Размещено на http://www.allbest.ru/

Определение фактических нагрузок потребителей закрытых тепловых сетей

С.А.Байбаков,

Е.А.Субботина, к.т.н.;

К.В.Филатов

В настоящее время широко проводятся работы по снижению затрат на теплоснабжение и реализации программ энергосбережения, что в климатических условиях России является важной социальной и экономической задачей.

В рамках ее решения следует рассматривать проведение энергетических обследований систем теплоснабжения и тепловых сетей с разработкой мероприятий по энергосбережению, а также разработку схем теплоснабжения населенных пунктов, позволяющих комплексно решать проблемы теплоснабжения территорий.

При проведении энергетических обследований и разработке схем теплоснабжения определяющим является текущее состояние теплоснабжающих систем, позволяющее определять и потенциал энергосбережения, и выбор основных направлений развития систем. Под состоянием систем теплоснабжения в узком смысле далее будем понимать величину расчетной нагрузки, присоединенной к источникам тепла и тепловым сетям.

При проведении энергетических обследований, с их неопределенной методической базой, являющейся прерогативой отдельных саморегулируемых организаций, этот вопрос для широкого обсуждения не поднимался. При этом предполагается, что за основу при определении расчетных нагрузок следует принимать их величины в соответствии с договорами на теплоснабжение. Это так называемые «договорные» нагрузки. Как показывает опыт проведения энергетических обследований различных объектов тепловых сетей величина договорных нагрузок, как правило, на 10-20% завышена и требует внесения корректировок при планировании и оценке эффективности отпуска тепловой энергии.

В методических положениях по разработке схем теплоснабжения рассматриваются два возможных варианта определения величины этих нагрузок. Первый из них основан на аппроксимации фактических значений отпуска тепловой энергии по приборам учета с использованием метода наименьших квадратов и экстраполяцией полученной зависимости на условия расчетной температуры наружного воздуха.

По второму используется максимальное реально достижимое значение нагрузки за прошедший период также с экстраполяцией результата на расчетную наружную температуру.

Представляется, что и первый и второй подходы имеют, кроме прочего, одну проблему, заключающуюся в предположении о соответствии фактического отпуска тепла требуемым нагрузкам отопления. В реальности же все обстоит сложнее. При завышенных расходах воды в сетях и сравнительно высоких температурах наружного воздуха имеет место перерасход тепловой энергии на отопление, а при низких - явный недоотпуск тепловой энергии потребителям. В этих условиях применение указанных выше способов приведет к заметному искажению полученных результатов по оценке фактической величины расчетных нагрузок. Кроме того, отсутствует возможность оценки качества регулирования отпуска тепловой энергии в течение отопительного периода, что является важным при проведении энергетических обследований.

В соответствии с изложенным целесообразно предложить более адекватную методику оценки фактической величины расчетной нагрузки отопления, вентиляции и средней нагрузки горячего водоснабжения, позволяющую учитывать указанные выше обстоятельства.

Методические подходы и их реализация

Основы такой методики были разработаны в ОАО «ВТИ» и успешно использовались при проведении энергетических обследований тепловых сетей г. Москвы.

Нагрузка горячего водоснабжения (ГВС) практически не зависит от температуры наружного воздуха, а нагрузки отопления и вентиляции представляют собой линейную зависимость от наружной температуры. Это позволяет аппроксимировать фактические данные по отпуску тепловой энергии линейной зависимостью нагрузки от температуры наружного воздуха. Методика использует показания приборов учета отпуска (или потребления) тепловой энергии от источника, в качестве которого могут рассматриваться целиком ТЭЦ или центральная котельная, отдельные их выводы, а также отдельные тепловые пункты присоединения потребителей. Фактическая расчетная нагрузка будет определена для потребителей после соответствующего узла учета.

Для тепловых нагрузок отопления и горячего водоснабжения основное уравнение метода наименьших квадратов при m температурах наружного воздуха, соответствующих фактическим режимам отпуска тепла, имеет вид:

где: QТi - фактический часовой отпуск тепла при i-й температуре наружного воздуха, Гкал/ч; Qтпi - тепловые потери в тепловых сетях для i-го режима, Гкал/ч; Qоi - требуемая тепловая нагрузка отопления при i-ой температуре наружного воздуха, Гкал/ч; Qrc - ожидаемая средняя нагрузка горячего водоснабжения, Гкал/ч.

Будем считать, что разность QТi - Qтпi соответствует фактическому отпуску тепла потребителям при i-ой наружной температуре и равна Qфi.

Для требуемой нагрузки отопления справедлива формула ее определения через расчетное значение этой нагрузки:

где: Qро - ожидаемая величина расчетных тепловых нагрузок отопления и вентиляции тепловых сетей, МВт (Гкал/ч); - температура наружного воздуха, расчетная для отопления, ОС; tрн - расчетная температура воздуха в отапливаемых помещениях, ОС; tнi - текущая температура наружного воздуха для i-го режима, ОС; tвi - текущая температура воздуха в помещениях для i-го режима, ОС.

С учетом последних уточнений выражение для функции Ф, определяемой из уравнения метода наименьших квадратов, можно представить в следующем виде:

Величина Фс является функцией двух независимых переменных: Qро и QГС. Условием минимума этой функции является равенство нулю частных ее производных по указанным выше переменным, которое можно представить в виде:

Дифференцируя Фс по Qро и QГС в соответствии с условиями (4) и приравнивая производные к нулю, можно получить следующую систему 2-х уравнений от 2-х неизвестных:

Для упрощения записи введем следующие условные обозначения:

Тогда уравнения (5.1) и (5.2) можно будет представить в виде:

Решая эту систему относительно Qро и QГС получим для этих величин следующие выражения:

В уравнениях (7) и (8) для каждой точки измерений параметров режима используется величина температуры воздуха в помещениях, соответствующих этим точкам. В общем случае эти температуры являются неизвестными величинами, определяющими полученные значения расчетных нагрузок. Для определения оценочной величины внутренней температуры следует использовать дополнительно m уравнений, описывающих изменение внутренней температуры в зависимости от расчетной нагрузки. Это уравнения вида:

где: ДQi - отклонение текущего фактического значения отпуска тепла от текущей расчетной величины этого отпуска.

В этой формуле QрOТi представляет собой нагрузку отопления при i-ой температуре наружного воздуха и расчетной температуре воздуха в помещениях (текущую расчетную нагрузку отопления), которая определяется выражением:



Величина QрТi является суммарной текущей расчетной нагрузкой потребителей, которая в рамках принятых обозначений равна:

Для принятых обозначений ДQi равно:

ДQi=Qфi - QPTi.

С учетом формул (9)-(12) для текущего значения внутренней температуры при i-ой температуре наружного воздуха после преобразований может быть получено следующее выражение:

Уравнения (7) и (8), а также m уравнений (13) представляют собой систему, аналитическое решение которой затруднительно. Однако она может быть решена численно, методом последовательных приближений, для чего можно использовать следующий подход.

На начальном этапе по фактическим данным об отпуске тепла по формулам (7) и (8) определяются предварительные начальные значения расчетных нагрузок отопления/вентиляции Qрон и средней нагрузки горячего водоснабжения Qгсн при условии, что для всех рассматриваемых точек по температурам наружного воздуха температура воздуха в помещении равна расчетной величине, т.е. выполняются условия tвi=tрв.

Полученные значения Qрон и Qгсн используются в формулах (12) для уточнения значений tвi. Последние в свою очередь подставляются в формулы (7) и (8) и т.д. Как показывает практика, для получения устойчивых результатов достаточно 3-4 итераций.

Следует отметить, что в связи с произвольными, в общем случае, значениями фактического отпуска тепла на отопление и соответствующими фактическими температурами воздуха в помещениях при различных рассматриваемых температурах наружного воздуха, значения расчетных нагрузок отопления и горячего водоснабжения, полученные при определении начальных значений этих величин при условии tвi=tрв, могут получаться не соответствующие реальным условиям значения. Для повышения достоверности результатов следует проводить контроль за величиной полученной средней нагрузки горячего водоснабжения. Для существующих условий ее значения должны находиться в диапазоне от 0 до 0,3хQро. При выходе за этот диапазон среднюю нагрузку горячего водоснабжения следует принимать равной соответствующему пределу, а расчетную нагрузку отопления корректировать в соответствии с принятыми условиями.

В приведенных формулах используется величина отпуска тепла потребителям Офi которая определяется разницей отпуска тепла от источника Птi и тепловыми потерями в сетях Отпi.

Отпуск тепла от источника определяется результатами измерений по приборам учета. энергетический тепловой сеть трубопровод

Величина тепловых потерь включает в себя две составляющие. Это потери через тепловую изоляцию трубопроводов Отпиi и потери тепла с сетевой водой Qтпуj. Потери через изоляцию определяются температурами воздуха и грунта, а также температурами сетевой воды. Потери тепла с сетевой водой определяются величиной утечек и температурами этой воды в подающих и обратных трубопроводах.

В соответствии с изложенным, тепловые потери будут равны:

Отпиi = Отпиi +Отпуi.

Потери тепла с сетевой водой для каждой j- ой точки могут быть определены по формуле:

где: Gyi - расход воды утечек, определяемый уровнем подпитки тепловой сети; Т1i и Т2j - температура воды в подающих и обратных трубопроводах тепловой сети на источнике тепла, ОС; tхj - температура холодной подпиточной воды, ОС; с - теплоемкость воды.

Тепловые потери через изоляцию трубопроводов определяются нормативной величиной этих потерь при среднегодовых условиях по температурам сетевой воды, наружного воздуха и грунта или величиной этих потерь при каких- либо заданных температурных условиях для тепловых сетей. Величина тепловых потерь при условиях отпуска тепла в рассматриваемых точках определяется пересчетом заданной величины потерь на текущие температурные условия по сетевой воде, наружного воздуха и грунта, соответствующие рассматриваемым точкам.

Реализация приведенных выше методических положений основывается на обработке результатов измерений отпуска тепла и температур воды в подающей и обратной линиях системы от источника тепла за несколько (m) длительных промежутков времени (интервалов измерений) продолжительностью 3-5 суток в течение отопительного периода со значительно отличающимися средними температурами наружного воздуха. Таких интервалов должно быть не менее 3-х, и они должны характеризоваться относительно стабильными температурами наружного воздуха внутри интервалов.

При определении осредненных данных следует использовать часовые значения. Для расчетов используются средние за принятые промежутки времени значения отпуска тепла, измеряемых параметров сетевой воды и температуры наружного воздуха. Для экспресс-оценки расчетных нагрузок в качестве исходных данных могут использоваться также среднемесячные значения по месяцам отопительного периода.

Измеряемыми и используемыми параметрами за рассматриваемые интервалы являются:

¦ средние значения часовых отпусков тепла ПТi, МВт (Гкал/ч);

¦ температуры воды в подающих и обратных трубопроводах, T1j и T2j, ОС;

¦ расход воды подпитки Gyi, т/ч (кг/с);

¦ температура холодной подпиточной воды, tхj, ОС;

¦ температура наружного воздуха, tнi, ОС.

Температуру грунта также следует принимать средней за рассматриваемые периоды, однако, без заметного снижения точности результатов ее можно принимать одинаковой и равной средней за отопительный период величине.

Кроме того, для использования предлагаемой методики должны быть заданы:

¦ расчетная температура наружного воздуха для проектирования отопления, tрн, ОС;

¦ расчетная температура воздуха в отапливаемых помещениях, tрв, ОС.

При присоединении к источнику тепловой энергии потребителей с различными сроками проектирования зданий, эти температуры принимаются равными осредненным по величине тепловых нагрузок значениям, относящимся к зданиям и сооружениям с различными теплотехническими характеристиками.

По результатам расчетов определяются суммарные нагрузки отопления и вентиляции при расчетной температуре наружного воздуха и воздуха в помещениях (расчетные нагрузки), а также средняя за рассматриваемый период нагрузка горячего водоснабжения. При отпуске тепла на горячее водоснабжение по трехтрубной схеме с использованием линии рециркуляции полученное значение нагрузки ГВС представляет собой сумму собственно нагрузки и потерь тепла в линии рециркуляции, в стояках зданий и полотенцесушителях. Дополнительные потери тепла, связанные с обеспечением нагрузки ГВС, могут быть учтены соответствующим коэффициентом. Этот коэффициент в зависимости от протяженности сетей ГВС и наличия тепловой изоляции стояков может быть принят равным от 0,15 до 0,35 от средней расчетной величины этой нагрузки.

Приведенная выше методика позволяет определять фактические расчетные нагрузки с точностью не менее 5-7% от суммарной их величины. Это обусловлено некоторой вариативностью распределения отпуска тепла между предварительно неизвестными нагрузками отопления и горячего водоснабжения.

Повышение точности определения расчетных нагрузок может быть получено при условии заданности нагрузки горячего водоснабжения. Эта нагрузка может быть получена из анализа отпуска тепла в летний период, когда нагрузки отопления и вентиляции отсутствуют.

Наилучшие условия для определения нагрузки горячего водоснабжения по отпуску тепла будут иметь место за полные недели последнего месяца летнего периода, при котором ремонты в тепловых сетях уже завершены. На основании результатов анализа отпуска тепла в указанные периоды полученное значение средненедельного отпуска тепла следует скорректировать на величину тепловых потерь в тепловых сетях. При этом средненедельное значение нагрузки ГВС в отопительный период с учетом потерь в линии рециркуляции может быть определено по формуле:

где: Qгл- средненедельная нагрузка ГВС в летний период (без учета тепловых потерь), МВт (Гкал/ч); tг - температура воды, подаваемой в краны потребителей, (принимается равной от 60 до 65 ОС); tхо - температура холодной воды в отопительный период (при отсутствии данных может быть принята равной +5,0 ОС); tхл - температура холодной воды в летний период (при отсутствии данных может быть принята равной +15 ОС); Кл - коэффициент, учитывающий снижение нагрузки ГВС в летний период, связанный с отпусками жителей (принимается равным от 0,85 до 0,95).

При принятых условиях уравнение метода наименьших квадратов будет иметь вид, приведенный в (3). Однако условие минимальности Фс будет проще, и включает в себя только уравнение, связанное с нагрузкой отопления:

Дифференцируя Фс по Qро и приравнивая производную к нулю можно получить следующее уравнение:

Используя введенные выше условные обозначения А, А2 и Aq уравнение (18) можно будет представить в виде:

Решая его относительно Qро получим для нагрузки отопления следующее выражение:



Значение расчетной нагрузки при условии tвi=tрв можно принять в качестве начальной величины с последующим его уточнением за счет корректировки внутренних температур tвi в соответствии с формулами (10)-(13).

Применение последнего метода характеризуется несколько большей трудоемкостью, связанной с определением нагрузки горячего водоснабжения, однако позволяет повысить точность получаемых результатов до 3-5% от фактической расчетной нагрузки тепловых сетей.

Примеры использования

Рассмотрим в качестве примера определение расчетной нагрузки тепловых сетей от крупной ТЭЦ одного из городов России с расчетной температурой наружного воздуха для проектирования отопления -24 ОС.

Расчетное значение суммарной тепловой нагрузки для рассматриваемой системы теплоснабжения принималось в соответствии с договорами на теплоснабжение потребителей равным 423 Гкал/ч.

Поскольку основными потребителями с отопительной нагрузкой являются жилые здания, температуру воздуха в помещениях можно принять равной 18 ОС.

Данные о среднемесячных значениях параметров отпуска тепла в отопительном периоде 2011-2012 гг. приведены в таблице.

Выполненные на основании первой из приведенных выше методик расчеты показали, что величина суммарной расчетной нагрузки может быть оценена в 381,0 Гкал/ч, что на 10% ниже значения, принимаемого на основании договоров. При этом расчетная нагрузка отопления составила 305,8 Гкал/ч, а средняя нагрузка ГВС с учетом потерь тепла в линии рециркуляции 75,2 Гкал/ч.

Графики изменения фактической нагрузки и ее требуемых значений в зависимости от температуры наружного воздуха приведены на рисунке.

На этом рисунке фактические значения отпуска тепловой энергии и требуемый отпуск тепла представлены точками, а линией показан график изменения тепловой нагрузки при полученном значении расчетной ее величины. Штриховой линией показан график непосредственной линейной аппроксимации точек фактического отпуска тепла, угол наклона которого не соответствует углу наклона изменения расчетных значений нагрузки при различных температурах наружного воздуха.

Оценочные значения температур воздуха в помещениях приведены в таблице. Из этих данных следует, что фактический отпуск тепла недостаточен для обеспечения требуемых температур в помещениях. При этом недоотпуск тепла на отопление увеличивается по мере понижения температуры наружного воздуха.

Полученные результаты позволяют обоснованно провести анализ параметров и режимов отпуска тепла и разработать мероприятия по повышению эффективности теплоснабжения.

Выводы

Достоверная информация о фактической расчетной нагрузке присоединенных к источникам тепла потребителей позволяет более обоснованно планировать развитие систем теплоснабжения при разработке схем теплоснабжения населенных пунктов и разрабатывать адекватные мероприятия по повышению эффективности теплоснабжения при проведении энергетических обследований тепловых сетей.

Применяемые в настоящее время методики анализа фактического отпуска тепла и тепловых нагрузок не обеспечивают желаемую точность определения расчетной величины этих нагрузок.

Предлагаемые методические подходы позволяют повысить точность оценки суммарных расчетных нагрузок присоединенных к тепловым сетям потребителей и сопровождаются объективным анализом фактических режимов отпуска тепла на отопление и горячее водоснабжение.

Размещено на Allbest.ru

...