Современный подход к разработке перспективной схемы развития тепловых сетей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Современный подход к разработке перспективной схемы развития тепловых сетей

Л.В. Чупин, директор КБ Комплексных систем,

В.И. Шлапаков, зам. гл. инженера Югозападной ТЭЦ С-Петербурга,

Н.В. Бочанова, инженер-программист

Основополагающими факторами, определяющим пути к снижению (замедлению роста) тарифов на тепло, является планирование реконструкции системы теплоснабжения, оптимизация этой системы, перераспределение нагрузок между источниками, рациональное присоединение новых потребителей.

С этой целью для города периодически разрабатывается «Перспективная схема развития теплоснабжения». Но, как показывает практика, эти схемы, во-первых, далеко не оптимальны, во-вторых, в быстро меняющейся экономической ситуации, устаревают, не успев появиться.

Предлагается новый подход к планированию развития систем теплоснабжения городов - вместо периодически разрабатываемых “Перспективных схем развития теплоснабжения” использовать инструмент (компьютерную систему) который позволит реализовать динамическую (реагирующие на изменения условий), постоянно действующую “Схему”. Система позволит оптимизировать как перспективу развития, так и существующую схему сетей.

Такая динамическая схема развития (ДСР) реализуется на основе системы СКФ-99 версии 8.0 и внедряется в ОАО “Омская электрогенерирующая компания”.

В едином информационном пространстве системы решаются как уже внедренные в эксплуатацию задачи (диспетчерская, информационно поисковая, расчетно-аналитические задачи по оптимизации режимов и моделированию функционирования, анализ аварийности и планирование ремонта, документирование присоединения новых потребителей и т.п.), так и принципиально новая - планирование развития сетей на базе ДСР, связь этой схемы с процессом оформления договоров по присоединению новых потребителей (перспективные нагрузки).

Основным объектом в системе является принципиальная гидравлическая схема. Ее создание, модификация и управление осуществляется на базе встроенного графического редактора (рис. 1).

Результаты графических манипуляций отображаются в базе данных (БД) системы. Реализация версии 7.х на базе BDE (Borland Database Engine) показала работоспособность логической схемы БД и ее инвариантность относительно состава и топологии сетей. Эта логическая модель (схематически изображенная на рис. 2) взята за основу ДСР, которая реализуется средствами СУБД ORACLE.

Элементами схемы являются трубы, задвижки, насосы, регуляторы, потребители тепла (индивидуальные тепловые пункты - ИТП, централизованные - ЦТП), камеры и т.п.

Но, в отличие от предыдущих версий системы, БД ДСР реализует механизм порождения схем с наследованием параметров - схема модернизации сетей реализуется как семейство порожденных схем (на каждый год). Схема i-го года порождается на базе схемы i-1 -го года. Схема текущего года (1-я) базируется на рабочей схеме. На рабочей схеме вносятся все фактически произведенные изменения. Схема должна полностью соответствовать текущему состоянию сетей.

Все изменения (изменения нагрузок, перекладки трубопроводов, добавление/удаление участков и т.п.), внесенные на рабочую схему, должны автоматически производиться на всем семействе порожденных схем. Планируемые изменения на схеме i-ого года аналогично отображаются на всех схемах, порожденных от нее (т.е. с годом > i). Таким образом реализуется динамическая перспективная схема развития и модернизации системы теплоснабжения.

Механизм порождения семейства схем схематично показан на рис. 3.

Разработанная при реализации перспективной схемы структура БД позволяет компактно хранить семейства порожденных схем. При этом для порожденных схем хранятся только изменения (по отношению к схеме-родителю).

Процесс порождение и изменения порожденной схемы происходит на таблицах “Перечень элементов” и “Каталог схем”. В таблице “Перечень элементов” каждому элементу (независимо, входит он в одну схему, или в семейство схем) соответствует одна запись с уникальным полем “Код элемента”, ссылкой на i-ю схему (по коду в каталоге) и признаком операции (добавлен / удален - при модификации семейства схем для i-ой схемы возможны такие операции как: добавление элемента (запись в таблицу “Перечень элементов” с новым кодом элемента и кодом схемы, соответствующему выбранному коду этой i-ой схемы из каталога схем), удаление элемента (в записи удаляемого элемента присваивается “код схемы, где элемент удален” значение кода этой i-ой схемы, выбранный из каталога схем) и замена элемента (одновременное удаление и добавление элемента (-ов) на i-ой схеме).

Собственно формирование i-ой схемы семейства происходит динамически следующим образом: после выбора схемы по каталогу создается образ (View - в терминах СУБД ORACLE) - как выборка элементов, которые входят в цепочку порождающих (от корневой до выбранной) схем и еще не удалены.

В рамках СКФ-99 решается задача автоматизации документооборота процесса присоединения перспективных нагрузок (как подключение новых потребителей, так и изменение нагрузок уже подключенных). Этот процесс отображается на ДСР - изменения появляются на схеме года ввода в эксплуатацию или изменения нагрузок и порожденных от нее схем. Перспективная нагрузка вводится на схему в виде потребителя с точной привязкой к координатной сетке, при этом вводятся плановые нагрузки и срок ввода. Таким образом, учитываются будущие потребности тепла.

Далее система решает на ДСР с учетом будущих изменений в потреблении тепла задачу модернизации сетей - формирование мероприятий по изменению состава и топологии сетей с разбивкой по годам и определением объемов работ.

Генерация вариантов модернизации производится:

а) при невозможности подключения перспективных нагрузок;

б) для перераспределения нагрузок между источниками и, как результат, повышения экономических показателей теплоснабжения в целом;

в) при планировании ремонтов (замены труб).

Варианты вырабатываются в трех направлениях: изменение диаметров, изменение топологии, добавление ПНС (насосных станций). Результат является оптимальной с экономической точки зрения суперпозицией перечисленных направлений.

Условия, определяющие модернизацию

При проработке варианта модернизации сетей учитываются все введенные в БД перспективные нагрузки, в том числе и потенциальные.

1. Учитываются стоимости тепла от разных источников.

2. Модернизируется схема магистральных сетей.

3. Учитываются уже запланированные замены труб (если при этом меняются диаметры).

Выработка варианта с изменением диаметров трубопроводов

а) Производится расчет приведенной укрупненной схемы по ФН (по фиксированным нагрузкам, т.е. с оптимальными режимами). Определяется множество врезок N с недостаточным располагаемым напором. Для этого множества определяется множество T участков трубопроводов, изменение диаметров которых значимо влияет на напоры.

б) Это множество ранжируется по интегрированному показателю V.

где - изменение напора на i-м обобщенном потребителе при изменении диаметра трубы на D - единичное приращение; Q_i - тепловая нагрузка этого потребителя; D - диаметр данного участка трубы; L - длина этого участка (иначе говоря D L - материальная характеристика); n - мощность подмножества N_j N, на элементы которого влияет данный участок.

в) Далее для каждого элемента - t Т определяется диапазон эффективного изменения диаметра. Для каждого t зависимость эффективного приращения напоров.

(эфф. ) от приращения D имеет следующий вид показанный на рис. 4.

г) Очевидно, что наращивание диаметра трубы имеет смысл до определенного значения эфф. dH / dD (т.е. граничное значение должно быть задано исходя из экономической целесообразности).

д) Далее для t₁ T производится увеличение диаметра до D+dD (см. пункт г).

е) Мощность Т уменьшаем на единицу (исключая t₁) и повторяем пункта б).

(в результате часть множества Т уйдет из рассмотрения, как маловлияющее - пункт г)

Для всех измененных участков подсчитывается стоимость модернизации См_j, причем если эти участки планируются к замене при плановых ремонтах, то учитывается только составляющая стоимости, связанная с изменением диаметра; и общая стоимость См = См_j (j<I).

В результате работы алгоритма могут быть получены 2 варианта:

1. изменение диаметров обеспечивает необходимые напоры, но с определенной стоимостью затрат;

2. изменение диаметров частично обеспечивает необходимые напоры (у части потребителей).

Во втором случае переходим к следующему варианту, безусловно, в первом - для последующей суперпозиции вариантов с целью получения оптимального по стоимости.

Выработка варианта с изменением топологии сетей

тепловой сеть теплоснабжение модернизация

В постановке задачи изменением топологии сетей считаем:

· перемещение границ раздела меду источниками;

· включение новых перемычек (трубопроводов), изменяющих потокораспределение;

· присоединение новых труб для наращивания мощности сетей.

Задача решается интерактивно. Инженер вводит возможные перемычки и новые трубы. Система просчитывает вариант и автоматически определяет границы раздела и диаметры введенных труб.

Условия определения границ раздела:

· обеспечение необходимых напоров на всех потребителях (обязательное условие);

· перераспределение нагрузок в пользу источников с меньшей стоимостью тепла.

Задача определения границ раздела решается следующим образом (на укрупненной схеме).

а) Берется приоритетный источник и от него по всем лучам (направлениям) производится пошаговое (т.е. по очереди на каждом направлении) подключение участков (с нагрузками) до достижения предельного напора на потребителе. Направление с достигнутым предельным напором далее не наращивается, но может укорачиваться при уменьшении напора за счет наращивания других направлений. При ветвлении направления в качестве направления рассматривается каждая ветвь. Таким образом, получается первоначальная модель с условно равными напорами на концах направлений.

б) Следующий этап - оптимизация этой модели с целью увеличения суммарной нагрузки. Производится единичное отсечение нагрузки на отдельном направлении с одновременным наращиванием на остальных. (Из этого процесса исключаются направления, связанные только с данным источником, их обеспечение - обязательное условие при решении задачи.) При этом определяется изменение суммарной нагрузки - положительное или отрицательное.

При отрицательном изменении производится откат к предыдущему состоянию, и направление считается запрещенным, при положительном изменение принимается и направление считается разрешенным для дальнейших изменений. Процесс осуществляется пошагово по кругу по разрешенным направлениям.

в). Берется следующий по приоритету источник и для него выполняется алгоритм а), б).

В реализации предполагается использование ряда эвристик и ограничений.

После определения границ может запускаться задача оптимизации диаметров с расчетом суммарной стоимости модернизации для оценки вариантов - частичная суперпозиция вариантов. При оценке стоимости варианта должен учитываться экономический эффект от перераспределения нагрузок в пользу более дешевых источников.

Выработка варианта с изменением состава сетей

В данном случае имеется ввиду установка ПНС. Эта задача решается интерактивно и выполняется в случае, если ни варианты с изменением диаметров или топологии, ни их суперпозиция не обеспечили присоединение части перспективных нагрузок или этот вариант получается слишком дорогим (пока считаем что оценка органолептическая) или для проработки дальнейшего перераспределения нагрузок между источниками (невозможного на основе первых двух вариантов).

При этом:

1. Определяются наиболее проблематичные направления (оценкой удельных затрат на присоединение перспективы предыдущими вариантами).

2. Определяются точки (в которых можно установить ПНС) наибольшего влияния (т.е. при единичном повышении напора в данной точке - максимальное увеличение эффективного напора dH=h_i * Q_i) на этих направлениях.

3. Инженер выбирает из полученных точек те (ту) которые считает целесообразными для установки ПНС.

4. Далее выбирается единица приращения напора ПНС, определяется ее ориентировочная стоимость (с учетом затрат при эксплуатации) и задача решается в цикле:

а) приращение напора ПНС

б) решение задачи изменения диаметров труб от исходных диаметров.

в) расчет стоимости варианта.

Если стоимость снизилась по сравнению с предыдущим шагом цикла, то цикл повторяется с пункта а); иначе берется результат предыдущего шага как оптимальный.

Таким образом, решается суперпозиция всех трех вариантов модернизации. В результате до определенных пределов может быть использован только первый, а далее - все три.

Результатом внедрения описанной выше системы является постоянно актуальная схема перспективного развития теплоснабжения (пока в части инженерных - схемных - решений), оперативно реагирующая как на изменение рынка потребления тепла, так и на экономическую ситуацию (изменение стоимостей разных видов топлива, материалов и т.д.).

Возможно развитие данной системы как общегородской с включением в рассмотрение всех сетей и источников тепла (муниципальных и ведомственных), доведение ее до функциональной полноты, до соответствия с требованиями к Схеме перспективного развития (решение вопросов экологии, социальных, увязка с архитектурой и другими планами и т.п.).

Размещено на Allbest.ru