Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Основные методологические аспекты функционирования крупных систем централизованного теплоснабжения 16
1.1. Системы централизованного теплоснабжения: современное состояние и особенности функционирования 16
1.2. Качество теплоснабжения
1.2.1. Условия теплового комфорта 29
1.2.2. Показатели качества теплоснабжения
1.3. Анализ существующих методов регулирования тепловой нагрузки 37
1.4. Анализ режимов основных схем присоединения
систем теплопотребления и их автоматизация 41
1.5. Оперативно-диспетчерское регулирование отпуска тепловой энергии в системах централизованного теплоснабжения 52
1.6. Постановка задачи 61
1.7. Выводы по главе 1 63
ГЛАВА 2. Формирование математической модели нестационарных тепловых и гидравлических режимов систем централизованного теплоснабжения 64
2.1. Функциональная схема системы централизованного теплоснабжения 65
2.2. Нестационарный тепловой режим здания
2.2.1. Температурный режим ограждающих конструкций 71
2.2.2. Оценка влияния потребителей на тепловой режим здания 73
2.3. Возмущающие воздействия в СЦТ 75
2.4. Моделирование теплогидравлических режимов тепловых сетей 79
2.4.1. Потери тепловой энергии через изоляцию трубопроводов 79
2.4.2. Гидравлические режимы тепловых сетей и гидравлическая устойчивость 85
2.5. Особенности моделирования эксплуатационных режимов функционирования тепловых пунктов с учетом автоматизации систем теплопотребления 88
2.5.1. Последовательная двухступенчатая схема 91
2.5.2. Смешанная двухступенчатая схема 94
2.5.3. Параллельная схема 98
2.5.4. Открытая схема ГВС 99
2.5.5. Система отопления 100
2.5.6. Система вентиляции 101
2.6. Выводы по главе 2 102
ГЛАВА 3. Разработка инструментария решения математической модели оперативного регулирования отпуска тепловой энергии и рекомендаций по формированию диспетчерского графика тепловых нагрузок в сцт 103
3.1. Программа « DspGraf» 104
3.2. Метод решения уравнения нестационарного теплового баланса воздуха в отапливаемом здании 106
3.3. Метод решения уравнений гидравлического режима тепловых сетей 107
3.4. Метод определения температурного режима ограждающих конструкций ПО
3.5. Общий алгоритм определения задаваемой температуры теплоносителя 113
3.6. Оценка достоверности реализации математической модели 116
3.6.1. Достоверность расчета гидравлических режимов 116
3.6.2. Достоверность моделирования теплового режима зданий 119
3.6.3. Сравнение расчетных и фактических режимов 120
3.7. Определение зависимости допустимых отклонений
температуры теплоносителя 122
3.8. Выводы по главе 3 126
ГЛАВА 4. Реализация методики формирования диспетчерского графика и оперативного регулирования отпуска тепловой энергии с учетом нестационарных процессов (на примере сцт от тепловых источников омского филиала ОАО «ТГК-11») 127
4.1. Разработка диспетчерского графика тепловых нагрузок 127
4.2. Оценка экономической эффективности работы СЦТ при формировании диспетчерского графика с учетом нестационарных процессов 128
4.3. Выводы по главе 4 141
Заключение 142
Список использованных источников
- Показатели качества теплоснабжения
- Температурный режим ограждающих конструкций
- Метод решения уравнения нестационарного теплового баланса воздуха в отапливаемом здании
- Оценка экономической эффективности работы СЦТ при формировании диспетчерского графика с учетом нестационарных процессов
Введение к работе
Актуальность исследования. Функционирующие в настоящее время системы централизованного теплоснабжения (СЦТ) крупных городов характеризуются сложностью своей конфигурации, разнородностью и переменностью тепловых нагрузок, разнообразием схем их присоединения с различной степенью автоматизации, большой протяженностью и разветвленностью тепловых сетей, инерционностью тепловых процессов, сложностью организации гидравлических режимов, низкой гидравлической устойчивостью, высоким износом оборудования и т.д.
В настоящее время в условиях непрерывного роста цен на энергоресурсы и тарифов на услуги ЖКХ возрастают экономические требования к решению вопросов энергосбережения и энергоэффективности, при этом особую актуальность приобретают проблемы неэффективного функционирования систем теплоснабжения. В условиях ограниченности финансовых средств на реконструкцию и замену оборудования приоритетными становятся беззатратные либо малозатратные мероприятия эксплуатационного характера. В частности, в данной работе показано повышение эффективности функционирования систем централизованного теплоснабжения за счет совершенствования централизованного регулирования отпуска тепловой энергии от тепловых источников при формировании диспетчерского графика тепловых нагрузок с учетом нестационарных процессов на примере крупной СЦТ г. Омска.
В отечественных СЦТ регулирование отпуска тепловой энергии предусматривается, как правило, качественное по нагрузке отопления или по совмещенной нагрузке отопления и горячего водоснабжения путем изменения температуры теплоносителя в подающих трубопроводах в зависимости от метеорологических параметров. Постоянные изменения метеорологических параметров и регулирование температуры теплоносителя в строгом соответствии с температурным графиком приводят к необходимости изменения температуры теплоносителя, тепловой нагрузки, режимов и состава основного оборудования теплового источника. Это, в свою очередь, вызывает частые изменения температурных расширений и механических напряжений в трубопроводах тепловых сетей и в оборудовании тепловых источников, увеличивает вероятность их повреждений, а также снижает надежность и экономичность. Кроме того, разработанный изначально для задач проектирования температурный график не учитывает нестационарность тепловых процессов в элементах системы теплоснабжения, а также изменение режимов потребления тепловой энергии в течение суток и недели.
В связи с недостаточной обоснованностью и четкостью имеющихся методик по формированию диспетчерского графика тепловых нагрузок систем теплоснабжения определение задаваемых параметров теплоносителя (температура, давление) и времени выдачи задания на изменение режимов, как правило, осуществляется на основе опыта и интуиции диспетчеров тепловых сетей.
Таким образом, формирование диспетчерского графика с учетом значительного числа факторов, влияющих на тепловые и гидравлические режимы СЦТ, для практического применения в управлении режимами СЦТ представляется весьма сложным, и до настоящего времени отсутствуют научно обоснованные методики задания температуры с учетом нестационарных процессов с целью поддержания комфортных условий в объектах теплоснабжения. Необходимость рассмотрения этого вопроса вызвана реальными потребностями в повышении эффективности функционирования систем теплоснабжения, что весьма актуально и требует дополнительных исследований в данном направлении.
Объект исследования. Сложные системы централизованного теплоснабжения крупных городов (на примере г. Омска).
Предмет исследования. Нестационарные тепловые и квазистационарные гидравлические режимы в системах централизованного теплоснабжения.
Цель и задачи исследования. Основной целью исследования является совершенствование методики и выработка рекомендаций по оперативному регулированию отпуска тепловой энергии от тепловых источников с учетом нестационарных процессов для улучшения эффективности работы и надежности систем централизованного теплоснабжения при обеспечении качественного теплоснабжения потребителей. Достижение поставленной цели осуществляется решением пяти основных задач:
-
Анализ функционирования крупных систем централизованного теплоснабжения (на примере г. Омска), существующих методов и рекомендаций по формированию диспетчерского графика тепловых нагрузок систем теплоснабжения;
-
Разработка математической модели, алгоритма и компьютерной программы для расчета во времени режимов функционирования сложных систем теплоснабжения с автоматизированными и неавтоматизированными системами теплопотребле- ния при нерасчетных условиях с учетом процессов нестационарной теплопередачи в ограждающих конструкциях зданий;
-
Теоретическое исследование изменения тепловых и гидравлических режимов системы теплоснабжения и параметров микроклимата в зданиях при меняющихся климатических условиях и нерасчетных параметрах теплоносителя, сопоставление теоретических и фактических данных в контрольных точках;
-
Совершенствование методики формирования диспетчерского графика тепловых нагрузок в системах теплоснабжения крупных городов и разработка рекомендаций по оперативному регулированию температурных режимов;
-
Определение влияния периодичности изменения диспетчерского графика на повреждаемость трубопроводов тепловых сетей.
Основная идея диссертации. Повышение эффективности и надежности систем централизованного теплоснабжения путем совершенствования методики формирования диспетчерского графика тепловых нагрузок с учетом нестационарных процессов.
Методологическая и теоретическая основа исследования. В основу исследований положены научные труды отечественных и зарубежных авторов в области теплоснабжения, регулирования тепловых нагрузок и обеспечения теплового режима в зданиях. Для решения поставленных задач в диссертационной работе использованы методы вычислительной математики и математического моделирования, последовательных приближений, наименьших квадратов, «увязочный» метод контурных расходов, метод «прогонки» с применением неявной конечно-разностной схемы, сравнительного анализа, объектно-ориентированного программирования, а также теории дифференциальных уравнений, гидравлических цепей, тепломассообмена и теплоустойчивости.
Информационная база исследования. В числе информационных источников диссертации использованы:
научные данные и сведения из учебников и монографий ведущих ученых и специалистов в области теплоснабжения, журнальных статей, материалов научных и практических конференций;
статистические источники, материалы разных организаций, научных фондов и научно-исследовательских институтов;
официальные документы в виде законов, законодательных и других нормативных актов, положения, доклады, проекты;
результаты собственных расчетов, проведенных теоретических и экспериментальных исследований.
На защиту выносятся:
-
-
Разработанная математическая модель режимов функционирования сложных систем теплоснабжения;
-
Обоснование возможности и необходимости формирования диспетчерского графика тепловых нагрузок с учетом нестационарности процессов в системах централизованного теплоснабжения;
-
Полученные результаты численных решений и их сопоставление с экспериментальными данными в системе теплоснабжения от тепловых источников Омского филиала ОАО «ТГК-11» в г. Омске;
-
Научно обоснованные предложения по совершенствованию методики формирования диспетчерского графика тепловых нагрузок;
-
Полученные результаты повышения эффективности системы теплоснабжения на примере Омского филиала ОАО «ТГК-11» в г. Омске.
Научная новизна исследования заключается в следующем:
-
-
-
Разработана математическая модель, алгоритмы и вычислительная программа, отличающиеся от существующих моделированием в задаваемый период времени режимов сложной системы теплоснабжения с автоматизированными и неавтоматизированными системами теплопотребления при нерасчетных условиях, и учитывающие процессы нестационарной теплопередачи в ограждающих конструкциях зданий для определения изменения параметров микроклимата;
-
Определены допустимые отклонения температуры теплоносителя в зависимости от характеристик систем теплоснабжения;
-
Определена зависимость влияния периодичности изменения диспетчерского графика на надежность трубопроводов тепловых сетей и эффективность системы теплоснабжения;
-
Разработаны рекомендации и усовершенствована методика формирования диспетчерского графика тепловых нагрузок с учетом нестационарных процессов в элементах систем централизованного теплоснабжения для повышения эффективности системы теплоснабжения.
Теоретическая значимость работы. Результаты проведенного исследования позволяют обосновать формирование диспетчерского графика тепловых нагрузок и оперативное регулирование отпуска тепловой энергии от тепловых источников с учетом характеристик систем централизованного теплоснабжения. Установленные зависимости допустимых отклонений температур теплоносителя при различных уровнях автоматизации тепловых нагрузок систем теплоснабжения представляют теоретическую основу их применения в системах автоматического регулирования.
Практическая значимость работы. По результатам исследований за счет применения усовершенствованной автором методики регулирования отпуска тепловой энергии повышена надежность эксплуатации тепловых сетей и эффективность функционирования системы централизованного теплоснабжения в целом при обеспечении качественного теплоснабжения потребителей.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных методов исследований и подтверждается сравнением результатов решений «контрольных» примеров по расчету гидравлических режимов по разработанной математической модели с решениями, полученными при помощи сертифицированных программных комплексов, сравнением результатов решений уравнений теплопередачи через ограждающие конструкции здания с применением численных методов, сравнением характера изменения расчетных и фактических данных в контрольных точках действующей системы теплоснабжения, в том числе при аварийных отключениях, а также практическим применением методики и ведением температурных режимов в системе теплоснабжения при опытной эксплуатации в Омском филиале ОАО «ТГК-11» в течение последних трех отопительных периодов.
Использование результатов диссертации. Основные результаты диссертационной работы используются в оперативно-диспетчерском управлении режимами работы тепловых сетей с заданием температурных режимов согласно усовершенствованной методике формирования температурного задания диспетчерского графика тепловых нагрузок с учетом нестационарных процессов в структурном подразделении «Тепловые сети» Омского филиала ОАО «ТГК-11» и муниципальном предприятии (МП) «Тепловая компания» г. Омска. Результаты исследований могут быть использованы в других ТГК и организациях, эксплуатирующих системы теплоснабжения, а также в проектных и научно-исследовательских организациях, в ВУЗах при подготовке специалистов по направлению «Теплоэнергетика». Примененные алгоритмы могут служить основой для разработки новых функциональных модулей существующих программных комплексов, предназначенных для расчета тепловых и гидравлических режимов.
Личный вклад автора состоит в определении цели и постановке задач для ее достижения, анализе информационных источников, формировании математической модели, алгоритмов и компьютерной программы для расчета режимов СЦТ с автоматизированными и неавтоматизированными системами теплопотребления, обработке и интерпретации полученных результатов, сопоставлении расчетных и фактических данных, установлении зависимости допустимых отклонений температуры теплоносителя при различных характеристиках СЦТ, а также в разработке рекомендаций и совершенствовании методики формирования диспетчерского графика тепловых нагрузок для оперативного управления режимами систем теплоснабжения.
Апробация результатов исследования. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных и научно- практических конференциях: Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Молодые исследователи - регионам» (Вологда, апрель 2007 г.); Итоговой конференции XV Конкурса научно-технических разработок по проблемам топливно-энергетического комплекса (Москва, февраль - март 2007 г.); Международной научно-практической конференции «Разработка и внедрение ресурсо- и энергосберегающих технологий и устройств» (Пенза, апрель 2010 г.); V Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, апрель 2010 г.); II Всероссийской научной конференции «Научное творчество XXI века» (Красноярск, март 2010 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем «Энерго - 2010» (Москва, июнь 2010 г.); Международной научно- практической конференции «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития '2010» (Одесса, октябрь 2010 г.); Международной научно-практической конференции «Проблемы, перспективы и стратегические инициативы развития теплоэнергетического комплекса» (Омск, июнь 2011 г.); VI Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности энергетического оборудования» (Иваново, декабрь 2011 г.); XXIV International Scientific and Practical Conference and the I Stage of Research Analytics Championship in the physical, mathematical and technical sciences (London, May, 2012), II Научно- практической конференции Группы «ИНТЕР РАО ЕЭС» (Москва, ноябрь 2012 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе две работы - в ведущих рецензируемых изданиях по перечню ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, трех приложений и содержит 167 страниц машинописного текста, в том числе 156 страниц основного текста и 11 страниц приложений, 44 рисунка, 20 таблиц, список использованных источников из 148 наименований.
Показатели качества теплоснабжения
За последние годы увеличение степени автоматизации в среднем составляет 0,8 - 1,3% в год. Причем основная доля приходится на новые строительные объекты. Существующие системы теплопотребления автоматизируются весьма слабо, так как в связи с переходом на рыночные отношения в системе теплоснабжения [91] финансирование работ по реконструкции инженерных систем, в том числе и систем отопления, осуществляется за счет собственников зданий и помещений. Автоматизация жилых домов сопровождается социальными трудностями, связанными с отсутствием финансирования затрат. Даже проводимые работы согласно Федеральному закону Российской Федерации от 21 июля 2007 года №185-ФЗ «О Фонде содействия реформированию жилищно-коммунального хозяйства» не всегда предполагают автоматизацию тепловых узлов и систем теплопотребления. Поэтому в ближайшие годы коренного изменения ситуации не ожидается, хотя «Энергетическая стратегия России на период до 2030 года» предполагает широкое внедрение автоматизированных систем теплопотребления [88]. Так как системы теплопотребления присоединяются к одному тепловому источнику через общие тепловые сети, то автоматизация одних систем теплопотребления оказывает значительное влияние на гидравлические режимы работы других (неавтоматизированных) систем теплопотребления, особенно с низкой гидравлической устойчивостью, и режимы СЦТ в целом.
На рис. 1.4. приведена номограмма, показывающая изменение (в процентах) циркуляционного расхода теплоносителя на отопление при разных отклонениях (от -20 до +20 С с интервалом в 5 С) температуры теплоносителя dt от температуры теплоносителя согласно графику качественного регулирования 150-70 С в зависимости от температуры наружного воздуха, построенная из условий обеспечения требуемого количества тепловой энергии по следующей формуле:
Номограмма изменения расхода теплоносителя на отопление при различных отклонениях dt температуры теплоносителя от температуры по графику где tj, t2 - температуры теплоносителя соответственно в подающем и обратном трубопроводах согласно графику качественного регулирования, С; dt - отклонение температуры теплоносителя в подающем трубопроводе от температуры теплоносителя в подающем трубопроводе согласно графику качественного регулирования, С.
В отечественных системах теплоснабжения при центральном регулировании отпуска тепловой энергии исторически был принят качественный метод. При формировании диспетчерского графика по температуре теплоносителя необходимо учитывать еще один немаловажный фактор - состояние тепловых сетей, которое за последние 10-15 лет значительно ухудшилось и на современном этапе развития теплоснабжения, как отмечено в Национальном докладе «Теплоснабжение Российской Федерации. Пути выхода из кризиса», именно тепловые сети являются самым «уязвимым» звеном [128]. В последнее время все чаще появляются в открытой печати и СМИ информация о надежности тепловых сетей [49, 65, 82]. Практически повсеместно специалистами отмечается значительное снижение объемов замены трубопроводов, и как следствие, снижение надежности. Так при необходимом объеме 4%, а с учетом недоремонта в 90-е годы прошлого века, 8-10%, ежегодно проводится замена 1,0-1,5 (до 2)% трубопроводов, что приводит к их естественному старению. Сроки эксплуатации некоторых магистральных трубопроводов приближаются к 40 и более годам при нормативном сроке 25 лет. В эксплуатации находятся 26-30% трубопроводов со сроком эксплуатации, превышающим нормативный ресурс. В целом по системам теплоснабжения в России около 50 процентов объектов коммунального теплоснабжения и инженерных сетей требуют замены, при этом около 15 процентов находятся в аварийном состоянии.
В частности, на рис. 1.5. приведены данные о сроке эксплуатации трубопроводов в Омском филиале ОАО «ТГК-11» по состоянию на 2007 год и 2012 год, которые показывают увеличение доли трубопроводов, находящихся в эксплуатации свыше 25 лет с 21 до 29%). 14% 2007 год
Структура распределения протяженности трубопроводов тепловых сетей по фактическому сроку эксплуатации в Омском филиале ОАО «ТГК-11»
На рис. 1.6. приведена динамика изменения среднего срока эксплуатации трубопроводов по годам (с 2000 года), которая показывает интенсивное его увеличение с 2007 года. Следствием этого является снижение надежности теплоснабжения. На снижение долговечности трубопроводов тепловых сетей, которая в среднем составляет 12-15 лет, сказывается низкое качество строительно-монтажных и ремонтных работ, а также низкий уровень эксплуатации и проведение аварийно-восстановительных работ в неблагоприятных метеоусловиях в сжатые сроки и зачастую с нарушением технологии, особенно на подземных трубопроводах. На каждые 100 километров тепловых сетей ежегодно регистрируется в среднем более 70 повреждений. [82, 105]
Динамика изменения среднего срока эксплуатации трубопроводов тепловых сетей в Омском филиале ОАО «ТГК-11» Данная ситуация, естественно, создает риски. На замену и проведение капитальных ремонтов требуется колоссальные затраты, сопоставимые с бюджетом населенного пункта.
По данным статистических наблюдений и анализа повреждаемости трубопроводов систем теплоснабжения г. Омска, проведенного автором, и другими специалистами, основные повреждения в отопительный период приходятся именно на период изменения (повышения или понижения) температуры теплоносителя из-за возникновения знакопеременных механических напряжений в трубопроводах [47]. Особенно крупные повреждения происходят при значительном понижении температуры наружного воздуха и соответствующем повышении температуры теплоносителя. На рис. 1.7 приведена диаграмма распределения повреждаемости трубопроводов тепловых сетей Омского филиала ОАО «ТГК-11» по характеру изменения температуры теплоносителя в отопительные периоды с 2007 по 2012 годы.
Температурный режим ограждающих конструкций
В предыдущей главе была рассмотрена и сформирована математическая модель режимов сложных систем теплоснабжения с автоматизированными и неавтоматизированными системами теплопотребления при нерасчетных условиях с учетом процессов нестационарной теплопередачи в ограждающих конструкциях зданий, а также основные принципы оперативного регулирования отпуска тепловой энергии от тепловых источников централизованного теплоснабжения с учетом нестационарных процессов.
Для практической реализации разработанной математической модели и методики, учитывая сложность реальных систем теплоснабжения, необходимо программное обеспечение для расчета динамических тепловых и гидравлических режимов сложных систем теплоснабжения.
Автором был проведен анализ функциональных возможностей существующего программного обеспечения по расчету тепловых и гидравлических режимов, представленного на рынке программных продуктов, на предмет возможности его применения для проведения исследования динамических режимов работы системы теплоснабжения: ГИС «Zulu Thermo» (Политерм, г. Санкт-Петербург) [http://www.politerm.com.ru], ИГС «CityCom» (ИВЦ «ПОТОК», г. Москва) [http://www.citycom.ru], АИС «СКФ-ТС» (НТЦ «Теплоснабжение», г.Омск) и усовершенстованная более ранняя версия «СКФ-99» v.7.3 [6], ГИРК «Теплоэксперт» (НИИ «Теплотэкс», г. Иваново) [http://www.teploexpert.ru], Программа «Гидравлика» (ПВФ «ДИАС», г. Екатеринбург) [http://www.dias.ru]. Анализ показал, что во всех известных широко распространенных имеющихся программных обеспечениях функция расчета динамического режима, а также расчета гидравлических систем тепло снабжения с частичной автоматизацией систем теплопотребления при нерасчетных условиях {Ті Ф Т1Р, Тнвф ТНВР) отсутствует. Данные системы позволяют решать задачи потокораспределения по определению расчетных (наладочных) режимов работы тепловых сетей, а также при изменении топологии схемы в стационарном режиме.
В целях проведения расчетов режимов теплоснабжения и отклонения тепловых и гидравлических режимов выполнены с использованием специально разработанного автором программного обеспечения, алгоритмы которого реализованы в программе «Диспетчерский график (DspGraf)». Данная программа написана на языке программирования Object Pascal в среде программирования Borland Delphi с применением СУБД Paradox. Один из фрагментов листинга программы приведен в приложении 1.
По приведенной в главе 2 математической модели разработана компьютерная программа по расчету оперативных режимов работы тепловых сетей и заданию диспетчерского графика тепловых нагрузок. В основе графического отображения принято структурное построение программного обеспечения «СКФ-99» [6].
В программе основным объектом является принципиальная схема СЦТ. Ее создание, модификация и управление осуществляются во встроенном графическом редакторе. Результаты действий пользователя отображаются в базе данных. Графический интерфейс существенно ускоряет и упрощает работу с системой, дает наглядность и возможность оперировать пользователю объектами предметной области.
Принципиальная схема, состоящая из элементов (трубы, задвижки, насосы, тепловые нагрузки потребителей и т.д.) со своими характеристиками, хранится в базе данных, что позволяет исключить повторный ввод при новой загрузке программы и выборе схемы.
На рис. 3.1. показан общий вид программы, а также формы по характеристикам участка одного из участков и одного из потребителя. Потребители характеризуются тепловыми нагрузками по видам (отопление, вентиляция, горячее водоснабжение), схемами присоединения систем горячего водоснабжения (открытая, параллельная, смешанная, последовательная) и признаком наличия автоматизации отопительно-вентиляционных систем и систем ГВС.
айл грооютр И—— Редактор »—HJ— Расчет Отмвка 2-2 гз
1} I 2Г Ит 1 1101 її» »с1а»іііойіектдаареад,ііеШИіаі Рис. 3.1. Общий вид программы
Для последующего выполнения теплогидравлических расчетов в пользовательской форме задаются кусочно-непрерывные функции температур наружного воздуха tHB(x) и теплоносителя ti(x).
На рис. 3.2. показана пользовательская форма разработанной программы с примером задания температуры теплоносителя на последующие сутки. В данной форме задаются фактические температуры наружного воздуха за предыдущий (сутки Х-1) и текущий (сутки X) периоды, а также прогнозные температуры наружного воздуха на следующий период регулирования (сутки Х+1 и Х+2) . На основе данных температур определяется задание по температуре на период регулирования, а также предусмотрена корректировка задания, которая вводится по внешней инициативе либо при значительном от 105 клонений фактических температур от прогнозных. После проведения расчетов и определения динамики изменения температуры внутри помещений, в случае их изменений в допустимых пределах, полученный результат задания температуры теплоносителя является заданием на период регулирования.
Метод решения уравнения нестационарного теплового баланса воздуха в отапливаемом здании
Достоверность моделирования теплового режима зданий Сравнение решения процесса теплопередачи через стенку ограждающей конструкции по известной модели в MathCad и по разработанной программе при одинаковых исходных данных при различных функциях изменения температуры наружного воздуха показывает достаточно точное совпадение (графики приведены на рис. 3.9).
На рис. 3.10. представлено сравнение расчетных и фактических располагаемых напоров в одной из контрольных точек на тепломагистрали «Северный луч» от ТЭЦ-5 (насосная станция ПНС-9). Фактические располагаемые напоры определены по установленным регистраторам давления на подающем и обратном трубопроводах. ? 30 20
Достоверность модели также подтверждается контрольными наблюдениями за изменением температуры воздуха внутри помещений объектов во время ограничения их теплоснабжения и отключения отопительной нагрузки при устранении аварийных повреждений, которые происходили в течение отопительных периодов.
В частности, на рис. 3.11. представлены сравнительные результаты изменения внутренней температуры в здании по адресу: г. Омск, ул. Магистральная, 31 при отключении 29.01.2012 с 09-00 до 21-30 ч. Температура наружного воздуха tHB=-22C с повышением до -16С в период с 12-00 до 21-00 ч.. На графике линией 1 показаны фактическая температура воздуха внутри помещений. Расчетные данные иллюстрируются линией 2 при отсутствии поступления тепловой энергии от системы отопления (QOT= 0). Для сравнения линией 3 показаны также результаты расчета по действующей методике Е.Я. Соколова по оценке снижения температуры при отключении отопления, рассчитанные по формуле (1.12) главы 1.
Как видно, рассчитанные по программе и фактические данные достаточно хорошо совпадают по характеру изменения внутренней температуры. Расчет изменения внутренней температуры также подтверждается фактическими данными с других объектов при отключениях.
Таким образом, достоверность полученных результатов подтверждается сравнением результатов «контрольных» примеров по расчету гидравлических режимов по разработанной математической модели с решениями, полученными при помощи сертифицированных программных комплексов, решениями уравнений теплопередачи через ограждающие конструкции здания с применением численных методов, сравнением характера изменения расчетных и фактических данных в контрольных точках действующей системы теплоснабжения, а также практическим апробированием применения методики и ведения температурных режимов в системе теплоснабжения при опытной эксплуатации в Омском филиале ОАО «ТГК-11» в течение трех отопительных периодов.
Сравнительный анализ показывает хорошую сходимость полученных данных, поэтому математическая модель и методы ее решения имеют высокую достоверность и могут быть использованы для дальнейших расчетов диспетчерского графика тепловых нагрузок.
В качестве примера на рис. 3.12. представлены результаты расчетов гидравлических (располагаемого напора на неавтоматизированных системах) (а) и тепловых (температуры внутреннего воздуха) (б) режимов для трех вариантов изменения функций температур теплоносителя при одинаковом изменении температуры наружного воздуха.
В результате проведенных многочисленных расчетов при различных функциях изменения температур наружного воздуха и теплоносителя определены зависимости допустимых отклонений температуры теплоносителя при различных степенях автоматизации (применительно к структуре тепловых нагрузок Омского филиала ОАО «ТГК-11»), представленные нарис. 3.13.
Зависимость допустимых отклонений температуры теплоносителя при разных степенях автоматизации (для структуры тепловых нагрузок ОФ ОАО «ТГК-11»)
По результатам расчетов выработаны следующие рекомендации по ведению температурного режима (диспетчерского графика) с учетом нестационарных процессов: 1) Разработку диспетчерского графика и централизованное регулирование отпуска тепла проводить с учетом динамических характеристик системы теплоснабжения. 2) Базовый период планирования 72-96 часов при умеренных изменениях температуры наружного воздуха (до 10 С), при этом в первую половину периода (прошедшие и текущие сутки) принимаются фактические температуры наружного воздуха и теплоносителя, а во вторую (следующие и последующие) - прогнозные на основании прогноза погоды. 3) При резких изменениях температуры наружного воздуха предусмотреть возможность корректировки температуры теплоносителя.
Кроме непосредственно рекомендаций по оперативному ведению температурных режимов, анализ полученных режимов по результатам расчетов позволяет также сформировать предложения по совершенствованию режимов и схемы СЦТ: 1) При низкой гидравлической устойчивости (ку 0,3) в целях исключения значительного «недогрева» либо «перегрева» потребителей следует синхронизировать изменение температурного режима теплового источника с графиком потребления тепловой энергии (вентиляция, ГВС). 2) При высокой степени автоматизации и низкой устойчивости следует температурный режим вести как можно ближе к температурному графику. 3) В целях исключения неудовлетворительных гидравлических режимов и некачественного теплоснабжения, необходимо повышать гидравлическую устойчивость путем: перераспределения тепловых нагрузок между тепловыми источниками и оптимизации распределения потоков по тепломагистралям в кольцевых схемах; строительства и реконструкции тепловых сетей с увеличением диаметров трубопроводов; строительства дополнительных перемычек между тепломагистралями, одновременно создавая резервируемость; строительства дополнительных и реконструкции существующих насосных станций; организации регулирования давления и расходов в узловых точках; повышения располагаемых напоров на тепловых источниках.
Оценка экономической эффективности работы СЦТ при формировании диспетчерского графика с учетом нестационарных процессов
При переходе на регулирование со «сглаживанием» температуры одновременно снижается вероятность повреждаемости тепловых сетей (рис. 1.7 главы 1_)._Оценка эффекта проводится для трубопроводов средним диаметром 630 мм (на примере тепловых сетей Омского филиала ОАО «ТГК-11») для условий отопительного периода.
Экономический ущерб (U) от технологического нарушения может быть представлен в виде суммы составляющих по следующей формуле: U=ZUl+WSBo3+UnPi (4.8) где Ui - затраты на ведение ремонтных работ, руб; U2 - безвозвратные потери средств производства, руб; Ui - потери от нарушения технологических параметров, руб; U4 - пусковые затраты на топливо, руб; U5 - затраты на возмещение экологического ущерба, руб; U6 - затраты на возмещение социального ущерба, руб; U7 - затраты на возмещение убытков потребителям, руб; Us - потери на балансирующем рынке по собственной инициативе, руб; IJ9 - потери от частичной неоплаты установленной мощности электростанции, руб; Uup - прочие расходы, руб; W - упущенная выгода от недовыработки энергии, руб SBO3 - возвратные суммы, руб 4.1. Затраты на ведение ремонтных работ Uj =SP+ SM + STP + SH + SnP, (4.9) где / - стоимость ремонтных работ: строительных и монтажных работ, включая стоимость демонтажа, руб SM - стоимость запасных частей и материалов для производства ремонтно-восстановительных работ, в том числе выполненных хозспособом, руб STP - транспортные расходы, руб SH - стоимость наладочных работ (определяется затратами на выполнение работ по проведению испытаний и наладки оборудования, доведению технологического процесса до номинального режима), руб Snp - прочие затраты, связанные с проведением ремонтных работ, руб
Согласно статистическим данным по устранениям повреждений средняя стоимость оценивается в размере: Ui=50 тыс.руб. 4.2. Безвозвратные потери U2= ZSorSBM+Sn, (4.10) где Sor -остаточная балансовая стоимость і-го неподлежащего восстановлению оборудования, руб SBM - стоимость возвратного материала ( металлолом и прочее ( вторичное использование) - определяется по рыночной цене, руб. Snp - прочие потери, включая затраты на ликвидацию и локализацию технологического нарушения, тушение пожара, проведение спасательных работ, руб. U2 0 тыс.руб. 4.3. Потери от ухудшения технологических параметров определяются ухудшением ТЭП теплового источника. и3=ЛВ-сТ, (4.11) где ЛВ - увеличение расхода топлива при выработке электроэнергии по конденсационному циклу, тут; ст - стоимость топлива (CT=1800 руб/тут).
При отключении тепловой нагрузки снижается выработка электроэнергии на тепловом потреблении, которая должна быть скомпенсирована допол 135 нительной выработкой в конденсационном режиме. Дополнительные затраты топлива определяются по формуле:
Упущенная выгода от недовыработки электроэнергии условно принимается W= 0. 4.13. Возвратные суммы принимаются условно принимаются Бвоз = 0. Определение потерь сетевой воды при повреждениях трубопроводов тепловых сетей Утечка сетевой воды через повреждение или сбросное устройство определяется по формуле: Gy = 0.36pjuFJ2gAH 1(Г3 Пу (4.18) где F - площадь отверстия/свища, сбросного устройства/, через которое произошла утечка сетевой воды, см2; р - плотность сетевой воды, кг/м3 см. табл. 1 ju - коэффициент утечки сетевой воды (приниматся равным 1,0) D - диаметр отверстия/свища, сбросного устройства, см; АН- потеря напора, м.вод.ст. Ризб - избыточное давление трубопровода, в котором произошла утечка, кгс/см2; пу — количество часов, в течение которых происходила утечка (условно принимается пу =24 ч). Gy= 0.36-960-1 0.196V2-9.8-80-КГ3 =2,6-24 = 62.4 Объем сбрасываемого теплоносителя при опорожнении трубопровода VTP=1L- -L, (4.19) где і - количество разных по материальным характеристикам участков; Di - диаметр г -го участка, м; Ы - протяженность і-го участка, м; = 1 -500 = 146 м3 Количество потерянной теплоты с утечкой определяется по формуле: Qy =(Gy +VTP)-(tTx)-\0-3 (4.20) где tT - температура теплоносителя, С tx- температура холодной воды, С Qy =(62.4 +146)-(90-5)-Ю-3 =17.7Гкал 138 Суммарная стоимость потерь сетевой воды с утечкой при повреждении: SncB = (Gy + VTP)p -lO-3T+Qy- TQ (4.21) SnCB = (62.4+ 146)-960-10-3-14.6+ 17.7-710 = 15.5 тыс.руб. Суммарный экономический ущерб : /=941,15 тыс.руб. 5. Негативное воздействие на окружающую среду При снижении расхода топлива соответствующим образом снижаются выбросы вредных веществ в атмосферу и золошлаковые отходы (при сжигании угля).
В частности, в пп.1-3 определено снижение расхода топлива на величину Д=3978,1+283,2+672,8=4934,1 тут.
Принимая зольность Экибастузского угля в размере 40% происходит образование золошлаковых отходов в количестве 0,4-4934,1=1,974 тыс.т. Принимая выброс вредных веществ в атмосферу 0,010 т/т снижение выбросов составит 0,010-4934,1=49,341 т. При стоимости размещения отходов 28,72 руб/т и платы за выбросы вредных веществ 54,5 руб/т снижение затрат составит: 1974-28,72=49,341 -54,5=59,4 тыс.руб.
Проводя аналогичные соответствующие расчеты для других тепловых источников Омского филиала ОАО «ТГК-11» в течение отопительного периода с учетом доли ТЭЦ-5 в отпуске тепловой энергии 40%, получим следующую структуру снижения затрат для Омского филиала ОАО «ТГК-11», приведенная в таблице 4.5.
Похожие диссертации на Повышение эффективности систем централизованного теплоснабжения при формировании диспетчерского графика тепловых нагрузок с учетом нестационарных процессов
-
-
-
