Повышение эффективности систем централизованного теплоснабжения при формировании диспетчерского графика тепловых нагрузок с учетом нестационарных процессов
На правах рукописи
ЖУКОВ Денис Владимирович ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ДИСПЕТЧЕРСКОГО ГРАФИКА ТЕПЛОВЫХ НАГРУЗОК С УЧЕТОМ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ПРОЦЕССОВ Специальность 05.14.04 – «Промышленная теплоэнергетика»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Красноярск 2013
Работа выполнена на кафедре «Теплоэнергетика» ФГБОУ ВПО «Омский государственный университет путей сообщения»
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Лебедев Виталий Матвеевич
Официальные оппоненты: Липовка Юрий Львович доктор технических наук, профессор, ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», кафедра «Инженерные системы зданий и сооружений», профессор Завгородний Валерий Владимирович кандидат технических наук, Муниципальное предприятие «Тепловая компания», г. Омск, заместитель директора
Ведущая организация: Военная академия тыла и транспорта Омский филиал (ОФВАТТ), г. Омск
Защита состоится « 22 » мая 2013 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.099.07 при Сибирском федеральном университете по адресу:
г. Красноярск, ул. Ленина, д. 70, ауд. А 204.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Сибирского федераль ного университета.
Автореферат разослан « 22 » апреля 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Чупак Татьяна Михайловна
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
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 автоматиза ции, большой протяженностью и разветвленностью тепловых сетей, инерционно стью тепловых процессов, сложностью организации гидравлических режимов, низ кой гидравлической устойчивостью, высоким износом оборудования и т.д.
В настоящее время в условиях непрерывного роста цен на энергоресурсы и та рифов на услуги ЖКХ возрастают экономические требования к решению вопросов энергосбережения и энергоэффективности, при этом особую актуальность приобре тают проблемы неэффективного функционирования систем теплоснабжения. В условиях ограниченности финансовых средств на реконструкцию и замену оборудо вания 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 энер гии 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 предусматри вается, как правило, качественное по нагрузке отопления или по совмещенной нагрузке отопления и горячего водоснабжения путем изменения температуры теплоно сителя в подающих трубопроводах в зависимости от метеорологических параметров.
Постоянные изменения метеорологических параметров и регулирование температуры теплоносителя в строгом соответствии с температурным графиком приводят к необ ходимости изменения температуры теплоносителя, тепловой нагрузки, режимов и со става основного оборудования теплового источника. Это, в свою очередь, вызывает частые изменения температурных расширений и механических напряжений в трубо проводах тепловых сетей и в оборудовании тепловых источников, увеличивает веро ятность их повреждений, а также снижает надежность и экономичность. Кроме того, разработанный изначально для задач проектирования температурный график не учи тывает 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 теплоснабже ния определение задаваемых параметров теплоносителя (температура, давление) и времени выдачи задания на изменение режимов, как правило, осуществляется на ос нове опыта и интуиции диспетчеров тепловых сетей.
Таким образом, формирование диспетчерского графика с учетом значительно го 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 за дания температуры с учетом нестационарных процессов с целью поддержания ком фортных условий в объектах теплоснабжения. Необходимость рассмотрения этого вопроса вызвана реальными потребностями в повышении эффективности функцио нирования систем теплоснабжения, что весьма актуально и требует дополнительных исследований в данном направлении.
Объект исследования. Сложные системы централизованного теплоснабже ния крупных городов (на примере г. Омска).
Предмет исследования. Нестационарные тепловые и квазистационарные гид равлические режимы в системах централизованного теплоснабжения.
Цель и задачи исследования. Основной целью исследования является совер шенствование методики и выработка рекомендаций по оперативному регулированию отпуска тепловой энергии от тепловых источников с учетом нестационарных процес сов для улучшения эффективности работы и надежности систем централизованного теплоснабжения при обеспечении качественного теплоснабжения потребителей. До стижение поставленной цели осуществляется решением пяти основных задач:
1. Анализ функционирования крупных систем централизованного теплоснаб жения (на примере г. Омска), существующих методов и рекомендаций по формиро ванию диспетчерского графика тепловых нагрузок систем теплоснабжения;
2. Разработка математической модели, алгоритма и компьютерной программы для расчета во времени режимов функционирования сложных систем теплоснабже ния с автоматизированными и неавтоматизированными системами теплопотребле ния при нерасчетных условиях с учетом процессов нестационарной теплопередачи в ограждающих конструкциях зданий;
3. Теоретическое исследование изменения тепловых и гидравлических режи мов системы теплоснабжения и параметров микроклимата в зданиях при меняю щихся климатических условиях и нерасчетных параметрах теплоносителя, сопо ставление теоретических и фактических данных в контрольных точках;
4. Совершенствование методики формирования диспетчерского графика теп ловых нагрузок в системах теплоснабжения крупных городов и разработка рекомен даций по оперативному регулированию температурных режимов;
5. Определение влияния периодичности изменения диспетчерского графика на повреждаемость трубопроводов тепловых сетей.
Основная идея диссертации. Повышение эффективности и надежности си стем централизованного теплоснабжения путем совершенствования методики фор мирования диспетчерского графика тепловых нагрузок с учетом нестационарных процессов.
Методологическая и теоретическая основа исследования. В основу иссле дований положены научные труды отечественных и зарубежных авторов в области теплоснабжения, регулирования тепловых нагрузок и обеспечения теплового режи ма в зданиях. Для решения поставленных задач в диссертационной работе использо ваны методы вычислительной математики и математического моделирования, по следовательных приближений, наименьших квадратов, «увязочный» метод контур ных расходов, метод «прогонки» с применением неявной конечно-разностной схе мы, сравнительного анализа, объектно-ориентированного программирования, а так же 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 норма тивных актов, положения, доклады, проекты;
результаты собственных расчетов, проведенных теоретических и эксперимен тальных исследований.
На защиту выносятся:
1. Разработанная математическая модель режимов функционирования слож ных систем теплоснабжения;
2. Обоснование возможности и необходимости формирования диспетчерско го графика тепловых нагрузок с учетом нестационарности процессов в системах централизованного теплоснабжения;
3. Полученные результаты численных решений и их сопоставление с экспе риментальными данными в системе теплоснабжения от тепловых источников Ом ского филиала ОАО «ТГК-11» в г. Омске;
4. Научно обоснованные предложения по совершенствованию методики фор мирования диспетчерского графика тепловых нагрузок;
5. Полученные результаты повышения эффективности системы теплоснабже ния на примере Омского филиала ОАО «ТГК-11» в г. Омске.
Научная новизна исследования заключается в следующем:
1. Разработана математическая модель, алгоритмы и вычислительная про грамма, отличающиеся от существующих моделированием в задаваемый период времени режимов сложной системы теплоснабжения с автоматизированными и не автоматизированными системами теплопотребления при нерасчетных условиях, и учитывающие процессы нестационарной теплопередачи в ограждающих конструк циях зданий для определения изменения параметров микроклимата;
2. Определены допустимые отклонения температуры теплоносителя в зави симости от характеристик систем теплоснабжения;
3. Определена зависимость влияния периодичности изменения диспетчерско го графика на надежность трубопроводов тепловых сетей и эффективность системы теплоснабжения;
4. Разработаны рекомендации и усовершенствована методика формирования диспетчерского графика тепловых нагрузок с учетом нестационарных процессов в элементах систем централизованного теплоснабжения для повышения эффективно сти 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 тепло вой энергии повышена надежность эксплуатации тепловых сетей и эффективность функционирования системы централизованного теплоснабжения в целом при обес печении качественного теплоснабжения потребителей.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных методов исследований и подтверждается сравнением результатов ре шений «контрольных» примеров по расчету гидравлических режимов по разрабо танной математической модели с решениями, полученными при помощи сертифи цированных программных комплексов, сравнением результатов решений уравнений теплопередачи через ограждающие конструкции здания с применением численных методов, сравнением характера изменения расчетных и фактических данных в кон трольных точках действующей системы теплоснабжения, в том числе при аварий ных отключениях, а также практическим применением методики и ведением темпе ратурных режимов в системе теплоснабжения при опытной эксплуатации в Омском филиале ОАО «ТГК-11» в течение последних трех отопительных периодов.
Использование результатов диссертации. Основные результаты диссерта ционной работы используются в оперативно-диспетчерском управлении режимами работы тепловых сетей с заданием температурных режимов согласно усовершен ствованной методике формирования температурного задания диспетчерского гра фика тепловых нагрузок с учетом нестационарных процессов в структурном подраз делении «Тепловые сети» Омского филиала ОАО «ТГК-11» и муниципальном пред приятии (МП) «Тепловая компания» г. Омска. Результаты исследований могут быть использованы в других ТГК и организациях, эксплуатирующих системы теплоснаб жения, а также в проектных и научно-исследовательских организациях, в ВУЗах при подготовке специалистов по направлению «Теплоэнергетика». Примененные алго ритмы могут служить основой для разработки новых функциональных модулей су ществующих 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 авто матизированными и неавтоматизированными системами теплопотребления, обра ботке и интерпретации полученных результатов, сопоставлении расчетных и факти ческих данных, установлении зависимости допустимых отклонений температуры теплоносителя при различных характеристиках СЦТ, а также в разработке рекомен даций и совершенствовании методики формирования диспетчерского графика теп ловых 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 ас пирантов «Молодые исследователи - регионам» (Вологда, апрель 2007 г.);
Итоговой конференции XV Конкурса научно-технических разработок по проблемам топлив но-энергетического комплекса (Москва, февраль - март 2007 г.);
Международной научно-практической конференции «Разработка и внедрение ресурсо- и энергосбе регающих технологий и устройств» (Пенза, апрель 2010 г.);
V Международной мо лодежной 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 энергетиче ских 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.);
Междуна родной научно-практической конференции «Проблемы, перспективы и стратегиче ские инициативы развития теплоэнергетического комплекса» (Омск, июнь 2011 г.);
VI Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности энергетического оборудования» (Иваново, декабрь 2011 г.);
XXIV International Sci entific 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 страниц машинописного текста, в том числе 156 страниц основного текста и страниц приложений, 44 рисунка, 20 таблиц, список использованных источников из 148 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, опре делены объект и предмет исследования, сформулированы цель и задачи исследова ний, определена научная новизна исследования, представлена практическая значи мость результатов и показан личный вклад автора.
В первой главе рассмотрено состояние систем централизованного тепло снабжения в целом по России, а также системы теплоснабжения на примере Омско го филиала ОАО «ТГК-11». Приведены основные характеристики функционирую щих в настоящее время СЦТ крупных городов. Отмечается высокий износ оборудо вания СЦТ, а также тенденция к вынужденному увеличению срока эксплуатации трубопроводов тепловых сетей. В частности, на рис. 1. приведены данные о сроке эксплуатации трубопроводов магистральных тепловых сетей в Омском филиале ОАО «ТГК-11» по состоянию на 2007 г. и 2012 г.
Отмечается тенденция увеличения степени автоматизации, которая в среднем составляет 0,8 – 1,3 % в год, причем увеличение происходит в основном за счет строительства новых объектов. На рис. 2 приведена структура тепловых нагрузок системы централизованного теплоснабжения Омского филиала ОАО «ТГК-11» и темп роста степени автоматизации тепловых нагрузок.
Рис. 1. Структура распределения протяженности трубопроводов тепловых сетей по фактическому сроку эксплуатации в Омском филиале ОАО «ТГК-11» Приведены основные показатели, характеризующие качество теплоснабжения и условия теплового комфорта. Показано, что изменение температуры в допустимых пределах ± 1,5 °С не вызывает дискомфорта.
Рассмотрены и дан анализ известным методам регулирования отпуска тепловой энергии от тепловых источников: качественному, количественному и качественно количественному.
Проведен анализ основных схем присоединения систем теплопотребления и их автоматизации. Показано, что основной схемой в городах России остается зави симое присоединение систем отопления с элеваторным смешением, которая в свое время была принята при массовой застройке городов.
ГДж/ч а) б) Вид нагрузки Год Рис. 2. Структура тепловых нагрузок (а) и темп роста степени автоматизации (б) Анализ проведенных исследований в области регулирования тепловых нагру зок показал, что если вопросам автоматизации тепловых пунктов уделено значи тельное внимание и разработаны разнообразные методы, алгоритмы и средства для оптимального регулирования, то вопросам оперативного центрального регулирова ния в крупных системах теплоснабжения должного внимания не уделено. В доста точно большом количестве имеются работы по расчету температурных графиков отпуска тепловой энергии, которые изначально разрабатывались для задач проекти рования систем теплоснабжения, но до настоящего времени применяются в задачах эксплуатации и диспетчерского управления. В методиках расчета температурных графиков центрального регулирования принят ряд допущений и упрощений, в част ности пропорциональность разности температур внутреннего (tВ) и наружного воз духа (tН) при текущих нерасчетных и расчетных условиях для условий стационар ных процессов теплообмена. В действительности, все теплообменные процессы, происходящие в системах теплоснабжения, нестационарные, и эта особенность должна учитываться при анализе режимов и оперативном регулировании отпуска тепловой энергии.
В завершении главы определена необходимость совершенствования методики формирования диспетчерского графика тепловых нагрузок, которая должна учиты вать характеристики системы теплоснабжения, режимы потребления тепловой энер гии, изменение метеорологических условий, а также нестационарные процессы в элементах систем теплоснабжения.
Во второй главе рассмотрена физико-технологическая схема, определены внешние и внутренние возмущающие и управляющие воздействия, действующие на элементы систем централизованного теплоснабжения, и сформирована математиче ская модель их функционирования, включающая в себя:
1) описание нестационарного теплового режима здания;
2) описание возмущающих воздействий (внешних климатических, внутренних режимных (ГВС, вентиляция), внутренних бытовых);
3) описание квазистационарных гидравлических режимов тепловых сетей;
4) описание режимов функционирования тепловых пунктов с различными схемами присоединения тепловых нагрузок.
Тепловой режим здания представлен нестационарным тепловым балансом воздуха в отапливаемом здании, который описывается известным дифференциаль ным уравнением следующего вида:
dt ( ) с В ВVВ В Q ( ), (1) d где сВ – теплоемкость воздуха, Дж/(кгС);
В – плотность воздуха, кг/м3;
VВ – объем воздуха в здании, м3;
tВ – температура воздуха в здании, С;
– время, с;
Q ( ) – суммарная тепловая энергия, поступившая в здание, Вт.
Балансовые составляющие суммарной тепловой энергии определяются:
QОТ ( ) ОТ FОТ (t ОТ t В ), (2) QCТ ( ) В FСТ (t В t В.СТ ), (3) QОК ( ) kОК FОК (t В t Н ), (4) QИНФ ( ) Lc(t В t Н ), (5) где QОТ, QСТ, QОК, QИНФ – соответственно тепловая энергия от системы отопления, потери тепловой энергии через ограждающие конструкции (стены, окна), потери тепловой энергии за счет инфильтрации, Вт;
tН, tОТ, tВ.СТ – соответственно темпера туры наружного воздуха, отопительных приборов, внутренней поверхности ограж дающей конструкции, °С;
ОТ, В – соответственно коэффициент теплоотдачи от отопительных приборов к внутреннему воздуху, от внутренней поверхности стено вых ограждающих конструкций к внутреннему воздуху, Вт/( м2·°С);
kОК – коэффи циент теплопередачи через оконные ограждения, Вт/(м2·°С);
FОТ, FСТ, FОК – поверх ности соответственно отопительных приборов системы отопления, стеновых и оконных ограждающих конструкций, м2;
L – расход инфильтрующегося воздуха, м3/ч;
– плотность воздуха, кг/м3;
с – теплоемкость воздуха, Дж/(кг·°С).
Влияние внешних климатических воздействий через ограждающие конструк ции здания и значения tВ.СТ в формуле (3) в текущие моменты времени определяются путем рассмотрения нестационарных процессов теплопередачи в ограждающих кон струкциях, которые описываются известным дифференциальным уравнением неста ционарной теплопроводности:
T x, 2T x,,0 x, 0, a (6) x где T – температура стенки, К;
x – текущая координата, м;
– время, с;
a – коэффи циент температуропроводности, м2/ч;
– толщина стенки, м.
В основе моделирования гидравлических режимов тепловых сетей заложена теория гидравлических цепей Хасилева В.Я., Меренкова А.П. Для любой произ вольной схемы с установившимся течением теплоносителя, состоящей из n участ ков, m узлов и k линейно независимых контуров, выполняется условие k=n-m+1.
Для определенной гидравлической схемы системы теплоснабжения строится система уравнений гидравлических режимов тепловых сетей на основе двух сетевых законов Кирхгофа, которая записывается в векторно-матричной форме:
A x = G, B h = 0, (7) h+H=SXx, где A – матрица соединений размерностью (m-1, n), однозначно отображающая структуру сети и ориентацию ее участков;
В – матрица связей размерностью (k, n), отображающая совпадение участков и выбранной системы линейно независимых контуров;
S – диагональная матрица из величин гидравлических сопротивлений размерностью (n,n);
X – диагональная матрица из абсолютных значений расходов на участках размерностью (n,n);
x – вектор расходов на участках размерностью n;
h – вектор напоров размерностью n;
H – вектор действующих напоров размерно стью n;
G – вектор узловых расходов размерностью m.
Потери напора в системе уравнений (7) определяются по формуле Дарси Вейсбаха.
При проведении расчетов в течение времени принимается, что в каждый те кущий момент времени режим течения квазистационарный.
Математическое моделирование эксплуатационных режимов функционирова ния тепловых пунктов в зависимости от схем присоединения систем теплопотребле ния имеет свои особенности. В частности, для закрытых систем теплопотребления с теплообменным оборудованием применена методика Е.Я. Соколова, основанная на уравнении тепловой характеристики теплообменного аппарата:
Q WМ, (8) где Q – тепловая нагрузка теплообменного аппарата, Вт;
– коэффициент эффек тивности теплообменного аппарата;
WМ – меньшее значение эквивалента расхода теплообменивающихся сред, Дж/(с·К), – максимальная разность температур между греющим и нагреваемым теплоносителями, °С.
Влияние потребителей на тепловой режим помещений отапливаемого здания оценивается изменением инфильтрационной составляющей, величина которой в общих тепловых потерях здания достигает 30 – 50 %. Расход инфильтрующегося воздуха определяется:
L=kИLР, (9) где kИ – коэффициент изменения инфильтрации;
LР – расчетный (проектный) расход инфильтрующегося воздуха, м3/ч.
Приведенные зависимости (1) – (9) составляют основу математической моде ли, которая в конечном виде включает более 150 зависимостей.
В третьей главе представлены методы решения уравнений, разработанной в главе 2 математической модели, а также дана характеристика специально разрабо танной автором на языке программирования Object Pascal в среде программирова ния Borland Delphi с применением СУБД Paradox компьютерной программы для расчета оперативных режимов работы тепловых сетей и формирования диспетчер ского графика тепловых нагрузок.
Определение гидравлических и температурных режимов во времени с учетом работы автоматизированных систем теплопотребления, режимов потребления теп ловой энергии осуществляется путем последовательного расчета режимов в текущие моменты времени k k 1 (с шагом по времени ) задаваемого временного интервала продолжительностью 72 – 96 часов.
Дифференциальные уравнения (1) и (6) аппроксимируются конечно разностной схемой и решаются численными методами.
Для решения системы уравнений (7) использованы алгоритмы Хасилева В.Я., Ме ренкова А.П., Кагановича Б.М., реализующие классический «увязочный» метод контур ных расходов (МКР). В разработанной программе проводятся расчеты гидравлических режимов по нескольким, принципиально отличающимся друг от друга, типам:
1. Расчет потокораспределения при фиксированных (расчетных) тепловых нагрузках (расчет по ФН). В данном расчете тепловые нагрузки представляются в правой части системы уравнений своими известными расходами при расчетных условиях (отток в узле присоединения подающего трубопровода G1Р и приток в узле присоединения обратного трубопровода G2Р). После решения системы уравнений и получения расчетных напоров на входе h1Р и выходе h2Р систем теплопотребления определяются их расчетные сопротивления S.
2. Расчет потокораспределения при фиксированных сопротивлениях систем теплопотребления (расчет по ФС). В данном расчете тепловые нагрузки представ ляются в левой части системы уравнений своими расчетными сопротивлениями S, полученным в результате расчета по ФН, и неизвестным расходом x, который опре деляется при решении системы уравнений.
3. Комбинированный расчет (для условий частичной автоматизации систем теплопотребления при нерасчетных условиях). В данном расчете часть тепловых нагрузок (автоматизированные нагрузки) представляется в виде эквивалентных рас ходов при текущих нерасчетных условиях (GАi1, GАi2), а другая часть (неавтоматизи рованные нагрузки) – фиксированными сопротивлениями SНАj, предварительно определенными в результате расчета по ФН. В результате расчета определяются не известные расходы через неавтоматизированные системы теплопотребления xНАj, которые в дальнейшем участвуют в определении величины тепловой энергии от си стемы отопления.
Пример принципиальной схемы и преобразования тепловых нагрузок эквива лентными расходами показан на рис. 3.
Р GТСi GТСi ИТЭ Принципиальная а) А НА GАi GНАj Нр схема GТСi1 GТСi GАi2р GНАj2р Р ИТЭ ФН б) Нр GАi1р GНАj1р Р ИТЭ ФС в) SАj SНАj Нр GАi2(t1,tнв) Р ИТЭ Комбини г) SНАj Нр рованный GАi1(t1,tнв) Рис. 3. Пример преобразования тепловых нагрузок эквивалентными расходами схемы а) принципиальная схема;
б) при расчете по ФН;
в) при расчете по ФС;
г) при комбинированном расчете;
Обозначения: ИТЭ – источник тепловой энергии, А – автоматизированный потребитель, НА – неавтоматизированный потребитель На рис. 4 приведена разработанная автором блок-схема алгоритма формирования диспетчерского задания по температуре теплоносителя.
Рис. 4. Блок-схема алгоритма формирования диспетчерского задания по температуре теплоносителя На рис. 5 представлен пример задания температуры теплоносителя на после дующие сутки в пользовательской форме разработанной программы. В данной фор ме задаются фактические температуры наружного воздуха за предыдущий (сутки Х 1) и текущий (сутки X) периоды, а также прогнозные температуры наружного воз духа на следующий период регулирования (сутки Х+1 и Х+2). На основе данных температур определяется задание по температуре на период регулирования. Также предусмотрена корректировка задания, которая вводится по внешней инициативе либо при значительном отклонении фактических температур от прогнозных. После проведения расчетов и определения динамики изменения температуры внутри поме щений, в случае их изменений в допустимых пределах, полученный результат зада ния температуры теплоносителя является заданием на весь период регулирования.
Рис. 5. Примерная форма задания функций температур наружного воздуха и теплоносителя В качестве примера на рис. 6. представлены результаты расчетов гидравличе ских (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.
а) б) Рис. 6. Результаты расчета гидравлических (а) и температурных (б) режимов Достоверность результатов разработанной модели и алгоритмов решения под тверждается сравнением характера изменения расчетных и экспериментальных па раметров в контрольных точках реальной системы и объектах теплоснабжения.
В результате проведенной серии расчетов определены зависимости допусти мых отклонений температуры теплоносителя при различных степенях автомати зации тепловых нагрузок (применительно к структуре тепловых нагрузок Омского филиала ОАО «ТГК-11»), представленные на рис. 7.
СА Рис. 7. Зависимость допустимых отклонений температуры теплоносителя при разных степенях автоматизации тепловых нагрузок СА Анализ полученных результатов расчетов позволил выработать рекомендации по ведению температурного режима, принятые в методике, и заключающиеся в следующем:
1. Формирование диспетчерского графика и оперативное центральное регули рование отпуска тепловой энергии осуществлять с учетом динамических характери стик системы теплоснабжения.
2. Базовый период задания принять до 48 – 96 часов при умеренных изменени ях среднесуточной температуры наружного воздуха (до 5 – 10 °С/сутки), при резких изменениях температуры наружного воздуха предусмотреть возможность корректи ровки температурного задания.
3. При формировании диспетчерского графика учитывать характеристики си стемы теплоснабжения и полученную зависимость допустимых отклонений темпе ратуры теплоносителя.
Также автором сформированы предложения по совершенствованию тепловых и гидравлических режимов в части их управления и схемы систем централизованно го теплоснабжения в части реконструкции и установки средств регулирования на тепловых источниках, тепловых сетях и системах теплопотребления.
В четвертой главе представлены результаты практической реализации ис пользования исследований автора в системе централизованного теплоснабжения от тепловых источников Омского филиала ОАО «ТГК-11».
Для организации процесса формирования диспетчерского графика тепловых нагрузок в 2010 году разработана и введена в действие «Инструкция по заданию тем пературного режима работы теплоисточников Омского филиала ОАО «ТГК-11» в ото пительном периоде», в которую автором, на основе проведенных исследований и по лученных результатов, включены рекомендации и усовершенствованная методика формирования диспетчерского графика тепловых нагрузок с учетом нестационарных процессов. Ведение температурных режимов на тепловых источниках проиллюстриро вано на рис. 8, где представлены фактические режимы работы ТЭЦ-5 в декабре 2011 г.
Как видно, происходит сглаживание графиков температур и «срезка» верхних пиков.
Рис. 8. Фактические режимы работы ТЭЦ-5 Омского филиала ОАО «ТГК-11» в декабре 2011 г.
В результате ведения режимов в отопительные периоды с 2010 года снижена повреждаемость трубопроводов по отношению к прошлым отопительным периодам до 2010 года, что проиллюстрировано на диаграмме рис. 9.
Рис. 9. Распределение повреждаемости трубопроводов тепловых сетей ОАО «ТГК-11» по характеру изменения температуры теплоносителя в отопительные периоды Экономическая эффективность применения данной методики оценивается в размере 74,115 млн. руб. за отопительный период (по уровню 2011 г.). Структура снижения затрат по ТЭЦ-5 и по Омскому филиалу в целом приведена в таблице.
Структура снижения затрат за отопительный период Снижение затрат Снижение затрат по СЦТ Омского по СЦТ от ТЭЦ- Наименование филиала за отопи- Примечание в декабре 2011 г., тельный период, млн. руб.
млн. руб.
Снижение расхода топлива при 7,161 53, выработке энергии Снижение расхода топлива при Прогнозная 0,510 3, пусках основного оборудования оценка Снижение потерь тепловой энергии 1,211 9, Прогнозная Снижение ущерба от повреждений 0,941 7, оценка Снижение платы за негативное Улучшение 0,059 0, воздействие на окружающую среду экологии ИТОГО 9,882 74, ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Проведен анализ функционирования крупных систем централизованного теплоснабжения (на примере города Омска) и существующих методов и рекомендаций по формированию диспетчерского графика тепловых нагрузок систем теплоснабжения.
2. Сформирована математическая модель, разработаны алгоритмы и вычис лительная программа для расчета во времени режимов функционирования сложных систем теплоснабжения с автоматизированными и неавтоматизированными систе мами теплопотребления при нерасчетных условиях, а также процессы нестационар ной теплопередачи в ограждающих конструкциях зданий, при помощи которых оценивается изменение параметров микроклимата в зданиях.
3. На основе проведенных теоретических исследований изменения тепловых и гидравлических режимов СЦТ и параметров микроклимата в зданиях при меняю щихся климатических условиях и нерасчетных параметрах теплоносителя установ лена зависимость допустимых отклонений температур теплоносителя при различ ных степенях автоматизации тепловых нагрузок (на примере структуры тепловых нагрузок СЦТ от тепловых источников Омского филиала ОАО «ТГК-11»).
4. Усовершенствована методика формирования диспетчерского графика с учетом нестационарных процессов и разработаны рекомендации по оперативному регулированию режимов, апробированные в течение трех отопительных периодов.
5. Определено влияние периодичности изменения диспетчерского графика на надежность трубопроводов тепловых сетей и эффективность СЦТ.
6. Дана оценка эффективности применения усовершенствованной методики формирования диспетчерского графика (на примере СЦТ от тепловых источников Омского филиала ОАО «ТГК-11»).
Список опубликованных работ по теме диссертации Статьи, опубликованные в изданиях из перечня, рекомендованного ВАК:
1. Жуков, Д. В. Математическое моделирование в задачах диспетчерского управления тепловыми режимами систем централизованного теплоснабжения / Д. В. Жуков // В мире научных открытий, 2010. – №4(10). – Ч.13. – С. 124-126.
2. Лебедев, В. М. Факторы, влияющие на потери тепловой энергии и тепло носителя в открытых системах теплоснабжения / В. М. Лебедев, В. З. Дмитриев, Д. В. Жуков, Г. А. Побегаева // Промышленная энергетика, 2010, № 11. – С. 28 32.
Статьи, опубликованные в других журналах, сборниках трудов и материалов конференций:
3. Жуков, Д. В. Централизованное регулирование отпуска тепла с учетом не стационарных процессов в системах теплоснабжения / Д. В. Жуков // Энергосбере жение и энергетика в Омской области. – 2005. – № 3 (16). – С. 31 - 37.
4. Жуков, Д. В. Повышение эффективности работы системы централизован ного теплоснабжения с учетом нестационарных процессов / Д. В. Жуков // Сборник работ победителей XV Конкурса научно-технических разработок среди молодежи предприятий и организаций топливно-энергетического комплекса. – М., Министер ство промышленности и энергетики РФ, Федеральное агентство по энергетике, НС «Интеграция», 2007. – 248 с. – С. 90 - 94.
5. Жуков, Д. В. Повышение надежности и эффективности работы систем централизованного теплоснабжения при учете нестационарных процессов / Д. В.
Жуков // Молодые исследователи – регионам: сб. материалов Всероссийской науч ной конференции студентов и аспирантов. В 2 т.;
Т. 1. – Вологда, ВоГТУ, 2007. – С. 331-333.
6. Жуков, Д. В. О гидравлической устойчивости системы теплоснабжения и работе систем теплопотребления при изменении режимов / Д. В. Жуков // Повыше ние эффективности объектов теплоэнергетики и систем теплоснабжения: Межвуз.
темат. сб. науч. тр. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2008. – 72 с. – С. 23 27.
7. Жуков, Д. В. Особенности технологии центрального регулирования теп ловой нагрузки в системах теплоснабжения / Д. В. Жуков // Разработка и внедрение ресурсо- и энергосберегающих технологий и устройств: сб. статей Международной научно-практической конференции. – Пенза, Приволжский Дом знаний, 2010. – с. – С. 104-106.
8. Жуков, Д. В. Регулирование тепловой нагрузки в системах централизо ванного теплоснабжения / Д. В. Жуков // Тинчуринские чтения: сб. матер. V Меж дународной молодежной научной конференции / под общ. ред. Ю.Я. Петрушенко. – В 4 т.;
Т. 2. – Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2010. – 260 с. – С. 82 - 83.
9. Жуков, Д. В. Оптимизация режимов – основа эффективности функцио нирования систем теплоснабжения / Д. В. Жуков // Энергосбережение в теплоэлек троэнергетике и теплоэлектротехнологиях: сб. матер. Международной науч.-практ.
конф. 19 апреля 2010 г. / под ред.: В.В. Шалая, А.С. Ненишева, А.Г. Михайлова, И.В Цыганковой, Т.В. Новиковой. – Омск, ОмГТУ, 2010. – 284 с. – С. 25 - 28.
10. Жуков, Д. В. Повышение эффективности работы систем централизованно го теплоснабжения путем оптимизации теплогидравлических режимов / Д. В. Жу ков, В. З. Дмитриев // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем «Энерго – 2010» (Москва, 1-3 июня 2010 г.). В 2 т.;
Т. 1. – М.: Издательский дом МЭИ, 2010. – 304 с. ил. – С. 229 - 232.
11. Дмитриев В. З. Формирование конфигурации системы централизованного теплоснабжения крупного промышленного города / В. З. Дмитриев, Д. В. Жуков // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем «Энерго – 2010» (Москва, 1-3 июня 2010 г.). В 2 т.;
Т. 1. – М.: Издательский дом МЭИ, 2010. – с. 304. ил. – С. 224 - 225.
12. Жуков, Д. В. Оптимизация диспетчерского графика тепловых нагрузок си стем централизованного теплоснабжения / Д. В. Жуков // Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития ’2010: сб.
научных трудов по материалам международной научно- практической конференции.
В 4 т. Т. 4. Технические науки. – Одесса: Черноморье, 2010. – 96 с. – C. 51 - 54.
13. Жуков, Д. В. Оптимизация диспетчерского графика тепловых нагрузок си стем централизованного теплоснабжения / Д. В. Жуков // Проблемы, перспективы и стратегические инициативы развития теплоэнергетического комплекса: сб. матер.
Международной науч.-практ. конф. 10 июня 2011 г. / под ред.: В.В. Шалая, А.С.
Ненишева, А.Г. Михайлова, Т.В. Новиковой. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011. – 320 с. – C. 228 - 230.
14. Жуков, Д. В. Оптимизация разработки диспетчерского графика тепловых нагрузок систем централизованного теплоснабжения / Д. В. Жуков // Повышение эффективности энергетического оборудования: сб. матер. VI Всерос. науч.-практ.
конф. 6-8 декабря 2011 г. / под ред. А.В. Мошкарина. – Иваново, ГОУ ВПО Иванов ский государ. энергетический университет, 2011. – С. 141 - 146.
15. Жуков, Д. В. Математическое моделирование и оптимизация управления тепловыми режимами в крупных системах централизованного теплоснабжения / Д.
В. Жуков // Theory and practice in the physical, mathematical and technical sciences: Ma terials digest of the XXIV International Scientific and Practical Conference and the I Stage of Research Analytics Championship in the physical, mathematical and technical sciences.
(London, May 3 - May 13, 2012) / International Academy of Science and Higher Educa tion. – London, IASHE, 2012. – 108 p. – C. 45 - 47.
16. Жуков, Д. В. Оптимизация режимов работы тепловых сетей крупных си стем централизованного теплоснабжения / Д. В. Жуков // Новости теплоснабжения, 2012, №5 (141). – С. 45 - 49.
Жуков Денис Владимирович Повышение эффективности систем централизованного теплоснабжения при формировании диспетчерского графика тепловых нагрузок с учетом нестационарных процессов 05.14.04 – Промышленная теплоэнергетика Подписано в печать 19.04.2013 г. Формат бумаги 60х90 1/ Усл. печ. л. 1.0 Тираж 120 экз.