Введение
Большая часть тепловой энергии, получаемой при сжигании топлива, вырабатывается, передается и распределяется системами централизованного теплоснабжения (СЦТ). Централизованное теплоснабжение обладает более высокой экономичностью, чем автономное, оказывает меньшее вредное воздействие на экологию городов и является одним из наиболее эффективных мероприятий по экономии топлива и эксплуатационных затрат. Тем не менее, энергосбережение является одной из ключевых задач современной.экономической реформы России в области теплоснабжения.
Опыт эксплуатации СЦТ в России показал, что не все их преимущества используются потребителями тепловой энергии. Под воздействием случайных климатических возмущений абоненты-жители часто испытывают тепловой дискомфорт и перебои с подачей горячей воды. К числу одной из основных причин такой низкой эффективности и экономичности многих СЦТ можно отнести практически полное отсутствие современных средств автоматизации регулирования и распределения теплоносителей в тепловых пунктах (ТП). Существующие системы автоматизации ТП рассчитываются только на максимальные расходы во взаимосвязанных системах горячего водоснабжения (ГВС) и отопления, что не позволяет рационально использовать тепловую энергию в других режимах. Вследствие этого работа систем отопления, вентиляции, ГВС очень редко удовлетворяет параметрам, установленным СНиПами и санитарными нормами.
Сами средства автоматизации также не способны обеспечить постоянное поддержание требуемых параметров. Например, как показано в нашей работе, применяемое в настоящее время регулирование нагрузки горячего водоснабжения только по температуре горячей воды вызывает нарушения работы системы отопления и завышенную температуру обратной воды в тепловой сети. Поддержание постоянного расхода воды из сети для системы отопления вызывает значительные нарушения отопления в довольно типичных условиях работы
6
СЦТ: при верхней срезке температурного графика x\(tu) при длительном стоянии низких наружных температур.
Стремление сократить расход воды в тепловой сети привело к появлению новых схем присоединения нагрузок горячего водоснабжения в тепловых пунктах и новых методов регулирования отпуска тепла. Это значительно усложнило тепловые и гидравлические режимы теплофикационных систем. В настоящее время наиболее часто в тепловых пунктах применяется двухступенчатая смешанная схема присоединения подогревателей горячего водоснабжения при ограничении расхода сетевой воды. Достоинством схемы является уменьшение расчетных расходов сетевой воды и отсутствие перетопов в.переходный период отопительного сезона. Однако для этой схемы ТП в научной литературе отсутствовали методики расчета, что делало невозможным оптимальное управление режимами ТП и не позволяло использовать преимущества этой схемы вследствие жесткой взаимосвязи между нагрузками отопления и горячего водоснабжения, имеющими различные режимы работы.
Настоящая работа посвящена: а) совершенствованию существующих методов расчета тепловых и гидравлических режимов тепловых пунктов; б) разработке методики расчета переменных режимов ТП с двухступенчатой смешанной схемой присоединения подогревателей ГВС при ограничении расхода сетевой воды; в) разработке компьютерной программы расчета и проектирования СЦТ; г) компьютеризации управления системами централизованного теплоснабжения на этапах подготовки кадров в вузах и проектирования. Это позволит обеспечить регулирование ранее не управляемых параметров теплоносителей, в том числе при различных нарушениях режимов в источниках теплоты, в тепловых сетях и в тепловых пунктах.
Технический прогресс в области гидравлических и тепловых режимов систем теплоснабжения тесно связан с проводимыми теоретическими и экспериментальными исследованиями. Методы регулирования гидравлических и тепловых режимов освещены в ряде работ д.т.н. Е.Я. Соколова [11, 114, 115,116, 117, 119, 120, 121, 122, 123 и др.], д.т.н. Н.М. Зингера
7 [25,26,27,30, 31,34,35, 36, 37,38, 39,40,41,42,43,44,45,121 и др.], к.т.н. А.Н. Мелентье-
ва [60], д.т.н. Л.Г. Скрицкого [109], к.т.н. И.В. Дмитриева [21], к.т.н. В.П. Вертинского [12], к.т.н. С.Д. Содномовой [113], к.т.н. Г.В. Монахова [64], к.т.н. В.П. Кононова [47], к.т.н. А.А. Кошелева [51], к.т.н. Б.И. Свинухова [105]. Расчетные и экспериментальные исследования абонентских вводов при различных системах теплоснабжения, а также обобщение опыта их проектирования и эксплуатации выполнены к.т.н. Н.К. Громовым [13, 16, 17, 18, 19], к.т.н. М.Л. Заксом [24], к.т.н. М.С. Закатовой [23, 120], к.т.н. Ц. Цэдэндамбой [139], к.т.н. Г.А. По-бегаевой [74], к.т.н. М. Бэхтором [10], к.т.н. Ф.В. Сенковым [106]. Значительным достижением в разработке методов тепловых расчетов явилось предложенное д.т.н., проф. Е.Я. Соколовым уравнение характеристики теплообменных аппаратов, на основе которого в настоящее время производится расчет переменных режимов систем теплоснабжения. Анализ методов расчета различных авторов показал, что предложенный Е.Я. Соколовым расчет режимов теплообменных аппаратов методом линейных характеристик позволяет с достаточно высокой точностью определять производительность теплообменников в широком диапазоне их работы, однако требуется дальнейшее уточнение их режимов, применительно к конкретным условиям и в различных критических ситуациях. Необходимость совершенствования расчетов режимов тепловых пунктов неоднократно отмечалось в работах В.И. Ливчака с сотр. [2, 53, 54, 55, 56, 57, 76].
Большое значение в разработке систем и приборов авторегулирования имеют работы А.П. Сафонова [103], д.т.н. С.А. Чистовича [1, 137, 138], B.C. Фаликова [132, 133, 134, 138], В.П. Витальева [133, 134, 13], к.т.н. В.П. Назарова [65]. Современные методы физического и математического моделирования при оптимизации управления в системах теплоснабжения рассмотрены в работе д.т.н. И.М. Михайленко [63].
Особенностями некоторых существующих расчетных методик является то, что суммарный расход воды на ввод и на подогреватель горячего водоснабжения определяется только из гидравлического расчета, что может вызвать нарушения совместной работы систем
8
ГВС и отопления при нарушениях теплоснабжения. Как показало выполненное нами исследование, необходимо сначала произвести тепловой расчет и выбрать рациональный режим их совместной работы, а затем на этот режим настроить систему регулирования, для чего производится гидравлический расчет по данным теплового расчета.
Проводившиеся исследования вместе с тем показали, что методы ручного расчета гидравлических и тепловых режимов оказываются недостаточными для решения многочисленных практических задач, возникающих в результате усложнения схем тепловых сетей при разнородной тепловой нагрузке.
Анализ актуальности проблемы управления тепловыми гидравлическими режимами теплоносителей в системах теплоснабжения; способов центрального и местного регулирования тепловых нагрузок, существующих схем тепловых пунктов и схем их автоматизации; научно-методической литературы и способов расчета режимов тепловых пунктов, диспетчерских и информационных систем и программ, управляющих работой СЦТ, позволил сформулировать в первой главе основные задачи исследования, основными целями которого являются повышение надёжности, эффективности и качества теплоснабжения за счет оптимизации проектирования и наладки систем централизованного теплоснабжения компьютерными средствами.
Во второй главе представлена математическая модель, методика расчета и результаты моделирования режимов работы в критических условиях теплового пункта с двухступенчатой смешанной схемой присоединения подогревателей горячего водоснабжения при ограничении расхода сетевой воды.
В третьей главе представлено описание разработанной нами программы для ЭВМ, позволяющей моделировать работу тепловых пунктов в разных режимах по предложенной во второй главе методике и производить основные расчёты, выполняемые при проектировании и эксплуатации систем теплоснабжения.
Применение разрабатываемого программного обеспечения, современных средств и систем управления не будет эффективным при существующей недостаточно высокой ком-
9
пьютерной грамотности обслуживающего персонала. Поэтому в четвертой главе приводится
обоснование развития системы информатизации образования; рассматривается специфика информатизации образования в теплотехнике и теплоэнергетике, дается оценка возможности применения разработанных программ в системе дистанционного образования и в системе подготовки и переподготовки инженерно-технических и педагогических кадров.
Автор надеется, что использование разработанной методики расчета режимов тепловых пунктов и компьютерной программы расчета систем теплоснабжения позволит создавать при помощи программируемых регуляторов оптимальные тепловые и гидравлические режимы тепловых пунктов без перерасхода тепловой энергии и уменьшит возможность возникновения критических ситуаций в теплоснабжении городов.
Работа выполнена на кафедре «Теплогазоснабжения и вентиляции» Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета.
Автор выражает благодарность за помощь в подготовке диссертации научному руководителю д.т.н., профессору кафедры ТГиВ НГАСУ А. С. Басину и сотрудникам кафедры; Институту теплофизики СО РАН; Научно-исследовательскому проектно-строительному предприятию «Рекон» и ведущей организации.
Глава 1
ОБЗОР ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕПЛОВЫХ И ГИДРАВЛИЧЕСКИХ
РЕЖИМОВ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
1.1. Актуальность проблемы управления тепловыми и гидравлическими режимами теплоносителей в системах теплоснабжения
Проблемы управления системами централизованного теплоснабжения охватывают широкий комплекс взаимосвязанных вопросов, касающихся развития систем, их расчёта, оптимального проектирования, определения экономической эффективности систем, их надёжности и управления режимами работы в процессе эксплуатации.
Тепловые нагрузки на отопление Qo, вентиляцию Qv, горячее водоснабжение Qh изменяются по различным суточным и сезонным графикам и требуют различных параметров теплоносителя. Расчётный расход сетевой воды Gj зависит от схем присоединения теплопотреб-ляющих установок к тепловой сети и методов регулирования отпуска теплоты.
Существует несколько ступеней регулирования.
1) Центральное регулирование осуществляется на источнике теплоты, путем изменения температуры и расхода сетевой воды по температурным графикам Ti(fH), Gc?tn,Qm,Qh) качественного, количественного или качественно-количественного регулирования.
2) Групповое регулирование производится 1) в центральных тепловых пунктах (ЦТП), здесь установлено основное оборудование для подготовки воды для систем отопления, вентиляции, горячего водоснабжения на группу зданий (жилой квартал, микрорайон) или 2) в контрольно-распределительных пунктах (КРП), где происходит разделение гидрав-
и
лического режима магистральных и квартальных сетей. При сложном рельефе местности устанавливаются насосные станции для поддержания допустимого давления в трубопроводах тепловых сетей.
3) Местное регулирование осуществляется в местных или индивидуальных тепловых пунктах (МТП или ИТП) для систем теплопотребления одного здания. При этом в тепловом пункте устанавливается необходимое оборудование (в зависимости от наличия или отсутствия ЦТП) и при необходимости оборудование для пофасадного регулирования отопительных систем.
Средствами группового и местного регулирования являются схемы тепловых пунктов (схемы присоединения подогревателей горячего водоснабжения и отопления) и средства автоматизации.
4) Индивидуальное регулирование теплоотдачи отопительных приборов в помещениях возможно при наличии отопительных регуляторов на подводке к каждому прибо-
РУ-
В Национальном докладе «Теплоснабжение Российской Федерации. Пути выхода из
кризиса» [67] отмечается неизбежность оплаты населением 100 % коммунальных услуг. В то же время работа систем отопления, вентиляции горячего водоснабжения очень редко удовлетворяет параметрам, установленным ГОСТами, СНиПами и санитарными нормами. Существующие системы автоматизации тепловых пунктов рассчитываются только на максимальные расходы во взаимосвязанных системах ГВС и отопления, что не позволяет рационально использовать тепловую энергию в других режимах, снизить её расходы и оплату за неё.
В Концепции РАО «ЕЭС России» [50], отмечаются важнейшие условия структурной перестройки систем транспорта и распределения тепла в крупных системах централизованного теплоснабжения:
• переход от жестко связанных с системами абонентов методов центрального регулирования (когда режимы абонентских установок во многом зависят от режимов работы источников тепла и тепловых сетей) к более свободному регулированию;
12
• переход от качественного регулирования отпуска тепла, которое используется в
большинстве систем теплоснабжения (при отсутствии автоматизации ТП наблюдаются не-догревы в холода и перетопы при высоких наружных температурах при параллельной схеме подключения подогревателей ГВС), к более глубокому количественно-качественному регулированию, для чего необходимо организовать контроль и учет расходов теплоносителя, и их регулирование у конечных потребителей (абонентов);
• необходимость автоматизации тепловых вводов потребителей;
• необходимость создания при предприятиях централизованного теплоснабжения сети малых сервисных предприятий по автоматизации и наладке систем теплопотребления и по организации коммерческого учета теплоносителя и тепловой энергии;
• необходимость прогнозирования теплопотребления и оптимизации режимов отпуска тепла на источниках.
Следует заметить, что помимо таких энергосберегающих технологий, как оснащение тепловых сетей контрольно-измерительной аппаратурой и теплосчетчиками [131], необходимо также:
• определение оптимальных режимов работы в условиях диспетчеризации и автоматизации управления;
• осуществление на крупных ЦТП задач регулирования режимов систем теплопотребления [72].
В [7, 67] отмечается, что уровень технической грамотности кадров в системе муниципального теплоснабжения чрезвьиайно низок. Вьшускники вузов и специалисты городского хозяйства имеют недостаточно полное представление о системах теплообеспечения, что является одной из причин неблагоприятных последствий и чрезвычайных ситуаций в системах теплоснабжения. Поэтому проблемы энергосбережения, качества и надежности теплообеспечения и особенно надежности управления, требуют изучения в вузах, а также специальных научных исследований для построения эффективных компьютеризованных систем управления системами централизованного теплоснабжения и теплообеспечения [7].
1.2. Центральное регулирование тепловой нагрузки
Необходимость энергосбережения и повышения эффективности расхода тепла в системах централизованного теплоснабжения связана с выбором мест или ступеней регулирования и количества этих ступеней. В зависимости от места регулирование расхода тепла подразделяется на центральное (в ТЭЦ, котельных), групповое (в ЦТП), местное (в ИТП) позон-ное (на отдельную зону по высоте или фасад здания) и индивидуальное (в отапливаемых помещениях у отопительных приборов). Все перечисленные ступени регулирования составляло ¦ __,
ют основу комплексной автоматизированной информационной системы управления (АИСУ) отпуском тепла потребителям города.
Рациональное использование энергии всегда являлось актуальной задачей. Но это не часто удается, особенно при нерасчетных и переходных процессах. Переменные режимы те-пловых сетей почти совсем не освещены в современной технической литературе [102].
На отопление жилых зданий расходуется огромное количество топлива. Поэтому уменьшение расхода тепла на отопление (без ухудшения его качества) является одной из главных задач, решение которой будет способствовать снижению напряженного топливного баланса. Применяемый в настоящее время отопительный температурный график качественного регулирования Ti(/H) строится из условия пропорциональности теплоотдачи системы отопления (то есть изменения температуры сетевой воды в подающем трубопроводе на источнике тепла Ti) разности температур внутреннего /в и наружного /„ воздуха.
По СНиП 2.04.05-91 расчетный расход тепла на отопление находится по формуле
0о=0„о+а-&в, (1.1.)
где Qm, Qn - теплопотери через наружные ограждения и на инфильтрацию; Qm - внутренние тепловыделения.
Однако не все составляющие теплового баланса зависят от разности /„-/„• Например, Qn не зависят от изменения (и и практически остаются постоянными на всем протяжении
14
отопительного периода; расход тепла на нагрев инфильтрующегося наружного воздуха также не пропорционален tu-tH, т.к. с понижением /н он увеличивается [54].
В работах [54, 103, 138] приведены основные недостатки регулирования по отопительному температурному графику:
а) принято, что единственным возмущающим воздействием в системе отопления является изменение /„; влияние других погодных факторов (ветер, солнечная радиация) не учи-тывается;
б) регулирование ведется по формулам стационарного режима; динамические свойст-ва объекта и, в первую очередь, теплоемкость стеновых конструкций зданий не принимаются во внимание;
в) исходные формулы теплового баланса отопительного прибора и помещения получены путем замены сложной системы отопления, состоящей из большого количества элемен- тов, одним условным отопительным прибором; распределение параметров в объекте регулирования - системе отопления — не учитывается;
г) регулирование часто ведется по изменению отопительной нагрузки без учета переменной нагрузки ГВС Qh, составляющей существенную долю в тепловом потреблении;
д) при построении графика не учитывается изменение скорости ветра на теплоотдачу наружных ограждений и на инфильтрацию воздуха.
При этом в [1,103] отмечается, что на тепловой баланс зданий влияет большое число случайных и преимущественно независимых факторов. По существу, в условиях эксплуатации тепловая сеть с потребителями является вероятностной системой, и при расчете точно учесть влияние на тепловой баланс зданий всех перечисленных выше факторов невозможно.
Кроме того, резко ограничивает возможности центрального регулирования подключение к одной тепловой сети таких разнородных нагрузок, как отопление, вентиляция, ГВС, так как каждая из них требует различных температурных и расходных графиков.
15 Компенсация нагрузки ГВС возможна либо за счет увеличения расхода сетевой воды
Gd, или, что более экономично, за счет повышения температурного графика xi(/H) центрального качественного регулирования, рассчитываемого на покрытие суммарной нагрузки отопления Qo и ГВС Qh. Считается, что это решение применимо не только при двухступенчатой последовательной схеме присоединения подогревателей ГВС, но и при смешанной схеме с ограничением максимального расхода сетевой воды [25, 35, 55, 133 и др.]. Однако в работе этих схем наблюдаются существенные отличия, а для смешанной с ограничением схемы необходима корректировка повышенного графика, рассчитанного для последовательной схемы (см. раздел 2.5, [94]).
В работах [34,37] указывается на то, что у абонентов без нагрузки ГВС и с нагрузкой ГВС, включенных по параллельной и смешанной без ограничения расхода схемам, а также у неавтоматизированных абонентов с вентиляционной нагрузкой при любом температурном графике, отличающемся от отопительного (т.е. рассчитанного на абонента с величиной v|/=(2/tm/Qomax>0), будет иметь место перерасход тепла на отопление, возрастающий по мере повышения tK и тем больший, чем больше величина районного \j/p. Величина \j/p выбирается с учетом действительной структуры тепловых нагрузок, так как в районах имеются абоненты с самым различным соотношением нагрузок ГВС и отопления и различными схемами включения подогревателей ГВС. У абонентов с двухступенчатой последовательной схемой и относительной нагрузкой ГВС такой же, какая принята при расчете температурного графика района (vj/a=v|/P), расход сетевой воды Gd равен отопительному Gd0, а расход тепла на отопление Qo близок к расчетному в течение всего отопительного сезона (при осуществлении местного регулирования в ТП при t^>tHil, т.е. выше точки излома графика xi(/H). У абонентов с относительной нагрузкой vj/atm помещения перегреваются. При этом установка смесительных насосов при смешанной с ограничением схеме устраняет перегрев помещений, но при последовательной схеме устранить перегрев можно только за счет регулирования «пропусками». У абонентов с vj/a>vj/p устанавливается Gj>GdO- Добавка воды определяется из
16
абонентов с уР*Цр устанавливается Gj>Gdo- Добавка воды определяется из условия обеспечения расчетной /вр в отапливаемых помещениях по формуле [25]:
. (1.2)
В [34, 37] отмечено, что при vj/a>\j/p и Gj>GПри построении повышенного температурный графика из условия компенсации балансовой нагрузки ГВС (на 20 % превышающей среднечасовую нагрузку) по формулам [25] не учитывается расход тепла на нагрев воды, циркулирующей в системе централизованного горячего водоснабжения. В то же время расход Q™ составляет значительную величину и недостаточный его учет может привести к снижению подачи тепла на отопление зданий, так как по принятым технологическим схемам ТП в первую очередь обеспечивается теплом ГВС. Так, нагрев воды, циркулирующей в системе ГВС, осуществляется в подогревателях II ступени. При последовательной схеме эти подогреватели по сетевой воде предвключены системе отопления. При смешанной схеме присоединения в силу меньшего сопротивления подогревателей II ступени по сравнению с отопительной внутриквартальной сетью, нагрев воды в системе ГВС до заданной температуры при дефиците тепла будет происходить за счет сокращения расхода теплоносителя в систему отопления.
Следует учесть, что в часы максимального водоразбора расход тепла на циркуляцию не превышает 5 % расхода на нагрев ГВС [55], а при определенном конструировании сети циркуляционный расход ГВС может вообще отсутствовать. Поэтому он не повлияет на рас-
17
четный расход сетевой воды при отопительном графике, но в системе теплоснабжения с повышенным графиком температур расход тепла на циркуляцию ГВС должен учитываться обязательно. В противном случае будет занижен расход тепла на отопление.
В настоящее время наиболее распространенным при централизованном теплоснабжении является температурный график 150-70°С. В отдельных случаях на транзитных участках тепловой сети применяются температурные графики 180-70°С, а в проектах 200-70°С. Расчетная температура воды в подающем трубопроводе 160,170,180 и даже 210°С применяется и в зарубежной практике (Франция, Бельгия, ФРГ, Канада и др.), в основном в системах, получающих тепло от районных котельных при независимой схеме присоединения потребителей [73].
Повышение исходной температуры теплоносителя позволяет уменьшить расходы сетевой воды и диаметры теплопроводов, что обеспечивает снижение капиталовложений в тепловые сети и уменьшает расход электроэнергии на перекачку теплоносителя. Благодаря этому при теплоснабжении от районных котельных очевидна экономическая эффективность повышения температуры воды в тепловых сетях.
При теплоснабжении от ТЭЦ повышение расчетной температуры воды вызывает необходимость повышения давления в отопительных отборах турбин, а в ряде случаев приводит к необходимости использования пара промышленных отборов с соответствующим снижением мощности турбин и выработки электроэнергии на тепловом потреблении, что связано с некоторыми потерями электромощности ТЭЦ. Таким образом, выбор оптимального температурного графика отпуска тепла от ТЭЦ определяется соотношением экономического эффекта, получаемого в тепловых сетях, и потерь, возникающих при производстве электроэнергии, а также дополнительных затрат в системах теплопотребления. Кроме того, значительный диапазон изменения относительной экономии начальных затрат на тепловые сети за счет повышения расчетной температуры воды в сети определяется рядом факторов и в первую очередь дискретностью изменения диаметров выпускаемых труб и типоразмеров строи-

Получить работу