Размещено на http://www.allbest.ru/

Омский филиал ОАО «Территориальная генерирующая компания №11»

Повышение эффективности работы систем централизованного теплоснабжения путем оптимизации теплогидравлических режимов

Жуков Д.В., Дмитриев В.З.

Аннотация

В данной работе рассматриваются вопросы повышения эффективности водяных систем централизованного теплоснабжения путем оптимизации тепловых и гидравлических эксплуатационных режимов. Рассмотрены вопросы разработки, управления, контроля и анализа тепло-гидравлических режимов на примере системы централизованного теплоснабжения города Омска. Отражены результаты проведения наладки, а также показаны особенности оперативного централизованного регулирования тепловых режимов с учетом динамических свойств системы централизованного теплоснабжения.

Введение

Российская Федерация относится к странам с высоким уровнем централизации теплоснабжения. Теплоснабжение городских населенных пунктов обеспечивается тепловыми источниками (ГРЭС, ТЭЦ, котельными) различной мощности путем транспортировки тепловой энергии по водяным тепловым сетям.

Неэффективное теплоснабжение приводит к огромному перерасходу энергетических, материальных и финансовых ресурсов. В условиях постоянного увеличения цен на энергоносители эффективное использование энергетических ресурсов стало одним из самых актуальных и приоритетных направлений государственной политики, о чем свидетельствует принятый в ноябре 2009 года Федеральный закон «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности».

Эффективность функционирования систем централизованного теплоснабжения во многом зависит от режимов работы тепловых сетей и систем теплопотребления. Поэтому задача оптимизации режимов, проведения наладки и регулирования тепловых и гидравлических режимов в сложных системах крупных городов является весьма актуальной.

1. Краткая характеристика системы теплоснабжения города Омска

Город Омск является областным центром и относится к крупнейшим в Российской Федерации с достаточно высокой степенью комфортности. До 70 % всей тепловой нагрузки централизованного теплоснабжения города Омска обеспечивается пятью тепловыми источниками Омского филиала ОАО «ТГК-11». Присоединенная нагрузка в горячей воде к тепловым сетям составляет 2942 Гкал/ч по средней нагрузке ГВС. На трех тепловых источниках ТЭЦ-3, ТЭЦ-4, ТЭЦ-5 выработка тепловой и электрической энергии осуществляется по комбинированному циклу.

Протяженность магистральных тепловых сетей Омского филиала ОАО «ТГК-11» составляет 260,7 км тепловых сетей средним диаметром 574 мм и более 700 км распределительных тепловых сетей, эксплуатируемых другими организациями. омск гидравлический тепловой

К тепловым сетям подключено 12,5 тысяч тепловых пунктов, в том числе 59 ЦТП и ТПНС. Для увеличения пропускной способности тепловых сетей установлено 13 ПНС. Присоединение потребителей к тепловым сетям выполнено в основном по зависимой схеме, и лишь небольшая часть (~3%) подключена по независимой схеме через ИТП и ЦТП. Горячее водоснабжение осуществляется по открытой (-50 %) и закрытой схемам (-50 %) различных видов. Системами автоматического регулирования отопительно-вентиляционной нагрузки и ГВС оснащено только -12 % тепловой нагрузки.

Схема тепловых сетей от тепловых источников Омского филиала ОАО «ТГК-11» характеризуется своей сложностью, а именно: схема радиально-кольцевая, большая протяженность тепловых сетей от источника до конечного потребителя (более 20 км), низкая резервируемость. Тепловые источники работают с приближенными к проектным рабочими давлениями 14,0 - 14,5 кгс/см2, расчетный температурный график 150-70 °С (со срезкой 130 °С).

2. Оптимизация и наладка режимов работы тепловых сетей

Оптимизация режимов работы тепловых сетей относится к организационно-техническим мероприятиям, не требующих значительных финансовых затрат на внедрение, но приводящая к значительному экономическому результату и снижению затрат на топливно-энергетические ресурсы.

В работе по управлению и наладке режимов работы тепловых сетей задействованы практически все структурные подразделения «Тепловых сетей». Они разрабатывают оптимальные тепло-гидравлические режимы и мероприятия по их организации, анализируют фактические режимы, выполняют разработанные мероприятия и наладку САР, а также оперативно управляют режимами, контролируют потребление тепловой энергии и др.

Разработка режимов (в отопительный и межотопительный периоды) проводится ежегодно с учетом анализа режимов работы тепловых сетей в предыдущие периоды, уточнения характеристик по тепловым сетям и системам теплопотребления, ожидаемого присоединения новых нагрузок, планов капитального ремонта, реконструкции и технического перевооружения. С использованием данной информации осуществляются теплогидравлические расчеты с составлением перечня наладочных мероприятий, в том числе с расчетом дроссельных устройств для каждого теплового пункта.

Разработка режимов работы тепловых сетей в течение последних лет ведется при помощи программного обеспечения «СКФ-ТС». По системе централизованного теплоснабжения города Омска сформирована база данных, включающая все магистральные трубопроводы и ПНС, квартальные трубопроводы, схемы присоединения и нагрузки потребителей. В настоящее время в базе данных содержится несколько сотен тысяч элементов.

Помимо расчетов оптимальных режимов и разработки наладочных мероприятий «СКФ-ТС» также позволяет оперативному и инженерно-техническому персоналу, включая руководителей предприятий, на современном высокотехнологичном уровне в едином информационном пространстве выполнять:

1) анализ технического состояния системы теплоснабжения, фактического состояния сетей, режимов, повреждаемости трубопроводов;

2) моделирование нештатных ситуаций, в том числе аварийных;

3) оптимизацию планирования замен трубопроводов с расстановкой приоритетов замены;

4) проектирование и модернизацию систем теплоснабжения, в том числе оптимизацию планирования модернизации и развития тепловых сетей.

Основным критерием оптимизационной задачи при разработке режимов и перераспределения тепловых нагрузок является снижение затрат на производство и транспорт тепловой энергии (загрузка наиболее экономичных тепловых источников, разгрузка ПНС) при имеющихся технологических ограничениях (располагаемые мощности и характеристика оборудования тепловых источников, пропускная способность тепловых сетей и характеристики оборудования перекачивающих насосных станций, допустимые рабочие параметры систем теплопотребления и т.д.).

В городе Омске в результате планомерно проводимой работы по оптимизации режимов функционирования тепловых сетей в течение последних нескольких лет кардинально улучшилось качество теплоснабжения потребителей и повышена эффективность всей системы централизованного теплоснабжения от тепловых источников ОАО «ТГК-11», а именно:

1) сокращены излишние расходы топлива за счет перегрева потребителей в переходные периоды;

2) сокращены расходы электроэнергии на перекачку теплоносителя на 10% за счет сокращения циркуляционных расходов теплоносителя при подключении новых потребителей;

3) сокращены расходы топлива на выработку электроэнергии за счет приведения в норму и снижения температуры обратной сетевой воды;

4) полностью исключены работы систем теплопотребления «на сброс» по причине недостаточных располагаемых напоров;

5) сокращены расходы подпиточной воды на 11%;

6) подключены новые потребители.

3. Регулирование тепловых режимов

Основной задачей регулирования отпуска теплоты в системах теплоснабжения является поддержание комфортной температуры и влажности воздуха в отапливаемых помещениях при изменяющихся на протяжении всего отопительного периода внешних климатических условиях и постоянной температуре воды, поступающей в систему горячего водоснабжения при переменном в течение суток расходе [1, 2]. Выполнение этого условия является одним из критериев оценки эффективности системы.

Способы регулирования

Оптимизация теплогидравличесих режимов и эффективность работы СЦТ во многом зависит от применяемого метода регулирования тепловой нагрузки.

Основные способы регулирования могут быть определены из анализа совместного решения уравнений теплового баланса нагревательных приборов по общеизвестным формулам [3,4] и зависит от:

- температуры теплоносителя;

- расхода теплоносителя;

- коэффициента теплопередачи;

- площади поверхности теплообмена. Централизованное регулирование от тепловых источников возможно осуществлять путем изменения двух величин: температуры и расхода теплоносителя. В целом регулирование отпуска тепловой энергии может осуществляться тремя способами:

1) качественным - заключающимся в регулировании отпуска тепловой энергии путем изменения температуры теплоносителя на входе в прибор при сохранении постоянным количества расхода теплоносителя, подаваемого в регулируемую установку;

2) количественным, заключающимся в регулировании отпуска теплоты путем изменения расхода теплоносителя при постоянной температуре на входе в регулируемую установку;

3) качественно-количественным, заключающимся в регулировании отпуска теплоты путем одновременного изменения расхода и температуры теплоносителя.

Для поддержания комфортных условий внутри зданий регулирование должно быть минимум двухуровневым: централизованное (на источниках тепла) и местное (на тепловых пунктах).

В большинстве городов России, в том числе в Омске, централизованное регулирование, как правило, является единственным видом управления и осуществляется в основном по нагрузке отопления или по совмещенной нагрузке отопления и горячего водоснабжения [5] путем изменения температуры теплоносителя в подающих трубопроводах в зависимости от метеорологических параметров, прежде всего температуры наружного воздуха, при условно постоянном расходе теплоносителя, хотя в некоторых городах (Москва, С-Петербург, Уфа и др.) была проведена комплексная автоматизация [6].

Широко используемый в практике график качественного регулирования отопительной нагрузки показывает зависимость температур теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах в зависимости от температуры наружного воздуха. Расчет графика производится по общеизвестным формулам, которые выводятся из уравнения баланса нагревательного прибора при расчетных и других температурных условиях [3, 7, 8].

Данные методики расчета температурных графиков центрального регулирования изначально разрабатывались для задач проектирования систем теплоснабжения, поэтому в них принят ряд допущений и упрощений, в частности условие стационарности процессов теплообмена. В действительности все теплообменные процессы, происходящие в элементах системы теплоснабжения, нестационарные, и эта особенность должна быть учтена при анализе и регулировании тепловой нагрузки. Однако на практике эта особенность не учитывается и проектные графики используются при эксплуатации и оперативном управлении.

Тепловой режим зданий

Тепловой режим зданий формируется как результат совокупного влияния непрерывно изменяющихся внешних (изменения температуры наружного воздуха, скорости и направления ветра, интенсивности солнечной радиации, влажности воздуха) и внутренних (изменение подачи тепла от системы отопления, выделение тепла при приготовлении пищи, работа электроосветительных приборов, действие солнечной радиации сквозь остекление, тепло, выделяемое людьми) возмущающих воздействий [2].

Основным параметром, определяющим качество теплоснабжения потребителя и создания комфортных условий, является поддержание температуры воздуха внутри помещений в пределах допустимых отклонений ± (К2) °С [9].

Нестационарный тепловой баланс воздуха в отапливаемом здании описывается дифференциальным уравнением следующего вида:

Особенности оперативного регулирования тепловых режимов. Основная методика оперативного регулирования тепловой нагрузки была описана лишь в «Правилах пользования тепловой и электрической энергии», которые с 01.01.2000 были отменены приказом Минтопэнерго №2 от 10.01.2000. В данных правилах предусматривалось регулирование температуры теплоносителя в подающих трубопроводах в соответствии с принятым температурным графиком путем ее ступенчатого изменения на основе прогноза об ожидаемой температуре наружного воздуха: два раза в сутки при разнице температуры дня и ночи не менее 8 °С и один раз в сутки при колебании температуры менее 8 °С.

В соответствии с действующими нормативными документами [10] регулирование тепловой нагрузки предусматривается путем изменения температуры теплоносителя в подающей линии в соответствии с утвержденным для системы теплоснабжения температурным графиком, заданной по усредненной температуре наружного воздуха за промежуток времени в пределах 12-24 ч, определяемый диспетчером тепловой сети в зависимости от длины сетей, климатических условий и других факторов.

Несмотря на достаточно простую формулировку пункта в данных правилах, данная задача является чрезвычайно сложной в условиях неопределенности внешних факторов, сложности схемы теплоснабжения, прогнозных данных с учетом фактического состояния оборудования СЦТ, в первую очередь, тепловых сетей. По данным статистики и многочисленных аналитических материалов по эксплуатации износ оборудования систем теплоснабжения составляет около 60-70 % и продолжает увеличиваться из-за значительного снижения объемов замены трубопроводов. Проведенный анализ повреждаемости трубопроводов показывает, что основная часть повреждений происходит именно в процессе изменения температуры теплоносителя из-за изменения напряжений в трубопроводах.

Прогнозирование динамики изменения температуры внутреннего воздуха внутри помещений согласно формуле (1) при любых прогнозируемых изменениях температур наружного воздуха с учетом динамических свойств системы теплоснабжения позволяет разрабатывать диспетчерский график тепловых нагрузок с постоянной температурой теплоносителя в значительно большем временном интервале. При этом качество теплоснабжения и комфортные условия конечных потребителей не ухудшаются. Однако при этом следует учитывать степень автоматизации тепловых нагрузок, схемы присоединения и гидравлическую устойчивость СЦТ, так как проведенные исследования эксплуатационных режимов теплообменного оборудования тепловых пунктов показывают, что снижение температуры теплоносителя в подающем трубопроводе на 1 °С приводит:

- в системах автоматического регулирования отопительной нагрузки зависимой схемы присоединения

- к увеличению циркуляционного расхода до 8 %;

- в системах автоматического регулирования отопительной нагрузки независимой схемы присоединения -- к значительному увеличению расхода в первом контуре (до 12 % на каждый градус) и увеличению температуры теплоносителя в обратном трубопроводе на 1 °С;

- в системах ГВС закрытой схемы присоединения к увеличению циркуляционного расхода до 20 % и увеличению температуры теплоносителя в обратном трубопроводе на 1 °С.

Увеличение расходов теплоносителя увеличивает гидравлические потери. Поэтому данное регулирование возможно в условиях достаточности гидравлической устойчивости и резерва по оборудованию ПНС. Также следует отметить, что систематическое снижение температуры в подающих трубопроводах приводит к увеличению расходов теплоносителя с последующей разрегулировкой всей системы теплоснабжения.

Таким образом, разработку диспетчерского графика и централизованное регулирование отпуска тепла необходимо вести с учетом динамических характеристик системы теплоснабжения, аккумулирующих способностей зданий и переменности внешних и внутренних воздействий. Увеличение периода регулирования до 24-48-72 ч и более в определенных пределах изменения внешних и внутренних воздействий практически не влияет на качество теплоснабжения потребителей, что дает возможность эксплуатировать оборудование в «мягком» режиме.

Оперативное регулирование с учетом вышеуказанных особенностей приводит к:

1) уменьшению вероятности повреждений трубопроводов и повышение надежности;

2) повышению экономичности:

- при производстве энергии за счет разности приростов расхода топлива на выработку энергии на ТЭЦ при разных температурах теплоносителя;

- при транспорте и распределении тепловой энергии за счет разности прироста тепловых потерь трубопроводами при разных температурах теплоносителя;

3) снижению количества пусков-остановов основного теплогенерирующего оборудования, что также повышает надежность и экономичность.

Заключение

В данной работе показана возможность повышения эффективности водяных систем централизованного теплоснабжения за счет оптимизации тепловых и гидравлических режимов. Оптимизация режимов работы тепловых сетей относится к организационно-техническим мероприятиям, которая не требует значительных финансовых затрат на внедрение, но приводит к значительному экономическому результату и снижению затрат на топливно-энергетические ресурсы. Поддержание оптимальных режимов возможно только при соблюдении температурных режимов. Разработку диспетчерского графика и централизованное регулирование отпуска тепла необходимо вести с учетом динамических характеристик системы теплоснабжения, аккумулирующих способностей и переменности внешних и внутренних воздействий.

Список обозначений

ГВС -- горячее водоснабжение;

ИТП -- индивидуальный тепловой пункт;

ПНС -- перекачивающая насосная станция;

САР - система автоматического регулирования;

СКФ-ТС -- программное обеспечение «Система контроля функционирования тепловых сетей»;

СЦТ -- система централизованного теплоснабжения;

ЦТП -- центральный тепловой пункт.

Список литературы

1. Яковлев Б.В. Повышение эффективности систем теплофикации и теплоснабжения. М.: Новости теплоснабжения, 2008. - 448 с.

2. Автоматизированные системы теплоснабжения и отопления / С.А. Чистович, В.К. Аверьянов, Ю.Я. Тем-пель, СИ. Быков. Л.: Стройиздат, Ленингр. отд-ние, 1987, 248 с.

3. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети: учебник для вузов. - 7-е изд., стереот. М.: Издательство МЭИ, 2001.-472 с.

4. Методические рекомендации по оптимизации гидравлических и температурных режимов функционирования открытых систем коммунального теплоснабжения. -М.: Роскоммунэнерго, 2005.

5. СНиП 41-02-2003. Тепловые сети. М.: Госстрой России, ФГУП ЦПП, 2004.

6. Трубопроводные системы энергетики: Управление развитием и функционированием / Н.Н. Новицкий, Е.В. Сеннова, М.Г. Сухарев и др. Новосибирск: Наука, 2004. -461с.

7. Наладка и эксплуатация водяных тепловых сетей: Справочник / В.И. Манюк, Я.И. Каплинский, Э.Б. Хиж и др. -- 3-е изд., перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1988. -432 с.

8. Проектирование тепловых сетей: Справочник проектировщика / под ред. А.А. Николаева. М., 1965. 360 с.

9. СНиП 41-01-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. М.: ФГУП ЦПП, 2004.

10. Правила технической эксплуатации тепловых установок. СПб.: Издательство ДЕАН, 2003. -- 256 с.

Размещено на Allbest.ru