Содержание к диссертации
Введение
1. Краткий анализ ситуации и постановка вопросов совместной работы теплоисточников на единые тепловые сети 12
1.1 Основные проблемы реализации совместной работы источников на единые тепловые сети 12
1.2 Краткий обзор исследований по совместной работе источников 16
1.3 Постановка вопросов, решаемых в работе 23
2. Методические положения совместной работы теплоисточников на единые тепловые сети 26
2.1 Основные положения совместной работы источников 26
2.2 Технические преимущества совместной работы источников 29
2.3 Оценка экономической эффективности совместной работы источников на единые тепловые сети 34
2.4. Структуризация и особенности рассматриваемой проблемы 42
2.5. Выводы 46
3. Математические модели и методы для решения задачи оптимальной реконструкции теплоснабжающей системы с учетом совместной работы теплоисточников на единые тепловые сети 48
3.1 Общая математическая модель и ее декомпозиция 48
3.2 Декомпозиция общей задачи 57
3.3 Оптимальное распределение тепловой нагрузки между источниками .. 58
3.4 Оптимизация параметров развивающихся многоконтурных тепловых сетей 63
3.5 Расчет потокораспределения в сложных теплоснабжающих системах 65
3.6 Методика «избыточных» проектных схем в задачах совместной работы источников на общие тепловые сети 66
3.7 Методика и алгоритм решения проблемы 69
3.8 Общая характеристика вычислительного инструмента 78
3.9 Выводы 81
4. Инновационные технологии построения теплоснабжающих систем, обеспечивающие совместную работу теплоисточников 83
4.1. Требования, предъявляемые к принципам построения и технической оснащенности систем ...83
4.2 Рациональные принципы построения теплоснабжающих систем 85
4.3 Системно-технологические меры преобразования теплоснабжающих систем 92
4.4 Технические меры по переоборудованию теплоснабжающих. систем 95
4.5 Выводы 99
5. Проект комплексной реконструкции теплоснабжающей системы центрального и адмиралтейского районов санкт-петербурга 102
5.1 Цели и задачи, решаемые в проекте 102
5.2 Характеристика района и системы теплоснабжения 104
5.3 Основные направления перспективного развития тепловых сетей 109
5.4 Выбор вариантов реконструкции теплоснабжающей системы 113
5.5 Рекомендуемые мероприятия по техническому переоснащению системы 118
5.6 Выводы 123
Заключение 125
Литература 128
- Краткий обзор исследований по совместной работе источников
- Оценка экономической эффективности совместной работы источников на единые тепловые сети
- Оптимальное распределение тепловой нагрузки между источниками
- Рациональные принципы построения теплоснабжающих систем
Введение к работе
В настоящее время на производство тепла в стране расходуется около 400 млн. т у.т, или около 44% всех первичных энергоресурсов, направляемых на внутреннее энергопотребление России. В теплоснабжающих системах (ТСС) страны на перекачку теплоносителя расходуется более 7% генерируемой электроэнергии, суммарная протяженность тепловых сетей (ТС) составляет около 177 тыс.км (в двухтрубном исполнении) [1].
Основу теплоснабжения в нашей стране составляют системы централизованного теплоснабжения. Их доля в структуре производства тепловой энергии составляет 73%. В настоящее время здесь работает около 585 теплоэлектроцентралей (ТЭЦ), более 3000 котельных производительностью выше 20 Гкал/ч и ряд прочих источников тепла (ИТ). К этой группе также относятся электростанции и котельные промышленных предприятий, которые поставляют тепло только на свои производственные нужды, без отпуска его на сторону.
В 2007 г. системами централизованного теплоснабжения было отпущено около 1444 млн. Гкал. Именно здесь сосредоточены наибольшие потери тепла в магистральных и распределительных сетях. По укрупненной оценке суммарные потери тепла достигают 30%.
Сфера децентрализованного теплоснабжения, производящая 27% тепла, включает 63 тысячи котельных единичной тепловой мощностью менее 20 Гкал/ч и не менее 12 млн. автономных (индивидуальных) генераторов тепла. В целом их теплотехнические и экономические показатели, за исключением новых типов автономных теплогенераторов на газе, значительно уступают эффективности крупных котельных.
В предшествующие годы развитие теплоснабжения в нашей стране было ориентировано на создание крупных систем централизованного теплоснабжения с предпочтительным применением комбинированной выработки тепловой и электрической энергии на ТЭЦ. При этом не уделялось
должного внимания эффективности систем, надежности и качеству теплоснабжения.
Рост масштабов систем централизованного теплоснабжения в стране долгое время не сопровождался соответствующим повышением их технического и организационного уровня. Схемные и конструктивные решения в ТСС остаются фактически неизменными со времени создания небольших по масштабам и простых по структуре систем. Не соответствует, в достаточной мере, современным требованиям уровень проектирования и строительства тепловых сетей. Медленно внедряются прогрессивные конструкции и индустриальные методы прокладки теплопроводов. Практически отсутствует комплексная автоматизация процессов производства, транспорта, распределения и потребления тепловой энергии.
В процессе развития были созданы очень крупные, плохо управляемые и ненадежные системы, не позволяющие в должной мере использовать все преимущества централизации.
Продолжает сохраняться тенденция снижения конкурентоспособности 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 теплового хозяйства (ТХ) России. Данные системы наиболее подготовлены к структурным изменениям их построения, к реализации новых передовых технологий и внедрению энергоэффективного оборудования.
В этих условиях особую актуальность и большую народнохозяйственную значимость приобретает проблема повышения эффективности и надежности функционирования ТСС, требующая решения вопросов рационального использования топлива, материальных и трудовых ресурсов, энергосбережения, улучшения экологической обстановки и оказания на высоком уровне социальных услуг населению.
Основными задачами здесь являются: обоснование оптимальных уровней концентрации мощностей источников теплоты, формирование иерархической структуры построения систем, обеспечение их надежности и управляемости, а также поиск путей реализации энергосберегающих технологий на базе энергоэффективного оборудования. Одной из перспективных задач инновационного развития ТСС является объединение нескольких ИТ для работы на общие ТС и оптимальное перераспределение тепловой нагрузки между ними в процессе эксплуатации [2]. Фактически такая работа систем централизованного теплоснабжения реализует все их преимущества и основное предназначение создания крупных теплоисточников и разветвленных тепловых сетей.
При этом возникает новый аспект научных исследований по созданию методической базы, позволяющей осуществлять постановку задач и получать решения, обеспечивающие реализацию совместной работы источников на единые тепловые сети и способствующие эффективному функционированию ТСС.
Другой аспект этой проблемы связан с техническими вопросами изменения структуры систем, технологическим переоснащением источников, тепловых сетей и установок потребителей, оснащением их автоматизированными системами регулирования и управления производством, транспортом и потреблением тепловой энергии, применением более эффективных схем присоединения систем
теплопотребления, систем измерения, учета и автоматического регулирования и т.п.
Предмет и объект исследования. Предметом исследования являются разрабатываемые подходы к решению задач комплексной реконструкции ТСС и развиваемые методы оптимизации теплоснабжающих систем при совместной работе источников на общие тепловые сети.
Объектом исследования являются теплоснабжающие системы (источники, тепловые сети и установки потребителей), структура их
построения и перспективные технологии, обеспечивающие эффективное
функционирование систем при совместной работе источников на общие тепловые сети.
Цели работы состоят: в постановке и структуризации комплексной проблемы реконструкции систем централизованного теплоснабжения при организации совместной работы источников на общие тепловые сети; в обосновании и разработке взаимосогласованных методик, алгоритмов и программ для постановки и решения комплекса задач по реконструкции и развитию ТСС; в формировании энергоэффективных направлений технического преобразования теплоснабжающих систем; в проведении исследовательских и реальных расчетов, подтверждающих практическую значимость и эффективность предлагаемых подходов; в. разработке практических рекомендаций по реконструкции конкретных систем, обеспечивающих переход на качественно новый, соответствующий передовым тенденциям уровень их функционирования.
Выполнение поставленных целей предполагает решение комплекса задач рассматриваемых в настоящей работе. Среди них можно выделить,следующие:
Анализ проблем, препятствующих организации совместной работы источников на единые тепловые сети, и основные направления их решения.
Исследование влияния совместной работы источников на технико-экономические показатели функционирования теплоснабжающих систем.
Постановка и решение задач, составляющих проблему реконструкции ТСС при совместной работе источников и организации режимов эксплуатации системы.
Развитие и адаптация методического, алгоритмического и программного обеспечения для обоснования решений при организации совместной работы теплоисточников.
5. Разработка основных направлений технического преобразования
теплопотребляющих установок и тепловых сетей, а так же схем подключения
источников, обеспечивающих совместную их работу в системах централизованного теплоснабжения.
6. Апробирование предложенных подходов и методов на реальных объектах с целью оценки их практической эффективности.
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.
Научная новизна основных положений, вынесенных на защиту, заключается в следующем:
1. Впервые осуществлена постановка и структуризация проблемы
комплексной реконструкции ТСС при организации совместной работы
источников на единые тепловые сети с учетом современных требований и
условий.
Исследованы зависимости системных технико-экономических показателей теплоснабжающих систем при переходе от раздельной к совместной работе источников на общие тепловые сети.
Впервые выполнена постановка общей задачи комплексной реконструкции системы при организации совместной работы источников с выделением решаемых при этом подзадач и методов их решения.
Предложен подход к решению задач реконструкции ТСС с целью организации совместной работы источников на общие тепловые сети.
Определены требования к структуре и техническому оснащению систем при организации совместной работы источников с использованием перспективных направлений технической политики в сфере теплоснабжения.
6. Разработаны практические рекомендации по развитию и
реконструкции исследуемых реальных теплоснабжающих систем различных
городов страны.
Полученные в работе результаты ориентированы на:
комплексность исследования, включая постановку проблемы, методику ее решения, технические меры и рекомендации, учитывающие перспективы развития ТСС;
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 программирования;
реализацию инновационных технологий функционирования ТСС с использованием энергоэффективного оборудования, систем регулирования и измерений;
5) получение на основе объектных исследований некоторых
общеэнергетических выводов,' относящихся к методам реализации
совместной работы источников на единые тепловые сети, к принципам
построения систем, техническому оснащению, основам регулирования и
управления режимами.
Практическая ценность результатов диссертационной работы. Внедрение предлагаемых методических положений и общесистемных рекомендаций в проектную практику повысит экономическую эффективность ТСС, что в свою очередь будет способствовать достижению высокого уровня комфорта у потребителей, а также будет содействовать активной реализации энергосберегающей политики в теплоснабжении.
Предложенные в диссертации методические и практические рекомендации по структурному преобразованию ТСС, техническому их переоснащению, приоритетности энергосберегающих технологий являются основой для формирования перспективных направлений технической политики в области теплоснабжения и создают условия для повышения конкурентоспособности теплофикационных систем по отношению к другим способам производства тепловой энергии.
Методические и практические результаты диссертации были использованы:
в «Стратегии развития топливно-энергетического комплекса» Магаданской области (2006 г.), Сахалинской области (2007 г.), Чукотского автономного округа (2008 г.), разрабатываемых по заданию Администраций субъектов;
в работе «Обоснование инвестиций по реконструкции системы энергоснабжения (с целью оптимизации) Центрального и Адмиралтейского районов г. Санкт-Петербурга» (2006 г.), выполненной по заданию Администрации г. Санкт-Петербург;
в работе «Технико-экономическое обоснование развития системы теплоснабжения Ново-Иркутской ТЭЦ г. Иркутска» (2005 г.) выполненной по заданию Администрации г. Иркутска;
в проекте «Газификация коммунальных потребителей г. Усть-Кут», выполненной по заданию Администрации г. Усть-Кут.
Многие практические рекомендации по преобразованию ТСС перечисленных городов находятся в стадии проектирования или уже реализуются.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на двух всероссийских научных семинарах с международным участием, на 5 всероссийских научно-практических конференциях, на 5 конференциях научной молодежи ИСЭМ СО РАН, Ученых советах Института Систем Энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН (ИСЭМ).
Публикации. Результаты выполненных в диссертации исследований изложены:
в отдельных главах двух книг, вышедших в издательстве «Наука»;
в статье, опубликованной в журнале «Теплоэнергетика»;
в изданиях ИСЭМ, других институтов и организаций;
в материалах Всесоюзных симпозиумов, конференций и семинаров;
в двух «Схемах теплоснабжения городов».
Состав и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы. Общий объем 137 стр., из них: 123 стр. текста, 23 рисунка и 7 таблиц. Список литературы содержит 105 наименований.
Краткий обзор исследований по совместной работе источников
Вопросы параллельной работы ТЭЦ и котельных исследовались в работах многих авторов: Б.М.1 Якуба, Л.Д. Германа, Н.И. Дунаевского, Т.Ф. Максимова, Л.А. Мелентьева, В.Я. Хасилева, Г.К. Леонтьевой, В.Б. Пакшвера, Н.К. Громова, И.С. Ланина, Е.Я. Соколова, Е.П. Шубина, И.Ф. Филлиппова, Н.М. Зингера, С.А. Чистовича, Б.М. Кагановича и других.
Стремление к созданию экономичных, эффективных ТСС, уже в 30-е годы привело к выводу о целесообразности объединения нескольких ИТ для совместной работы на общие тепловые сети. Первый такой проект был предложен в 1930-е годы для теплоснабжения г. Москвы [4]. Однако по ряду причин он не был реализован.
В публикациях Л.Д. Германа, Т.Ф. Максимова, Б.М. Якуба [15] были предложены исходные критерии выбора принципиальной схемы тепловых сетей. В качестве этих критериев авторы предложили принять следующие основные положения: 1. Теплосети должны обладать эксплуатационной надежностью и обеспечивать бесперебойное снабжение потребителей тепловой энергией. 2. Они должны обеспечивать наиболее рациональное и надежное снабжение теплом потребителей от теплоэлектроцентралей с возможностью организации взаимного резервирования тепловых мощностей отдельных теплоэлектроцентралей вне зависимости от их территориального расположения в городе. 3. Принятая к реализации схема теплосетей должна обеспечивать свободное и независимое друг от друга развитие тепловых распределительных сетей отдельных районов, в соответствии с застройкой этих районов, при этом их развитие должно осуществляться, по возможности, без значительной реконструкции уже существующих теплосетей и дополнительных капиталовложений на эти цели.
Этим условиям в централизованной системе от крупных источников в полной мере отвечают тепловые сети, имеющие кольцевую схему.
В более поздних работах авторов Громова Н.К., Витальева В.П., Чистовича С.А., Аверьянова К.Н. и других [16-20] была предложена иерархическая структура тепловых сетей крупных ТСС с выделением транзитных, магистральных, распределительных сетей и соответствующим их разделением тепловыми пунктами разного назначения. В них даны схемы присоединения потребителей, назначение и схемы тепловых пунктов. Предложенные в данных работах решения были ориентированы на отечественные технические средства тех времен, что существенно усложняло их реализацию и не позволяло полностью использовать преимущества, заложенные в крупных ТСС.
В работах Л.А. Мелентьева [21, 22] целесообразность совместной работы теплоисточников обосновывается требованиями надежности и экономичности функционирования системы. Автор рассматривает два наиболее распространенных варианта совместной работы источников на общие тепловые сети: 1) возможность передачи тепла из района действия одной ТЭЦ в район действия другой ТЭЦ предусматривается только в аварийных режимах (в нормальных условиях каждая ТЭЦ работает изолированно на свой район); 2) теплоисточники работают на общий тепловой график нагрузки совместно во всех режимах, включая нормальные и аварийные. Для практического осуществления совместной работы источников было предложено формировать схему тепловых сетей таким образом, чтобы направление потоков теплоносителя в различных режимах оставалось постоянным. Например, таковыми могут быть тепловые сети с соединительным фидером. Он объединяет ТЭЦ согласно схеме приведенной на рисунке 1.1.
Затраты в ТС в данном случае сводятся только к затратам на строительство соединительного фидера и определяются удаленностью ИТ друг от друга.
В первом из приведенных выше вариантов совместной работы источников затраты в тепловые сети связаны только с повышением надежности теплоснабжения и не компенсируются снижением затрат в другие элементы системы. Они могут быть компенсированы снижением ущерба от недоотпуска тепловой энергии. Во втором варианте может быть достигнут определенный экономический эффект. Данный эффект может быть получен в результате: 1) увеличения тепловой теплофикационной мощности и снижения производительности котельной; 2) более рационального распределения тепловой нагрузки между установленным оборудованием;
Оценка экономической эффективности совместной работы источников на единые тепловые сети
Теплоснабжающие системы, как известно, реализуют единый связанный во времени технологический процесс производства, транспорта и потребления тепловой энергии. В современных крупных централизованных системах затраты в источники тепловой энергии по величине сопоставимы с затратами в тепловые сети. В этих условиях решения, принимаемые по источникам тепловой энергии, без учета их реализации тепловыми сетями могут быть не выполнимыми на практике или же потребуют значительных затрат, возможно, превосходящих получаемую при этом их экономию на источниках. И наоборот, требования по эффективности и надежности функционирования тепловых сетей могут привести к изменению решений по источникам тепловой энергии. Эти факторы необходимо учитывать при оценке эффективности и принятии решения по совместной работе источников на общие тепловые сети.
Исследования по экономической эффективности перехода от раздельной к совместной работе источников тепловой энергии на общие тепловые сети проводились для системы теплоснабжения микрорайона Ново-Ленино г. Иркутска (рисунок 2.1). Теплоснабжение района осуществляется от трех теплоисточников — одной угольной котельной КСПУ (котельная Северного промышленного узла) и двух электрокотельных (ЭК «Бытовая» и ЭК «Ново-Ленино»). Система имеет развитые тепловые сети, которые объединены между собой, однако источники работают изолированно каждый на свой район. Суммарная тепловая нагрузка микрорайона составляет 310 Гкал/час. В настоящее время она распределяется между источниками следующим образом: 145 Гкал/ч — ЭК «Ново-Ленино»; 120 Гкал/ч - КСПУ; 45 Гкал/ч - ЭК «Бытовая». Вместе с тем, реальные возможности КСПУ (установленная производительность — 225 Гкал/час) и э/к «Бытовая» (установленная производительность Определение оптимального распределения тепловой нагрузки между источниками производилось исходя из критерия минимума эксплуатационных затрат в соответствии с затратными характеристиками источников. Эти характеристики, полученные путем аппроксимации методом наименьших квадратов реальных значений, могут быть представлены, ниже приведенными значениями:
Суммарная тепловая нагрузка района соответствует сумме нагрузок, подключенных к каждому источнику, и представляется выражением: Изменение QcyMM в течение отопительного периода определяется температурой наружного воздуха. Ее оптимальное распределение по источникам рассчитанное по приведенным выше экономическим характеристикам представлено в таблице 2.1, а на рисунке 2.2 показано ее распределение графически.
В отличие от качественного регулирования отпуска тепловой энергии и раздельной работы источников при количественном регулировании и совместной работе источников в течение отопительного периода существенно изменяется расход сетевой воды и зоны его распределения по источникам, по магистралям, которые определяются температурой наружного воздуха и перераспределением нагрузок между ИТ. Все эти изменения должны быть обеспечены необходимыми схемными решениями и параметрами тепловых сетей. Причем они также должны работать в оптимальных режимах. Как правило, выполнение этих условий требует проведения соответствующей реконструкции. Для рассматриваемой ТСС эти мероприятия показаны на рисунке 2.1.
Суммарные затраты по тепловым сетям и их составляющие для раздельной и совместной работы источников показаны графически на рисунке 2.3. Они рассчитаны в соответствии с периодом стояния каждой из указанных температур. Из графиков видно, что большую часть отопительного периода с температурами наружного воздуха выше -20С совместная работа теплоисточников эффективнее раздельной. Лишь при температурах ниже -20С, имеющих незначительную продолжительность стояния (10% времени отопительного периода) варианты становятся равноэкономичными. Достигаемая суммарная годовая экономия по тепловым сетям составляет 300 млн. руб. Обобщенные графики суммарных затрат, затрат по источникам и тепловым сетям по интервалам температур наружного воздуха приведены на рисунке 2.4. Они достаточно наглядно иллюстрируют эффективность совместной работы, прежде всего, при температурах наружного воздуха выше -20 С.
Зависимость затрат в систему, источники и тепловые сети от перераспределения нагрузок между ИТ приведена на рисунке 2.5. В таблице 2.2 приведено соответствующее данному графику распределение тепловых нагрузок между источниками. Кривые построены по результатам, полученным на основе проведения серии оптимизационных расчетов по источникам, тепловым сетям и системе в целом.
Оптимальное распределение тепловой нагрузки между источниками
Постановке и решению данной задачи посвящены исследования многих авторов [65-71]. В настоящей работе эти исследования получают дальнейшее развитие. Задача оптимизации режимов работы источников решается исходя из их экономической эффективности по критерию минимума затрат с ограничениями в виде неравенств. Для каждого источника можно записать характеристику затрат (Z7) от величины его производительности в каждый момент времени (fj(Qj)). Она индивидуальна для каждого ИТ и включает в себя, как выше было показано, условно-постоянные и условно-переменные затраты. Вид функциональной зависимости определяется составом оборудования теплоисточника, его технико-экономическими характеристиками, установленной мощностью, видом используемого топлива, его расходом и рядом других факторов. Помимо эксплуатационных затрат характеристика учитывает затраты на резервирование оборудования с целью повышения надежности. В общем случае экономическая характеристика источника может быть представлена зависимостью затрат от производительности источника {Q}): В развернутом виде функция затрат /Дб,) для каждого 7-го источника имеет вид: Сумма затрат по всем п источникам системы будет представлять суммарные затраты в источники тепла для рассматриваемой системы теплоснабжения: Тепловые нагрузки каждого у-го источника (Q7) строго положительны и составляют суммарную тепловую нагрузку (Q) системы. В течение отопительного сезона суммарная нагрузка системы (Q) изменяется, зависит от температуры наружного воздуха и строго фиксирована для каждого ее значения.
Нагрузка же конкретного источника при совместной работе ИТ на общие тепловые сети определяется графиком их загрузки в соответствии с распределением между ними тепловой нагрузки. Формулируемая задача сводится к поиску решения соответствующего минимальному значению функции затрат. Решение производится при соблюдении следующих условий и ограничений: Для нахождения экстремума функции, воспользуемся методом множителей Лагранжа [72, 73]. В рассматриваемом выше случае в качестве основного критерия применяется функция F{Q) (3.41), а в качестве ограничений выступают выражения (3.44) и (3.45), которые записываются через множители Лагранжа (Я и //): Согласно применяемому методу множителей Лагранжа производим дифференцирование — и приравниваем полученное выражение к нулю: Система условий, которые необходимо учитывать при решении поставленной задачи, записывается в следующем виде: Для перехода к оптимизационным расчетам и определения значения критерия оптимальности, воспользуемся понятием предельных издержек (marginal costs). В данном случае они представляются в виде первой производной функции fj(Qj), в результате чего получаем выражение: Рассматриваемая функция предельных издержек может быть интерпретирована следующим образом: Полученное выражение показывает насколько возрастут издержки по системе, если Q, увеличится на величину равную AQj=l. С учетом выражений (3.40) и (3.47) величина предельных издержек будет иметь следующий вид: Поскольку для систем теплоснабжения Q; является строго неотрицательной величиной, то из уравнения (3.48), получаем что //7 = 0. При этих условиях (3.47) преобразуется к виду: С учетом выше описанного получаем, что предельные издержки равны: Выразив из (3.53) величину Qy и подставив ее в уравнение (3.43) получаем выражение для предельных издержек системы в целом: оптимальным решением будет решение, для которого предельные издержки всех работающих станций равны между собой и множитель Лагранжа (Я), являющийся двойственной переменной, совпадает со значением оптимальных предельных издержек. Вышеизложенный процесс решения задачи распределения тепловой нагрузки между источниками графически проиллюстрирован на рисунке 3.1. На нем для двух источников тепловой энергии представлены зависимости предельных издержек от величины их производительности.
Рациональные принципы построения теплоснабжающих систем
Выше описанные проблемы и требования, предъявляемые к системам теплоснабжения, а также изменение взаимоотношений на рынке тепловой энергии повышают актуальность вопросов оптимального построения систем путем формирования эффективных схем тепловых сетей, схем включения-источников тепла и потребительских установок в ТС.
Объединение нескольких источников тепла для работы на общие тепловые сети должно сопровождаться соответствующей проработкой и техническим решением вопросов реконструкции тепловых сетей, планирования эффективных теплогидравлических режимов, повышения их надежности и управляемости. При этом схема сети может быть как древовидной (с числом ИТ не более двух), так и кольцевой (с любым количеством ИТ) , а ее параметры должны иметь минимально необходимую избыточность, обеспечивающую подачу тепловой энергии от каждого ИТ всем потребителям как в нормальных режимах при смене потоков теплоносителя, так и в аварийных ситуациях при отключении участков сети.
Изменение принципов построения и структуры ТСС предполагает иерархическую структуру систем, обеспечиваемую путем деления транзитных, магистральных и распределительных сетей с помощью узлов управления, создание необходимой структурной и параметрической избыточности в тепловых сетях, позволяющей осуществлять взаиморезервирование источников тепла, тепловых сетей и предоставляющей возможность использования очень важного преимущества централизации - совместную работу ИТ на общие ТС. Вопросы эффективного построения систем рассматривались в публикациях разных лет [32, 60, 85-89].
При иерархической структуре системы она разделяется на несколько подсистем, в каждой из которых может поддерживаться необходимый тепловой и гидравлический режим. В такой ТСС уменьшается взаимовлияние отдельных ее подсистем друг на друга в нормальных и аварийных ситуациях (рисунки 4.1- 4.2).
Согласно отмеченным принципам иерархическая структура построения ТСС 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 ТСС 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. В результате становится возможным изменение потокораспределения в тепловых сетях в соответствии с плавающими в течение отопительного сезона зонами действия совместно работающих источников.
Формируемая структура теплоснабжающих систем, отражающая взаиморасположение основных элементов (источников, тепловых сетей и потребителей) и материальные связи между ними, должна соответствовать их масштабам и сложности. Небольшим системам (рисунок 4.1) в полной мере могут удовлетворять тупиковые схемы тепловых сетей без резервирования и специальных узлов управления. Более жесткие требования предъявляются к крупным системам. Тепловые сети крупных ТСС должны иметь более сложную структуру, сочетающую кольцевые схемы магистральных ТС и тупиковые ответвления. Их схема и параметры должны не только удовлетворять условиям совместной работы ИТ, но и требованиям надежности теплоснабжения.
Кольцевая схема формируется путем соединения основных магистралей кольцующими участками (перемычками), например, как показано на рисунке 4.2. Изменение направления потоков теплоносителя, его величины, управление режимами при перераспределении нагрузок между источниками обуславливает необходимость иметь определенную избыточность по схеме и параметрам системы, причем с учетом требований надежности. В теории надежности такая избыточность определяется, как транспортный резерв [57]. Избыточность в ТС связана с увеличением диаметров трубопроводов некоторых участков кольцевой тепловой сети по сравнению с раздельной работой ИТ и нормальными (неаварийными) режимами функционирования ТСС, а также с введением в схему дополнительных кольцующих участков сети. Данное увеличение должно быть таким, чтобы обеспечивались все изменения потоков в системе, которые возникают при последовательной загрузке совместно функционирующих теплоисточников в зависимости от температуры наружного воздуха, а также учитывались бы требования надежности теплоснабжения. Рост избыточности, закладываемой в систему, сопровождается увеличением затрат в ТС, что приводит к снижению ожидаемой экономии от совместной работы ИТ.
Перераспределение тепловой нагрузки между источниками тепла в течение отопительного периода, а соответственно изменяющееся потокораспределение предъявляют соответствующие требования к схемам присоединения ответвлений к кольцевой сети. Присоединение ответвлений к магистральной тепловой сети должно осуществляться с двух сторон по отношению к секционирующей задвижке (рисунки 4.1 и 4.2) через автоматизированные узлы управления режимами. Данная схема обеспечивает мобильность и гибкость в реализации планируемых теплогидравлических режимов в нормальных условиях функционирования ТСС, в аварийных ситуациях она позволит организовать подачу тепла потребителям, независимо от места аварии в магистральной сети.. Сооружаемые на стыке кольцевых магистральных и распределительных сетей автоматизированные узлы выполняют функции контроля и распределения тепловой энергии, поэтому получили название контрольно-распределительные пункты (КРП) [20, 60]. КРП оснащаются системами контроля, автоматического регулирования и управления. Минимальной их комплектацией может быть оснащение регуляторами давления (расхода) и задвижками с управляемым электроприводом (рисунок 4.1). При необходимости они могут дополняться смесительными насосами, теплообменниками и дополнительной автоматикой (рисунок 4.2). Данные узлы управления являются составной частью многоступенчатого регулирования. Наибольшая эффективность может быть достигнута при их объединении в единую автоматизированную систему диспетчерского управления.
Похожие диссертации на Методы комплексной реконструкции теплоснабжающих систем при совместной работе источников на единые тепловые сети
