ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОНТРАКТ 02 516 11 6027 от

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОНТРАКТ № 02. 516. 11. 6027 от « 26» апреля 2007 г. Разработка технологических основ элементов системы теплоснабжения нового поколения, обеспечивающих снижение энергетических потерь МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (технический университет) Руководитель – д. т. н. , профессор Рыженков Вячеслав Алексеевич 1

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 2

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 Разработка эффективных мероприятий по устранению условий образования отложений Разработка технологических основ для существенного повышения коррозионной стойкости конструкционных материалов Разработка технических и технологических решений для снижения термодинамических и гидравлических потерь Математическое моделирование процессов регулирования тепловыми потоками Разработка современной методологии и состава оборудования для эффективной диагностики и диспетчеризации Исследование факторов влияющих на тепловую и гидравлическую разбалансированность систем теплоснабжения Разработка оптимальных режимов эксплуатации, исключающих тепловую и гидравлическую разбалансированность 3

СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ 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: • 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. 4

• 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. • 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. 5

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

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

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 Увеличение гидравлического сопротивления Сужение проходных сечений Увеличение рабочего давления Увеличение аварийных ситуаций Доп. расходы, связанные с перерасходом электроэнергии Внеплановые остановы и ремонты Нарушения графика поставки тепла Увеличение себестоимости производства тепла Увеличение тарифов на услуги по поставке тепла Экономические потери и социальная напряженность Ухудшение теплопередачи Перегрев металла поверхностей нагрева Снижение эффективности отопительных приборов Ухудшение экологии «Пережог» топлива Снижение КПД теплогенерирующего оборудования Повышение температуры возвратного теплоносителя 8

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

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

Фрактограмма теплообменной поверхности с молекулярным слоем ПАВ 11

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

Многократное повышение коррозионной стойкости стали после модификации поверхности с использованием ПАИК I, м. А без моди-фикации поверхности 700 600 500 400 300 200 100 -450 -400 -350 0 Е, м. В -300 -250 паик 800 K = есталь/ есталь с модификацией поверхности Относительная скорость коррозии, 900 70 60 50 40 30 20 10 0 без ПАИК с ПАИК -100 13

Кинетика процесса образования отложений на трубной поверхности стальных образцов при обтекании гидрокарбонатной водой при температуре 500 С g x 10 -2, кг/м 2 x 103, сек 14

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

Влияние молекулярных слоев ПАВ, сформированных на внутритрубной поверхности, на величину гидравлического сопротивления трубопровода ∆Ротн=∆Рпав/∆Рисх 16

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

Принципиальная схема и результаты реализации технологии снижения гидравлического сопротивления магистральных трубопроводов тепловых сетей 100 ΔРi, % 80 60 40 20 0 Исходное Гидравлическое сопгидравлическое ротивление системы сопротивление после применения системы ПАВ-технологии 18

q, [тыс. нм 3/Гкал] Распределение удельного потребления газа на КТС-18 в течение отопительного сезона до и после модификации функциональных поверхностей трубопроводов и оборудования 7 7 2007 год 20 40 60 80 100 120 Время, сут. 19

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

Результаты трибологических испытаний, подтверждающие существенное увеличение износостойкости и снижения коэффициента трения сталей с нанокомпозитными покрытиями № 1 2 3 4 5 6 Маркиров. Покрытие ка Т 31 -1 Ti. N Т 31 -2 Ti. N Т 31 -3 Ti. N T 36 -1 Ti. N T 36 -2 Ti. C Т 0 б/п 21

Элементы оборудования с износостойкими покрытиями 22

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

Расчетная схема многокольцевой гидросистемы D Структурная схема реализации расчетного комплекса 24

Структурная схема современной системы диагностирования теплоэнергетического оборудования 25

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 гидравлической разбалансированности; и --новых решений для создания систем диагностики и диспетчеризации трубопроводов и оборудования. Индикаторы И 1. 6. 2 - опубликовано 5 статей, в веду щих научных журналах ( 2 статьи в 2007 г; 3 статьи в 2008 г. ); И 1. 6. 3 - получено 2 патента на изобретение в 2008 г. И 1. 6. 4 - защищена 1 диссертация на соискание ученой степени кандида та технических наук Экономический эффект • 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 теплоносителя только за счет снижения гидравличес-кого сопротивления систем теплоснабжения состав-ляет 400 млн. рублей в год для г. Москвы 26