WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

ДИРЕКТОР Леонид Бенцианович

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ И МЕТОДЫ ИХ РЕАЛИЗАЦИИ

05.14.01 – энергетические системы и комплексы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва – 2008

Работа выполнена в Объединенном институте высоких температур РАН.

Научный консультант: член-корреспондент РАН, профессор Шпильрайн Э.Э.

Официальные оппоненты: доктор технических наук Зейгарник Ю.А.

доктор технических наук, профессор Сергиевский Э.Д.

член-корреспондент РАН Филиппов С.П.

Ведущая организация: Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

Защита состоится «__»________2008 г. в ____ часов на заседании диссертационного совета Д 002.110.03 по специальности 05.14.01 «Энергетические системы и комплексы» по адресу: 125412, Москва, ул. Ижорская 13, стр. 2, Объединенный институт высоких температур РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИВТ РАН.

Автореферат разослан «____»____________ 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук Вараксин А.Ю.

© Объединенный институт высоких температур РАН, 20ВВЕДЕНИЕ Сложное положение экономики России, в котором оказалась и отечественная энергетика, в ближайшем будущем может привести к глубокому энергетическому кризису, который сведет на нет все усилия по реформированию экономики, остановит намечающиеся тенденции в оживлении промышленности. По оценкам российских ученых для сохранения энергетического потенциала страны хотя бы на сегодняшнем уровне необходим ввод 7 млн. кВт энергетических мощностей в год1.

Топливно-энергетический комплекс является одним из основных секторов экономики, от состояния которого зависит динамика и перспективы развития государства, его безопасность и, в конечном счете, благосостояние народа. Разработка энергетической стратегии и долгосрочной программы развития энергетики страны невозможны без учета всех факторов, влияющих на структуру и динамику развития ТЭК, как в сфере производства энергоносителей и энергии, так и в сфере энергопотребления.



Сегодня энергоемкость российского ВВП более чем в 3 раза превышает средние мировые показатели, причем, несмотря на неоднократно декларируемые за последнее десятилетие принципы энергосбережения, заметных изменений в этой сфере не происходит. В силу особенностей развития социалистической экономики и обеспеченности собственными природными энергетическими ресурсами снижению энергоемкости промышленности, транспорта, бытовой техники в стране многие годы практически не уделялось внимания. Оценки экспертов определяют величину потенциала энергосбережения в России в 35-45 % от сегодняшнего общего потребления энергии, что составляет более 400 млн.

тонн условного топлива (т у. т.). Только в Москве эта величина превышает млн. т у. т. в год. По образному выражению президента компании Gaz de France Пьера Гадонекса «…для того, чтобы открыть новое солидное газовое месторождение, вовсе не обязательно отправляться на Крайний Север. Достаточно вложить деньги в энергосбережение в Москве и полученный эффект вполне будет сравним с результатами работы за Полярным кругом».

Учитывая состояние энергетики России и планируемые темпы развития экономики, вряд ли возможно обеспечить удовлетворение растущих потребностей в энергии только за счет введения новых энергетических мощностей. В условиях значительного роста себестоимости добычи и производства топливноэнергетических ресурсов и ужесточения экологических требований резко возросла стратегическая значимость повышения энергоэффективности экономики, Батенин В.М., Масленников В.М. О некоторых нетрадиционных подходах к разработке стратегии развития энергетики России // Теплоэнергетика. 2000. №10. С. 5-13.

как важнейшего инструмента удовлетворения энергетических потребностей общества и снижения затрат на энергообеспечение.

Целенаправленная реализация программ энергосбережения, прежде всего, в промышленности и на транспорте, позволила бы при существенно меньших, чем для ввода новых энергетических мощностей, капитальных затратах сократить дефицит энергии и создать благоприятные условия для решения проблем в топливно-энергетическом комплексе. По данным РАО «ЕЭС России» реализация даже 1/5 потенциала электро- и теплосбережения у потребителей (соответственно 20 млрд. кВтч и 40 млн. Гкал) снизит потребность в новых мощностях на 5-6 %. Очевидно, что необходимое увеличение объемов производства энергоресурсов в соответствии с намеченными темпами роста экономики при сохранении ее удельной энергоемкости маловероятно и обеспечить растущие потребности страны в энергоресурсах возможно только при условии снижения удельной энергоемкости ВВП не менее чем в 2 раза2.

В «Энергетической стратегии России на период до 2020 года» предусматривается снижение энергоемкости ВВП на 26-27 % к 2010 г. и от 45 до 55 % к 2020 г.

Треть прогнозируемого прироста ВВП предполагается обеспечить за счет увеличения расхода энергии, 2/3 – за счет структурной перестройки экономики, технологического энергосбережения и организационно-технических мероприятий.

Для достижения планируемых показателей энергосбережения потребуется решение целого ряда взаимосвязанных задач. Прежде всего, необходима объективная информация о состоянии энергетики различных отраслей экономики, достоверные энергетические балансы на всех уровнях, определение эффективности инженерных систем энергообеспечения и энергетической эффективности используемых технологий, разработка, научное обоснование и апробация типовых энергосберегающих мероприятий, создание доступных баз данных, содержащих информацию о современных энергоэффективных технологиях и оборудовании.

Эффективная реализация энергосберегающей политики возможна только при наличии целого комплекса взаимосвязанных мероприятий, который включает подготовку законодательно-нормативных документов, разработку механизмов экономического стимулирования, методологические и научные разработки, производство энергоэффективного оборудования.

Одна из ключевых проблем – финансирование энергосберегающих проектов. Опыт развитых индустриальных стран показывает, что инвестиции в сферу О целевом видении стратегии развития электроэнергетики России на период до 2030 г. /под ред. ак. А.Е. Шейндлина. М.: ОИВТ РАН, 2007.

энергосбережения являются весьма привлекательными. Относительно быстрые сроки окупаемости затрат (в США за 14 лет в результате реализации Федеральной программы энергосбережения при стоимости программы в 2,5 млрд. долл.

экономия составила 7 млрд. долл.), стимулирующая политика государства в области налогообложения, социальная значимость энергосберегающих мероприятий – все это привело к образованию большого числа энергосервисных компаний, деятельность которых в свою очередь стимулирует разработчиков и производителей энергоэффективного оборудования, современных приборов учета энергоресурсов, способствует внедрению новых, нетрадиционных методов производства энергии.

При выборе энергоэффективной технологии и оборудования в каждом конкретном случае необходимо учитывать большое число показателей их эффективности: размеры необходимых инвестиций и сроки их окупаемости; величину экономии ТЭР; экологические показатели; социальную значимость; повышение конкурентоспособности продукции и услуг; замещение дефицитных видов топлива; обеспечение энергетической безопасности.

Более десяти лет назад с принятием Федерального закона «Об энергосбережении» руководство страны осознало необходимость развития экономики по энергосберегающему пути. В развитие Федерального закона приняты 43 региональных закона, создано 13 фондов энергосбережения, в 78 субъектах РФ разработаны и реализуются около 600 программ энергосбережения.

«Основы политики Российской Федерации в области развития науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую перспективу» определяют энергосбережение как приоритетное направление развития (критическую технологию). Однако, не смотря на обилие программ энергосбережения, принятых за последние годы, заметных успехов не достигнуто. Во многом это связано с отсутствием научно обоснованного, системного подхода к решению как стратегических, так и тактических задач энергосберегающей политики, слабостью методической базы, отсутствием типовых апробированных энергосберегающих решений и недостаточной обеспеченностью современными компьютерными методами обработки и анализа информации и методами энергетической оптимизации типовых инженерных систем.

Вышесказанное определяет актуальность темы и круг вопросов, рассмотренных в диссертации.

Цели работы 1. Системный анализ источников потерь энергии на промышленных предприятиях.

2. Научно-методическое обеспечение энергетических обследований.

3. Разработка, научное обоснование и апробация современных типовых энергосберегающих мероприятий.

4. Разработка информационно-аналитического и расчетного обеспечения энергосбережения.

5. Разработка практических схем реализации энергосберегающих проектов.

Научная новизна 1. На основе комплексного обследования систем энергопотребления нескольких десятков разноплановых предприятий и организаций выполнен системный анализ типовых источников потерь энергии.

2. Разработаны универсальная математическая модель и программный комплекс для расчета и теплогидравлической оптимизации сложных, разветвленных тепловых сетей и впервые создана система автоматического управления теплоснабжением крупного промышленного предприятия.

3. Разработана информационно-аналитическая система (ИАС) для анализа эффективности энергопотребления большого массива объектов (предприятий и организаций). ИАС адаптирована для организаций, подведомственных департаментам здравоохранения и образования Правительства Москвы, насчитывающих более 5 тысяч разнотипных объектов. Разработано автоматизированное рабочее место энергоаудитораэнергоменеджера.

4. На базе среды моделирования динамических систем TRNSYS создана математическая модель и разработана эффективная схема интегрирования газопоршневой мини-ТЭЦ в стандартную отопительную котельную в условиях сильно неравномерной тепловой нагрузки.

5. На основе современных средств динамического моделирования разработаны математическая модель и компьютерная программа для оптимизации динамических режимов отопления зданий.

Научная и практическая ценность заключается:

• в создании математических моделей и пакетов программ для системного анализа энергоэффективности типовых инженерных систем предприятий и организаций;

• в научном обосновании и разработке современных типовых энергосберегающих мероприятий на основе системного анализа энергопотребления десятков крупных разноплановых предприятий и организаций;

• в разработке, создании и сертификационных стендовых испытаниях эффективной газопоршневой мини-ТЭЦ на базе отечественного двигателя;

• в разработке научных подходов и практических мер по повышению энергоэфективности технологических процессов газоперерабатывающих предприятий и превращению их в энерготехнологические комплексы;

• в разработке и реализации комплексных программ энергосбережения на ряде предприятий (ФГУП ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, САО РАН, СГПЗ и др.).

На защиту выносятся следующие положения:

1. Информационно-аналитическая система для анализа эффективности энергопотребления предприятий и организаций.

2. Автоматизированное рабочее место энергоаудитора-энергоменеджера.

3. Оригинальная математическая модель и программа оптимизации разветвленных тепловых сетей. Результаты практической реализации на ФГУП ГКНПЦ им. М.В. Хруничева.

4. Методика и результаты моделирования энергосберегающего динамического режима отопления зданий.

5. Принципиальная схема и результаты моделирования системы теплоснабжения научного городка Специальной астрофизической обсерватории РАН с использованием газопоршневой мини-ТЭЦ в условиях сильно неравномерной тепловой нагрузки.

6. Результаты исследования систем энергопотребления Сосногорского газоперерабатывающего завода ОАО «Севергазпром», разработанные программные продукты и меры по энергосбережению и превращению предприятия в энерготехнологический комплекс.

7. Разработка и результаты сертификационных испытаний газопоршневой мини-ТЭЦ на базе двигателя Ярославского моторного завода.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на международных и отечественных конференциях и семинарах:

XVII Международной конференции «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество», Эльбрус – 2002; III Российской национальной конференции по теплообмену, Москва, 2002; Международной конференции «Возобновляемая энергетика 2003: состояние, проблемы, перспективы», 4-6 ноября 20г. Санкт-Петербург; VII Международной научно-практической конференции «Энергопроизводство, энергопотребление и энергосбережение: проблемы и решения», Пермь, 26-28 мая 2004 г.; Международной научной конференции «Электротехника, энергетика, экология – 2004», 12-15 сентября, СанктПетербург; Международной конференции «Фундаментальные проблемы разработки нефтегазовых месторождений, добычи и транспортировки углеводородного сырья», 24-26 ноября 2004 г., Москва; Международном научнотехническом семинаре «Российская программа развития возобновляемых источников энергии», Рыбинск, 28-30 июня 2004 г.; I Международной научнопрактической конференции «Энергетика, материальные и природные ресурсы.

Эффективное использование. Собственные источники энергии». Пермь, 31 мая – 3 июня 2005 г.; конференции «Малые и средние ТЭЦ. Современные решения», Голицино, 7-9 сентября 2005 г.; научно-техническом совете ОАО «Севергазпром», Ухта, апрель, 2003 г.; II Международной научно-практической конференции «Энергетика, материальные и природные ресурсы. Эффективное использование. Собственные источники энергии». Пермь, 2006 г.; научнопрактической конференции «Москва – энергоэффективный город» – 2003, 20г.г.; научно-практическом семинаре «Энергосбережение Ямала», Салехард, 2004 г.; совещании министров энергетики ЮФО «Проблемы энергетики Южного федерального округа», Нижний Архыз (Карачаево-Черкесия), 7 июля 2007 г.;

Первой Всероссийской научно-технической конференции «Альтернативные источники химического сырья и топлива, Уфа, 20-23 мая 2008 г.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и приложения; содержит 285 страниц, 203 рисунка, 42 таблицы, список литературы из 202 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена цель исследования. Приведена структура диссертации, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе «Энергоэффективность и энергосбережение» дан анализ энергоэффективности современной российской экономики, рассмотрены причины, способствовавшие неоправданно высокой энергоемкости ВВП, и стратегия решения задач энергоэффективности и энергосбережения.

В соответствии с «Энергетической стратегией России на период до 2020 года» высшим приоритетом государственной энергетической политики является повышение энергоэффективности промышленности, снижение удельных затрат на производство и использование энергоресурсов за счет рационализации их потребления, применения энергосберегающих технологий и оборудования, сокращения потерь при добыче, переработке, транспортировке и реализации продукции ТЭК.

В середине 90-х годов прошлого столетия в стране наметились тенденции к изменению отношения к проблемам энергоэффективности и энергосбережения.

До этого многие годы вся энергосберегающая политика сводилась к лозунгу «Уходя, гасите свет». Причины такого положения хорошо известны: низкие тарифы на энергоносители и энергию, огромные запасы ископаемого топлива, значительные средства, вкладываемые в создание новых энергетических мощностей и, как следствие, отсутствие дефицита энергии. Промышленно развитые страны после энергетического кризиса 70-х годов прошлого столетия приступили к активной реализации программ энергосбережения во всех областях экономики. В результате за последние 20 лет энергоемкость ВВП в развитых странах снизилась на 20-27 %, тогда как в России этот показатель возрастал до 20г. и достиг уровня, превышающего средний показатель западных стран в 3,5-3,раза.

Активные шаги государства привели к некоторым положительным результатам. По данным Росстата удельная энергоемкость ВВП (в натуральном исчислении) в 2005 г. составила 79 % от уровня 2000 г. За первые три года реализации Федеральной целевой программы «Энергоэффективная экономика на 2002-2005 годы и на перспективу до 2010 года» была достигнута экономия топливно-энергетических ресурсов в объеме 75-90 млн. т у. т. При этом стоимость сэкономленных энергоресурсов в 1,2 раза превысила расходы на энергосбережение3. К этим цифрам нужно подходить осторожно.

Во-первых, стартовые ситуации при разработке и реализации энергосберегающих программ в России и в западных странах были существенно различны.

Если вся история развития промышленности в условиях рынка в промышленно развитых странах и менталитет потребителей энергии как в промышленном, так и в бытовом секторе экономики на первое место ставили усилия не столько в энергосбережении и сокращении непроизводительных потерь энергии, сколько в энергоэффективности технологий и оборудования, то в России речь шла, прежде всего, об энергосбережении. После кризиса экономики 90-х годов прошлого столетия с появлением собственников предприятий и необходимости производить конкурентоспособную продукцию появились руководители, заинтересованные в элементарном наведении порядка в энергетике предприятий и организаций. Эти меры, как правило, требовали минимальных финансовых заМихайлов С.А., Васильев В.М., Помогаев В.Ф. Повышение энергоэффективности как ключевой фактор достижения энергетической безопасности в России // Энергосбережение. 2006.

№5. С. 52-54.

трат, в основном, на организацию системы учета энергоресурсов. Реализация этого этапа в какой-то степени приблизила ситуацию с использованием энергии в российской экономике к стартовым позициям западных стран.

Во-вторых, с начала 21 века в России с оживлением экономики существенно меняется ее структура, и снижение удельной энергоемкости ВВП связано главным образом со структурными трансформациями в сфере энергопотребления, 2.5 где относительно малоэнергоемкие отрасли промышленности имеют более высокие темпы роста по сравнению с энергоемкими отраслями.

1.Распределение относительной 1 энергоемкости валового регионального продукта (ВРП) по федераль0.ным округам России представлено на рис. 1. За единицу принята энергоемкость ВРП Центрального Федерального округа, где велика доля услуг (банковских, информационных, Рис. 1. Распределение относительной энергоемкости валового регионального коммунально-бытовых, транспортпродукта по федеральным ных) и наименее энергоемкая струкокругам России тура промышленного производства (60 % всего объема составляет продукция малоэнергоемких отраслей). Наибольшую удельную энергоемкость имеет Сибирский Федеральный округ, где более 70 % объема промышленного производства составляют энергоемкие отрасли (металлургия, ТЭК, химия, нефтехимия и др.), имеет место весьма суровый климат и относительно низкая доля услуг в структуре ВРП.

По оценкам, принятым в «Энергетической стратегии», существующий потенциал энергосбережения достигает 430 млн. т у. т. в год или почти 50 % текущего внутреннего энергопотребления4. Почти 1/3 его сосредоточена в отраслях ТЭК (в том числе 1/4 – в электроэнергетике и теплоснабжении), еще 35-37 % – в промышленности и 25-27 % – в жилищно-коммунальном хозяйстве. Прогнозируется, что перестройка структуры экономики и технологические меры энергосбережения уменьшат энергоемкость ВВП на 26-27 % к 2010 г. и от 45 до 55 % к концу 2020 г. При этом до половины прогнозируемого роста экономики может быть достигнуто за счет структурной перестройки без увеличения затрат энергии, еще 20 % даст технологическое энергосбережение и около 1/3 прироста ВВП потребует увеличения расхода энергии.

Троицкий А.А. Энергетическая стратегия – важнейший фактор социально-экономического развития России // Теплоэнергетика. 2001. №7. С. 2-9.

СФО ЦФО ПФО ЮФО УрФО СЗФО ДВФО В зависимости от возможности и целесообразности реализации потенциала энергосбережения различают технический (или технологический), экономический и рыночный потенциал. Технический потенциал представляет гипотетические возможности энергосбережения без учета ограничений, касающихся его реализации. Экономический потенциал – часть технического, реализация которого возможна и экономически целесообразна и окупается в приемлемые сроки.

Рыночный потенциал – часть экономического, определяемая ситуацией на рынке. Он отличается от экономического, поскольку в зависимости от инвестора при оценке сроков окупаемости вложений могут применяться индивидуальные ставки дисконтирования.

Анализ, проведенный Центром по энергоэффективному использованию энергии (ЦЭНЭФ)5, показал, что для реализации имеющегося ресурса энергосбережения вместе с затратами на обновление энергопотребляющего оборудования необходимы инвестиции в размере 5770 млрд. руб. до 2020 г. В то же время в развитие ТЭК предполагается инвестировать до 26000 млрд. руб., что обеспечит наращивание производства ТЭР на 100-300 млн. т у. т. Соответственно, реализация единицы ресурса энергосбережения потребует в 10 раз меньше инвестиций, чем увеличение производства ТЭР. Помимо обеспечения энергоресурсами необходимых темпов развития экономики, энергосбережение является наиболее приемлемой с технологической и экономической точек зрения возможностью ощутимого снижения негативного влияния энергетики на окружающую среду.

Как уже отмечалось, более трети потенциала энергосбережения сосредоточено в промышленном секторе экономики и его реализация определяет не только перспективы энергообеспеченности всей экономики, но и конкурентоспособность выпускаемой продукции.

Источники непроизводительных потерь энергии на промышленном предприятии можно разделить на три группы (рис. 2):

потери в общезаводских системах энергообеспечения; потери в технологических процессах, связанные, в основном, с неутилизируемыми выбросами (отхоРис. 2. Эффективность инвестиций в энергосберегающие программы дящие газы, технологический пар, заБашмаков И. Повышение энергоэффективности – энергетический потенциал экономического роста // Энергорынок. 2007. №6 (43). С. 8-12.

грязненная вода); потери, связанные с моральным старением технологий и оборудования. Анализ ситуации на ряде разноплановых предприятий показывает, что возможности экономии энергоресурсов по каждой группе потерь соизмеримы, однако эффективность инвестиций в энергосберегающие мероприятия различна. Устранение потерь в общезаводских системах энергообеспечения требует минимальных затрат. Мероприятия носят в основном организационнотехнический характер. Устранение потерь второй группы требует более серьезных инвестиций, сроки окупаемости составляют 1-2 года. Наиболее капиталоемкая – третья группа. Сроки окупаемости инвестиций колеблются от 1,5-2 до 4-5 лет.

Первым шагом на пути к энергосбережению и энергоэффективности должно стать квалифицированное энергетическое обследование, которое является необходимым условием потенциального успеха проекта любого масштаба – от промышленного предприятия, исследовательского института, больницы до муниципального образования и целого региона.

Независимо от ведомственной принадлежности, формы собственности, профиля деятельности предприятий и учреждений, разработка эффективных программ энергосбережения невозможна без достоверной информации по достаточно широкому кругу вопросов, касающихся энерго- ресурсопотребления.

Это структура энергопотребления и производственная характеристика предприятия, динамика изменения основных показателей энергопотребления, действующие тарифы и прогнозы их изменения, перспективы развития предприятия, источники тепло- и электроснабжения и многое другое.

В середине 90-годов прошлого столетия энергоаудит в России представлял собой достаточно примитивное энергетическое обследование, целью которого было определение структуры энергопотребления предприятия. В силу отсутствия опыта, энергоаудит заканчивался попытками «привязать» к обследуемому предприятию типовые решения, опробованные западными энергоаудиторскими и энергосервисными компаниями, такие как частотно-регулируемый привод, газо-лучистый обогрев, регенерация тепла выброса вентсистем. Скоро стало очевидным, что западные методики мало подходили для российских условий середины 90-х годов. Сеять высокоурожайные семена в невспаханную, не обеспеченную удобрениями землю – бессмысленная трата средств. Нечто подобное происходило и в попытках реализовать западные энергосберегающие проекты на российских предприятиях. Уровень энергорасточительства был настолько высок, что ни одна, даже самая эффективная современная энергосберегающая технология при внедрении на предприятии не дала бы такого эффекта, как наведение элементарного порядка в системах энергопотребления. Только в конце 90-х годов были сделаны первые попытки обобщить опыт, накопленный в процессе энергетических обследований.





С начала нового тысячелетия в связи с заметными изменениями в российской экономике изменилось и отношение к проблемам энергосбережения, в т.ч.

к энергетическому обследованию. Грамотные руководители и собственники предприятий поняли, что в связи с жесткой конкуренцией на рынке и неуклонным ростом тарифов на энергоресурсы задача снижения энергоемкости выпускаемой продукции или предоставляемых услуг является одной из основных.

На смену простому, «классическому» энергоаудиту приходит некая последовательность действий: энергоаудит – аудит – инвестиционный энергоаудит.

Сегодня простой отчет по результатам энергоаудита уже не удовлетворяет инвестора – необходимо технико-экономическое обоснование каждого предлагаемого проекта, финансовый и организационный план его реализации, схемы мониторинга фактической экономии финансовых и энергетических ресурсов, анализ проектных рисков и выбор финансовых схем.

Без грамотного энергоменеджмента – комплекса взаимоувязанных организационно-структурных, технических, финансово-экономических, нормативноправовых и информационных мероприятий, позволяющего наиболее рационально управлять энергетическими и коммунальными ресурсами предприятия, эффективная реализация программ энергосбережения невозможна.

Схема и идеология реализации энергосберегающих проектов достаточно очевидны: энергоаудит – разработка программы – поиск источников финансирования и подрядных организаций – мониторинг результатов – переход к программе следующего уровня. В этой цепочке ключевая проблемы – источники финансирования (по сути, рыночная часть потенциала энергосбережения).

Существует несколько путей и финансовых схем обеспечения энергосберегающих проектов (рис. 3).

ТАРИФ ЭКОНОМИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ ФЦНТП (РЭК) (Роснаука) ЭНЕРГОРЕГИОНАЛЬНЫЕ СБЕРЕГАЮЩИЕ ЭНЕРГОСЕРВИСНЫЕ ПРОГРАММЫ КОМПАНИИ ПРОЕКТЫ ЗАЕМНЫЕ СОБСТВЕННЫЕ СРЕДСТВА СРЕДСТВА Рис. 3. Пути финансового обеспечения энергосберегающих проектов Прежде всего, это собственные средства предприятия, хотя руководство и собственники предприятий пока неохотно идут на вложение средств в энергосбережение. Другой возможный путь – помощь бюджета. При грамотном менеджменте и правильно просчитанной финансовой стратегии эффективные проекты приносят выгоду и предприятию, и региональному, и федеральному бюджету. При этом прямое бюджетное финансирование малоэффективно. Это должны быть либо конкурсные проекты в рамках отраслевых, региональных или федеральных программ с обязательным вложением собственных или привлеченных внебюджетных средств, либо выделение денег на условиях кредита или лизинга.

Сегодня большой интерес в России к энергосберегающим проектам проявляют частные отечественные инвесторы, и создалась парадоксальная ситуация, когда многие предприятия не готовы к получению частных инвестиций.

Принятая во многих странах система кредитования банками энергосберегающих проектов, несмотря на их высокую доходность, в России пока не получила широкого распространения, что связано, прежде всего, с отсутствием качественных бизнес-планов.

На Западе давно и успешно работает институт энергосервисных компаний (ЭСКО), обеспечивающих весь цикл работ – от энергоаудита до реализации проектов, однако в России этот доходный бизнес пока не получил распространения.

Эффективный путь решения проблемы инвестиций – механизм льготного тарифа, т.н. «тариф экономического развития», впервые примененный в США после энергетического кризиса 70-х годов прошлого столетия. Цель установления льготного тарифа – оказание государственной поддержки промышленным предприятиям и организациям в реализации программ энергосбережения в части осуществления инвестиционных проектов, предусматривающих замену устаревшего энергоемкого оборудования и технологий, внедрение приборного учета и регулирования расхода ТЭР и других мероприятий, обеспечивающих снижение удельного расхода энергии и рост конкурентоспособности выпускаемой продукции.

В своих работах мы в какой-то степени моделировали функции ЭСКО, помимо энергоаудита разрабатывая и реализуя схемы финансирования, обеспечивая научное сопровождение этапов программ энергосбережения, осуществляя мониторинг результатов реализации проектов.

Одним из полигонов, на котором отрабатывались практические схемы реализации энергосберегающих проектов, стал Ракетно-космический завод ГКНПЦ им. М.В. Хруничева (РКЗ). После проведения комплексного энергетического обследования с 2004 г. на РКЗ началась реализация первого этапа программы энергосбережения: тепло-гидравлическая оптимизация тепловой сети предприятия, оптимизация системы подготовки и распределения сжатого воздуха, реконструкция (децентрализация) системы технологического пароснабжения, модернизация системы освещения. Финансирование осуществлялось за счет льготного тарифа, установленного Региональной энергетической комиссией Москвы, и собственных средств предприятия. За 4 года затраты на программу составили 165 млн. руб., в т.ч. 105 млн. руб. – средства консолидированного фонда энергосбережения. Экономия энергоресурсов в процессе реализации программы первоочередных энергосберегающих мероприятий составляет около 1 млн. долл. в год при простом сроке окупаемости капитальных вложений 1,5-года. Эффективность реализуемых на РКЗ первоочередных проектов иллюстрирует диаграмма (рис. 4).

Экономика России сегодня представляет огромный рынок услуг в области энергосбережения и повышения энергоэффективности.

Этот рынок не только стимулирует энергоаудиторские компании к проведению качественного комплексного энергетического обследования, 1 переходящего в инвестиционный аудит, но и способствует разработкам новых энергоэффективных технологий и оборудования, подготовке квалифицированных энергоаудиРис. 4. Эффективность реализуемых на РКЗ торов и энергоменеджеров.

первоочередных энергосберегающих Реализация энергосберегающей проектов (черные столбики – затраты, серые – экономия, млн. руб.) политики во многом сдерживается практически полным отсутствием информационной базы и соответствующего контроля и анализа результативности энергосберегающих проектов.

Вторая глава «Информационное обеспечение энергосбережения» посвящена разработке программных средств для автоматизации процессов сбора и анализа информации об эффективности потребления энергоресурсов.

За прошедшие после принятия Федерального «Закона об энергосбережении» 10 лет в результате энергетических обследований накоплен огромный объем информации, и стало очевидным, что этот процесс нуждается в современных средствах обработки и обобщения информации.

воздух Сжатый Тепло, пар Освещение В первом разделе главы представлена разработанная информационноаналитическая система (ИАС) для оперативного анализа и обработки текущей информации по энергопотреблению объектов бюджетной сферы городского хозяйства г. Москвы для принятия обоснованных решений по реализации мер энергосбережения, формирования программ первоочередных энергосберегающих мероприятий и получения достоверного баланса использования ТЭР бюджетными организациями города.

По данным Департамента топливно-энергетического хозяйства Правительства Москвы город расходует 25 млрд. кВтч электроэнергии в год и около 1млн. Гкал тепловой энергии. При этом доля энергопотребления бюджетными организациями только городского подчинения составляет более 40 % общего потребления тепловой энергии и около 25 % потребления электроэнергии. Объекты Департамента здравоохранения и Департамента образования – наиболее крупных департаментов правительства Москвы – расходуют около 700 млн.

кВтч электроэнергии и 8 млн. Гкал тепловой энергии в год.

Существующие разработки с использованием мощных СУБД в основном ориентированы на пользователей со специальной подготовкой и жестко связаны с определенной предметной областью, для которой они создавались. Разработанная на базе СУБД Paradox ИАС обладает открытой, гибкой структурой и имеет возможность быстрой адаптации к различным сферам промышленности и городского хозяйства, создана для пользователей без специальной подготовки, обеспечивает переход от локальных систем к системам «файл-сервер» или «клиент-сервер» по мере развития сетевых возможностей, допускает возможность интеграции с другими базами данных и информационными системами.

Поскольку механизм наполнения и обновления базы данных во многом зависит от технических возможностей как департаментов и окружных комиссий, так и конкретных объектов, предусмотрена возможность ввода текущих данных как с бумажных, так и с электронных носителей информации. По этой же причине информационно-аналитическая система формировалась как локальная.

При появлении соответствующих технических возможностей (обеспечении подведомственных организаций сетевыми технологиями) предусмотрен переход на систему «файл-сервер» или «клиент-сервер».

В базе данных введены необходимые идентификационные поля, позволяющие в дальнейшем интегрировать ее в существующие базы данных Правительства Москвы и Департамента топливно-энергетического хозяйства.

Департамент здравоохранения и Департамент образования представляют собой сложные системы управления с разветвленной иерархической структурой подчинения, которые координируют деятельность окружных управлений и учреждений департаментов прямого подчинения. Окружное управление, в свою очередь, осуществляет руководство деятельностью подведомственных ему учреждений департамента.

Иерархическая структура фактических связей субъектов, охватываемых информационно-аналитической системой, представлена на рис. 5.

Информационноаналитический ДТЭХ центр Московского агентства энергоэффективности Бюджетные департаменты Департамент Департамент здравоохранения образования Административные округа САО....... СВАО Объекты Рис. 5. Иерархическая структура связей объектов информационно-аналитической системы В структуре базы данных принята сложившаяся в департаментах классификация объектов, определяющая их назначение. По Департаменту здравоохранения это больницы, поликлиники, санатории, родильные дома, станции скорой помощи и т.п. (всего более 1000 объектов 18 категорий). По Департаменту образования это школы, детские сады, ясли, детские дома и т.п. (всего более 40объектов 9 категорий).

База данных представляет набор таблиц, связанных реляционными отношениями, которые строятся с учетом хранения в них истории изменения показателей, где это необходимо. База данных содержит классификаторы, таблицы условно постоянной (статической) информации и таблицы динамической информации. Статическая информация помещена в две таблицы: «Информация общего характера» и «Статическая информация по потреблению ТЭР». К таблицам динамической информации относятся таблица текущего потребления ТЭР, таблица изменения тарифов, данные по среднесуточной температуре воздуха и данные по продолжительности отопительного периода.

Построение логической модели осуществлялось с помощью поставляемой вместе с пакетом Delphi утилиты Data Module Designer, обеспечивающей наглядный графический интерфейс и представление структуры БД, в том числе связей между таблицами, в графическом виде.

В информационно-аналитической системе предусмотрены расчеты основных показателей энергопотребления и энергоэффективности как конкретных объектов, так и городских структур (административных округов и департаментов) в целом. Тестирование программного обеспечения проводилось с использованием базы данных в виде электронных таблиц Exel, предоставленных отделом энергосбережения Мосгосэнергонадзора.

Результаты обработки информации и формирования отчетов представляются в текстовом виде и в графической форме (рис.6, 7).

Рис. 7. Анализ потребления энергоресурсов Рис. 6. Анализ потребления энергоресурсов всеми организациями Департамента здравомедицинскими учреждениями ЮЗАО охранения Информационно-аналитическая система предполагает следующий алгоритм действий аналитиков (энергоменеджеров), занимающихся проблемами энергосбережения и энергоэффективности организаций, подведомственных бюджетным комитетам:

• выбор объектов из БД по департаменту, административному округу, типу (например, Департамент здравоохранения, САО, больницы);

• определение удельных показателей энергопотребления каждого объекта;

• определение среднего значения удельного энергопотребления;

• определение объектов с максимальным отклонением удельного энергопотребления от среднего значения;

• проведение энергоаудита выбранных объектов;

• реализация первоочередных энергосберегающих мероприятий.

Второй раздел главы посвящен созданию автоматизированной системы для оперативного унифицированного ввода информации об основных энергетических характеристиках объектов промышленности и городского хозяйства, обработки данных по стандартным алгоритмам, генерации основных форм (таблиц) «Энергетического паспорта промышленного потребителя топливноэнергетических ресурсов» и формирования базы данных, содержащей основные характеристики обследованных объектов. Следует отметить, что, за исключением отдельных попыток создания программных продуктов, ориентированных на конкретную отрасль, подобных систем пока не разработано.

АРМ имеет две подсистемы – для энергоаудиторских компаний и для органов городского управления (рис. 8).

В подсистеме для энергоаудиторских компаний имеется доступ только к базе данных по обследованным этой компанией предприятиям, к различной справочной информации (СНиП, программы обязательных энергообследований, данные по температурам воздуха и продолжительности отопительного периода и т.п.). У городских Рис. 8. Структура АРМ пользователей имеется доступ ко всем ресурсам базы данных.

В АРМ реализована генерация основных форм энергетического паспорта, отражающих энергетические характеристики объекта: балансы энергопотребления по основным энергетическим потокам (тепловая энергия, электроэнергия, котельно-печное топливо), расчетно-нормативные показатели теплопотребления, энергоемкость производимой продукции и итоговая таблица энергетического паспорта – программа энергосберегающих мероприятий с соответствующими расчетами потенциала энергосбережения.

Предусмотрено периодическое обновление блоков справочной информации через Интернет или промежуточные носители (по аналогии с антивирусными программами Касперского или бухгалтерскими программами).

Ввод информации организован так, что форма диалогового окна на экране полностью соответствует форме таблицы паспорта и ввод осуществляется в именованные поля.

В текущей версии программы предусмотрена автоматическая генерация величины расчетно-нормативного теплопотребления предприятия для условий рассматриваемого года с использованием вводимых величин проектной тепловой нагрузки и условий отопительного периода из справочных блоков базы данных. При отсутствии данных по проектным нагрузкам реализуется расчет теплопотребления по удельным нагрузкам из соответствующих СНиП и заданному строительному объему зданий. Величина фактического суммарного потребления различных видов энергоресурсов автоматически рассчитывается по данным из балансовых таблиц. Также автоматически рассчитываются удельные показатели энергопотребления.

После окончания работы с конкретным объектом (предприятием, организацией) вся информация заносится в базу данных обследованных предприятий.

Подсистема для пользователей городского управления предусматривает ввод информации, поступающей от энергоаудиторских компаний параллельно со стандартной «hard copy» энергетического паспорта, в соответствующую базу данных. На первом этапе реализован ввод информации посредством магнитных носителей, CD или по электронным каналам связи. В дальнейшем, по мере развития электронных средств связи, предусмотрен переход от локальных баз к системе «файл-сервер» или «клиент-сервер».

Обработка информации и формирование протоколов, отчетов, аналитических справок организованы для каждого городского пользователя в зависимости от его задач: контролирование графика выполнения программы обязательных энергетических обследований, получение из базы данных сводной информации по потенциалу энергосбережения, величине необходимых инвестиций в энергосберегающие программы предприятий, ожидаемому экономическому эффекту.

После обработки данных для формирования стандартных таблиц энергетического паспорта формируется база данных по обследованным предприятиям и организациям. На этом этапе СУБД обеспечивает совместную обработку информации по группам предприятий и формирование протокола, отражающего общий баланс энергопотребления, потенциал энергосбережения по отдельным составляющим ТЭР, величину необходимых инвестиций, перспективу экономии по принятым к реализации мероприятиям.

Интерфейс построен на базе пакета Delphi и представляет собой гибкую структуру, которая может меняться по мере развития системы.

Следует заметить, что разработанный комплекс – достаточно открытый и гибкий программный продукт, что позволяет адаптировать его для той или иной сферы промышленности и городского хозяйства в зависимости от потребностей и специфики энергетики отрасли. Возможна его интеграция в состав информационно-аналитической системы.

В третьей главе «Теплогидравлическая оптимизация разветвленной тепловой сети» приведено описание оригинальной математической модели тепловой сети, ее программная реализация и построение на ее основе системы автоматического регулирования теплоснабжения ФГУП ГКНПЦ им. М.В. Хруничева.

Потери в системах теплоснабжения предприятий достигают 50-60 % и во многом связаны с нарушением гидравлического режима тепловых сетей в результате развития предприятия и его частичного перепрофилирования. Возникающие в процессе эксплуатации системы теплоснабжения проблемы, связанные с недостаточным обеспечением теплом отдельных абонентов, решаются наименее эффективно – за счет увеличения мощности сетевых или рециркуляционных насосов. Все эти меры приводят к ухудшению качества тепла (снижению температуры воды в подающей магистрали), что в свою очередь снижает эффективность работы теплообменных устройств, приводит к необходимости реализовывать практически без автоматики сложную схему качественноколичественного регулирования отпуска тепла.

Современные достижения в области автоматики, программирования, компьютерных технологий позволяют эффективно решать задачи оптимизации теплопотребления и управлять режимами работы тепловой сети. Первым шагом в создании системы диспетчеризации теплоснабжения является разработка компьютерной модели тепловой сети предприятия, позволяющей моделировать реальные тепловые и гидравлические режимы сети, выбирать оптимальные варианты необходимой реконструкции, тип и характеристики регулирующих устройств.

По сути, компьютерная модель является ядром системы диспетчеризации.

Для решения задач оптимизации сложных, разветвленных тепловых сетей была разработана универсальная тепло-гидравлическая модель сети, обладающая следующими особенностями:

1. В модели используются рассчитанные при проектировании системы теплоснабжения характеристики (нулевое приближение), которые уточняются по результатам ограниченного числа измерений в узловых точках сети.

2. Идеология модели построена так, что любая сеть моделируется стандартным ограниченным набором элементов (абонент, коллектор, узел, трасса), каждый из которых описывается соответствующими программными модулями.

Модель сети строится «сверху вниз» – сначала в качестве основных элементов рассматриваются крупные участки сети, затем они детализируются, впоследствии детализируются их абоненты и т.д., по сути, в модели реализована рекурсивная схема расчетов. Таким образом, с помощью одной и той же универсальной программы может быть смоделирована сеть практически любого уровня сложности, конфигурацию которой можно изменять в широких пределах.

При проведении теплогидравлического расчета рассматривается формализованная схема теплотрассы с присоединенными к ней абонентами (рис. 9).

Обозначения на схеме: абонент (А) – подключенный между подающей и обратной магистралями элемент тепловой сети, в котором происходит полезное тепловыделение; коллектор (К) – часть тепловой сети, содержащая параллельно включенные элементы (абоненты, коллекторы, трассы) с общими точками на входе и выходе; трасса (Т) – часть тепловой сети, включающая набор коллекторов, абоненРис. 9. Схема элементов теплотрассы тов и трасс; узел (У) – точки на прямой и обратной магистралях, между которыми подключен абонент (группа абонентов); дроссельное устройство (Д) – регулирующий клапан.

Исходными данными для расчета теплотрассы и абонентов являются проектные тепловые нагрузки и соответствующие им расходы сетевой воды (при заданных температурах в помещениях абонентов), расчетная температура наружного воздуха, температура теплоносителя на входе в теплотрассу, параметры участков теплотрассы и абонентских вводов, потери напоров на абонентских вводах и располагаемые напоры на абонентах при расчетных расходах теплоносителя.

При разработке алгоритма оптимизации теплогидравлических характеристик тепловой сети в качестве критерия оптимизации выбран минимум разброса температур воды на выходе из абонентских пунктов, в качестве управляющего воздействия – переменное давление на входе в абонентские пункты.

Температуры теплоносителя в обратной магистрали можно представить в виде системы уравнений T1out = f1(x1, x2,..., xN ), T2out = f2(x1, x2,..., xN ), (1)......................................, out TN = fN (x1, x2,..., xN ), где x1, x2,..., xN – гидравлические сопротивления абонентов.

Рассмотрим функционал, представляющий сумму квадратов отклонений расчетных температур от базовой температуры теплоносителя в обратной магистрали ТN N L = (2) (T - Tiout )2 = (T - fi (x1, x2,..., xN )2).

0 i=1 i=Задача оптимизации в данной постановке сводится к поиску минимума функционала вида (2). Рассмотрим итерационный процесс L xik +1 = xik - h, (3) xi где h – шаг спуска; xi0 – начальное приближение; k – номер итерации.

Процесс (3) повторяется до достижения условия L abs grad < , (4) xi где – заданная точность.

Гидравлическое сопротивление xi можно представить в виде xi = iconst + i, (5) где iconst – постоянная составляющая сопротивления, i – переменная составляющая. Ограничения на сопротивления следующие xi iconst. (6) i Уравнение (3) с учетом (5) можно представить в виде L ik +1 = ik - h. (7) i Алгоритм процесса оптимизации следующий:

1. Проводится предварительный расчет. Вычисляется Lk-1 по формуле (2).

2. Находится абонент с максимальным значением (T0 -Tiout )2. Пусть это будет абонент с номером m.

3. Задается малое приращение m.

k k 4. Осуществляется шаг «предиктор» по формуле m(1/ 2) = m + m.

5. По формуле (2) вычисляется Lk с новым значением m.

k k 6. По формуле (7) m+1 = m(1/ 2) - h(Lk - Lk -1) / m вычисляется новое знаk чение m+1 (шаг «корректор»).

k k 7. Снова вычисляется m по формуле m = m+1 -m.

8. Проверяется условие (4).

9. Если условие не удовлетворяется, переходим к п. 2. Если при выполнении п. 2 номер абонента изменился (стал p), то задается = m и p продолжается выполнение пунктов 4–8.

10. После нескольких итераций (порядка 10) проводится дополнительная коррекция по формуле (7) одновременно для всех абонентов с вычисленными i и Lk.

Результаты моделирования и оптимизации тепловой сети Ракетнокосмического завода ГКНПЦ им. М.В. Хруничева (РКЗ) представлены на рис.

10 – 13. Расчетная схема показана на рис. 14.

Рис. 10. Распределение расчетных тепловых Рис. 11. Распределение расхода сетевой нагрузок в магистрали №1 воды в магистрали №Рис. 12. Распределение температуры воды на Рис. 13. Распределение температуры выходе из абонентов магистрали №1 обратной воды ( – без оптимизации, – с оптимизацией) Анализ результатов показал, что в оптимизированной системе для обеспечения проектного расхода теплоносителя (5600 м3/ч) расчетная потеря давления на дроссельных устройствах 3,7 атм. Соответственно потеря мощности электроприводов насосов составляет 743 кВт или 30 % от номинальной мощности электродвигателей насосной группы. Непроизводительные потери электроэнергии за отопительный период составят 3744 тыс. кВтч в год.

Для практического решения задач оптимизации тепловой сети РКЗ совместно Рис. 14. Расчетная схема тепловой сети РКЗ с НИПИ «РОСТОВТЕПЛОЭЛЕКТРОПРОЕКТ» и Таганрогским радиотехническим университетом был разработан программно-технический комплекс (ПТК) оптимизации распределения тепловых нагрузок.

Типовая функциональная схема узла автоматического регулирования давления представлена на рис. 15.

1 – затвор дисковый стальной с электроприводом;

2 – переход конусный стальной;

3 – клапан запорно-регулирующий односедельный с электрическим исполнительным механизмом;

РС – ПИД-регулятор электронный;

GI –указатель положения регулирующего клапана;

Зад –задатчик значения регулируемого давления;

H/SAB – переключатель режима управления;

H/SB – кнопка дистанционного управления арматурой;

РТ – датчик давления с токовым выходом;

РI – манометр технический показывающий;

NC –контактор (пускатель) управления арматурой;

PIS – манометр показывающий и сигнализирующий;

GS – датчик положения регулирующего клапана Рис. 15. Типовая функциональная схема узла автоматического регулирования давления Верхний уровень комплекса находится на диспетчерском пункте, размещаемом в котельной завода. На нижнем уровне комплекса находятся пункты автоматического регулирования (ПАР) теплопотребления. Каждый ПАР состоит из узла регулирования, включающего регулирующий затвор с электрическим исполнительным механизмом, датчики расхода, давления и температуры, а также шкаф управления, содержащий автоматический микропроцессорный ПИДрегулятор, многоканальное цифровое измерительное устройство, систему технологической и аварийно-предупредительной сигнализации, радиомодем, источники питания аппаратуры.

Задачи верхнего уровня комплекса – мониторинг параметров ПАР и состояния технологического оборудования, дисплейное представление информации оператору-технологу в виде мнемосхем ПАР, графических зависимостей и табличных форм, советов по поддержанию оптимальных температурных режимов теплоносителя в прямой и обратной магистралях теплосети, сигнализация и регистрация отклонений контролируемых параметров от допустимых значений, вычисление уставок для регуляторов каждого из ПАР и автоматический ввод значений этих уставок в ПИД-регуляторы ПАР, вычисление текущих и интегральных значений тепловой мощности и тепловой энергии, потребляемых абонентами теплосети, архивирование и предоставление в виде отчетов информации о параметрах технологического процесса и событиях в системе.

Задачи нижнего уровня ПТК – поддержание расхода теплоносителя в соответствии с уставками, задаваемыми верхним уровнем комплекса, сбор, обработка и передача информации на верхний уровень системы, обеспечение возможности ручного управления.

Первая очередь комплекса насчитывает 10 пунктов автоматического регулирования, установленных на вводах тепловой сети в корпуса РКЗ. В ходе опытной эксплуатации I очереди системы (магистраль №1) в отопительный период 2005-2006 г.г. средняя экономия тепловой энергии составила 12 % (рис. 16). Затраты на проект составили около 10 млн. руб., экономический эффект, полученный в результате оптимизации теплогидравлических параметров сети – 6 млн. руб. в год, соответственно срок окупаемости проекта 160/3 160а 39б 160/1 103 160/2 99 195 37/39 160б – 2 отопительных сезона. По предварительным оценкам после завершения проРис. 16. Экономия тепловой энергии на абонентах в отопительный период екта экономия газа составит 30 %. Следу2005-2006 гг. (%) ет заметить, что подобный проект в масштабах крупного предприятия реализован впервые.

Четвертая глава «Типовые методы энергосбережения» посвящена обоснованию и практической реализации типовых энергосберегающих мероприятий. Анализ и подходы, положенные в основу рассматриваемых в работе энергосберегающих технологий, основаны на экспериментальном материале, полученном в результате исследований систем энергоснабжения и энергопотребления нескольких десятков предприятий и организаций различного профиля, проведенных в лаборатории проблем энергосбережения ОИВТ РАН. Наиболее значительным и экономически обоснованным потенциалом энергосбережения как в промышленном секторе, так и в непромышленной сфере (наука, медицина, ЖКХ) характеризуются системы теплопотребления.

Первый раздел главы посвящен численному моделированию и определению эффективности динамических режимов отопления зданий. Динамические методы регулирования тепловой нагрузки, изменяющие режим теплопотребления здания в зависимости от времени суток и графика работы учреждения, могут дать значительную экономию тепловой энергии при теплоснабжении нежилых зданий. Для оценки потенциала энергосбережения в системах отопления зданий и выбора оптимальных режимов регулирования тепловой нагрузки разработана зонная модель здания, реализованная в программных модулях под управлением среды программирования TRNSYS (The Transient System Simulation Program)6.

Среда моделирования динамических систем TRNSYS позволяет моделировать поведение систем, представляемых обыкновенными дифференциальными уравнениями, и состоит из набора Fortran-модулей, описывающих поведение различных элементов системы. Весь набор откомпилирован в динамическую библиотеку и работает под управлением собственно программы динамического моделирования.

Разработанная зонная модель использована для расчета тепловых режимов лабораторного корпуса ОИВТ РАН. Исходные данные были обработаны вспомогательной программой многозонного моделирования зданий, входящей в структуру TRNSYS. Вначале из слоев различных материалов «собираются» стены (включая перекрытия, пол подвала и крышу). Затем из стен с учетом оконных проемов и перекрытий, а также внутренних стен, увеличивающих теплоемкость зоны, строятся зоны (в нашем случае в качестве зон были выбраны этажи здания). Одновременно задаются граничные условия и условия теплового взаимодействия соседних зон, кратность инфильтрации и условия работы системы отопления той или иной зоны. Модель здания обрабатывается специальной программой, вычисляющей переходные функции для каждой зоны.

Исходные климатические данные представлены в виде так называемого «типичного метеогода» (часовые значения интенсивности прямого и рассеянного солнечного излучения, температура окружающей среды, влажность воздуха, направление и скорость ветра в течение года при соответствии их средних значений реальным среднемесячным параметрам).

В качестве базового варианта моделировалось здание с системой отопления, настроенной на круглосуточное поддержание температуры воздуха во всех зонах на уровне 18 С для условий «типичного метеогода». Расчетное годовое потребление тепловой энергии в системе отопления хорошо согласуется с фактическим, что подтверждает адекватность разработанной модели.

Для оценки потенциала энергосбережения моделировался тепловой режим, при котором в подвале и на чердаке здания круглосуточно поддерживается температура не ниже 10 С, а в остальных зонах с 9 до 19 часов в рабочие дни – на уровне 18 С, в остальное время 10 С.

Duffie J.A., Beckman W.A. Solar Engineering of Thermal Processes. 3rd Edition. John Wiley and Sons, Ltd. UK. 2006. 928 p.

Характерное поведение температуры воздуха в помещении 1500 этажа (кривая 1) в динамическом 1000 режиме отопления, а также теп500 ловые нагрузки здания в базовом (кривая 2) и динамическом (кри0 вая 3) режимах отопления и тем-500 -пература наружного воздуха -1000 -(кривая 4) для недели в январе 0 24 48 72 96 120 144 168 «типичного метеогода» показаны Часы на рис. 17.

Рис. 17. График изменения температуры в Интеграл от кривой 3, распомещении и тепловой нагрузки в течение считанный в интервале времени недели января «типичного метеогода» (воздушное отопление) отопительного сезона «типичного метеогода», для системы чисто воздушного отопления составил 890 Гкал или 69 % от базового значения.

При проектном соотношении нагрузок отопление/вентиляция (0,28/0,72), годовое теплопотребление несколько больше и составляет 950 Гкал или 74 % от базового. Тем самым потенциал энергосбережения за счет суточного регулирования тепловой нагрузки составляет 25-30 %. Следует отметить, что эффективность суточного регулирования температуры во многом зависит от технических возможностей конкретной системы отопления, прежде всего, от предельной мощности калориферных установок.

Модель предусматривает возможность расчета тепловых характеристик здания и переходных режимов отопления с учетом теплофизических свойств применяемых строительных материалов и конструкций, планировки помещений, ориентации здания и его световых проемов в пространстве, внутренних источников тепла, реальных климатических условий, характеристик внутренней системы отопления и оборудования теплового пункта с учетом регулирования суточного и недельного графика потребления тепла.

Основным результатом практического применения модели является разработка рекомендаций по модернизации и дополнительному оснащению здания и ЦТП оборудованием, обеспечивающим существенное снижение теплопотребления.

Следующие разделы главы посвящены возможностям энергосбережения в одной из наиболее энергозатратных систем – централизованной системе производства и распределения сжатого воздуха. Это связано как с неоптимальными режимами эксплуатации компрессоров, так и с несовершенной системой распределения воздуха. Учитывая, что в балансе электропотребления предприятия о Мощность, кВт Температура, С доля компрессорных станций составляет 25-30 %, а потери в распределительных сетях достигают 40-50 %, энергосберегающие мероприятия в этой области могут быть особенно эффективны. На крупных отечественных предприятиях с большим потреблением технологического воздуха пневмосистема обеспечивается воздухом с помощью центробежных компрессоров типа К-500, К-350, К250 и их модификаций, выпускаемых Невским заводом и заводом «Дальэнергомаш». Сегодня в России в эксплуатации находятся несколько сотен таких агрегатов с мощностью электропривода от 1,6 до 3,5 МВт.

Анализ опыта эксплуатации компрессоров на РКЗ ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, ОАО «Москвич» и ряде других предприятий свидетельствует о том, что агрегаты работают без остановов не только в ночное время, но и в нерабочие дни, что приводит к большим перерасходам электроэнергии. Для снижения непроизводительных потерь электроэнергии на компрессорной станции Ракетнокосмического завода были проведены испытания и отработка метода дросселирования воздуха на входе в компрессор при отсутствии потребности в сжатом воздухе. Результаты экспериментов показали, что потребление электроэнергии компрессором К-250-61-2 при односменной работе предприятия и закрытии дроссельной заслонки до 150 составило 67 % от номинального, до 00 – 43 % (рис. 18). После выполнения необходимой доработки штатных дроссельных устройств экономия электроэнергии составила 5,2 – 7,1 млн. кВтч/год на одном агрегате.

Для определения эффективности работы компрессорных станций разработана простая методика определения фактической производительности компрессоров и потерь сжатого воздуха в пневмосетях, основанная на измерении темпа изменения давления в ресиверах при их закачке или стравРис. 18. Зависимость потребляемой ливании в сеть при отключенных помощности от угла открытия дроссельной требителях.

заслонки Структура экономии электроэнергии в системах обеспечения сжатым воздухом приведена на рис. 19. Полученные результаты имеют общий характер и для других типов центробежных компрессоров и могут быть использованы для оценки снижения энергозатрат при их эксплуатации.

«Глубокое дросселирование» Снижение утечек до 30% Устройство плавного 45% пуска-останова ТК 10% 13% Отключение насосов оборотного охлаждения 10% 100% 22% Рис. 19. Структура экономии энергии в централизованных системах сжатого воздуха В последнем разделе главы рассмотрены вопросы повышения энергоэффективности освещения. Результаты обследования систем освещения разноплановых предприятий и организаций показали, что на эти цели расходуется до 30 % потребляемой предприятием электроэнергии. В организациях научно-исследовательского и образовательного профиля этот показатель достигает 60 %.

Вместе с тем, отмечается, что при реконструкции осветительных установок производственных помещений имеется реальная возможность сокращения расхода электроэнергии на освещение в 2 раза, не ухудшая его качества и соблюдая действующие нормативы. В разделе приведены характеристики современных энергосберегающих источников света, рассмотрены энергосберегающие светотехнические решения и экологические проблемы современных технологий энергосбережения в освещении.

Мониторинг результатов энергосберегающих проектов показал, что даже без модернизации основных производственных технологий реализация энергосберегающих мероприятий только в основных системах инженерного обеспечения предприятий позволяет экономить до 15 % энергии без значительных капитальных затрат. Реализация подобных проектов дает возможность в относительно короткие сроки получить значительный эффект и создать основу для разработки перспективных долгосрочных программ.

Пятая глава «Энергоэффективные газопоршневые энергоустановки для малой энергетики» посвящена разработке и стендовым испытаниям газопоршневой мини-ТЭЦ. Аналитики энергобизнеса считают, что мировой рынок энергетики в недалеком будущем ожидает настоящая революция. Наряду с электростанциями-супергигантами существенную роль в энергобалансе начинают играть мини-электростанции, рассчитанные на обслуживание одного предприятия или частного дома. По прогнозам ИНЭИ РАН в 2005-2015 г.г. доля малых высокоэффективных электрогенерирующих установок составит от до 55 % общей мощности электростанций, сооружаемых в России7.

В диапазоне единичной электрической мощности энергоустановок от сотен кВт до одного мегаватта наиболее энергоэффективными являются автономные энергетические установки, использующие в качестве первичного источника энергии газопоршневой двигатель. Такие установки имеют ряд несомненных достоинств: относительно низкие удельные капитальные затраты, короткие сроки монтажа, быстрый запуск, простоту обслуживания, высокий КПД при частичных нагрузках, мобильность установки. Коэффициент использования топлива для наиболее экономичных газопоршневых мини-ТЭЦ достигает 85-87 %.

Стендовый вариант газопоршневой установки создан на базе дизельного двигателя Ярославского моторного завода ЯМЗ-240М2, конвертированного для работы на газовом топливе по технологии НАТИ. Принципиальная схема включения теплообменников в тракты двигателя представлена на рис. 20.

Теплоутилизационный блок состоит из двух стандартных пластинчатых теплообменников для утилизации тепла охлаждающей жидкости Рис. 20. Принципиальная схема включения теплообменников в тракты двигателя (ТО1) и масла (ТО2), специально разработанного кожухо-трубчатого теплообменника для утилизации тепла продуктов сгорания (ТО3) и системы тепловой автоматики.

Для испытаний газопоршневых мини-ТЭЦ создан экспериментальный стенд. Общий вид стенда показан на рис.

21.

Стенд оборудован системой подачи магистрального газа, эквивалентными электрической и тепловой нагрузками, системами КИП и тепловой автоматиРис. 21. Общий вид стендовой установки ки, построенными на базе датчиков с Боровков В.М., Бородина О.А. Развитие малой энергетики как элемент стратегической программы и энергосберегающей политики России // Известия РАН: Энергетика. 2006. №5. С.

156-164.

унифицированными выходными сигналами и промышленных контроллеров.

Для контроля параметров мини-ТЭЦ реализована схема удаленного доступа к ПК стендовой установки, позволяющая контролировать работу станции с любого компьютера, подключенного к локальной сети.

Разработанная и реализованная в стендовом варианте установки система автоматического регулирования обеспечивает эффективный алгоритм запуска и разогрева двигателя из холодного состояния, работу двигателя в заданном температурном интервале (температуры охлаждающей жидкости и масла) и реакцию системы на повышение температуры сетевой воды во внешнем контуре охлаждения выше предельного значения. Управляющие сигналы с контроллеров подаются на электроприводы исполнительных механизмов регуляторов, переключающих потоки теплоносителей с основных трактов на байпасные линии и штатный радиатор. Блок-схема связей аппаратной части системы КИП и А представлена на рис. 22.

Рис. 22. Блок схема связей аппаратной части системы КИП и А Испытания показали, что агрегат устойчиво работает в диапазоне нагрузок от 30 до 200 кВт. Зависимости КПД и коэффициента использования топлива от электрической нагрузки мини-ТЭЦ показаны на рис. 23. Из анализа результатов следует, что даже при нагрузке, составляющей 20 % от номинальной, эффективность мини-ТЭЦ (эффективность использования топлива) снижается всего на 8 % по сравнению с номинальным режимом. Результаты измерений концентрации вредных выбросов в продуктах сгорания представлены на рис. 24. Пересчитанные в соответствии с методикой ГОСТ Р 51249-99 измеренные удельные выбросы при коэффициенте избытка воздуха 1,3 и мощности установки 103 кВт составили: оксиды азота – 26 г/кВтч; оксид углерода – 4,3 г/кВтч.

коэфф. использования топлива КПД эл.

10 20 30 40 50 60 70 80 90 1Электрическая нагрузка, % Рис. 23. Зависимость коэффициента исполь- Рис. 24. Зависимость концентраций CO, NO зования топлива от электрической нагрузки и NOx от коэффициента избытка воздуха Большое влияние на эффективность мини-ТЭЦ оказывают суточные и сезонные изменения электрической и тепловой нагрузок. В типовых системах теплоснабжения максимальная суточная неравномерность тепловой нагрузки характерна для систем горячего водоснабжения (ГВС). Если в отопительный период это не имеет решающего значения (при доле ГВС в 10-15 % от отопительной нагрузки суммарная неравномерность тепловой нагрузки не превысит 10 % при удвоении нагрузки ГВС в часы максимумов), то в летнее время пиковая тепловая нагрузка может превышать среднесуточную в 2-3 раза.

В диссертации приведено обоснование эффективной схемы подключения газопоршневой мини-ТЭЦ к системе теплоснабжения. При разработке схемы учитывались дополнительные ограничения, которые накладывают тепловые режимы работы двигателя: допустимые максимальная и минимальная температуры охлаждающей жидкости и масла. Кроме того, поскольку вода в бакеаккумуляторе находится при атмосферном давлении, температура в системе не должна превышать 100 °С. Принципиальная схема системы ГВС показана на рис. 25.

В ночное время оба контура работают независимо: в основном контуре теплообменники ТО1 и ТО2 компенсируют потери в тепловой сети и обеспечивают минимальное потребление горячей воды. При этом регуляторы Р1 и Р3 закрыты, вентиль В2 открыт, насос Н2 включен.

Эффективность, % Рис. 25. Принципиальная расчетная схема системы ГВС на базе газопоршневой мини-ТЭЦ Если температура горячего теплоносителя на выходе из этих теплообменников превысит допустимое значение или опустится ниже предельно допустимого минимального значения, срабатывает тепловая автоматика двигателя и теплоноситель направляется в штатный радиатор или сетевая (нагреваемая) вода или часть ее проходит через байпасы. В контуре зарядки бака-аккумулятора нагреваемая вода проходит через теплообменник ТО3. Расход воды подбирается таким образом, чтобы температура продуктов сгорания на выходе из теплообменника была выше температуры «точки росы», а температура воды в бакеаккумуляторе в конце цикла его зарядки не превышала 95°С.

В дневное время (с 6 до 22 ч) вентиль В2 закрыт, насос Н2 остановлен, регуляторы Р1, Р3, Р4 обеспечивают такое соотношение расходов сетевой воды на выходе из теплообменника ТО2 и из бака-аккумулятора, при котором поддерживается заданная температура воды в точке смешения (А). Для предотвращения вскипания воды в теплообменнике ТО3 при малых расходах сетевой воды предусмотрен байпас для продуктов сгорания.

Оптимизация параметров схемы и разработка алгоритма регулирования системы ГВС осуществлялись путем выполнения вариантных расчетов схемы, реализованной в программных модулях под управлением среды программирования TRNSYS. Рассчитывались суточные графики температуры и расхода воды в различных точках контура и тепловые потоки в теплообменниках и определялись коэффициенты использования теплообменников, представляющие отношение количества тепла, переданного за сутки теплообменником, к максимально возможному теплу при заданных входной и минимальной выходной температурах горячего теплоносителя.

Суточные графики температуры воды в системе ГВС при оптимальном расходе воды в контуре зарядки бака50 аккумулятора и принятом графике нагрузки представлены на рис. 26. При заданном графике суточной тепловой нагрузки и расходе воды в контуре зарядки 5 м3/ч расчетная температура 34 в системе ГВС с 6 до 22 ч обеспечи0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 вается при объеме бака-аккумулятора Время, ч более 20 м3. После оптимизации схемы эффективность использования теРис. 26. Суточный график температуры воды в системе ГВС в зависимости от объема бакапла составила 82 %, что увеличивает аккумулятора: 1 – без бака-аккумулятора;

срок окупаемости установки почти на 2 – V=10 м3; 3 – V=20 м15 % по сравнению со 100процентной эффективностью. Во многих случаях применения мини-ТЭЦ реальный коэффициент использования тепла не превышает 50 % с соответствующим увеличением срока окупаемости в 1,5 раза.

Разработанная схема явилась основой проекта реконструкции системы теплоснабжения научного городка Специальной астрофизической обсерватории РАН, расположенного в пос. Нижний Архыз (Карачаево-Черкесия). Схема энергоснабжения САО типовая: электропотребление осуществляется от централизованной сети, теплоснабжение обеспечивается собственной паровой котельной. В отопительный период основная проблема – частые отключения электроэнергии. Обеспечение собственных нужд котельной электроэнергией от автономного источника (с резервированием от сети) повысит безопасность теплоснабжения и снизит эксплуатационные расходы. При этом мини-ТЭЦ практически круглые сутки может работать в номинальном режиме с максимальной эффективностью теплоутилизационного блока, работающего на общую систему теплоснабжения параллельно с котлами. В летний период котельная консервируется и потребности системы ГВС обеспечивает газопоршРис. 27. Схема сезонной работы невая мини-ТЭЦ (рис. 27). При этом газопоршневой мини-ТЭЦ в САО РАН номинальная электрическая нагрузка Температура воды в системе ГВС, С обеспечивается круглосуточно: сетевые насосы, очистные сооружения и т.д.

Разработанная модель и компьютерная программа позволяют потенциальному владельцу мини-ТЭЦ при заданных графиках потребления тепловой и электрической энергии подобрать установку оптимальной мощности, оптимизировать схему ее подключения, рассчитать себестоимость получаемой тепловой и электрической энергии и, в конечном счете, оценить и эффективность вложения средств.

В шестой главе «Энергосбережение и энергоэффективность на предприятиях нефтегазового комплекса» рассмотрены вопросы энергосбережения и эффективной утилизации отходящих газов технологических линий производства технического углерода Сосногорского газоперерабатывающего завода (СГПЗ). Перерабатывающие предприятия нефтегазового комплекса характеризуются, с одной стороны, большой энергоемкостью, с другой, в силу специфики процессов и технологий, большими объемами сбросного тепла с высоким температурным потенциалом. Реализация эффективных схем утилизации вторичных энергоресурсов позволит заводу не только полностью перейти на самообеспечение тепловой и электрической энергией, но и продавать энергию сторонним потребителям. Создание собственных тепло- и электрогенерирующих мощностей обеспечит энергетическую безопасность предприятия и существенно снизит долю затрат на энергоресурсы в себестоимости выпускаемой продукции, улучшит энергетическую ситуацию в регионе, поскольку энергосистема Комиэнерго является электродефицитной.

Энергетическое обследование СГПЗ показало, что потенциал энергии вторичных энергоресурсов в производстве термического и печного технического углерода составляет порядка 1,5 млн. МВтч в год (170 МВт) или около 50 % тепловой мощности Сосногорской ТЭЦ, обеспечивающей энергией завод. Вся потребленная заводом тепловая энергия (от ТЭЦ и собственных источников) составляет около 170000 МВтч (около МВт), среднегодовая электрическая мощность – 6 МВт. Специфические условия завода позволяют рассматривать его в перспективе, как энерготехнологический комплекс.

Термический углерод марки Т-9производится в реакторах регенеративного типа. Принципиальная схема реактора представлена на рис. 28. Энергетический Рис. 28. Принципиальная схема газогенератора Т-900 потенциал вторичных энергоресурсов установки определяется двумя составляющими: тепловой энергией, запасенной в высокотемпературных продуктах сгорания в стадии нагрева керамической насадки, и химической энергией газообразных продуктов пиролиза. Энергетический баланс блока газогенераторов термического техуглерода Т-900 при характерных режимных параметрах установки, рассчитанный с использованием пакета программ SGPZ_T-900 и TERMO8, показан на рис. 29. В существующей технологии в стадии нагрева керамической насадки продукты сгорания выбрасываются в дымовые трубы без какой-либо утилизации тепла.

Воздух и газ подаются в реакторы без предварительного подогрева при температуре окружающего воздуха. Продукты пиролиза (около 80 % – водород) сжигаются вместе с природным газом в водогрейных котлах (используются паровозные котлы с доработанными топками).

Рис. 29. Расчетный энергетический Вторичными энергоресурсами процесса являбаланс блока газогенераторов ются физическое тепло и теплотворная способтехуглерода Т-9ность газообразных продуктов термического разложения природного газа. Теплотворная способность газов – 4,56 МДж/нм3, адиабатическая температура сгорания – 1660 0С, суммарный тепловой потенциал – 23,6 МВт. Горючий газ с такими высокими теплофизическими свойствами может быть использован практически в любой энергетической установке эффективно и без сложных инженерных проблем.

Одним из направлений повышения энергетической эффективности процесса является утилизация тепла горячих отходящих газов для предварительного подогрева воздуха, используемого в камере сгорания газогенератора при разогреве, и для подогрева сырьевого газа. Расчетная зависимость расхода топливного газа, используемого для разогрева насадки, от температуры воздуха показана на рис. 30. Зависимость эффективности процесса (кг углерода на кг углерода в сырьевом газе) от температуры газа на входе в газогенератор приведена на рис. 31.

Директор Л.Б., Майков И.Л., Зайченко В.М., Кудрявцев М.А., Сокол Г.Ф., Шехтер Ю.Л.

Моделирование процессов термического разложения природного газа. Препринт ОИВТ РАН, №2-452, 2001, 60 с.

Рис. 30. Зависимость расхода газа от Рис. 31. Зависимость выхода технического температуры воздуха в стадии углерода от температуры газа на входе в разогрева насадки газогенератор Технологическая схема утилизации тепла сбросных газов предусматривает объединение выхлопных труб, отводящих продукты сгорания после разогрева насадки реакторов, в футерованном коллекторе, из которого выхлопные газы поступают в рекуператор. В рекуператоре размещаются конвективные поверхности нагрева в виде трубных пучков или пакетов пластин, в которых за счет охлаждения дымовых газов обеспечивается подогрев воздуха, подаваемого в камеры сгорания, топливного газа и сырьевого газа. На выходе из рекуператора устанавливается дымосос для компенсации потерь давления в конвективных пучках и газоходах рекуператора. Для предварительного охлаждения газов до температур, обеспечивающих безопасный уровень рабочих температур металла поверхностей нагрева, перед пучками рекуператора предусмотрен регулирующий впрыск воды через систему форсунок, равномерно распределенных по сечению. Подобная схема позволяет обеспечить работу рекуператора в стационарном тепловом режиме по всем потокам, так как два реактора из четырех всегда находятся в стадии нагрева и, следовательно, расход и температура продуктов сгорания на входе в рекуператор постоянны.

Расчеты показали, что подогрев воздуха в стадии нагрева отходящими продуктами сгорания при утилизации 30 % тепла уходящих газов и нагреве воздуха до температуры 800 К снижает расход природного газа на нагрев на 70 %.

Подогрев воздуха в стадии продувки реактора позволяет избежать падения температуры в верхней зоне насадки и эффективно использовать тепло, выделяющееся при выжигании пироуглерода. Предварительный подогрев сырьевого газа в 1,5 - 2 раза повышает производительность процесса. При реализации рассмотренных схем оставшийся тепловой потенциал продуктов сгорания достаточен, чтобы обеспечить теплофикационную нагрузку завода.

Основой технологии производства углерода марки П-701 является автотермический факельный процесс частичного окисления газа воздухом при коэффициенте избытка окислителя по отношению к стехиометрическому 0,4-0,5 при давлении близком к атмосферному. Принципиальная схема установки представлена на рис. 32.

Рис. 32. Принципиальная схема установки по производству углерода П-7Расчетный энергетический баланс процесса приведен на рис. 33. В расчетах использованы пакеты программ SGPZ_Р-701 и TERMO. В соответствии с проведенными расчетами потенциал энергии вторичных энергоресурсов двух участков по производству углерода П701, запасенный в отходящих газах, составляет 50 МВт.

Сложность использования отходящих газов процесса связана с большим количеством паров воды (до 50 %) в отРис. 33. Расчетный энергетический баланс процесса производства печного углерода ходящих газах и их низкой удельной теплотой сгорания.

Рассмотрены следующие варианты оптимизации процесса (рис. 34): подача части сырьевого газа в зону реакции; предварительный подогрев дополнительного сырьевого газа; предварительный подогрев воздуха; установка теплообменника и сепаратора за электрофильтрами и организация оборотного цикла водяного охлаждения продуктов реакции; установка котла-утилизатора, работающего на отсепарированных продуктах реакции.

Рис. 34. Схема реконструкции участка производства углерода П-701 (печной сажи) Зависимость эффективности выхода углерода от расхода дополнительного сырьевого газа при различных температурах подогрева газа и при оптимальной температуре подогрева воздуха показана на рис. 35.

Эффективным способом повышения производительности установки является предварительный подогрев воздуха. Кроме повышения эффективности использования газа это приводит к снижению расхода охлаждающей воды в скрубберах и расхода воздуха. Для подогрева воздуха рассчитан теплообменник с организацией противотока в коаксиальном кольцевом канале активатора.

Для исключения осаждения углерода на внутренней стенке активатора при расчетах вводилось ограничение по температуре внутренней стенки активатора (tст>1000 0С).

600К 500К Для оценки эффективности 400К организации оборотного цикла 300К охлаждающей воды был выполнен оценочный расчет теплообменника с учетом фазовых переходов в обоих теплоносителях.

В зависимости от выбранного варианта реконструкции произво0 100 200 300 400 5дительность теплообменника по Расход дополнительного газа на 1 реактор, куб.м/ч пару составит от 16,25 до 30 т пара в час, для двух участков – от Рис. 35. Зависимость эффективности выхода 32,5 до 60 т пара в час. Потенциал углерода от расхода дополнительного газа тепловой энергии составляет для двух участков от 22 до 38 Гкал/ч.

Тенденции создания энерготехнологических комплексов на базе предприятий отрасли сегодня характерны как для энергетических компаний, так и для Эффективность, кг / кг, % нефтегазового сектора промышленности России. Кроме возможности контролировать цены на энергоносители это позволит обеспечить энергетическую безопасность предприятий отрасли.

В заключении сформулированы основные выводы диссертационной работы:

1. На основе комплексного исследования систем энергопотребления нескольких десятков разноплановых предприятий и организаций проведен системный анализ типовых источников потерь энергии. Показано, что на всех предприятиях потенциал экономии энергоресурсов только за счет организационно-технических малозатратных мероприятий в типовых общезаводских инженерных системах составляет 10-15 %.

2. Рассмотрены схемы реализации энергосберегающих проектов. На примере крупных московских предприятий (ФГУП ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, ОАО АТЭ-1, ОАО «МЭЛЗ», ФГУП «Центр Келдыша», ОАО «Орион») показана эффективность применения механизма тарифа экономического развития для реализации проектов в области энергосбережения.

3. Разработана оригинальная математическая модель и программный комплекс для расчета и теплогидравлической оптимизации разветвленных тепловых сетей, не требующие детального знания гидравлических характеристик тепловой сети. Набор стандартных элементов сети и рекурсивная схема ее построения и расчета позволяют моделировать схемы теплоснабжения любой степени сложности. Программный комплекс явился ядром системы автоматического регулирования тепловой сети ФГУП ГКНПЦ им. М.В. Хруничева. Подобная система впервые внедрена на крупном промышленном предприятии и в процессе ее опытной эксплуатации в течение отопительного сезона теплопотребление снизилось на 10 %.

4. Разработана информационно-аналитическая система для оперативного анализа и обработки текущей информации по энергопотреблению объектов бюджетной сферы городского хозяйства г. Москвы (более 5 тыс. организаций) для принятия обоснованных решений по реализации мер энергосбережения на этих объектах, формирования программы первоочередных энергосберегающих мероприятий и получения достоверного баланса использования ТЭР бюджетными организациями города.

5. Разработано автоматизированное рабочее место энергоаудитораэнергоменеджера – автоматизированная система для оперативного унифицированного ввода информации об основных энергетических характеристиках объектов промышленности и городского хозяйства, обработки данных по стандартным алгоритмам, генерации отчетных форм и формирования базы данных, содержащей основные характеристики обследованных объектов. Разработанный комплекс – достаточно открытый и гибкий программный продукт, что позволяет адаптировать его для любой сферы промышленности и городского хозяйства в зависимости от потребностей и специфики энергетики отрасли.

6. На основе современных средств моделирования разработаны математическая модель и компьютерная программа для моделирования динамических режимов отопления зданий. Модель предусматривает возможность расчета тепловых характеристик здания с учетом теплофизических свойств применяемых строительных материалов и конструкций, планировки помещений, ориентации здания, внутренних источников тепла, местных климатических условий, характеристик системы отопления и оборудования теплового пункта. Предусмотрена возможность моделирования переходных режимов отопления здания с учетом регулирования суточного и недельного графика потребления тепла с помощью соответствующей системы управления тепловыми режимами здания. Основным результатом практического применения модели является разработка рекомендаций по модернизации и дополнительному оснащению здания и теплового пункта оборудованием, обеспечивающим снижение теплопотребления до 30 %.

7. Разработаны эффективный когенерационный блок и газопоршневая миниТЭЦ на базе двигателей Ярославского моторного завода. Создан уникальный комплексный экспериментальный стенд и проведены стендовые сертификационные испытания газопоршневой мини-ТЭЦ электрической мощностью 2кВт и тепловой мощностью 280 кВт. Испытания показали высокую эффективность мини-ТЭЦ на базе отечественного двигателя – коэффициент использования топлива в номинальном режиме превысил 80 %. Разработаны алгоритм, программное обеспечение и стендовый макет системы автоматического регулирования мини-ТЭЦ. Система автоматики и блок утилизации тепла, реализованные для данного агрегата, без существенных изменений могут быть адаптированы к аналогичным станциям на базе газовых и дизельных двигателей различной мощности.

8. На базе среды моделирования динамических систем TRNSYS создана математическая модель и разработана эффективная схема интегрирования газопоршневой мини-ТЭЦ в стандартную отопительную котельную в условиях сильно неравномерной суточной тепловой нагрузки. Результаты моделирования использованы институтом «Ростовтеплоэлектропроект» при разработке технического проекта газопоршневой мини-ТЭЦ на нижней научной площадке Специальной астрофизической обсерватории РАН (пос. Нижний Архыз, КарачаевоЧеркесия). Реализация проекта позволит значительно сократить потребление топлива котельной САО и обеспечит энергетическую безопасность ведущего российского астрофизического научного центра.

9. На основе разработанных кинетических схем и натурных экспериментов в условиях работающего предприятия созданы математические модели и программные комплексы для энергетической оптимизации технологических линий производства технического углерода одного из крупнейших предприятий ОАО «Севергазпром» – Сосногорского газоперерабатывающего завода. Показано, что энергетический потенциал высокотемпературных сбросных газов производства значительно перекрывает энергетические потребности завода. Комплексное энергетическое обследование предприятия и анализ энергетического потенциала вторичных энергоресурсов позволили разработать практические схемы превращения СГПЗ в энерготехнологический комплекс.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Гнездов Е.Н., Коротин А.Н., Калязин Ю.В., Директор Л.Б., Фомин В.А. Определение режимных параметров высокотемпературной установки. В сб.

«Математическое и физическое моделирование и оптимизация тепломассообмена в установках промышленной теплоэнергетики». Ивановский госуниверситет, 1981, с. 49-54.

2. Якимович К.А., Фомин В.А., Директор Л.Б., Сокол Г.Ф. Экспериментальное обоснование малогабаритного цилиндрического парогенератора с турбокомпрессором //Теплоэнергетика. 1995. №9. С. 27-31.

3. Архипов В.В., Каменев В.М., Гусаков Е.П., Зайченко В.М., Директор Л.Б., Шехтер Ю.Л. Повышение эффективности использования центробежных компрессоров в системах технологического воздуха (на примере РКЗ ГКНПЦ им. Хруничева) // Проблемы энергосбережения. 2000. №1 (3). С.

11-14.

4. Антоненко В.Ф., Директор Л.В., Зайченко В.М., Качалов В.В., Кудрявцев А.М., Шпильрайн Э.Э. Способ получения технического углерода. Патент РФ № 2149880, 2000.

5. Директор Л.Б., Зайченко В.М., Шпильрайн Э.Э. Энергосбережение и особенности энергоаудита на российских промышленных предприятиях // Ведомости МТА. 2000. №28. С. 99-100.

6. Штеренберг В.Я., Директор Л.Б., Зайченко В.М., Майков И.Л., Шпильрайн Э.Э. Сокращение потребления природного газа на тепловых электростанциях // Ведомости МТА. 2000. №28. С. 99.

7. Директор Л.Б., Зайченко В.М., Шехтер Ю.Л., Логачев Е.М., Цой А.Д. Об эффективности использования центробежных компрессоров в системах технологического воздуха промышленных предприятий // Энергонадзор и энергосбережение сегодня. 2000. №4. С. 32-38.

8. Директор Л.Б., Зайченко В.М., Реутов Б.Ф., Шпильрайн Э.Э. Энергосбережение и особенности энергоаудита на российских промышленных предприятиях // Энергонадзор и энергосбережение сегодня. 2001. №1. С. 32-38.

9. Директор Л.Б., Зайченко В.М., Реутов Б.Ф., Шпильрайн Э.Э. Энергосбережение и особенности энергоаудита на российских промышленных предприятиях // Энергоэффективность. Нижний Новгород. 2001. Вып. 2. С. 10-16.

10. Директор Л.Б., Зайченко В.М., Реутов Б.Ф., Шпильрайн Э.Э. Энергосбережение и особенности энергоаудита на российских промышленных предприятиях // Энергоэффективные технологии. Информационный бюллетень.

Санкт-Петербург. 2001. №2(24). С. 11-18.

11. Попель О.С., Директор Л.Б. Энергоснабжение специальной астрофизической обсерватории // Экология и промышленность России. 2001. Март. С.

44-46.

12. Директор Л.Б., Зайченко В.М., Кудрявцев М.А., Майков И.Л., Рогов Б.Т., Соболев А.Н., Черномырдина Н.А. Новое в производстве технического углерода на Сосногорском ГПЗ // Газовая промышленность. 2001. №1. С. 49-50.

13. Директор Л.Б., Майков И.Л., Зайченко В.М., Кудрявцев М.А., Сокол Г.Ф., Шехтер Ю.Л. Моделирование процессов термического разложения природного газа. Препринт ОИВТ РАН, №2-452, 2001, 60 с.

14. Директор Л.Б., Попель О.С., Туполов П.И. Проблемы энергоснабжения Специальной астрофизической обсерватории Российской академии наук // Проблемы энергосбережения. 2001. №1(6). С. 10-13.

15. Директор Л.Б., Шпильрайн Э.Э. Энергетическое обследование научноисследовательских учреждений. В сб. «Энергосбережение в учреждениях научно-исследовательского профиля / под общей ред. ак. В.Е. Фортова. М.:

Издательство МФТИ, 2001, с. 13-30.

16. Попель О.С., Директор Л.Б., Майков И.Л. Информационная система «Энергопотребление бюджетных учреждений комитета здравоохранения правительства Москвы». Тезисы докладов. Научно-практический семинар «Энерго- и ресурсосбережение в городском хозяйстве». Москва, 5-8 июня 2001 г., с. 34-35.

17. Директор Л.Б., Попель О.С. Анализ систем энергообеспечения Специальной астрофизической обсерватории Российской Академии наук и эффективности применения возобновляемых источников энергии. В сб. «Энергосбережение в учреждениях научно-исследовательского профиля / под общей ред. ак. В.Е. Фортова. М.: Издательство МФТИ, 2001, с. 265-303.

18. Директор Л.Б., Шпильрайн Э.Э. Энергетическое обследование научноисследовательских учреждений // Проблемы энергосбережения. 2001. №(8). С. 5-9.

19. Директор Л.Б., Зайченко В.М., Майков И.Л., Сокол Г.Ф., Шехтер Ю.Л., Шпильрайн Э.Э. Исследование процесса пиролиза метана при фильтрации через нагретую пористую среду // ТВТ. 2001. Т. 39. №1. С. 89-96.

20. Директор Л.Б., Шпильрайн Э.Э. Энергетическое обследование научноисследовательских учреждений // Проблемы энергосбережения. 2002. №(9-10). С. 2-6.

21. Директор Л.Б., Зайченко В.М., Майков И.Л., Фрид С.Е. Математическое моделирование и оптимизация разветвленных тепловых сетей // Новости теплоснабжения. 2002. №5 (21). С. 36-38.

22. Директор Л.Б., Зайченко В.М., Майков И.Л., Сокол Г.Ф., Шехтер Ю.Л.. Исследование тепломассообменных процессов при газопиролитической переработке древесных отходов. Труды Третьей Российской национальной конференции по теплообмену. В 8 томах. Т.3. Свободная конвекция. Теплообмен при химических превращениях. М.: Из-во МЭИ, 2002, с. 209-223. Директор Л.Б. Задачи, методология и опыт энергообследования объектов бюджетной сферы и промышленных предприятий. Материалы научнопрактического семинара. 4-6 июня 2002 г., г. Салехард, с. 14.

24. Попель О.С., Директор Л.Б. Энергоснабжение САО РАН. Проблемы и решения. Проспект ИВТ РАН. Москва – Нижний Архыз, 2002, 12 с.

25. Попель О.С., Директор Л.Б., Фрид С.Е. Эффективные системы тепло- электроснабжения автономных горных поселений с использованием возобновляемых источников энергии // Физика экстремальных состояний вещества – 2002. (Под ред. Фортова В.Е. и др.). ИПХФ РАН, Черноголовка. 2002. С.

186-189.

26. Director L.B., Maikov I.L. and Zaichenko V.M. A Theoretical Study of Heterogeneous Methane Reaction Processes // Proceedings of the Twelfth International Heat Transfer Conference, Grenoble, France, 2002. Р. 929-934.

27. Апполонов Ю.С., Директор Л.Б., Зайченко В.М., Майков И.Л. Разработка автоматизированного рабочего места энергоаудитора-энергоменеджера и электронной формы энергетического паспорта предприятия // Энергосбережение. 2003. №3. С. 64-66.

28. Director L.B., Homkin K.A., Maikov I.L., Shekhter Yu.L., Sokol G.F., Zaichenko V.M. Theoretical and Experimental Investigations Substantiating Technologies for Carbon Materials Production from Natural Gas // Eurasian Chem Tech Journal. 2003. N5. P. 29-37.

29. Шехтер Ю.Л., Директор Л.Б., Пругер В.И. Упрощенная методика определения физических характеристик поршневых компрессоров и пневмосети предприятия // Промышленная энергетика. 2003. №8. С. 18-19.

30. Шпильрайн Э.Э., Балега Ю.Ю., Реутов Б.Ф., Попель О.С., Директор Л.Б., Нехороший И.Х., Туполов П.И. Роль нетрадиционных возобновляемых источников энергии в решении острых энергетических проблем САО РАН.

Международная конференция «Возобновляемая энергетика 2003: состояние, проблемы, перспективы». 4-6 ноября 2003 г., Санкт-Петербург. Сборник докладов. Изд-во СПбГПУ. С. 269-275.

31. Директор Л.Б., Зайченко В.М., Хомкин К.А. Об опыте работ ИВТ РАН в области энергосбережения. Материалы VII Международной научнопрактической конференции «Энергопроизводство, энергопотребление и энергосбережение: проблемы и решения». Пермь, 26-28 мая 2004 г., с. 26-31.

32. Гусаков Е.П., Директор Л.Б., Зайченко В.М., Яковлев М.Е. Опыт применения тарифа экономического развития для реализации энергосберегающих проектов на крупном промышленном предприятии. Сборник трудов Международной научной конференции «Электротехника, энергетика, экология – 2004», 12-15 сентября, Санкт-Петербург, с. 133-136.

33. Директор Л.Б., Зайченко В.М., Шехтер Ю.Л.. Энергосбережение на компрессорных станциях промышленных предприятий. Сборник трудов Международной научной конференции «Электротехника, энергетика, экология – 2004», 12-15 сентября, Санкт-Петербург, с. 129-132.

34. Директор Л.Б., Зайченко В.М., Сокол Г.Ф., Хомкин К.А. Новая технология переработки природного газа с получением твердых углеродных материалов. Фундаментальные проблемы разработки нефтегазовых месторождений, добычи и транспортировки углеводородного сырья. Материалы Международной конференции 24-26 ноября 2004 г., Москва. М.: ГЕОС, 2004. С.

209-210.

35. Директор Л.Б., Зайченко В.М., Коростина М.А., Яковлев М.Е. Опыт проведения энергетических обследований и реализация программ энергосбережения на предприятиях оборонного комплекса. Материалы I Международной научно-практической конференции «Энергетика, материальные и природные ресурсы. Эффективное использование. Собственные источники энергии». Пермь, 31 мая – 3 июня 2005 г. С. 170-172.

36. Директор Л.Б., Попель О.С., Фрид С.Е. Анализ эффективности мини-ТЭЦ на базе ДВС при переменных тепловых нагрузках // Новости теплоснабжения. 2005. №11(63). С. 42-44.

37. Директор Л.Б., Попель О.С., Туполов П.И., Фрид С.Е.. Анализ эффективности газопоршневой мини-ТЭЦ при переменных тепловых нагрузках. Вести в электроэнергетике. 2005. №6. С. 48-51.

38. Директор Л.Б., Попель О.С., Фрид С.Е. Анализ эффективности мини-ТЭЦ на базе ДВС при переменных тепловых нагрузках. Малые и средние ТЭЦ.

Современные решения. Труды конференции. 7-9 сентября 2005 г., УМЦ Голицино, с. 37-38.

39. Джулий А.В., Директор Л.Б., Зайченко В.М. Перспективы применения российских газопоршневых электростанций малой мощности с когенерацией.

В сб. трудов II Международной научно-практической конференции «Энергетика, материальные и природные ресурсы. Эффективное использование.

Собственные источники энергии». Пермь, 2006, с. 59-61.

40. Директор Л.Б., Зайченко В.М., Коростина М.А., Чернявский А.А., Яковлев М.Е. Оптимизация тепловой сети РКЗ ГКНПЦ им. М.В. Хруничева. В сб.

трудов II Международной научно-практической конференции «Энергетика, материальные и природные ресурсы. Эффективное использование. Собственные источники энергии». Пермь, 2006, с. 82-84.

41. Директор Л.Б., Зайченко В.М., Косов В.Ф., Синельщиков В.А. Комплексная переработка древесных отходов и природного газа. В сб. трудов II Международной научно-практической конференции «Энергетика, материальные и природные ресурсы. Эффективное использование. Собственные источники энергии». Пермь, 2006, с. 118-120.

42. Джулий А.В., Директор Л.Б. Транспортабельная энергоустановка. Патент РФ №53376 от 10 мая 2006 г.

43. Гусаков Е.П., Директор Л.Б., Зайченко В.М., Коростина М.А., Чернявский А.А., Яковлев М.Е. Реализация тарифа экономического развития на Ракетно-космическом заводе ГКНПЦ им. М.В. Хруничева // Энергосбережение.

2007. №2, с. 23-26.

44. Директор Л.Б., Зайченко В.М., Марков А.В. Перспективы применения газопоршневых двигателей для автономного энергоснабжения. Материалы Первой Всероссийской научно-технической конференции «Альтернативные источники химического сырья и топлива», Уфа, 20-23 мая 2008 г. Вып. 1. Уфа:

«Реактив», 2008, с. 77.

Директор Л.Б.

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ И МЕТОДЫ ИХ РЕАЛИЗАЦИИ Автореферат Подписано в печать 21.07.08 Формат 60х84/Печать офсетная Уч.-изд.л. 2,87 Усл.печ.л. 2,Тираж 120 экз. Заказ № Бесплатно ОИВТ РАН, 125412, Москва, Ижорская ул., 13, стр.






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.