HEAT DIAGRAM OF HEAT SUPPLY SOURCE WITH HEAT PUMPING UNIT USING MINE WATER
Rubrics: TECHNICAL SCIENCES
Authors:
1.
Donbas National Academy of Civil Engineering and Architecture
2.
Donbas National Academy of Civil Engineering and Architecture
3.
Donbas National Academy of Civil Engineering and Architecture
Type:
Article
Pages:
from 15
to 20
Status:
Published
Received:
10.10.2013
Accepted:
15.10.2013
Published:
15.10.2013
Subject area:
UDK 620.91(477)+797.34(477)
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 26.03 Общественно-политическая мысль
GRNTI 43.01 Общие вопросы естественных и точных наук
GRNTI 44.01 Общие вопросы энергетики
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 62.01 Общие вопросы биотехнологии
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 70.01 Общие вопросы водного хозяйства
GRNTI 73.34 Водный транспорт
BBK 31.388(4Укр)
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 26.03 Общественно-политическая мысль
GRNTI 43.01 Общие вопросы естественных и точных наук
GRNTI 44.01 Общие вопросы энергетики
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 62.01 Общие вопросы биотехнологии
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 70.01 Общие вопросы водного хозяйства
GRNTI 73.34 Водный транспорт
BBK 31.388(4Укр)
Language:
Russian
Keywords:
heat pumping unit, boiler, mine water, heat exchanger, temperature, heat supply
Abstract (English):
The power state of the fuel and heat generating sector of the Ukraine economy is analyzed, the aspects of state policy in the field of energy management in the near future are highlighted. The variants of the heat sources for the heat pumping units within their usage at mines are considered. A scheme for the introduction of heat pumping units, in particular for the heating systems at the mines to ensure the needs of the hot water supply to the needs of these enterprises is presented. The options of heat utilization of mine water pumped from the mines to heat the rooms of the administration building, of shaft facilities, support facilities and facilities of engineering services of the mine named after V. M. Bazhanov in Makeyevka, Donetsk region (Ukraine) are examined. 6 units Mayekawa Plus heat are suggested to use as heat pumping units; that allows to replace 20 % of the generated heat by using bivalent circuits of heat generation.
The power state of the fuel and heat generating sector of the Ukraine economy is analyzed, the aspects of state policy in the field of energy management in the near future are highlighted. The variants of the heat sources for the heat pumping units within their usage at mines are considered. A scheme for the introduction of heat pumping units, in particular for the heating systems at the mines to ensure the needs of the hot water supply to the needs of these enterprises is presented. The options of heat utilization of mine water pumped from the mines to heat the rooms of the administration building, of shaft facilities, support facilities and facilities of engineering services of the mine named after V. M. Bazhanov in Makeyevka, Donetsk region (Ukraine) are examined. 6 units Mayekawa Plus heat are suggested to use as heat pumping units; that allows to replace 20 % of the generated heat by using bivalent circuits of heat generation.
Keywords:
heat pumping unit, boiler, mine water, heat exchanger, temperature, heat supply
heat pumping unit, boiler, mine water, heat exchanger, temperature, heat supply
Введение Энергетическое состояние экономики страны характеризуется коэффициентом энергообеспеченности, который представляет собой отношение собственного производства энергоресурсов к их потреблению. Если коэффициент меньше единицы – страна удовлетворяет свои потребности за счет импорта энергоресурсов. Если коэффициент больше единицы – страна экспортирует энергоносители. В Украине коэффициент энергообеспеченности составляет 0,77. Именно поэтому, в связи с повышением цен на природный газ, вопрос о внедрении мероприятий, способствующих энергосбережению на объектах жилищно-коммунального хозяйства, приобретает особое значение. Согласно данным Министерства по вопросам жилищно-коммунального хозяйства, ежегодно коммунальная сфера Украины потребляет: электроэнергии – около 10,0 млрд кВт-ч, природного газа – около 14,0 млрд м3, угля – около 1,5 млн т. Следует отметить, что нетрадиционные и возобновляемые виды энергии составляют лишь 0,87 млн т у. т. Затраты топлива на одного украинца в год составляют 0,7…1,0 т у. т., в то время как в Европе этот показатель значительно меньше [1]. Коммунальная теплоэнергетика – основной потребитель природного газа в жилищно-коммунальной сфере. Она насчитывает 21 792 котельных, суммарная мощность которых составляет 296,1 млн ГДж/год, а присоединенная тепловая нагрузка – 205,8 млн ГДж/год. Отметим, что предприятия загружены лишь на 70 %, значительная часть котлов имеет КПД меньше 80 %, техника эксплуатируется свыше 20 лет и использование несовершенного и устаревшего котельного оборудования приводит к перерасходу топлива на 20 % относительно мирового уровня, к значительному загрязнению окружающей среды [1]. Министерством регионального развития, строительства и жилищно-коммунального хозяйства Украины разработана и утверждена «Отраслевая программа энергоэффективности и энергосбережения в жилищно-коммунальном хозяйстве». Цель программы – повышение эффективности использования и уменьшение потребления энергоресурсов жилищно-коммунальным комплексом, увеличение объемов и сферы применения нетрадиционных и возобновляемых источников энергии, использование инновационных технических, технологических, организационных решений, создание экономически привлекательных условий для инвестиционных проектов в сфере жилищно-коммунального хозяйства. Среди основных мероприятий, изложенных в Отраслевой программе и ориентированных на экономию энергоресурсов, целесообразно выделить использование местных видов топлива (уголь, торф, древесина и т. п.), а также привлечение нетрадиционных видов топлива, вторичных тепловых энергоресурсов. Одним из эффективных мероприятий, обеспечивающих экономию топлива в системах теплоснабжения с одновременной защитой окружающей среды, является преобразование энергии низкопотенциальных источников с помощью термотрансформаторов. Они являются основными агрегатами в составе как тепловых насосов, так и холодильных машин. Высокая энергетическая эффективность теплонасосных установок (ТНУ) обеспечила их широкое распространение в США и многих европейских странах. В Украине ТНУ, к сожалению, до настоящего времени широкого распространения не получили, хотя их численность возрастает. Для нашей страны, в зависимости от необходимости теплоснабжения различных объектов, установки должны иметь тепловую мощность от 5 кВт и выше. Недостаточный объем разработок и внедрения ТНУ в Украине должен быть восполнен в ближайшее время. Решения многих задач в этой области могут быть найдены путем использования возобновляемых низкопотенциальных источников энергии, вторичных энергоресурсов. В большинстве случаев это требует значительных капитальных затрат, причем применение источников, использующих энергию солнца, ветра, моря, сдерживается слабой материально-технической базой. Использование тепловых насосов только для целей отопления ограничивает их возможности. Комплексная ТНУ позволяет с помощью одного агрегата, а также соответствующих систем управления и регулирования обеспечить выполнение необходимых требований к микроклимату и создать комфортные условия пребывания человека в любых помещениях. С ее помощью решаются следующие задачи: - отопление помещений с дифференциацией температуры в них; - поддержание установленной температуры воды в сети горячего водоснабжения; - охлаждение помещений в жаркий период; - нагрев или охлаждение отдельных объектов (бассейн, оранжерея, зимний сад, искусственный каток и др.). Для тепловых насосов, работающих вне крупных предприятий, городов, первостепенный интерес представляют возобновляемые природные источники низкопотенциальной теплоты. В районах с малой плотностью застройки, сельской местности они являются фактически единственными ресурсами для обеспечения работы ТНУ в течение длительного периода. Сравнение и сопоставительный анализ возможных источников теплоты для ТНУ обычно осуществляется с учетом плотности отводимого потока энергии, стабильности этих источников, возможностей их практического использования. Вода пресноводных водоемов представляет мощный и относительно стабильный источник низкопотенциальной теплоты. Наружный воздух может быть использован в качестве основного источника теплоты в большинстве регионов Украины, с учетом климата, лишь при наличии дополнительных источников либо резервных средств отопления. Температура грунтовых вод незначительно изменяется в течение года и обычно лежит в пределах от +4 до +14 °С в зависимости от глубины расположения водоносных слоев. Этот источник низкопотенциальной теплоты, однако, требует предварительного бурения скважин для забора грунтовых вод, а также их обратной закачки [2, 3]. Значительный интерес в качестве источника теплоты представляют шахтные воды, т. е. воды, откачиваемые из шахты с целью предотвращения затопления выработок при добыче угля. Одной из особенностей Донецкого региона является значительный дебет таких вод. Поскольку их температура при подаче на поверхность лежит в диапазоне +10…+25 °С, они представляют интерес как источник теплоты значительно более высокого потенциала, чем вышеупомянутые грунтовые воды небольших глубин залегания. Другим их достоинством и несомненным преимуществом является возможность размещения теплообменников не в грунте (на значительных глубинах и при существенных площадях, занимаемых развитыми трубными коллекторами), а на поверхности земли в непосредственной близости от ТНУ [2, 3]. Кроме того, затраты энергии на прокачку теплоносителей через эти теплообменники сравнительно невелики и существенно меньше, чем при обеспечении циркуляции теплоносителя в упомянутых трубных коллекторах. Такой источник низкопотенциальной теплоты, в отсутствие близлежащих водоемов, является наиболее предпочтительным для обеспечения потребителей теплоносителем с помощью ТНУ. Сложность состоит в том, что возможная тепловая мощность ТНУ в этом случае ограничивается дебетом откачиваемой воды и ее температурой. Нами в качестве примера изучены перспективы и разработана схема построения ТНУ с использованием теплоты откачиваемых шахтных вод на шахте им. В. М. Бажанова г. Макеевки. Шахта им. В. М. Бажанова расположена в северной части г. Макеевки. Расход откачиваемой воды составляет 3 000 м3 в сутки, температура откачиваемой воды – 19 °С. В настоящее время на территории шахты функционируют и являются потребителями местной системы теплоснабжения следующие здания столовой, административно-бытового комбината (админбыткомбината), инженерных и вспомогательно-складских помещений, гаражи, два клетевых и два скиповых ствола. В качестве задачи расчета поставлена реконструкция существующей котельной с шестью котлами ДКВР 10-15, два из которых работают на твердом топливе на неполную установленную мощность, имея низкий КПД и выработанный морально-материальный ресурс. В качестве рекомендуемых к установке теплогенераторов предлагаются современные котлоагрегаты, использующие в качестве топлива дегазационный продукт. К установке предлагаются также тепловые насосы Mayekawa Plus heat, использующие теплоту шахтной воды. Целесообразной является реконструкция существующей системы теплоснабжения, что позволит наиболее экономично и целесообразно использовать топливно-энергетические ресурсы. Полагая, что эту воду можно охладить до +4 °С в испарителе ТНУ, получаем тепловую мощность источника около 2 150 кВт. Приняв ориентировочно КПД ТНУ равным 3, получаем значение ее тепловой мощности около 3 200 кВт. Этой теплоты достаточно для обеспечения горячего водоснабжения всех потребителей шахты (админбыткомбинат и столовая). В качестве ТНУ предлагается использовать 6 агрегатов Mayekawa Plus heat с номинальной тепловой мощностью 523 кВт при параметрах теплоносителя 85/40 °С. Три из них обеспечивают работу сети горячего водоснабжения с температурой воды до +65 °С, два – работу прачечной с температурой воды до +90 °С, один является резервным для обеспечения горячей водой в пиковые периоды (окончание смены, обеденный перерыв, период приготовления пищи и т. п.). Расчетная тепловая мощность на отопление, Вт, определяется по следующей формуле: где q0 – удельная характеристика зданий постройки после 1958 г., Вт/(м3∙°С∙ч), рассчитываемая по формуле где – доля остекления стен; А; S – площадь соответственно наружных стен и здания в плане, м2; Vн – наружный объем зданий, м3; tвн – температура внутреннего воздуха в помещении, °С, принимается равной tвн = 20 °С; tно – расчетная отопительная температура наружного воздуха, °С, принимается tно= –22 °С; η – поправочный коэффициент для зданий шахты, принимается в зависимости от tно по [4, табл. 1.8], η = 1,12. Результаты расчетов сведены в таблицу. Горячее водоснабжение админбыткомбината осуществляется с использованием пластинчатых водоподогревателей, установленных в теплопункте. Расчетные тепловые мощности Группа объектов Расчетный тепловой поток на отопление Q, кВт Админбыткомбинат и столовая 755,7 Помещения инженерных служб 451,6 Вспомогательные помещения 468 Помещения шахтных стволов 667,3 Итого 2 343 Расчетные тепловые потоки на нужды горячего водоснабжения и вентиляции составляют соответственно 1 847 и 11 524 кВт. Расчет тепловой схемы турбогенераторной установки (ТГУ) с ТНУ произведен по известной методике, приведенной в технической литературе. По результатам расчета тепловой схемы максимальная тепловая нагрузка ТГУ составляет Qт = 15,765 МВт (рис. 1). Рис. 1. Годовой график потребления теплоты Для выработки теплоты в таком количестве принимаются к установке 2 теплогенератора REX-600 номинальной теплопроизводительностью 6,2 МВт и один теплогенератор REX-400 номинальной теплопроизводительностью 4 МВт. В качестве топлива для котлов используется местное топливо – шахтный метан. Для частичного покрытия тепловой нагрузки с целью утилизации бросовой теплоты шахтной воды принимаются к установке 6 тепловых насосов Mayekawa Plus heat тепловой мощностью 523 кВт и общей установленной тепловой мощностью 3 138 кВт. Доля покрытия тепловой нагрузки с помощью ТНУ за счет теплоты шахтной воды представлена на годовом графике потребления теплоты шахтой. Разработанная нами бивалентная схема ТНУ, работающая на теплоте шахтных вод, откачиваемых на шахте им. В. М. Бажанова, органично вписывается в тепловую схему системы теплоснабжения шахты (рис. 2). На схеме приняты следующие обозначения: В1 – хозяйственно-питьевой водопровод; В3 – трубопроводы химочищенной воды; В9 – подземная шахтная вода; Т1 – контур теплогенератора; Т2 – контур системы теплоснабжения; Т3 – промежуточный контур с тепловым насосом; Х – контур циркуляции хладагента. Рис. 2. Бивалентная тепловая схема ТНУ: 1 – теплогенератор на органическом топливе; 2 – испаритель и конденсатор ТНУ; 3 – теплообменники промежуточных контуров; 4 – система химводоочистки; 5 – бак запаса химочищенной воды; 6 – насосные группы подпиточных насосов; 7 – насосные группы циркуляционных насосов; 8 – шахтный ствол; 9 – емкость запаса и предварительного осветления шахтной воды; 10 – шламовый насос для удаления ила; 11 – насос подачи шахтной воды; 12 – аппарат электромагнитной обработки воды Анализ расчетов и построенного по ним годового графика потребления теплоты позволяет заключить, что с помощью бросового тепла – теплоты шахтных вод – можно покрывать до 20 % от общей тепловой нагрузки шахты в самый холодный период года. Следует подчеркнуть, что в масштабах всех шахт хотя бы только Донбасса экономия топливно-энергетических ресурсов может быть весьма значительной. Заключение Предложенная ТНУ может быть использована для охлаждения помещений предприятия в жаркий период года, т. е. приведенная тепловая схема может быть дополнена схемой централизованного кондиционирования зданий шахты. Предложенная тепловая схема с ТНУ для использования теплоты шахтных вод, кроме того, позволяет использовать местные виды топлива, а именно – шахтный метан.
1. Analіz regulyatornogo vplivu do proektu Zakonu Ukraїni «Pro vnesennya zmіn do Zakonu Ukraїni «Pro elektroenergetiku» [Elektronnyy resurs]: http://www.mpe.kmu.gov.ua/fuel/doccatalog /document?id= 157299.
2. Vibornov D. V. Shahtniy vodovіdliv - dzherelo teplovoї energії / D. V. Vibornov // Vіsn. DonNABA «Іnzhenernі sistemi ta tehnogenna bezpeka». 2011. № 5 (91). S. 98-105.
3. Denisova A. E. Model' kompleksnoy al'ternativnoy sistemy teplosnabzheniya / A. E. Denisova, A. S. Mazurenko, Yu. K. Todorcev // Ekotehnologii i resursosberezhenie. 2000. № 5. S. 8-12.
4. Manyuk V. I. Naladka i ekspluataciya vodyanyh teplovyh setey / V. I. Manyuk, Ya. I. Kaplinskiy, E. B. Hizh, A. I. Manyuk, V. K. Il'in: Spravochnik. M.: Stroyzdat, 1988. 432 s.
