Гуменников А. А., аспирант Руководители: Варфоломеева О. И., канд. техн. наук, доцент, Хворенков Д. А., ст. преподаватель ГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет»

Мазутные хозяйства являются одним из самых энергозатратных технологических циклов котельных установок и тепловых электростанций. Причиной этого являются существенные затраты тепла на поддержание требуемой вязкости топлива в течение года для всех операций при его хранении и использовании, а так же высокие затраты электроэнергии на привод насосов различного назначения. Снизить эти затраты путем уменьшения количества хранимого топлива не возможно, т.к. минимальное количество жидкого топлива, которое должно храниться в резервуарах-хранилищах, зависит от мощности котельной, способа доставки топлива и регламентируется. Поэтому, доступными путями снижения эксплуатационных затрат складов жидкого топлива теплогенерирующих установок являются грамотное выполнение проектных работ и повышение технического уровня их эксплуатации. 2

Одной из основных проблем, возникающих при проектировании складов жидкого топлива в котельных и на тепловых станциях, является расчет теплопотерь от резервуаров-хранилищ жидкого топлива. Методика расчета теплопотерь от резервуаров по укрупненным показателям является упрощенной и не учитывает все особенности процесса разогрева жидкого топлива при его хранении, особенно для подземных и полуподземных резервуаров. Расчет теплопотерь на основе закона Фурье и критериальных уравнений достаточно трудоемкий, поэтому требует привлечения компьютерной техники для его проведения. Поэтому, актуальной является численная реализация методики теплового расчета резервуаров с топливом, учитывающая все особенности процесса разогрева топлива при его хранении. 3

Рекомендации по использованию результатов работы: разработанный пакет прикладных программ полезен для проектных организаций, проведения расчетов при проектировании и эксплуатации в различных режимах мазутных хозяйств; результаты позволяют сформулировать рекомендации по температурным режимам хранения топлива, обеспечивающие минимум эксплуатационных затрат; Апробация работы: медаль «За лучшую научную работу» в номинации «Энергосберегающие технологии» в открытом конкурсе на лучшую студенческую работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам в высших учебных заведениях Российской Федерации, приказ министерства образования и науки Российской Федерации от 27 мая 2010 г результаты проведенной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» 9-15 декабря 2008 г., ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ». Работа отмечена дипломами первой степени и грамотой на выставках-сессиях инновационных проектов ИжГТУ, проходивших ноября 2008 г., апреля 2009 г. и октября 2009 г. 4

Математическая модель теплового расчета систем циркуляционного подогрева мазута в резервуарах Уравнение теплопередачи Коэффициент теплопередачи Коэффициент теплоотдачи от мазута к вертикальной стенке резервуаров при (ламинарный режим) при (турбулентный режим) Коэффициент теплоотдачи от стенки резервуара к воздуху Коэффициент теплоотдачи от стенки резервуара к грунту 5

Коэффициент теплоотдачи от мазута к днищу резервуара Коэффициент теплоотдачи от «зеркала» мазута в газовое пространство резервуара при Количество циркулирующего мазута Удельные гидравлические потери в мазутопроводе Мощность циркуляционного насоса 6

Определение оптимальной температуры хранения топлива в основных резервуарах мазутных хозяйств Разогрев при хранении жидкого топлива котельных и тепловых станций является энергоемким процессом, поэтому, при выборе температуры хранения, должны учитываться как теплопотери от резервуара с топливом, так и электроэнергия, расходуемая на привод циркуляционного насоса. Рассматривается циркуляционный способ разогрева топлива в основных резервуарах мазутных хозяйств. В рекомендациях по проектированию мазутных хозяйств приведен диапазон температур хранения топлива в основных резервуарах. Например, для мазута М100 диапазон температур хранения составляет 60 80°С. Выбор этой температуры не должен быть формальным. В диапазоне температур 20°С существенно изменяются теплопотери от резервуара в окружающую среду и вязкость мазута, которая влияет на гидравлические потери и, соответственно, на требуемый напор циркуляционного насоса. Выполняется оптимизация средней температуры хранения топлива по двум параметрам: затраты на компенсацию тепловых потерь от резервуара с мазутом в окружающую среду и на привод циркуляционного насоса. Расчет оптимальной температуры хранения производятся для мазута марки М100 в резервуаре объемом 100 м 3 и климатических условий г. Ижевска. На первом этапе определяются потери теплоты в окружающую среду от резервуара. Диапазон изменения температуры наружного воздуха t н от -40 до +20 °С, а температуры мазута t м от 60 до 80 °С. На втором этапе вычисляются потери давления в мазутопроводах циркуляции и определяется необходимая мощность циркуляционного насоса и затраты на привод насоса. Расчет проводится в диапазоне изменения температуры мазута от 60 до 80 °С. Исходя из существующих тарифов на электроэнергию и тепловую энергию был построен двухпараметрический график суммарных затрат на компенсацию теплопотерь от резервуара с мазутом и на привод циркуляционного насоса 7

Результаты расчета Теплопотери от резервуара Необходимая мощность циркуляционного насоса Суммарные затраты за месяц на подогреем мазута и привод циркуляционного насоса 8

Результаты исследования разработан пакет прикладных программ для расчета теплопотерь и затрат теплоты на нагрев топлива для резервуаров-хранилищ различной конструкции, в том числе для надземных, подземных и полуподземных; выполнена серия расчетов для определения теплопотерь от резервуара объемом 100 м 3 при различных температурах наружного воздуха и топлива и гидравлических потерь в трубопроводах циркуляции мазута в зависимости от его температуры. обнаружено, что выбранной системы циркуляционного подогрева при нерациональном выборе температуры хранения суммарные затраты на теплопотери и привод насоса в диапазоне рекомендуемых температур хранения топлива могут отличаться для данного резервуара в 2-2,5 раза. в каждом конкретном случае оптимизация температуры хранения топлива должна проводиться индивидуально, т. к. на ее выбор в основном влияют климатические условия, протяженность мазутопроводов циркуляции, объем резервуара. 9

Оптимизация схемы циркуляционного разогрева жидкого топлива в мазутных хозяйствах котельных установок Хранение жидкого топлива в основных резервуарах мазутных хозяйств котельных установок требует поддержания температуры, при которой возможно перемещение топлива по трубопроводам. При снижении температуры хранения топлива, увеличиваются гидравлические потери в обратном трубопроводе, что приводит к возрастанию затрат на привод циркуляционного насоса. При повышении температуры хранения возрастают тепловые потери от резервуаров в окружающую среду. Уменьшить гидравлические потери в обратном трубопроводе без повышения температуры хранения и, тем самым снизить затраты на привод насоса без увеличения теплопотерь от резервуара, возможно путем устройства обводной линии в схеме циркуляционного разогрева топлива. Схема работает следующим образом. Циркуляционным насосом 4 мазут из резервуара подается в теплообменник 1, после которого нагретый мазут поступает по подающему трубопроводу 2 и 3 в резервуар 6. Перед резервуаром предусмотрена обводная линия, по которой часть нагретого топлива отводится помимо резервуара. Расход обеспечивает компенсацию теплопотерь от резервуара в окружающую среду. На выходе из резервуара температура мазута равна температуре хранения. Смешение потоков холодного мазута из резервуара и разогретого мазута, поступающего по обводному мазутопроводу, после регулятора расхода 7 позволяет уменьшить гидравлические потери по сравнению с классической схемой циркуляционного разогрева за счет увеличения температуры в обратном мазутопроводе. В зависимости от выбранной температуры хранения контроллер изменяет расход регулятором расхода 7 и температуру в подающем мазутопроводе с помощью регулятора 5. 10

Классическая схема циркуляционного разогрева мазута 1 – теплообменник, 2, 3 – подающий трубопровод, 4 – циркуляционный насос, 5 – регулятор расхода теплоносителя, 6 – резервуар с мазутом. Циркуляционная схема разогрева мазута с обводной линией 1 – теплообменник, 2, 3 – подающий трубопровод, 4 – циркуляционный насос, 5 – регулятор расхода теплоносителя, 6 – резервуар с мазутом, 7 – регулятор расхода, 8 – обводная линия. 11

Необходимая мощность циркуляционного насоса для компенсации гидравлических потерь для классической схемы разогрева мазута Необходимая мощность циркуляционного насоса для компенсации гидравлических потерь для схемы с обводной линией График зависимости годовых затрат на хранение мазута в зависимости от температуры хранения мазута График зависимости годовых затрат на хранение мазута в зависимости от температуры хранения и температуры в обратном трубопроводе 12

В случае классической схемы, не смотря на то, что при низких температурах топлива в резервуаре, теплопотери снижаются, общие эксплуатационные затраты резко возрастают за счет увеличения гидравлического сопротивления наружных мазутопроводов, и, следовательно роста затрат на привод циркуляционного насоса. Схема с обводной линией позволяет снизить эксплуатационные затраты, включающие в себя затраты на привод насоса и на компенсацию теплопотерь при хранении топлива во всем диапазоне температур хранения топлива. При этом, рост суммарных эксплуатационных затрат при увеличении температуры хранения топлива в резервуаре, происходит только за счет увеличения теплопотерь в окружающую среду. При снижении температуры хранения топлива, возрастания затрат на привод циркуляционного насоса не происходит из за поддержания высокой температуры в обратном трубопроводе после резервуара за счет подмеса разогретого топлива из подающего трубопровода. Схема с обводной линией эффективна и при достаточно высоких температурах хранения. Так, например, для температуры хранения 80 °С схема с обводной линией позволяет снизить эксплуатационные затраты на 52%, а при 60 °С – на 68%. Так же схема с обводной линией позволяет хранить мазут и при достаточно низких температурах °С, что невозможно при классической схеме. График зависимости годовых затрат в зависимости от температуры топлива в резервуаре 13

Эффективность и техническая возможность холодного хранения мазута Рассматривается «холодный» способ хранения. В 1 резервуаре поддерживается температура мазута 80 °С, а в остальных 30 °С. Для поддержания температуры мазута в резервуаре используется циркуляционная схема. При переходе котельной на резервное топливо в процессе использования мазута из первого резервуара будет разогреваться мазут во втором резервуаре, а при использовании мазута из второй емкости будет разогреваться 3 резервуар. Т.к. весь запас резервного топлива рассчитан на 10 суток, то время использования одного резервуара составит 80 ч. За это время необходимо разогреть мазут в следующем резервуаре для бесперебойной работы котельной. Для определения времени разогрева мазута в резервуаре рассмотрим резервуар с мазутом марки М 100. Климатические условия принимаются для г. Ижевск (температура наиболее холодной пятидневки -34 °С). Примем следующие основные допущения : – время тепловой релаксации вследствие быстрого перемешивания мазута в резервуаре много меньше рассматриваемых промежутков времени, в течение которых происходит существенное изменение температуры мазута, т. е. температура мазута в резервуаре является функцией времени и не зависит от объема. – теплофизические характеристика мазута являются функцией его температуры. Решается система из уравнений: Количество тепла, поступающее с мазутом: Количество тепла, уходящее с мазутом: Количество тепла для компенсации тепловых потерь за период времени составит: Количество тепла на нагрев мазута: Т. к., то за период времени температура мазута изменится на: Задаваясь расходами 0,2, 0,5, 0,6 кг/с и температурой греющего мазута 110, 120 и 130 °С определяем время разогрева мазута в резервуаре от температуры хранения 30 °С до 80 °С 14

По данным рисунков видно, что при расходе циркулирующего мазута 0,4 и 0,6 кг/с и его температуре от 110 до 130 °С обеспечивается бесперебойная работа котельной, т.к. топливо в резервуаре успевает разогреваться до требуемых температур. За год обслуживания 1 резервуара при температуре мазута 30 °С для поддержания температуры мазута в резервуаре необходимо 8,494 Гкал тепла, а при температуре 80 °С – 25,91 Гкал. Использование схемы, в которой в один из резервуаров поддерживается необходимая температура, а в остальных минимально допустимая, затраты на эксплуатацию мазутного хозяйства сократить на 40 %, а если не было сбоя в подаче основного топлива и перехода на резервное, то на 67 %. При этом обеспечивается бесперебойная работа котельной. 15

Заключение В работе описана математическая модель для расчета тепловых потерь от резервуаров с мазутом. На основе данной модели составлена программа в Pascal, позволяющая рассчитывать теплопотери для резервуаров-хранилищ различной конструкции, в том числе для надземных, подземных и полуподземных. Определены основные параметры оптимизации температуры хранения для циркуляционной схемы разогрева. При нерациональном выборе температуры хранения суммарные затраты на компенсацию теплопотерь и привод циркуляционного насоса в диапазоне рекомендуемых температур хранения топлива могут отличаться для данного резервуара в 2,3 раза. Так в рассмотренном примере суммарные затраты при температуре хранения мазута 60 °С на 50 % больше чем при температуре 80 °С. В каждом конкретном случае оптимизация температуры хранения топлива должна проводиться индивидуально, т. к. на ее выбор в основном влияют климатические условия, протяженность мазутопроводов циркуляции, объем резервуара. Разработана и численно реализована методика расчета схемы с обводной линией, в основе которой лежат уравнения неразрывности и теплового баланса. Предложенная схема с обводной линией позволяет сократить затраты на хранение мазута, т. к. часть тепла идет на подогрев мазута в обратном мазутопроводе, что не ведет к увеличению гидравлических потерь. Так при температуре хранения мазута в резервуаре 80 °С годовые затраты при классической схеме составляют 39,1 тыс. рублей, а при схеме с обводной линией 28,9 тыс. рублей. При переходе на холодное хранение с температурой мазута 40 °С затраты при классической схеме составляют 302,3 тыс. рублей, а при схеме с обводной линией 20,8 тыс. рублей. Схема с обводной линией позволяет сократить затраты на хранение мазута в районе рекомендуемых температур (60-80 °С) на 26-48% и хранить мазут при низких температурах °С. Полученные результаты показывают, что применение данной схемы позволяет оптимизировать затраты на привод насоса, при использовании циркуляционной схемы разогрева, и поддержание температуры мазута в резервуаре на уровне, позволяющем при необходимости его подачи к котельным агрегатам на сжигание. Использование схемы с обводной линией целесообразно в мазутных хозяйствах с протяженными мазутопроводами и при холодном хранении мазута. Рассчитана и доказана возможность хранения мазута при пониженных температурах °С. Использование схемы, в которой в один из резервуаров поддерживается необходимая температура, а в остальных минимально допустимая, затраты на эксплуатацию мазутного хозяйства можно сократить на 40 %, а если не было сбоя в подаче основного топлива и перехода на резервное, то экономия составляет 67 %. 16