1 Разработка технологических основ элементов системы теплоснабжения нового поколения, обеспечивающих снижение энергетических потерь МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (технический университет) (технический университет) Руководитель – д.т.н., профессор Рыженков Вячеслав Алексеевич ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОНТРАКТ от «26» апреля 2007 г.

2 Цель работы: Разработка способов, технических и технологических решений, снижающих термодинамические и гидравлические потери, не менее чем на 20% и 30% соответственно, при транспортировке, распределении и потреблении тепловой энергии с целью создания системы теплоснабжения нового поколения

3 Алгоритм проведения исследований Анализ состояния отечественного теплоснабжения Определение причин снижения эффективности систем теплоснабжения Постановка задач и разработка методик исследований Исследование факторов, влияющих на процесс образования и роста отложений Определение коррозионной стойкости конструкционных материалов и покрытий Исследование факторов, влияющих на гидравлические потери Моделирование условий интенсификации теплообмена Математическое моделирование процессов регулирования тепловыми потоками Исследование факторов влияющих на тепловую и гидравлическую разбалансированность систем теплоснабжения Разработка технических и технологических решений для снижения термодинамических и гидравлических потерь Разработка технологических основ для существенного повышения коррозионной стойкости конструкционных материалов Разработка эффективных мероприятий по устранению условий образования отложений Разработка оптимальных режимов эксплуатации, исключающих тепловую и гидравлическую разбалансированность Разработка современной методологии и состава оборудования для эффективной диагностики и диспетчеризации

4 Теплоснабжение промышленных и бытовых потребителей в России на современном этапе превратилось из отраслевой в проблему национального масштаба с ярко выраженным социальным и экономическим аспектом. Теплоснабжение промышленных и бытовых потребителей в России на современном этапе превратилось из отраслевой в проблему национального масштаба с ярко выраженным социальным и экономическим аспектом. Основные показатели: Основные показатели: Около 70% установленного оборудования давно уже физически и морально устарело, состояние более половины объектов теплоснабжения требует замены оборудования по причине предельной его изношенности, не менее 15% находится в аварийном состоянии. Около 70% установленного оборудования давно уже физически и морально устарело, состояние более половины объектов теплоснабжения требует замены оборудования по причине предельной его изношенности, не менее 15% находится в аварийном состоянии. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

5 Неоправданные с термодинамической точки зрения потери тепловой энергии на всех этапах от производства до ее потребления уже превышают 30%. Неоправданные с термодинамической точки зрения потери тепловой энергии на всех этапах от производства до ее потребления уже превышают 30%. Из-за аварий и износа оборудования ("свищи", неплотности арматуры и др.) ежегодно теряется более 250 млн. м 3 теплоносителя. Из-за аварий и износа оборудования ("свищи", неплотности арматуры и др.) ежегодно теряется более 250 млн. м 3 теплоносителя. Повреждаемость теплопроводов систем теплоснабжения для России в целом составляет 0,5÷5 повреждений в год на 1 км магистрали двухтрубной сети. Это более чем на порядок превышает аналогичный показатель в странах Западной Европы. Повреждаемость теплопроводов систем теплоснабжения для России в целом составляет 0,5÷5 повреждений в год на 1 км магистрали двухтрубной сети. Это более чем на порядок превышает аналогичный показатель в странах Западной Европы.

6 Основные причины снижения эффективности эксплуатации систем теплоснабжения в современных условиях Неоправданный перерасход топлива Снижение надежности работы оборудования Значительные потери тепловой энергии и теплоносителя Ухудшение теплопередачи в отопительных приборах и т/о устройствах Повышенный износ поверхностей оборудования Наличие термобарьер- ных отложений на трубных поверхностях Низкий к.п.д. водогрейных котлов Утечки через неплотности арматуры и «свищи» Низкие теп- лоизоляцион- ные свойства теплопроводов Невысокая эффектив- ность способов удаления отложений Наличие термобарьерных отложений на теплообменных поверхностях Низкое «качество» теплоносителя Неэффективные способы борьбы с коррозией Повышен- ный уровень механичес- ких напря- жений Исчерпание проектного ресурса Невысокая эффектив- ность ремонтов

7 Характерное состояние трубных поверхностей и теплообменных поверхностей после нескольких лет эксплуатации

8 Влияние образующихся на теплообменных и трубных поверхностях отложений и продуктов коррозии на эффективность теплоснабжения Образование отложений и продуктов коррозии на теплообменных и трубных поверхностях систем теплоснабжения Увеличение шероховатости поверхности Ухудшение теплопередачиСужение проходных сечений Доп.расходы, связанные с перерасходом электроэнергии Увеличение рабочего давления Перегрев металла поверхностей нагрева Увеличение аварийных ситуаций Внеплановые остановы и ремонты Нарушения графика поставки тепла Снижение эффективности отопительных приборов Снижение КПД теплогенерирующего оборудования Повышение температуры возвратного теплоносителя «Пережог» топлива Ухудшение экологии Увеличение себестоимости производства тепла Увеличение тарифов на услуги по поставке тепла Экономические потери и социальная напряженность Увеличение гидравлического сопротивления

9 Влияние толщины отложений на поверхностях нагрева котлов на снижение его мощности и перерасход топлива

10 Структурная формула и расположение молекул ПАВ на металлической поверхности H H H H Н С С … С N H H H H C n H 2n+1 NH 2 Характеристики: поверхностная активность плотность упаковки эффект гидрофобности 26 Å

11 Фрактограмма теплообменной поверхности с молекулярным слоем ПАВ

12 Эффект гидрофобности теплообменных поверхностей и поверхностей нагрева после адсорбции молекул ПАВ

13 Многократное повышение коррозионной стойкости стали после модификации поверхности с использованием ПАИК без ПАИК с ПАИК с модифи- кацией по- верхности без моди-- фикации по- верхности I, мА Е, мВ Относительная скорость коррозии, K = е сталь / е сталь паик

14 Кинетика процесса образования отложений на трубной поверхности стальных образцов при обтекании гидрокарбонатной водой при температуре 50 0 С g x 10 -2, кг/м 2 x 10 3, сек

15 Фотографии поверхностей пластинчатых теплообменников после длительной эксплуатации в штатном режиме (а) и с применением ПАВ-технологии (б) а) б)

16 Влияние молекулярных слоев ПАВ, сформированных на внутритрубной поверхности, на величину гидравлического сопротивления трубопровода Р отн = Р пав / Р исх

17 Блок-схема мобильного технологичного комплекса для реализации технологии повышения коррозионной стойкости и снижения гидравлического сопротивления магистральных трубопроводов Трубопроводная сеть Система измерений и визуализации Система кондиционирования носителя молекулами ПАИК Блок контроля и управления технологичес- кими параметрами Узел подготовки высококонцент- рированной эмульсии ПАИК Блок питания Система нагрева рабочей среды

18 Принципиальная схема и результаты реализации технологии снижения гидравлического сопротивления магистральных трубопроводов тепловых сетей Гидравлическое соп- ротивление системы после применения ПАВ-технологии Исходное гидравлическое сопротивление системы ΔРi, %

19 Распределение удельного потребления газа на КТС-18 в течение отопительного сезона до и после модификации функциональных поверхностей трубопроводов и оборудования Время, сут. 2007год q, [тыс.нм 3 /Гкал]

20 Фрактограммы ионно-плазменных покрытий МЭИ(ТУ) (Axiovert 25CA, 500) Ti+TiN Cr+CrN Ti+TiN Cr+CrN

21 Маркиров- ка Покрытие 1Т31-1TiN 2Т31-2TiN 3Т31-3TiN 4T36-1TiN 5T36-2TiC 6Т0б/п Результаты трибологических испытаний, подтверждающие существенное увеличение износостойкости и снижения коэффициента трения сталей с нанокомпозитными покрытиями

22 Элементы оборудования с износостойкими покрытиями

23 Разработка и оптимизация конфигураций теплообменных поверхностей для создания более эффективного теплообменного оборудования области формирования вихрей Схема формирования вихрей при взаимодействии потока с поверхностью при наличии накатки Трехмерная модель трубы с винтовой накаткой 1 – горячие продукты сгорания топлива 2 – теплообменная поверхность 3 – нагреваемый теплоноситель Влияние значения шага накатки на значение целевой функции Модель теплообменного процесса Целевая функция : – отношение коэффициента теплопередачи к коэффициенту гидравлического сопротивления

24 D Расчетная схема многокольцевой гидросистемы Структурная схема реализации расчетного комплекса

25 Структурная схема современной системы диагностирования теплоэнергетического оборудования

26 Интегральные результаты выполнения проекта Технологические основы элементов системы теплоснабжения нового поколения, обеспечивающие снижение энергетических потерь за счет : - увеличения коррозионной стойкости конструкционных материалов в 30 и более раз; -- снижения гидравлических потерь не чем на 30%; -- снижения скорости накопления отложений более чем в 5 раз; - увеличения интенсификации теплообменных процессов на 12,5%. -- увеличения ресурса наиболее ответственных элементов оборудования систем теплоснабжения не менее чем в 2 раза; -- исключения тепловой и гидравлической разбалансированности; --новых решений для создания систем диагностики и диспетчеризации трубопроводов и оборудования. Экономический эффектИндикаторы И опубликовано 5 статей, в веду- щих научных журналах ( 2 статьи в 2007г; 3 статьи в 2008 г.); И получено 2 патента на изобретение в 2008 г. И защищена 1 диссертация на соискание ученой степени кандида- та технических наук Исключение невынужденных потерь тепловой энергии и «пережог» топлива Значительное снижение (до 30%) экологического ущерба Экономия затрат электрической энергии на транспортировку теплоносителя (до 50 %) Устранение тепловой и гидравлической разбалансированности («перетопы» и «недотопы») Многократное снижение затрат на обеспечение «качества» теплоснабжения. Уменьшение энергозатрат при транспортировке теплоно- сителя только за счет снижения гидравличес-кого сопротивления систем теплоснабжения состав-ляет 400 млн.рублей в год для г.Москвы