Помощь студентам в учебе
ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ОТТАИВАНИЯ ГРУНТА В ЗОНЕ РАЗМЕЩЕНИЯ РЕЗЕРВУАРОВ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ ТОПЛИВ ТЭС И КОТЕЛЬНЫХ НА ИНТЕНСИФИКАЦИЮ ИХ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ
|
ВВЕДЕНИЕ 14
1 СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА РЕЗЕРВУАРОВ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ ТОПЛИВ ТЭС И
КОТЕЛЬНЫХ 18
1.1 Типичные конструкции резервуаров для хранения топлив ТЭС и
котельных 18
1.1.1 Назначение и классификация мазутных хозяйств 18
1.1.2 Классификация и основные характеристики резервуаров для
хранения мазута 21
1.2 Энергосбережение в мазутном хозяйстве 32
1.2.1 Проблемы энергосбережения в мазутном хозяйстве 32
1.2.2 Способы и задачи энергосбережения в мазутном
хозяйстве 36
1.2.3 Новые предложения по энергосбережению в мазутном
хозяйстве 39
1.3 Нормативная методика теплового расчета резервуаров для хранения
резервных топлив ТЭС и котельных 41
2 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ТЕПЛОПЕРЕНОСА В СИСТЕМЕ
«РЕЗЕРВУАР ДЛЯ ХРАНЕНИЯ ТОПЛИВА - ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА» И МЕТОД ЕЕ РЕШЕНИЯ 45
2.1 Физическая постановка задачи 45
2.2 Математическая модель 48
2.3 Метод решения 49
3 ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ РЕЗЕРВУАРОВ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ ТОПЛИВ ТЭС И КОТЕЛЬНЫХ В УСЛОВИЯХ
ОТТАИВАНИЯ ГРУНТА В ЗОНЕ ИХ РАЗМЕЩЕНИЯ 52
3.1 Исходные данные 52
3.2 Результаты численного анализа тепловых потерь резервуаров для хранения топлив ТЭС и котельных с учетом оттаивания грунта в зоне их
размещения 53
3.3 Анализ результатов численного моделирования 85
4 ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ 87
4.1 Организация и планирование работ 88
4.2 Расчет сметы затрат 94
4.3 Оценка научно-технической результативности НИР 101
4.4 Выводы по разделу 104
5 СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ 105
5.1 Социальная ответственность научно-исследовательской работы... 107
5.2 Анализ вредных факторов проектируемой производственной
среды 110
5.3 Анализ выявленных опасных факторов проектируемой
производственной среды 117
5.4 Правовые и организационные вопросы обеспечения
безопасности 121
5.5 Выводы по разделу 123
Заключение 126
Список публикаций 127
Литература 129
Приложение 135
1 СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА РЕЗЕРВУАРОВ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ ТОПЛИВ ТЭС И
КОТЕЛЬНЫХ 18
1.1 Типичные конструкции резервуаров для хранения топлив ТЭС и
котельных 18
1.1.1 Назначение и классификация мазутных хозяйств 18
1.1.2 Классификация и основные характеристики резервуаров для
хранения мазута 21
1.2 Энергосбережение в мазутном хозяйстве 32
1.2.1 Проблемы энергосбережения в мазутном хозяйстве 32
1.2.2 Способы и задачи энергосбережения в мазутном
хозяйстве 36
1.2.3 Новые предложения по энергосбережению в мазутном
хозяйстве 39
1.3 Нормативная методика теплового расчета резервуаров для хранения
резервных топлив ТЭС и котельных 41
2 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ТЕПЛОПЕРЕНОСА В СИСТЕМЕ
«РЕЗЕРВУАР ДЛЯ ХРАНЕНИЯ ТОПЛИВА - ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА» И МЕТОД ЕЕ РЕШЕНИЯ 45
2.1 Физическая постановка задачи 45
2.2 Математическая модель 48
2.3 Метод решения 49
3 ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ РЕЗЕРВУАРОВ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ ТОПЛИВ ТЭС И КОТЕЛЬНЫХ В УСЛОВИЯХ
ОТТАИВАНИЯ ГРУНТА В ЗОНЕ ИХ РАЗМЕЩЕНИЯ 52
3.1 Исходные данные 52
3.2 Результаты численного анализа тепловых потерь резервуаров для хранения топлив ТЭС и котельных с учетом оттаивания грунта в зоне их
размещения 53
3.3 Анализ результатов численного моделирования 85
4 ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ 87
4.1 Организация и планирование работ 88
4.2 Расчет сметы затрат 94
4.3 Оценка научно-технической результативности НИР 101
4.4 Выводы по разделу 104
5 СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ 105
5.1 Социальная ответственность научно-исследовательской работы... 107
5.2 Анализ вредных факторов проектируемой производственной
среды 110
5.3 Анализ выявленных опасных факторов проектируемой
производственной среды 117
5.4 Правовые и организационные вопросы обеспечения
безопасности 121
5.5 Выводы по разделу 123
Заключение 126
Список публикаций 127
Литература 129
Приложение 135
Институт энергетики Российской Академии наук устанавливает вероятный уровень годового потребления мазута в количестве 30 миллионов тонн условного топлива. Согласно энергетической стратегии даже в случае самых жестких ограничений добыча нефти к 2030 году будет на уровне 245 миллионов тонн. Несмотря на эти прогнозы, в стране практический мало публикаций посвященных разработкам методов и расчета мазутных хозяйств
[1] .
Действующая на сегодняшний день отраслевая методика [1] проектирования и расчета резервуаров для хранения топлив ТЭС и котельных не в полной мере отражает все протекающие процессы и особенности теплопереноса в конструкциях и зонах размещения резервуаров.
Одним из методов, позволяющих решить эту задачу является использование разнообразных коммерческих или открытых пакетов прикладных программ, которые позволяют учитывать различные эффекты и процессы реализующиеся в рассматриваемых системах.
Проблема моделирования тепловых режимов работы резервуаров для хранения топлив ТЭС и котельных с учетом реальных физических процессов, протекающих в объеме резервуаров, зонах их размещения и механизмов взаимодействия рассматриваемых объектов с окружающей средой, является одной из актуальнейших задач в настоящее время при создании энергетического оборудования ТЭС и котельных.
Одним из направлений повышения энергоэффективности мазутных хозяйств ТЭС и котельных является снижение затрат энергии на собственные нужды за счет организации оптимальных режимов функционирования резервуаров для хранения топлив. Решение этой задачи возможно только путем детализированного моделирования процессов теплопереноса в объеме и зонах размещения резервуаров с учетом всех основных значимых факторов и
процессов, влияющих на интенсификацию процессов переноса при
14
эксплуатации резервуаров для хранения топлив. В настоящее время проектирование и анализ работы резервуаров для хранения топлив ТЭС и котельных основаны на упрощенных аналитических соотношениях, не учитывающих многих особенностей теплопереноса реализующихся в рассматриваемых системах. К этим особенностям относятся наличие теплообмена между резервуаром и грунтом в зоне размещения, сезонное промерзание и оттаивание грунта, снижение теплозащитных характеристик тепловой изоляции при длительной эксплуатации, движение воздуха в зазоре между топливом и крышкой резервуара и другие. Следует также отметить, что в имеющихся публикациях по рассматриваемой проблеме обсуждаются только вопросы разработки энергоэффективных технологических схем подготовки и подогрева топлива, а также возможность и опыт применения различных присадок [2].
Целью данной работы является математическое моделирование тепловых режимов и численный анализ тепловых потерь резервуаров для хранения топлив ТЭС и котельных с учетом оттаивания грунта в зоне его размещения.
Объектом исследования является - надземные, подземные и полуподземные резервуары для хранения топлив ТЭС и котельных марки РВС 100, изолированные минеральной ватой.
Предмет исследования - анализ тепловых потерь резервуаров для хранения топлив ТЭС и котельных с учетом оттаивания грунта в зоне его размещения.
Задачей исследовательской работы является - разработка элементов теории прогнозирования тепловых режимов резервуаров для хранения топлив ТЭС и котельных с учетом оттаивания грунта в зонах размещения резервуаров и механизмов взаимодействия резервуаров с окружающей средой; разработка методики численного анализа тепловых потерь резервуаров; численное моделирование тепловых режимов резервуаров с учетом оттаивания; анализ результатов численного моделирования тепловых режимов и тепловых потерь резервуаров для хранения топлив ТЭС и котельных.
Создание энергоэффективных систем хранения основных и резервных топлив ТЭС и котельных представляет собой самостоятельную научную проблему, частью которой является проблема моделирования тепловых режимов резервуаров для хранения топлив с учетом полного комплекса физических процессов, протекающих в объеме и зонах размещения резервуаров, а также различных механизмов взаимодействия резервуаров с окружающей средой. Задачи, связанные с прогностическим моделированием тепловых режимов резервуаров для хранения топлив, возникают не только при создании и проектировании ТЭС и котельных, но и при анализе процессов, протекающих в элементах энергетического оборудования, вызванных изменением условий эксплуатации и термических сопротивлений конструкций и грунта, взаимодействием резервуаров с окружающей и др.
Актуальность исследования тепловых режимов резервуаров с учетом оттаивания грунта в зоне ее размещения определяется следующими факторами:
- требуется более детальная оценка потенциала энергосбережения мазутных хозяйств электрических станций и котельных [1];
- методика расчетов и проектирования мазутных хозяйств не полностью отражает все особенности тепловых процессов, происходящих на всех стадиях подготовки мазута к сжиганию;
- необходимость снижения затрат энергии на подогрев мазута при хранении и подготовке его к сжиганию [2].
Практическая значимость:
Проведенные исследования вносят вклад в развитие представлений о режимах работы резервуаров для хранения топлив ТЭС и котельных с учетом оттаивания грунта в зоне его размещения.
Полученные результаты могут быть использованы при разработке и усовершенствовании конструкций, строительстве мазутохранилищ и выборе теплоизоляционных материалов для резервуаров.
Апробация работы:
В результате исследования выявлены масштабы тепловых потерь резервуаров в условиях влияния оттаивания грунта в зоне их размещения.
1. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: VI Всероссийская научная конференция с
международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий» (Томск, 13-15 октябрь 2015 г.); III российская молодежная научная школа-конференция «Энергетика, электромеханика и энергоэффективные технологии глазами молодежи» (Томск, 21-23 октября 2015 г.); V Международная молодежная научная конференция «Актуальные проблемы современной механики сплошных сред и небесной механики» (2527 ноябрь 2015 г.); XI международная научно-техническая конференция студентов, аспирантов, и молодых ученых «Энергия - 2016» (Иваново, 5-7 апрель 2016 г.); VI Всероссийская научная конференция с международным участием «Состояние и пути развития российской энергетики» (Томск, 21-23 октябрь 2015 г.) ; Международная молодежная научная конференция «Тепломассоперенос в системах обеспечения тепловых режимов энергонасыщенного технического и технологического оборудования» (Томск, 19-21 апрель 2016 г.); VII Всероссийская конференция студентов Элитного технического образования «Ресурсоэффективным технологиям - энергию и энтузиазм молодых» (Томск, 27-29 апрель 2016 г.);
[1] .
Действующая на сегодняшний день отраслевая методика [1] проектирования и расчета резервуаров для хранения топлив ТЭС и котельных не в полной мере отражает все протекающие процессы и особенности теплопереноса в конструкциях и зонах размещения резервуаров.
Одним из методов, позволяющих решить эту задачу является использование разнообразных коммерческих или открытых пакетов прикладных программ, которые позволяют учитывать различные эффекты и процессы реализующиеся в рассматриваемых системах.
Проблема моделирования тепловых режимов работы резервуаров для хранения топлив ТЭС и котельных с учетом реальных физических процессов, протекающих в объеме резервуаров, зонах их размещения и механизмов взаимодействия рассматриваемых объектов с окружающей средой, является одной из актуальнейших задач в настоящее время при создании энергетического оборудования ТЭС и котельных.
Одним из направлений повышения энергоэффективности мазутных хозяйств ТЭС и котельных является снижение затрат энергии на собственные нужды за счет организации оптимальных режимов функционирования резервуаров для хранения топлив. Решение этой задачи возможно только путем детализированного моделирования процессов теплопереноса в объеме и зонах размещения резервуаров с учетом всех основных значимых факторов и
процессов, влияющих на интенсификацию процессов переноса при
14
эксплуатации резервуаров для хранения топлив. В настоящее время проектирование и анализ работы резервуаров для хранения топлив ТЭС и котельных основаны на упрощенных аналитических соотношениях, не учитывающих многих особенностей теплопереноса реализующихся в рассматриваемых системах. К этим особенностям относятся наличие теплообмена между резервуаром и грунтом в зоне размещения, сезонное промерзание и оттаивание грунта, снижение теплозащитных характеристик тепловой изоляции при длительной эксплуатации, движение воздуха в зазоре между топливом и крышкой резервуара и другие. Следует также отметить, что в имеющихся публикациях по рассматриваемой проблеме обсуждаются только вопросы разработки энергоэффективных технологических схем подготовки и подогрева топлива, а также возможность и опыт применения различных присадок [2].
Целью данной работы является математическое моделирование тепловых режимов и численный анализ тепловых потерь резервуаров для хранения топлив ТЭС и котельных с учетом оттаивания грунта в зоне его размещения.
Объектом исследования является - надземные, подземные и полуподземные резервуары для хранения топлив ТЭС и котельных марки РВС 100, изолированные минеральной ватой.
Предмет исследования - анализ тепловых потерь резервуаров для хранения топлив ТЭС и котельных с учетом оттаивания грунта в зоне его размещения.
Задачей исследовательской работы является - разработка элементов теории прогнозирования тепловых режимов резервуаров для хранения топлив ТЭС и котельных с учетом оттаивания грунта в зонах размещения резервуаров и механизмов взаимодействия резервуаров с окружающей средой; разработка методики численного анализа тепловых потерь резервуаров; численное моделирование тепловых режимов резервуаров с учетом оттаивания; анализ результатов численного моделирования тепловых режимов и тепловых потерь резервуаров для хранения топлив ТЭС и котельных.
Создание энергоэффективных систем хранения основных и резервных топлив ТЭС и котельных представляет собой самостоятельную научную проблему, частью которой является проблема моделирования тепловых режимов резервуаров для хранения топлив с учетом полного комплекса физических процессов, протекающих в объеме и зонах размещения резервуаров, а также различных механизмов взаимодействия резервуаров с окружающей средой. Задачи, связанные с прогностическим моделированием тепловых режимов резервуаров для хранения топлив, возникают не только при создании и проектировании ТЭС и котельных, но и при анализе процессов, протекающих в элементах энергетического оборудования, вызванных изменением условий эксплуатации и термических сопротивлений конструкций и грунта, взаимодействием резервуаров с окружающей и др.
Актуальность исследования тепловых режимов резервуаров с учетом оттаивания грунта в зоне ее размещения определяется следующими факторами:
- требуется более детальная оценка потенциала энергосбережения мазутных хозяйств электрических станций и котельных [1];
- методика расчетов и проектирования мазутных хозяйств не полностью отражает все особенности тепловых процессов, происходящих на всех стадиях подготовки мазута к сжиганию;
- необходимость снижения затрат энергии на подогрев мазута при хранении и подготовке его к сжиганию [2].
Практическая значимость:
Проведенные исследования вносят вклад в развитие представлений о режимах работы резервуаров для хранения топлив ТЭС и котельных с учетом оттаивания грунта в зоне его размещения.
Полученные результаты могут быть использованы при разработке и усовершенствовании конструкций, строительстве мазутохранилищ и выборе теплоизоляционных материалов для резервуаров.
Апробация работы:
В результате исследования выявлены масштабы тепловых потерь резервуаров в условиях влияния оттаивания грунта в зоне их размещения.
1. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: VI Всероссийская научная конференция с
международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий» (Томск, 13-15 октябрь 2015 г.); III российская молодежная научная школа-конференция «Энергетика, электромеханика и энергоэффективные технологии глазами молодежи» (Томск, 21-23 октября 2015 г.); V Международная молодежная научная конференция «Актуальные проблемы современной механики сплошных сред и небесной механики» (2527 ноябрь 2015 г.); XI международная научно-техническая конференция студентов, аспирантов, и молодых ученых «Энергия - 2016» (Иваново, 5-7 апрель 2016 г.); VI Всероссийская научная конференция с международным участием «Состояние и пути развития российской энергетики» (Томск, 21-23 октябрь 2015 г.) ; Международная молодежная научная конференция «Тепломассоперенос в системах обеспечения тепловых режимов энергонасыщенного технического и технологического оборудования» (Томск, 19-21 апрель 2016 г.); VII Всероссийская конференция студентов Элитного технического образования «Ресурсоэффективным технологиям - энергию и энтузиазм молодых» (Томск, 27-29 апрель 2016 г.);
Проведен численный анализ тепловых режимов и тепловых потерь резервуаров резервных топлив ТЭС и котельных с учетом оттаивания грунта в зоне их размещения.
Установлено, что относительное изменение результатов численного моделирования тепловых потерь резервуаров с учетом оттаивания грунта и без учета составляет в предельных случаях 7,30 % для подземного, 1,37 % для наземного, 4,83 % для полуподземного резервуаров.
Показано, что интенсификация теплоотдачи на границе раздела «окружающая среда - корпус резервуара» приводит к росту тепловых потерь резервуаров на 30,1 % при наземном, 27,3% при полуподземном и на 17,2 % в подземном вариантах размещения.
Анализ влияния характеристик грунта в зоне размещения резервуаров на их тепловые потери показал, что при размещении резервуаров в зонах с грунтами, имеющими относительно высокую теплопроводность, тепловые потери возрастают от 3,58 % до 16,5 % в зависимости от варианта размещения резервуара и значений коэффициентов теплоотдачи.
Все вышесказанное свидетельствует о том, что при проектировании и анализе тепловых режимов работы рассматриваемых систем необходимо учитывать интенсификацию теплоотдачи, интенсификацию теплоотвода в грунт и его оттаивание.
Установлено, что относительное изменение результатов численного моделирования тепловых потерь резервуаров с учетом оттаивания грунта и без учета составляет в предельных случаях 7,30 % для подземного, 1,37 % для наземного, 4,83 % для полуподземного резервуаров.
Показано, что интенсификация теплоотдачи на границе раздела «окружающая среда - корпус резервуара» приводит к росту тепловых потерь резервуаров на 30,1 % при наземном, 27,3% при полуподземном и на 17,2 % в подземном вариантах размещения.
Анализ влияния характеристик грунта в зоне размещения резервуаров на их тепловые потери показал, что при размещении резервуаров в зонах с грунтами, имеющими относительно высокую теплопроводность, тепловые потери возрастают от 3,58 % до 16,5 % в зависимости от варианта размещения резервуара и значений коэффициентов теплоотдачи.
Все вышесказанное свидетельствует о том, что при проектировании и анализе тепловых режимов работы рассматриваемых систем необходимо учитывать интенсификацию теплоотдачи, интенсификацию теплоотвода в грунт и его оттаивание.