Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние проблемы и постановка целей исследования 16
1.1. Краткая характеристика существующего положения дел в сфере теплоснабжения 16
1.2. Анализ научно-методических работ в области решения вопросов развития и эксплуатации теплоснабжающих систем 24
1.3. Экономические предпосылки и технические возможности повышения эффективности систем централизованного теплоснабжения 35
1.4. Цели и задачи исследования 39
ГЛАВА 2. Методические подходы к преобразова нию систем централизованного тепло снабжения на современном этапе их раз вития 45
2.1. Постановка проблемы 45
2.2. Структуризация проблемы 48
2.3. Методические принципы принятия решений по преобразованию СЦТ в новых условиях 58
2.4 Выводы 62
ГЛАВА 3. Математические модели и методы для решения вопросов преобразования теп лоснабжающих систем 65
3.1. Общая математическая модель и её декомпозиция 65
3.2. Методика «избыточных» проектных схем в задачах преобразования теплоснабжающих систем 83
3.3. Методика и алгоритм решения проблемы 88
3.4. Общая характеристика вычислительного инструмента 93
3.5. Выводы 96
ГЛАВА 4. Исследование влияния мощности ис точников тепла и масштабов систем на экономическую эффективность и на дёжность их функционирования 99
4.1. Исследование зависимости технико-экономических показателей систем от концентрации тепловой мощности источников тепла 99
4.2. Зависимость допустимого радиуса теплоснабжения от требований надёжности 111
4.3. Исследование влияния обеспечиваемого уровня надёжности на технико-экономические показатели СЦТ и некоторые количественные оценки 120
4.4. Обоснование рационального уровня концентрации мощности ИТ в системе теплоснабжения г. Киева с учетом требований надежности 130
4.5. Выводы 141
ГЛАВА 5. Методы преобразования теплоснабжа ющих систем на основе энергосбере гающих технологий 144
5.1. Оценка нормативного, проектного и фактического теплопотребления зданий 144
5.1.1. Анализ нормативного теплопотребления зданий 144
5.1.2. Проектное теплопотребление зданий 149
5.1.3. Оценка фактического теплопотребления зданий на основе мониторинга 151
5.2. Сопоставление уровня теплопотребления в России и в зарубежных странах 153
5.3. Оценка потенциала энергосбережения в тепловом хозяйстве России 160
5.4. Методические принципы и подходы к выбору энергосберегающих мер 171
5.5. Методика сравнительной оценки эффективности энергосберегающих мер 174
5.6. Основные технические направления энергосбережения и их приоритеты 182
5.7. Обоснование экономической эффективности энергосберегающих мер 193
5.8. Качественная оценка приоритетности энергосберегающих мер в тепловом хозяйстве России 204
5.9. Выводы 208
ГЛАВА 6. Тарифообразование как экономический механизм стимулирования энергосбере жения 210
6.1. Краткий анализ реформирования системы тарифообра-зования в энергетике России 210
6.2. Требования к системе тарифообразования и функции тарифов на тепловую энергию на современном этапе (в рыночных условиях) 217
6.3. Методические подходы к решению проблемы рационального тарифообразования 221
6.4. Экономическая целесообразность дифференциации тарифов 230
6.5. Методика расчёта экономически обоснованных дифференцированных тарифов на тепловую энергию 231
6.5.1. Расчёт дифференцированных ставок платы за тепловую мощность 234
6.5.2. Расчёт дифференцированных ставок платы за тепловую энергию для потребителей пара различных параметров и горячей воды 238
6.5.3. Итоговые значения двухставочных тарифов на тепловую энергию для f-го населённого пункта 241
6.5.4. Расчёт одноставочных дифференцированных тарифов по категориям потребителей 242
6.5.5. Определение объёма затрат, снимаемых с льготных потребителей 243
6.5.6. Тарифы на тепловую энергию для оптовых перепродавцов 243
6.6. Тарифообразование как экономический механизм энергосбережения 244
6.7. Практическое применение разработанной методики 251
6.8. Выводы 267
ГЛАВА 7. Основные направления преобразования теплоснабжающих систем 270
7.1. Основные принципы и концептуальные положения 270
7.2. Изменение структуры систем и технологии их эксплуатации 272
7.3. Техническая политика 279
7.4. Укрупнённая схема реализации решений 299
7.5. Выводы 302
ГЛАВА 8. Проект преобразования системы центра лизованного теплоснабжения района ново-ленино г. Иркутска 305
8.1. Цели и задачи, решаемые в проекте 305
8.1 Характеристика района и системы теплоснабжения 307
8.2 Основные направления преобразования систем тепло снабжения 311
8.3 Рекомендуемые меры и их краткое описание 314
8.4 Организационные и экономические вопросы управле ния теплоснабжением 326
8.5 Технико-экономический анализ проекта 333
8.6 Опыт и результаты реализации проекта 337
Выводы 348
Заключение 352
Литература 356
Приложение. 380
- Анализ научно-методических работ в области решения вопросов развития и эксплуатации теплоснабжающих систем
- Структуризация проблемы
- Методика и алгоритм решения проблемы
- Зависимость допустимого радиуса теплоснабжения от требований надёжности
Введение к работе
Для России, три четверти территории которой расположены в суровых климатических условиях, тепловое хозяйство (ТХ) является важной жизнеобеспечивающей отраслью. Это наиболее топливо- и трудоемкая отрасль энергетического комплекса (ЭК) страны с наибольшим потенциалом энергосбережения и природоохранных мероприятий.
Годовое потребление тепла низкого и среднего потенциалов по стране в целом в 2000 г. составило порядка 2000-2100 млн.Гкал, в том числе 1450 млн.Гкал отпущено централизованными источниками. На цели теплоснабжения израсходовано около 380 млн.т у.т. (включая более 290 млн. т у.т. нефти и газа) или более 40% всего котельно-печного топлива (примерно в 2 раза больше, чем на производство электроэнергии). Теплотой среднего и низкого потенциала, производимой в сфере ТХ, обеспечивается более 50% потребности страны в энергии. Численность занятого в ТХ производственного персонала больше, чем в сумме в других отраслях ЭК и составляет около 3% от общей численности работающих в стране.
Многие годы развитие ТХ в стране было ориентировано на создание крупных систем централизованного теплоснабжения (СЦТ) с предпочтительным применением комбинированной выработки тепловой и электрической энергии на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ). При этом в условиях директивного управления экономикой страны игнорировались объективные причины, ограничивающие масштабы применения и единичные мощности систем. Решения о развитии теплоснабжения отражали лишь ведомственные интересы электроэнергетической отрасли и не могли учитывать конкретные особенности теплоснабжающих систем.
Рост масштабов систем централизованного теплоснабжения в течение всех предшествующих десятилетий не сопровождался соответствующим повышением их технического уровня и организационного обеспечения. Схемные
и конструктивные решения в СЦТ остаются фактически неизменными со времени создания небольших по масштабам и простых по структуре систем. Совершенно не соответствует современным требованиям уровень проектирования и строительства тепловых сетей. Плохо внедряются прогрессивные конструкции и индустриальные методы прокладки теплопроводов. Практически отсутствует комплексная автоматизация процессов производства, транспорта, распределения и потребления тепловой энергии. ~
. Одностороннее стремление к централизации теплоснабжения и несовершенная техническая база привели к созданию чрезмерных по сложности и масштабам, плохо управляемых и ненадежных СЦТ, не дающих возможности использовать все преимущества централизации.
Наряду с ТЭЦ (удовлетворяющими около 36% теплопотребления в стране) развивались системы теплоснабжения от крупных котельных (10%), от средних котельных (14%), мелких котельных (22%) и других (18%) источников теплоты (ИТ).
В целом положение дел в теплоснабжении страны в настоящее время характеризуется:
бесхозяйственностью и отсутствием общегосударственной политики в данной области;
запущенностью вопросов разработки и сооружения современных (экономичных и экологически приемлемых) средних и мелких систем и источников теплоты;
противоречием между чрезмерными масштабами крупных теплоснабжающих систем, их устаревшей структурой и низким техническим уровнем;
огромным (50% и более) сверхнормативным перерасходом топлива на цели теплоснабжения (из-за бесконтрольного потребления тепла, технической и технологической отсталости систем, низких теплотехнических характеристик зданий и сооружений и т.п.), что в несколько раз превышает его экономию от комбинированной выработки тепловой и электрической энергии;
негативным воздействием теплоисточников, особенно угольных ко
тельных, на окружающую среду;
отсутствием в стране единого координирующего органа по теплоснабжению;
незаинтересованностью в экономном расходовании топлива и энергии ни со стороны теплоснабжающих организаций, ни со стороны потребителей;
недостаточными масштабами использования вторичных энергоресурсов и нетрадиционных источников энергии (солнечной и геотермальной, биомассы, твердых отходов) и неудовлетворительным состоянием работ по созданию эффективных систем децентрализованного теплоснабжения.
Конечно, преодоление глубоких негативных тенденций в теплоснабжении и превращение его в сферу эффективного топливоиспользования возможно лишь в условиях стабильной экономики. В настоящий переходный период положение дел здесь еще более усложняется. Тем не менее, объективно начинают действовать факторы, стимулирующие реальную экономию топлива и энергии и ведущие: а) к повышению эффективности крупных СЦТ; б) к росту интереса к мелким и средним ИТ (в т.ч. и ТЭЦ); в) к увеличению масштабов использования возобновляемых источников энергии; г) к появлению заинтересованности в энергосбережении и использовании вторичных энергоресурсов; д) к принятию действительно оптимальных решений по развитию систем теплоснабжения - с учетом конкретных условий и требований. Однако продолжает сохраняться тенденция снижения конкурентности крупных систем и отказ от них потребителей. Несмотря на это, централизованное теплоснабжение в России и, прежде всего, комбинированное производство тепловой и электрической энергии останется основным способом обеспечения тепловой энергией потребителей страны и перспективным направлением дальнейшего развития ТХ России. Данные системы наиболее подготовлены к структурным изменениям, к реализации новых передовых технологий и внедрению энергоэффективного оборудования.
В этих условиях особую актуальность и большую народнохозяйственна значимость приобретает проблема преобразования СЦТ с целью повышенш эффективности и надежности их функционирования (включая рациональное использование топлива, материальных и трудовых ресурсов, энергосбережение, улучшение экологической обстановки и оказание на высоком уровне социальных услуг населению).
Основными задачами здесь являются: определение рациональных масштабов СЦТ городов, уровней концентрации мощностей источников теплоты и зон их действия, изменение структуры систем, обеспечение их надежности и управляемости, а также поиск путей реализации энергосберегающих технологий на базе энергоэффективного оборудования, объединения нескольких ИТ для работы на общие ТС и оптимального перераспределения тепловой нагрузки между ними в процессе эксплуатации.
При этом возникает новый аспект научных исследований по созданию методической базы, позволяющей осуществлять постановку задач и реализацию решений, связанных с преобразованием систем централизованного теплоснабжения и обеспечивающих их эффективное функционирование.
Другой аспект настоящей проблемы связан с техническими вопросами изменения структуры систем, выявлением рационального сочетания их элементной и системной надежности, применения перспективных ИТ разных типоразмеров, новых повышенного качества конструкций теплопроводов заводской готовности, более эффективных схем присоединения теплопотребителей, систем измерения, учета и автоматического регулирования.
Предмет и объект исследования. Предметом исследования являются подходы, принципы и методы для анализа, оценки и обоснования стратегии преобразования теплоснабжающих систем.
Объектом исследования являются системы теплоснабжения, включая установки потребителей, и перспективные технологии их построения, обеспечивающие эффективное функционирование систем.
Цели работы состоят: в обосновании и разработке взаимосогласованных методических подходов и методик для постановки и решения комплекса основных задач преобразования теплоснабжающих систем; в формировании энергоэффективных направлений технической политики в этой области; в разработке механизмов ее реализации и получении практических рекомендаций по реконструкции конкретных систем, обеспечивающих переход на качественно новый, соответствующий передовым тенденциям уровень развития и функционирования СЦТ.
Для выполнения поставленных целей необходимо решить следующий комплекс задач:
На основе анализа проблем, сложившихся в системах централизованного теплоснабжения, обосновать требования к структуре СЦТ и разработать основные направления их преобразования, обеспечивающие надежное и экономичное теплоснабжение потребителей.
Развить и адаптировать к решению рассматриваемой проблемы методическое, алгоритмическое обеспечение и вычислительный инструмент для обоснования рациональных масштабов централизации теплоснабжения, концентрации мощностей ИТ, радиусов теплоснабжения с учетом требований надежности, управляемости и экономичности.
Количественно исследовать влияние мощности ИТ и радиуса теплоснабжения на технико-экономические показатели системы.
4. Исследовать вопрос о рациональном соотношении элементной и
структурной надежности тепловых сетей.
5. Разработать методику оценки и выбора приоритетных энергоэффек
тивных технологий и оборудования, рекомендуемых для преобразования теп
лоснабжающих систем.
6. Исследовать основные особенности и механизмы реализации энергосберегающих мер.
7. Разработать эффективную систему тарифообразования в теплоснабжении, стимулирующую процессы энергосбережения в ТХ страны.
Методология исследований опирается на основные положения системных исследований в энергетике, на теорию гидравлических цепей (ТГЦ), математическое моделирование, теорию надежности, экономику энергетики. Содержательные исследования базируются на вычислительном эксперименте и практических расчетах.
Научную новизну диссертации составляют следующие положения, выносимые на защиту:
Постановка и структуризация общей проблемы преобразования теплоснабжающих систем с целью обеспечения комфортных условий у потребителей, повышения надежности и управляемости систем, экономичности их функционирования и уменьшения негативного воздействия на окружающую среду.
Математические модели, подходы и методы решения рассматриваемой проблемы.
Методические принципы и требования, предъявляемые к построению крупных СЦТ в условиях формирующегося рынка тепловой энергии.
Исследование зависимостей технико-экономических показателей системы от обеспечиваемого уровня надежности теплоснабжения потребителей.
Количественная оценка рационального сочетания элементной и структурной надежности.
Оценка потенциала энергосбережения в тепловом хозяйстве России.
Методика комплексной оценки и выбора приоритетных энергосберегающих технологий и экономические механизмы их реализации.
Методика экономически обоснованных дифференцированных тарифов на тепловую энергию, обеспечивающая устойчивую экономическую основу управления теплоснабжением в рыночной экономике.
Перспективные направления технической политики в сфере теплоснабжения.
10. Практические результаты и рекомендации по преобразованию реальных теплоснабжающих систем.
Полученные в работе результаты ориентированы на:
комплексность исследования, включая постановку проблемы, методику ее решения, технические меры и экономический механизм их реализации, учитывающие внутренние и внешние влияющие факторы;
обязательный учет существующего состояния системы, т.е. ее фактических структуры, схемы соединений и параметров всех основных элементов и максимальное использование заложенных в нее преимуществ;
применение и развитие современных методов оптимизации - на базе теории гидравлических цепей и теории математического моделирования;
реализацию энергосберегающих технологий с использованием энергоэффективного оборудования, систем регулирования и учета;
разработку и внедрение экономических механизмов, стимулирующих процессы совершенствования и преобразования систем;
получение - путем многовариантных расчетов, анализа и оптимизации развития реальных и условных СЦТ - ряда общеэнергетических выводов, относящихся к границам экономичности СЦТ, их рациональной структуре, оценке надежности и соотношению затрат в "элементную" и "системную" надежность и другие результаты, которые не могли быть получены ранее.
Практическая ценность результатов диссертационной работы. Внедрение методических положений и общеэнергетических рекомендаций в проектную практику повысит экономическую эффективность, надежность и управляемость действующих СЦТ, что в свою очередь обеспечит более высокий уровень комфорта у потребителей, а также будет способствовать активной реализации энергосберегающей политики в теплоснабжении.
Предложенные в диссертации методические и практические рекомендации по структурному преобразованию СЦТ, обоснованному ограничению их масштабов, целесообразности использования для производства тепловой энер-
гии широкого диапазона типоразмеров ИТ, а также общие оценки рационального сочетания элементной и структурной надежности тепловых сетей по эффективности и приоритетности энергосберегающих технологий, являются основой для формирования приоритетных направлений технической политики в области теплоснабжения и создают условия для повышения конкурентоспособности теплофикационных систем по отношению к другим способам производства тепловой энергии.
Внедрение в практику тарифообразования предложенной автором методики расчета экономически обоснованных дифференцированных тарифов на тепловую энергию станет реальным экономическим механизмом реализации технической политики на базе энергоэффективных технологий и оборудования.
Методические и практические результаты диссертации были использованы:
в "Предложениях по разработке энергетической политики Рос-
сии"(1992, 2000 гг.), в работе "Факторный анализ условий функционирования
теплового хозяйства России и предложения по его совершенствованию с уче
том развития регионов" (1993 г.), в "Программе развития энергетики Дальнево
сточного экономического региона" (1994 г.), в директивном документе
"Нормативы надежности теплоснабжения жилых микрорайонов" (1995 г.) и
других работах, выполненных для Минэнерго РФ;
в "Методических указаниях по регулированию тарифов на электрическую и тепловую энергию на потребительском рынке" (1997 г.), рекомендованных Минэкономики РФ, Минтопэнерго РФ и ФЭК РФ для применения на всей территории Российской Федерации;
в "Концепции развития теплоснабжения Иркутской области с учетом структуры ее топливоснабжения на базе рациональных схем теплоснабжения городов и ПГТ" (1993 г.), в "Программе энергосбережения в Иркутской области на период до 2005 года" (2000 г.), разработанных по заданию Администрации Иркутской области;
в "Концепции развития теплоснабжения г. Иркутска "(2001 г.), "Развитии системы теплоснабжения г. Шелехова с учетом энергосберегающих мероприятий до 2005 г." (2000 г.) разработанных по заданию Администраций городов Иркутска и Шелехова;
в работах по "Исследованию надежности теплоснабжения потребителей с учетом режимов работы тепловых сетей и аварийного резервирования" г.г. Омска, Новосибирска, Тюмени, Ишимбая, Стерлитамака, Салавата, Усолья-Сибирского, Полярные Зори, Тайшета и др. (1985-2000 гг.);
в работе по "Оценке уровня централизации в теплоснабжающей системе г. Киева с учетом требований надежности", выполненной для Минэнерго Украины (1992 г.).
Многие практические рекомендации по преобразованию СЦТ перечисленных городов находятся в стадии проектирования или уже реализуются.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на трех международных конференциях, трех заседаниях Секций научных советов ОФ-ШЭ РАН, более 20 всесоюзных симпозиумах, конференциях и совещаниях, технических советах Минэнерго РФ и Минэнерго Украины, Ученых советах Института Систем Энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН (ИСЭМ).
Публикации. Результаты выполненных в диссертации исследований изложены:
в монографиях (в соавторстве): "Математическое моделирование и оптимизация системы тепло-, водо-, нефте- и газоснабжения" (Новосибирск: Наука. - 1992); "Методы управления физико-техническими системами энергетики в новых условиях" (Новосибирск: Наука. - 1995);
в отдельных главах монографии: "Математическое моделирование и оптимизация развивающихся теплоснабжающих систем" (Новосибирск: Наука. -1987);
в статьях академических и отраслевых журналов;
в изданиях ИСЭМ, других институтов и организаций;
в материалах Всесоюзных симпозиумов, конференций и семинаров;
в проекте директивного документа "Нормативы надежности теплоснабжения жилых микрорайонов";
в четырех "Схемах теплоснабжения городов";
в "Методических указаниях о порядке расчета тарифов на электрическую и тепловую энергию на потребительском рынке" (Москва: ФЭК РФ. -1997).
Состав и объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, заключения, списка литературы. Общий объем 386 стр., из них: 294 стр. текста, 55 рисунков и 37 таблиц. Список литературы содержит 236 наименований.
Анализ научно-методических работ в области решения вопросов развития и эксплуатации теплоснабжающих систем
В области методологии исследований и решения вопросов развития СЦТ можно выделить две крупные группы задач и методов их решения:1. Разработку и развитие методов расчета и оптимизации теплоснабжающих систем.2. Разработку и формирование технических направлений развития систем, обоснование их рациональных масштабов и структуры, реконструкции и преобразования.
В области расчета и оптимизации теплоснабжающих систем выделяются три основные задачи: выбор количества и мест расположения источников теплоты и схемы тепловой сети; определение параметров тепловой сети (диаметров трубопроводов, мест расположения и параметров насосных и дроссельных станций и т.д.); определение расчетных теплогид-равлических режимов системы в целом.
Постановка и методы решения этих задач, как аналитические, так и численные, имеют большую историю, как в нашей стране, так и за рубежом /1-61/. Их обзор достаточно подробно изложен в работах /53, 88, 89/.
Среди работ по оптимизации параметров тепловых сетей следует выделить работы A.M. Занфирова /1, 2/, Б.Л. Шифринсона /3, 4, 5/, В.Я. Ха-силева 16, 8/, С.Ф.Копьева 191, Е.П. Шубина /10-12/, Н.Ф. Нестеровича /13, 15/, A.M. Далина /16, 17/, Е.Я. Соколова /18/. Фактически они представляли собой сочетание методов оптимизации и практики их использования. Полученные в этих работах на основе аналитических методов оптимизации укрупненные технико-экономические показатели для расчета тепловых сетей до настоящего времени используются в практике проектирования теплоснабжающих систем.
Наиболее эффективным для решения задачи выбора оптимальных параметров оказался метод динамического программирования (ДП). Впервые для теплоснабжающих систем его реализовал А.П. Меренков /21/. Метод ДП позволяет находить глобальный минимум и учитывать многообразие физико-технических ограничений, дискретность параметров оборудования и другие индивидуальные особенности систем. Этот метод получил дальнейшее развитие в работах ИСЭМ (СЭИ) /22-27/ и зарубежных исследованиях /28-36/.
Для оптимизации многоконтурных систем в ИСЭМ был предложен метод многоконтурной оптимизации /37-42/, основанный на последовательном улучшении решений. Он удачно сочетает в себе преимущества методов расчета потокораспределения и динамического программирования. Его математическое описание и вычислительные возможности даны в работе /37/.
Сложность проблемы выбора схемы и структуры теплоснабжающих систем обусловила ее решение путем сопоставления между собой ряда заранее намечаемых вариантов. Этому были посвящены работы Б.Л. Шиф-ринсона, В.Я. Хасилева /43-45/. В них было показано существенное влияние на конфигурацию сети городской застройки, рельефа местности, естественных и искусственных преград. Эти особенности привели к тому, что сформулированная в /46-48/ задача выбора оптимальной конфигурации сети, как поиск сети минимальной длины, связывающей узлы размещения источников и потребителей, не получила заметного применения.
В.Я. Хасилевым и О.А. Некрасовой для решения задач схемно-структурной оптимизации предложен подход, базирующийся на поиске наивыгоднейшего потокораспределения на заданной избыточной схеме системы /49/. В дальнейшем он получил развитие в ИСЭМ (СЭИ) /50-53/.
Первыми работами в области расчета потокораспределения в тепловых сетях являются работы С.А. Чистовича /54/ и Зингера Н.М. /55-56/.Под руководством Н.М. Зингера была реализована на ЭВМ первая программа для расчета многоконтурных тепловых сетей.
Фундаментальными исследованиями, в которых было дано математическое описание задач потокораспределения в многоконтурных тепловых сетях, исследованы методы расчета и области их применения ;являются работы В .Я. Хасилева /57, 58/. Эти работы составили основу теории гидравлических цепей, развиваемой в ИСЭМ /25, 50-53, 59-61/.
Большое число работ посвящено решению второй группы задач. Среди них наибольшую историю имеет вопрос о рациональных уровнях централизации мощностей ИТ. Он возникал с самого начала развития СЦТ в связи с выбором структуры и параметров источников теплоты, разработкой профиля основного оборудования ТЭЦ и оптимальных схем ИТ, разграничением областей применения комбинированной и раздельной схемы энергоснабжения, выбором параметров теплоносителей, схем и режимов работы ТС. В то время он ставился как задача выбора оптимальной тепловой мощности ТЭЦ. Прежде всего для ее решения, применительно к небольшим по размерам и простым по конфигурации, вновь создаваемым системам, была получена аналитическая зависимость, которая при заданной плотности тепловой нагрузки позволяла определить экономически обоснованную площадь обслуживания ТЭЦ /45, 62/. При фиксированном месте расположения ИТ, на основе такого подхода, можно было приближенно находить предельный радиус теплоснабжения (RT ), а в случае одного источника и рациональный уровень централизации теплоснабжения. Выполненные по одной и той же зависимости исследования разных авторов /45, 62, 64/ уже тогда давали различные результаты, что свидетельствовало о ее приближенности и сильной зависимости от принятых исходных предпосылок. Основные результаты, опубликованные некоторыми авторами, приведены в табл. 1.1.
В табл. 1.1 приведена средняя величина тепловой мощности. Ее реальное значение определялось принятым коэффициентом теплофикации. Расхождения в численных значениях оптимальной мощности ТЭЦ и предельного радиуса теплоснабжения объяснялись, главным образом, различными оценками изменения удельных технико-экономических показателей по ТЭЦ как функции мощности станции и устанавливаемых агрегатов /65/.
Уровень централизации теплоснабжения в работах тех лет рассматривался равным 50% и 75% от общей тепловой нагрузки населенного пункта /62, 64, 66/. В работах В.В. Дмитриева, Б.М. Якуба, Л.А. Мелентьева /62, 64, 66/ ТЭЦ преимущественно рассматривалась, как источник тепловой энергии. Исходя из этого и определялось ее оптимальная мощность. Обеспеченная тепловой нагрузкой средних и крупных городов электрическая мощность не превышала 80 МВт (для ТЭЦ с жилищно-коммунальной нагрузкой) при оптимальной ее величине 50-75 МВт. Производительность районных котельных оценивалась в пределах 25-30 МВт /45, 66, 68/.
Понимание того, что области эффективного применения комбинированного и раздельного энергоснабжения, а также крупных и мелких котельных не могут быть однозначно определены диапазонами величин тепловых нагрузок из-за множества влияющих факторов, привело к описанию их аналитическими и графическими зависимостями /45, 66, 69/. Использо
Структуризация проблемы
Рассматриваемая проблема преобразования СЦТ в первую очередь, связана с созданием научно-методической базы для обоснованного принятия решений по рациональной структуре систем, их развитию и эксплуатации. Кроме того, она включает комплекс технических вопросов по изменению принципов построения систем и повышению их технического уровня.
Своевременность и актуальность постановки и решения рассматриваемой проблемы повышается в связи с изменением экономической ситуации в стране, кризисными явлениями в теплоснабжении и необходимостью повышения конкурентоспособности систем централизованного теплоснабжения и теплофикации.
Этому способствует, как отмечалось выше, доступность новой высокоэффективной с экономической и экологической точек зрения техники производства и транспорта тепловой энергии зарубежных фирм и посте пенное развитие рынка энергоэффективных технологий и оборудования в нашей стране.Методическая часть проблемы состоит в: определении рациональных масштабов (концентрации мощности ИТ, зон их действия, дальности транспорта тепловой энергии), структуры и принципов построения СЦТ.
В отличие от задач развития и реконструкции теплоснабжающих систем, рассматриваемых ранее /52, 53/, данная проблема является более сложной как в методическом, так и в техническом отношении /147, 148/. Это обусловлено тем, что здесь необходимо не просто оптимальным образом учесть существующую часть, а решить вопрос о количественном (в смысле масштабов СЦТ и концентрации мощностей ИТ) и качественном (в смысле изменения структуры системы и качества ее элементов) преобразовании уже действующих систем централизованного теплоснабжения с целью повышения эффективности их функционирования. Основные трудности в данном случае заключаются в том, что системы уже работают, они должны продолжать обеспечивать теплом потребителей. Они определенным образом уже сформировались. В их создание уже вложены большие капитальные затраты. При этом должны учитываться физико-технические ограничения и условия функционирования СЦТ, требования экологии, надежности и управляемости систем. Принятые решения должны соответствовать минимальным затратам на сооружение и эксплуатацию объектов теплоснабжения.
Основные цели, пути и средства преобразования действующих СЦТ представлены на рис. 2.1. Здесь можно выделить пять крупных направлений/144, 150/.1. Изменение принципов построения и структуры СЦТ. Как показано выше, количественный рост теплоснабжающих систем фактически не затрагивал их структуру, которая оставалась на уровне развития небольших систем. Вместе с тем, принципы построения СЦТ должны соответствоватьих сложности и отвечать требованиям, предъявляемым к ним. В настоящее время большие масштабы централизованного теплоснабжения перестали соответствовать данным условиям. Это явилось причиной возникновения трудноуправляемых систем с недостаточной надежностью снабжения теплом потребителей.
Изменение принципов построения и структуры СЦТ предполагает иерархическую структуру систем, обеспечиваемую путем деления магистральных и распределительных сетей с помощью узлов управления, создание необходимой структурной и параметрической избыточности в тепловых сетях, позволяющей осуществлять взаиморезервирование ИТ и ТС и предоставляющей возможность использования очень важного преимущества централизации: совместную работу ИТ на общие ТС.
При иерархической структуре системы она разделяется на несколько подсистем, в каждой из которых может поддерживаться необходимый тепловой и гидравлический режим. В такой СЦТ уменьшается взаимовлияние отдельных ее подсистем друг на друга в нормальных и аварийных ситуациях.
Согласно отмеченным принципам иерархическая структура построения СЦТ заключается в формировании подсистем разных уровней: первый уровень - подсистема кольцевой магистральной ТС, объединяющая ИТ; второй уровень - подсистема разветвленной распределительной сети. Каждая из них представляет самостоятельную подсистему, а разделяются они с помощью узлов управления. Такая структура СЦТ позволит обеспечить нормальное их функционирование, рациональное использование оборудования, управление транспортом и распределением теплоты между потребителями в соответствии с требованиями к параметрам (температуре, давлению и расходу) теплоносителя.
Наиболее радикальным изменением принципов построения СЦТ является создание трех- и двухконтурных систем. Их схемы приведены на
Методика и алгоритм решения проблемы
Разделение общей проблемы на отдельные хорошо отработанные, самостоятельные задачи, во-первых, вообще делает возможным ее комплексное решение, во-вторых, позволяет построить эффективный по управлению и обоснованности получаемых результатов вычислительный процесс. Реализованный на основе итерационнных процедур он создает условия для комбинирования упрощенных и более точных моделей, обеспечивая тем самым приемлемое время счета и организацию рационального взаимодействия исследователя с компьютером /165, 170, 176-178/. Все это позволяет успешно преодолеть сложность и трудоемкость решения рассматриваемой проблемы.
Укрупненная блок-схема алгоритма взаимоувязки задач, составляющих проблему преобразования теплоснабжающих систем приведена на рис. 3.2. Кроме основных вычислительных модулей (3-5, 8, 10) она содержит логические блоки, которые в зависимости от исходной постановки управляют ходом вычислительного процесса. В наиболее общем случае работает вся схема алгоритма. При необходимости решения отдельных задач функционируют лишь соответствующие им блоки. Например, в задачах схемно-структурной оптимизации участвуют блоки 1, 3, 4, в задачах адаптации параметров к аварийным ситуациям - это блоки 4, 8, в многовариантных гидравлических расчетах - блок 8. В зависимости от вида схемы сети, в рамкахочередного вычислительного блока выбирается адекватный ей расчетный модуль. В частности, при оптимизации параметров древовидной (тупиковой) сети используется метод динамического программирования, а для многоконтурных систем - метод многоконтурной оптимизации. Физико-техническая общность и естественная алгоритмическая увязка данных задач делают возможным обоснованное и эффективное их решение на единой научно-методической основе в рамках теории гидравлических цепей.
Соответствующий приведенному на рис. 3.2 алгоритму состав задач, последовательность их решения, применяемые программно-вычислительные комплексы (ПВК) и получаемые результаты представлены в табл. 3.2.
Комплексная методика по крупному включает следующие этапы:1. Исследователем подготавливается и формируется "избыточная" схема системы.2. "Избыточная" схема (при необходимости) автоматически дополняется фиктивным узлом и расширяется фиктивными связями.3. Выбирается оптимальная структура системы и схема тепловой сети без учета требований надежности.4. Определяется состав оборудования источников, распределяется тепловая нагрузка между ними и рассчитываются их технико-экономические показатели.5. Определяются параметры тепловой сети и рассчитываются ее технико-экономические показатели.6. Рассчитываются узловые показатели надежности теплоснабжения потребителей и производится оценка относительно нормативных значений.7. При условии удовлетворения ПН нормативным требованиям задача решена, осуществляется переход к п. 10 .
При нарушении обоих ПН должны быть уменьшены мощности источников тепла (радиусы теплоснабжения). Необходимо вернуться к решению задачи схемно-структурной оптимизации (п. 3). При несоответствии нормативному значению величины R{2) выполняется следующий этап.8. По нормативной величине R{2) выделяется резервируемая и нере зервируемая части системы.9. Резервируемая часть системы дополняется кольцующими связями,входящими в "избыточную" схему, исходя из обеспечения условия двухстороннего снабжения теплоносителем "ненадежных" узлов схемы.10. Определяются параметры резервированной сети.11. Рассчитываются аварийные ситуации в кольцевой сети. При необходимости производится корректировка параметров участков с целью обеспечения аварийной подачи тепловой энергии.12. Проверяется соответствие ПН нормативным требованиям. При их нарушении корректируется структура системы (п. 3).13. Разрабатывается режимная карта работы системы, учитывающая нормальные и аварийные режимы ее функционирования.14. Рассчитываются критерии экономической эффективности и технические характеристики системы, анализируется финансовая реализуемость полученных решений.
Достоинством описанного процесса построения теплоснабжающих систем с учетом требований надежности является проверка их работоспособности и реализуемости рекомендуемых технических мер.
Разработанная методика получила практическое применение в работах по решению вопросов преобразования теплоснабжающих систем г. г. Тюмени, Салавата, Ишимбая, Стерлитамака, выполняемых в рамках "Схем теплоснабжения" этих городов совместно с Уральским ВНИПИЭнергопро-мом. Предложенные решения приняты к реализации.
Настоящая методика была использована при выполнении работы "Оценка уровня централизации в ТСС г. Киева с учетом требований надеж Іости" /179/, изложенной в 4.6. Ее результаты Минэнерго Украины также приняты к реализации.
Зависимость допустимого радиуса теплоснабжения от требований надёжности
Как известно, с укрупнением источников тепла, увеличиваются масштабы теплоснабжающих систем, растет их пространственная распределенность, усложняется схема тепловых сетей, возрастают диаметры теплопроводов, число участков сети и дальность транспорта теплоносителя. Одной из характеристик масштабов СЦТ является радиус теплоснабжения RT . Под радиусом теплоснабжения понимается расстояние по трассе тепловой сети от источника тепла до наиболее удаленного потребителя. В современных СЦТ он достигает нескольких десятков километров. С увеличением RT , а следовательно и протяженности тепловой сети в целом, возрастает вероятность отказов теплопроводов и снижения уровня надежности теплоснабжения потребителей.
Изложенная ранее методическая и вычислительная база для расчета и оптимизации теплоснабжающих систем, включающая алгоритмы для количественной оценки надежности теплоснабжения и построения систем, удовлетворяющих заданному уровню надежности, позволила выполнить большой комплекс исследований, связанных с оценкой влияния различных факторов на надежность систем, определением рациональных радиусов теплоснабжения, с расчетом цены надежности, с поиском оптимального сочетания элементной и системной (структурной) надежности СЦТ /159, 173, 181,182/.
На рис. 4.5 представлена зависимость КЦ} и і?,(52) для конечного потребителя (узел 15), показанной на нем сети, от параметра потока отказов теплопроводов. Кривые 1, 3, 4, 5 построены для варианта, когда специализированная аварийно-восстановительная служба (ABC) для ликвидации аварий в тепловых сетях /168/ отсутствует, а кривые 2, 6, 7, 8, когда созда ется ABC, соответствующая тепловой мощности рассматриваемой системы. Наиболее сильная зависимость исследуемых показателей отмечается при отсутствии ABC. Наличие ABC при одном и том же значении ПН позволяет иметь в среднем в 1,5 раза больший параметр потока отказов, теплопроводов, что фактически означает ослабление требований к качеству элементов гистемы. Существенное влияние на вероятность безотказной работы оказывает величина граничной температуры внутреннего воздуха в помещении. Ее снижение с 16 до 14 С при со = 1х10 5 1/(км.ч) приводит к росту Ri5 на25%, а при со 3 х 10"5 1/(км.ч) более, чем в 2 раза.
Нормативные значения этих показателей, представленные в табл. 3.1 ограничивают максимальные размеры теплоснабжающих систем, а также влияют на принципы формирования схемы тепловых сетей.
По оценке разных специалистов среднее значение параметра потока отказов для существующих теплопроводов можно принять равным 2,0 10"51/(км.ч). Следовательно, согласно расчетам представленным в табл. 4.2, для нерезервированной сети с радиусом теплоснабжения 10 км значение со при указанных в ней величинах RH и t( с ABC должно быть уменьшенопрактически на порядок, с i?r = 20 км - в 17 раз, а с RT = 30 км - более, чем в 22 раза. При отсутствии специализированной ABC значения со должны уменьшится в еще большей степени.
Кривые на рис. 4.6, построенные по табл. 4.3, с одной стороны, дают представление о характере зависимости показателей со и RT . С другой стороны, они отражают сочетание со и RT , которое обеспечивает нормативное значение RH в нерезервированных тепловых сетях. Кривые построены для сетей с ABC и без нее. Наиболее резкое изменение значения со, как показывает рис. 4.6, происходит при увеличении RT от 0,2 до 2 км.Качество действующих теплопроводов с параметром потока отказов равным 2,0-Ю"51/(км.ч) не позволяет иметь радиус теплоснабжения дли-Ной более 1 км.
Проведенные исследования показали, что при существующей элементной базе возможности сооружения надежных нерезервированных тепловых сетей весьма ограничены. В таблице 4.4 приведены значения допустимых радиусов теплоснабжения в нерезервированных тепловых сетях при существующей надежности теплопроводов. Для нормативных значений показателей надежности они составляют 1-2 км, что на порядок и более превышает радиус теплоснабжения современных СЦТ.
В системах с резервированными тепловыми сетями рассчитываются оба показателя надежности: К и R(H2). Они определяют допустимую общую длину участков кольцевой части сети и нерезервированного ответвления, гидравлически связанного с узлом потребителем. Какой из этих нормативных показателей в каждом конкретном случае окажется лимитирующим, зависит от индивидуальных особенностей системы и ее технических характеристик.
Другим аспектом рассматриваемого вопроса о радиусе теплоснабжения является исследование экономических показателей. С помощью описанного выше вычислительного инструмента были проведены многочисленные расчеты стилизованных и реальных систем. Их результаты анализировались и представлялись в обобщенном виде. На рис. 4.7 и 4.8 приведены зависимости удельных приведенных затрат и капиталовложений в тепловые сети от радиуса теплоснабжения. Кривые построены для двух величин нагрузок (400 и 1000 Гкал/ч) с резервированием и без резервирования тепловой сети. Они фиксируют значительный рост затрат и капиталовложений с увеличением дальности транспорта тепла. Так, если для нагрузки 1000 Гкал/ч затраты в тепловую сеть без резервирования с Rr= 10 км принять за 100 %, то для сети с RT= 20 км они составят 185%, а для сети с RT- 40 км они увеличатся до 355%. Примерно такое же соотношение отмечается по капиталовложениям (рис. 4.7). Оно же сохраняется для других величин тепловых нагрузок и однотипных схем с разными RT. Для разных схем тепловых сетей это соотношение может изменяться, но тенденция роста затрат с увеличением RT сохраняется. Введение резервирования в схему тепловой сети увеличивает затраты до 50% и более по сравнению с затратами в тепловую сеть без резервирования. Увеличение радиуса теплоснабжения при одной и той же нагрузке в 2 раза приводит к более, чем двухкратному, а в 4 раза - к трехкратному росту затрат на удовлетворение требований надежности. Такое же изменение RTj но при условии сохранения одинаковой плотности тепловой нагрузки по длине тепловой сети, сопровождается увеличением затрат на 20% и 70% соответственно. Это подтверждает, казалось бы, тривиальный вывод о том, что с ростом масштабов систем затраты на обеспечение требований надежности возрастают, однако в реальной практике это не выполняется.
Кривые удельных затрат и капиталовложений для системы в целом, включая источники тепла и сети, в зависимости от RT становятся более пологими (см. рис. 4.9 и 4.10). Однако, они не нарушают общей тенденции роста удельных экономических показателей с увеличением дальности транспорта тепла.
