощные тепловые электростанции или ТЭЦ. С учетом происходящих в последнее время процессов децентрализации, а также необходимости надежного энергоснабжения удаленных потребителей, большое место при планировании развития топливно-энергетического комплекса России начинает уделяться объектам малой энергетики. Объекты малой энергетики, производящие энергию в непосредственной близости от потребителей, в этом аспекте являются оптимальным решением и позволяют решить проблемы с энергообеспечением на различных уровнях. Наиболее экономически выгодным, с учетом транспортных расходов и доступности, при эксплуатации малых или мини ТЭС по-прежнему будет являться использование твердого органического топлива, в т.ч. и местных видов. Конкурентоспособность нового топлива при нехватке и дороговизне мазута и газа будет обеспечена, если на рынке появится топливо, позволяющее уменьшить издержки его приобретения и использования, удобство его использования при минимальных капитальных затратах у потребителя [3, 4].
Согласно «Энергетической стратегии России на период до 2030 года», основную часть электроэнергии планируется по-прежнему получать за счет выработки ее на тепловых электростанциях [10]. При этом при производстве электроэнергии в нашей стране на конец 2010 года доля природного газа составила 49,8 %, а угля – 22,3 %.
Для решения вышеуказанной проблемы весьма перспективны проводимые как в России, так и за рубежом работы по технологии получения и использования водоугольной суспензии (ВУС), ведь такие суспензии обладают рядом преимуществ, свойственных жидким горючим веществам. Угольные суспензии предназначены заменить традиционное энергетическое топливо – уголь в ТЭС и котельных с пылевидным и слоевым способами его сжигания; мазута в ТЭС и котельных; в установках комбинированного парогазового цикла [9]. В технологическом аспекте представляется перспективным транспортирование данного вида топлива в ламинарном режиме и сжигание его без обезвоживания [6].
Исследования в области использования водоугольных суспензий (водоугольных топлив) в настоящее время проводятся достаточно активно. В то же время существующие инженерные методики и методы расчета гидротранспорта ВУС на промышленных котельных и ТЭС не учитывают режимы работы и взаимное расположение оборудования, что не позволяют с достаточной степенью точности определить затраты энергии на транспортировку ВУС. Создаваемый алгоритм расчета и проектирования технологических схем систем трубопроводного транспорта суспензий предусматривает мероприятия по повышению показателей стабильности суспензии, позволит провести оценку эффективности разрабатываемых схем с учетом гидродинамических особенностей движения суспензии, а также даст возможность оценки технологической возможности использования отечественного оборудования. Использование результатов исследований, представленных в работе [5], а также обобщение и использование экспериментальных данных ученых, работы которых посвящены исследованию трубопроводного транспорта ВУС [1, 2, 7, 8], позволяет разработать безопасные и экономичные режимы эксплуатации трубопроводного транспорта, что даст возможность повысить их надежность, экономичность, долговечность и снизить материалоемкость.
В данной статье представлен разработанный авторами алгоритм расчета систем гидротранспорта ВУС.
Алгоритм расчета и проектирования
Для разработки технологических схем транспортирования и подготовки ВУС предлагается использовать алгоритм, представленный в виде блок-схемы на рисунке 1. Ниже приведена краткая характеристика основных блоков алгоритма.
I. Анализ выбранного объекта (промышленное предприятие, жилой микрорайон и т.д.) и определение исходных данных.
В качестве исходных данных для расчета технологических схем гидротранспорта ВУС используется целый комплекс характеристик, некоторые из которых приведены ниже:
1. Тип и количество котлов, установленных на объекте промышленной теплоэнергетики – станции или котельной (далее по тексту – объект).
2. Номинальный расход топлива на котел, суммарное потребление всех котлов.
3. Количество, тип и производительность подогревателей, установленных на один резервуар.
4. Температура окружающей среды для зимы и для лета.
II. Принятие решения о строительстве или модернизации существующего объекта. Принятие решения о суммарной производительности по ВУС для каждого котла и объекта в целом. Определение (принятие) значений влажности, температуры и давления ВУС, которые необходимо обеспечить перед подачей в горелки (форсунки) котлов.
Рисунок 1. Алгоритм расчета систем гидротранспорта ВУС
III. Выбор из существующей классификации способов конкретной схемы приготовления, транспортирования, хранения и подготовки к сжиганию ВУС. При этом необходимо учитывать месторасположение объекта, исходя из того, какая схема подготовки ВУС будет применяться (централизованная или индивидуальная). В случае централизованного способа приготовления ВУС, процессы измельчения и смешения осуществляются в установках большой мощности на отдельном предприятии, и далее готовое топливо транспортируется по трубопроводам непосредственным потребителям. Такой способ может быть выбран для объектов, расположенных в условиях плотной застройки, при которой нет возможности размещения на своей территории дополнительного оборудования. При индивидуальном способе ВУС готовится непосредственно на объекте в установках, мощность которого достаточна, для обеспечения потребностей установленных котлов.
IV. С учетом выбранного способа подготовки и доставки ВУС производится разработка плана размещения системы гидротранспорта ВУС на территории объекта с учетом месторасположения резервуаров хранения и трассы. Следует учитывать рельеф местности, все повороты и разветвления, оценить места установки запорной, регулирующей и предохранительной арматуры, иметь данные о характерных высотах трассы и горелках котлов. После этого производится предварительный подбор оборудования по каталогам и рекомендациям. Наилучшая последовательность подбора всего комплекса оборудования заключается в движении по технологической схеме от горелок к резервуарам хранения. Считая такие основные характеристики, как расход, давление и температуру ВУС перед подачей в горелки (форсунки) в качестве начальных параметров технологической схемы и двигаясь по ней, производится подбор основного оборудования системы топливоподачи и подготовки ВУС. Это, в первую очередь, насосы и подогреватели ВУС, которые обеспечивают гидравлический и температурный режимы работы схемы.
V. Далее производится гидравлический расчет пульпопроводов. При централизованном производстве ВУС расчет производится как для магистральных, так и для «внутренних» пульпопроводов.
VI. Для магистральных пульпопроводов выбирается способ изоляции магистральных пульпопроводов и производится тепловой расчет, исходя из условия необходимости обеспечения транспортирования ВУС в зимний период и поддержания при этом ее эксплуатационных параметров.
VII. После предварительного расчета основных характеристик магистральных трубопроводов осуществляется проверка подобранного оборудования и разработка подробной технологической схемы системы гидротранспорта ВУС, с учетом данных расчета «внутренних» пульпопроводов.
VIII. После гидравлического расчета «внутренних» пульпопроводов оценивается необходимость предварительной подготовки ВУТ перед подачей на котлы, сравнивая параметры ВУС на выходе из пульпопровода и необходимые параметры ВУС перед подачей в горелки (форсунки). Если такой необходимости нет, производится проверка подобранного оборудования и разработка подробной технологической схемы системы гидротранспорта ВУС.
IX. При необходимости предварительной подготовки ВУС перед подачей на котлы производится расчет участка нагрева ВУС. Для этого производится предварительный подбор теплообменного оборудования с его последующим поверочным расчетом, исходя из условия обеспечения номинальных требуемых параметров системы топливоснабжения (температура, расход).
В связи с тем, что используемые на сегодняшний день теплообменники могут иметь ряд недостатков в случае нагрева ВУС: значительные габариты, высокая металлоемкость, низкие значения коэффициентов теплоотдачи со стороны ВУС, может встать вопрос о необходимости интенсификации теплообмена с учетом существующей информации о последних научно-технических достижениях в этой области. Так как технических решений по интенсификации теплообмена существует большое количество, в данной работе они не приводятся. Для выбора того или иного способа интенсификации требуется проведение соответствующих расчетов, желательно с подкреплением данных результатами экспериментальных исследований.
X. Одним из наиболее ответственных этапов проектирования является этап оценки эффективности и затрат энергии всей системы подготовки и гидротранспорта ВУС. В результате проведенных ранее теплового и гидродинамических расчетов элементов и самой технологической схемы можно оценить эффективность того или иного участка схемы с соответствующим комплектом оборудования. Для серийного оборудования с низкими значениями КПД, с большими удельными затратами энергии на этом этапе проектирования должно приниматься техническое решение о его модернизации или о выборе нового, более эффективного и занимающего в общем объеме подводимой энергии меньшую долю. Работы производятся по критериям эффективности, после чего принимается решение об изменении конструкции теплообменника и его последующем конструктивном расчете.
XI. Следующим этапом технико-экономический расчет системы гидротранспорта ВУС с определением сроков окупаемости капитальных вложений.
Заключение
Разработанный алгоритм расчета и проектирования технологических схем систем трубопроводного транспорта водоугольных суспензий предусматривает мероприятия по повышению показателей стабильности суспензии, позволяющие провести оценку эффективности разрабатываемых схем с учетом гидродинамических особенностей движения суспензии, а также дает возможность оценки технологической возможности использования отечественного оборудования.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (соглашение 14.132.21.1756 в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 годы) и Российского фонда фундаментальных исследований (грант №12-08-97055-р_поволжье_а).
Рецензенты:
Николаев Андрей Николаевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет», г. Казань.
Кирпичников Александр Петрович, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой ИСУИР Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет», г. Казань.