Выбор оптимального проектного и эксплуатационного температурного графика системы теплоснабжения

Д.т.н. Б.В. Яковлев, профессор, заведующий сектором РУП «БелНИПИэнергопром», г. Минск, Республика Беларусь

Суть вопроса и исходные условия

Основной задачей регулирования отпуска теплоты в системах теплоснабжения является поддержание комфортной температуры и влажности воздуха в отапливаемых помещениях при изменяющихся на протяжении отопительного периода внешних климатических условиях и постоянной температуре воды, поступающей в систему горячего водоснабжения (ГВС) при переменном в течение суток расходе.

Первоначально основным видом тепловой нагрузки являлась нагрузка систем отопления, присоединенных к тепловой сети по зависимой схеме через водоструйные элеваторы, а используемое при этом центральное качественное регулирование заключалось в поддержании на источнике теплоснабжения температурного графика (температуры прямой сетевой воды), обеспечивающего в отопительный период необходимую температуру внутри отапливаемых помещений при неизменном расходе сетевой воды. Такой температурный график, называемый отопительным, с расчетной температурой воды на источнике 150/70 или 130/70 ОC, обоснованный в свое время, и применяется при проектировании систем централизованного теплоснабжения. При этом домовые системы отопления обычно рассчитываются на температурный график 95/70 или 105/70 ОC, 110/70 ОC (панельное отопление).

С появлением нагрузки ГВС минимальная температура прямой сетевой воды в тепловой сети (на источнике) была ограничена величиной, необходимой для нагрева в системе ГВС водопроводной воды до температуры 55-60 ОC, требуемой по СНиП, несмотря на то, что по отопительному температурному графику в этот период требуется вода значительно более низкой температуры (рис. 1). Вызванный этим излом (срезка) отопительного температурного графика и отсутствие местного количественного регулирования расхода воды на отопление приводят к перерасходу теплоты на отопление (перетопу помещений) в зоне положительных температур наружного воздуха.

Для принятого в отечественной практике качественного регулирования отпуска в отопительный период теплоты от источника при построении отопительного температурного графика системы теплоснабжения могут использоваться следующие упрощенные зависимости:

¦ для температуры прямой сетевой воды: tпс=18+(18-tнар)Ч[(tрпс-18)/(18-tрно)];

¦ для температуры обратной сетевой воды: tос=18+(18-tнар)Ч[(tрос-18)/(18-tрно)],

где 18 - расчетная температура воздуха внутри отапливаемых зданий (жилых, административных, общественных), ОC; tрно - расчетная температура наружного воздуха для отопления; tнар -текущая температура наружного воздуха, ОC; tnc. toe - расчетная температура прямой и обратной сетевой воды при tрно (на рис. 1 соответственно 150 и 70 ОC), ОC.

Температура обратной сетевой воды после систем отопления в зоне срезки температурного графика (tсрезнар=+8 ОC) находится путем решения системы двух уравнений: теплового баланса отапливаемого помещения и теплопередачи отопительных приборов. В результате:

Поскольку произвольное изменение расхода воды в наших системах отопления приводит к их поэтажной разрегулировке, местное количественное регулирование (расходом теплоносителя) теплопотребления при зависимом присоединении систем отопления через элеваторы может производиться только пропусками, т.е. полным прекращением циркуляции воды в системе отопления в течение определенного периода времени на протяжении суток. Частичное сокращение расхода сетевой воды на отопление на источнике при неизменном расходе воды в местной системе отопления может производиться при установке на абонентском вводе смесительного насоса или при независимом присоединении систем отопления, а также при установке на ИТП водоструйных элеваторов с регулируемым сечением рабочего сопла.

Покрытие нагрузки ГВС вызывает не только ограничение нижнего предела температуры прямой сетевой воды, но и нарушение других условий, принятых при расчете типового отопительного температурного графика. Так, в закрытых и открытых системах теплоснабжения, в которых отсутствуют регуляторы расхода сетевой воды на отопление, переменный расход воды на ГВС приводит к изменению расходов сетевой воды и сопротивления сети, располагаемых напоров на источнике и у потребителей, и в конечном счете - расходов воды в системах отопления.

В двухступенчатой последовательной схеме включения системы отопления и подогревателей ГВС изменение нагрузки второй ступени приводит к изменению температуры воды, поступающей в систему отопления. В этих условиях типовой отопительный температурный график 150/70 ОC не обеспечивает требуемого соответствия расхода теплоты на отопление от температуры наружного воздуха. Поэтому были разработаны методы расчета температурных графиков центрального регулирования по совместной нагрузке отопления и ГВС, основанные на использовании уравнений характеристики теплообменных аппаратов. В результате были рекомендованы так называемые «повышенные» графики для закрытых систем теплоснабжения, когда температура прямой сетевой воды в зависимости от нагрузки ГВС принимается на 3-5 ОC выше, чем при типовом графике, а расход воды в системе теплоснабжения определяется только по отопительной нагрузке, и «скорректированные» графики для открытых систем теплоснабжения. Однако такие графики практически не используются из-за ограниченного применения по ряду причин обеих схем обеспечения нагрузки ГВС.

В то же время наличие установок ГВС в отапливаемых зданиях снижает температуру обратной сетевой воды против чисто отопительного графика, что приводит к дополнительному энергетическому эффекту при теплоснабжении от ТЭЦ. Величина снижения зависит от схемы включения этих установок (параллельная, смешанная, двухступенчатая последовательная) и доли нагрузки ГВС от отопительной и может составлять 5-15 ОC. Но для этого опять-таки требуется отлаженная и согласованная работа систем автоматического регулирования на ИТП и ЦТП отопительной и горячеводной нагрузки в зависимости от режимов теплопотребления.

Для отечественных систем теплоснабжения характерны преимущественное применение закрытой смешанной и параллельной схем включения на ИТП и ЦТП установок ГВС и работа источников по чисто отопительному графику с изменением расхода сетевой воды в течение отопительного периода, вызванного только нагрузкой ГВС.

Здесь необходимо отметить, что желание понизить температуру воды после систем отопления зданий, запроектированных и работающих по графику 95/70 ОC, о чем иногда поднимается разговор, абсолютно не реально без их серьезной технической модернизации и реабилитации к новым условиям работы, что потребует больших материальных и финансовых затрат.

Следует также отметить, что проводимая в Белоруссии в последние годы директивная кампания экономии топлива в системах теплоснабжения за счет снижения против проектного графика температуры прямой сетевой воды, к сожалению, не основывается на серьезных технико-экономических проработках и обоснованиях и в большинстве систем приводит к кратковременному положительному топливному эффекту (до очередной перенастройки систем отопления зданий) либо, напротив, к отрицательному. Снижение температуры прямой сетевой воды (в частности переход на график (120-125)/70 ОC) при одновременном увеличении ее расхода, исходя из баланса покрытия тепловых нагрузок, стало возможным вследствие значительного спада в нынешней экономической ситуации тепловых нагрузок источников и соответственно тепловой загрузки тепломагистралей от них. И это может рассматриваться только как временное явление до восстановления проектных тепловых нагрузок.

К тому же следует иметь в виду, что снижение против проектной температуры прямой сетевой воды при одновременном увеличении ее расхода изменяет условия теплообмена в теплоиспользующих установках (подогревателях, отопительных приборах) и приводит к повышению температуры обратной сетевой воды, что снижает энергетический эффект при теплоснабжении от ТЭЦ.

Совершенно по-разному проявляется влияние температурного графика на энергетическую и экономическую составляющую эксплуатационных затрат в системах теплоснабжения с ТЭЦ и котельными.

Поэтому принятие оптимального температурного графика для конкретных систем теплоснабжения обуславливается рядом технических, режимных, эксплуатационных и экономических факторов. Для решения поставленной задачи необходим предварительный анализ некоторых из этих факторов.

В частности РУП «БелНИПИэнергопром» был выполнен анализ тепловой загрузки и использования расчетной пропускной способности водяных тепловых сетей, находящихся в ведении концерна «Белэнерго». При этом использовались два показателя:

¦ коэффициент загрузки тепловых сетей, определяемый как отношение фактически достигнутого максимального часового отпуска теплоты потребителям Qфакт к расчетной тепловой нагрузке потребителей QpaC4: кзагр=0факт/0расч.

¦ коэффициент использования пропускной способности тепловых сетей, равный отношению фактического расхода сетевой воды в данной магистрали Gфакт к расчетному расходу Gрасч, необходимому для транспортировки фактической тепловой нагрузки при расчетном температурном графике: kтсисп=Gфакт/Gрасч.

Результаты анализа показали, что для тепловых сетей характерна недогрузка по теплу - коэффициент загрузки всех тепловых сетей меньше 1. Средний коэффициент их загрузки по концерну составляет 0,56, наибольший коэффициент загрузки тепломагистралей характерен для РУП «Гродноэнерго» - 0,64.

С другой стороны, коэффициент использования пропускной способности водяных тепломагистралей в подавляющем большинстве случаев превышает 1. Это свидетельствует о том, что в этих магистралях не выдерживается расчетный (проектный) температурный график теплосети. То есть коэффициент использования пропускной способности тепломагистралей показывает, насколько занижен существующий температурный график против расчетного. Так, при коэффициенте использования пропускной способности тепломагистрали, равном 2, фактический температурный график при ??0 соответствует отношению температур прямого и обратного теплоносителя 110/70 ОC вместо расчетных 150/70 ОC, а при коэффициенте 2,5 это отношение будет 102/70 ОC. А некоторые тепломагистрали работают с коэффициентом использования пропускной способности больше 3 (тепломагистрали Барановичской ТЭЦ, тепломагистраль ТМ-3 Минской ТЭЦ-3). Средний коэффициент использования пропускной способности тепломагистралей по концерну составляет 1,9.

Кроме двух приведенных коэффициентов, может быть введен коэффициент, равный их произведению, и таким образом характеризующий использование расчетной пропускной способности магистрали:

L.TC _.ТС |ТС /Q1

kисп(р)=kзагр.kисп. (2)

Этот коэффициент называется коэффициентом использования расчетной пропускной способности магистрали.

Если принять расход сетевой воды при расчетной тепловой нагрузке и расчетном температурном графике за 1, то данный коэффициент покажет, насколько фактический расход больше (меньше) расчетного расхода.

В результате сопоставления коэффициентов использования расчетной пропускной способности различных тепломагистралей последние условно можно разделить на три категории:

¦ недогруженные, у которых коэффициент сисп(р) меньше 1 (к примеру, это тепломагистрали Новополоцкой ТЭЦ, где средний kтсисп(р)=0,575; тепломагистрали Витебской ТЭЦ - 0,9; тепломагистрали Западной котельной Гомеля - 0,9; тепломагистрали Минской ТЭЦ-4 - 0,8; тепломагистрали Минской ТЭЦ-3 - 0,9);

¦ незначительно перегруженные, у которых сисп(р) находится в пределах 1-1,3 (это тепломагистрали витебских котельных «Южная» и «Северная», Гомельской ТЭЦ-2, минских котельных

«Орловская», «Масюковщина», «Западная», «Харьковская», «Курасовщина», Могилевской ТЭЦ-2, Бобруйской ТЭЦ-2); ¦ перегруженные, у которых kтсисп(р) превышает 1,3.

Возможность работы значительной части перегруженных магистралей с таким коэффициентом расчетной пропускной способности объясняется большим запасом по пропускной способности, заложенным при их проектировании.

Таким образом, на основании вышесказанного можно констатировать следующее.

С 1950-х гг. традиционно принимается типовой температурный график 150/70 или 130/70 ОC качественного регулирования отпуска теплоты от источника, в свое время обоснованный применительно к температурному графику 95/70 ОC систем отопления жилых и общественных зданий также с качественным регулированием потребления теплоты.

Качественное регулирование обеспечивает стабильный расход теплоносителя и, соответственно, гидравлический режим системы теплоснабжения на протяжении всего отопительного периода, что является основным его достоинством.

Применение отличного от типового (150/70 ОC) температурного графика допускается при его технико-экономическом обосновании. Например, графики (160-180)/70 ОC могут оправдываться в новых и модернизируемых системах теплоснабжения с удаленными источниками теплоты (ТЭЦ, АТЭЦ, модернизируемые для теплоснабжения КЭС и АЭС), а графики (120-130)/70 ОC - как временные в действующих системах теплоснабжения при их тепловой недогрузке (резерве по пропускной способности), если это не требует серьезной переналадки системы и больших затрат.

Приниматься любой график должен на основе методического подхода, охватывающего все обусловленные этим технические и экономические аспекты.

температурный график тепловой энергетический

Критерии обоснования температурного графика

Как сказано выше, традиционно наши системы отопления жилых и общественных зданий проектируются и эксплуатируются исходя из внутреннего расчетного температурного графика обычно 95/70 ОC с элеваторным качественным регулированием параметра (температуры) теплоносителя, поступающего в отопительные приборы. Этим как бы жестко фиксируется температура теплоносителя, возвращаемого на источник теплоснабжения, и на ее возможное снижение влияет лишь наличие в зданиях систем ГВС (закрытых, открытых). Поэтому в практическом плане стремление к снижению затрат на транспорт водяного теплоносителя от источника к потребителю сводится к выбору оптимальной температуры нагрева теплоносителя на источнике. С этим связаны: расход теплоносителя и затраты на его приготовление и перекачку; пропускная способность (диаметр трубопровода) теплосети и ее стоимость; появление подкачивающих насосных станций (как при высокой, так и низкой температуре прямой сетевой воды); тепловые потери через изоляцию теплопроводов (либо при фиксированных потерях увеличиваются затраты в изоляцию); перетопы зданий при положительных наружных температурах из-за срезки графика температуры прямой сетевой воды при наличии у абонентов установок ГВС, а соответственно дополнительные потери теплоты (топлива); выработка электроэнергии на теплофикационных отборах турбин ТЭЦ и замещающей станции энергосистемы.

Исходя из сказанного, оптимальная температура нагрева теплоносителя на источнике определяется условием минимума суммарных затрат (в журнальной версии статьи методика расчета затрат не приводится - прим. ред.):

З=f(Зтс, Зпер, Знас, Зтп, Зпз, Зээ, Зсв) = min (3)

где соответственно затраты: Зтс - в тепловые сети; Зпер - на перекачку теплоносителя; Знас - в насосные станции; Зтп - на тепловые потери в сетях; Зпз - на перетопы зданий; Зээ - на компенсацию выработки электроэнергии в энергосистеме; Зсв - на изменение расхода топлива на отпуск теплоты от источника в связи с нагревом сетевой воды при ее сжатии в насосах.

Оптимизация температурных графиков может осуществляться как для создаваемых, так и для действующих систем теплоснабжения.

Для вновь создаваемых систем теплоснабжения критерием оптимальности может быть минимум суммарных затрат за расчетный период с дисконтированием их к расчетному году, что в наибольшей степени соответствует нашим условиям начального этапа развития рыночной экономики, т.к. позволяет учесть и ущербы от замораживания капвложений в период строительства, и эффект движения капитала в народном хозяйстве в течение всего рассматриваемого периода [1,2].

Формула суммарных затрат имеет вид:

где Кt и Иt - капвложения и годовые издержки по годам расчетного периода Тр; Лt - стоимость выбывающих основных фондов в году t расчетного периода и стоимость остаточных основных фондов на конец расчетного периода; x - произвольно принятый год приведения затрат в интервале расчетного периода; E - коэффициент приведения, принимается равным средней норме прибыли по величине банковского процента на капитал, E=0,1.

В Республике Беларусь во всех крупных и средних городах действуют сформировавшиеся системы централизованного теплоснабжения, и появление в ближайшей перспективе новых крупных источников и систем теплоснабжения маловероятно. В таких условиях первостепенное внимание должно быть сосредоточено на разработке методических положений по оптимизации не только температурных графиков, но и режимов работы действующих систем теплоснабжения в целом, включая источник, тепловые сети, теплоиспользующие установки. Причем подобная оптимизация необходима как для отопительного, так и летнего периода.

Для действующих систем теплоснабжения в исходных формулах суммарных затрат возможно появление дополнительных затрат, связанных с необходимостью увеличения поверхностей нагрева отопительно-вентиляционного оборудования (подключаемого непосредственно к сети без смесительных устройств) и пропускной способности распределительных (квартальных, площадочных) тепловых сетей, а также переналадки систем теплопотребления при переходе на пониженный температурный график.

Затраты в тепловые сети Зтс оцениваются по проектным данным (аналогам) либо по удельным нормативным показателям в зависимости от диаметра теплопровода и способа его прокладки.

Знаки составляющих уравнения (3) зависят оттого, повышается либо понижается температура нагрева сетевой воды на источнике. Для простоты расчетов вместо полных значений составляющих затрат можно использовать их изменение по отношению к базовому варианту.

В качестве энергетического критерия оптимальности при выборе эксплуатационного температурного графика в действующей системе теплоснабжения может быть принят минимум расхода топлива, требуемого для функционирования системы:

В = Bпер+Bтп+Bпз+Bээ+Bсв=min (5)

где Bпер - расход топлива на производство электроэнергии в энергосистеме, расходуемой на перекачку теплоносителя;

Bтп - расход топлива на производство теплоты, теряемой при транспорте теплоносителя;

Bпз - расход топлива на производство теплоты, теряемой с перетопами зданий;

Bээ - изменение расхода топлива в энергосистеме при изменении выработки на тепловом потреблении;

Bсв - изменение расхода топлива на отпуск теплоты от источника в связи с нагревом сетевой воды при ее сжатии в насосах.

Влияние температурных графиков на составляющие затрат топлива

В соответствии с уравнением (5) были выполнены расчеты и анализ влияния температурных графиков на каждую из его составляющих.

Расчеты выполнялись для следующих исходных данных:

¦ температурные графики варьировались в пределах от 150/70 до 100/70 ОC;

¦ температура прямой сетевой воды в точке срезки графика принималась равной 65 и 60 ОC;

¦ затраты на перекачку теплоносителя принимались равными 5, 10 и 15 (кВт.ч)/МВт;

¦ тепловые потери в сетях принимались равными 5, 10 и 15% от суммарного отпуска теплоты при графике 150/70 ОC (при других графиках велся их пересчет);

¦ выработка электроэнергии на тепловом потреблении определялась для теплофикационной турбины с двухступенчатым подогревом сетевой воды.

Для наглядности и удобства анализа дополнительные затраты топлива по каждой составляющей и суммарные отнесены на единицу отпускаемой от источника теплоты - 1 МВт.

Результаты расчетов представлены на рис. 2.

Наибольшее влияние температурный график теплосети оказывает на режимы и эффективность работы оборудования ТЭЦ. И необходимость учета всех рассмотренных факторов зависит от конкретно решаемой задачи.

Для систем теплоснабжения с котельными переход на пониженный температурный график прямой сетевой воды вызывает увеличение затрат на перекачку теплоносителя, ограничивает тепловой резерв магистралей и может потребовать внесения изменений в тепловую схему котельной и режим работы котлов, если они не пропускают больший расход сетевой воды.

Выводы

1. Методические положения, предложенные автором (в журнальной версии статьи методики не приводятся - прим. ред.), позволяют с достаточной точностью определить энергетическую (тепловую, топливную) и экономическую эффективность перехода на измененный против проектного температурный график работы системы теплоснабжения, прежде всего по прямой сетевой воде. Причем оценка может производиться как по отдельным составляющим, связанным с этим мероприятием (перетопы зданий, перекачка теплоносителя, выработка электроэнергии на тепловом потреблении, тепловые потери при транспорте теплоносителя и др.), так и в комплексе. Методический подход применим для систем теплоснабжения с ТЭЦ и котельными.

2. Как показал анализ работы ряда существующих систем теплоснабжения, переход в некоторых из них с проектного температурного графика 150/70 ОC на пониженный график (130-120)/70 ОC стал возможным благодаря спаду тепловых нагрузок источников и высвобождения вследствие этого тепловой мощности тепломагистралей, что позволяет пропускать по ним соответствующий измененному графику больший расход сетевой воды. Ноэкономическая целесообразность этого мероприятия в целом не оценивалась.

3. Исследования показали, что при теплоснабжении от ТЭЦ эксплуатационный температурный график в прямой сети может быть в пределах 125-150 ОC в зависимости от тепловой и гидравлической загрузки магистралей. Оптимум при этом зависит от дальности транспорта теплоты, которая характеризуется удельными затратами электроэнергии на перекачку теплоносителя, и от величины тепловых потерь в сетях. Рост тепловых потерь в сетях приводит к снижению температурного графика, а увеличение расхода энергии на перекачку теплоносителя (увеличение его расхода в сети либо дальности транспорта) вызывает повышение графика.

4. Как показывают расчеты, энергетически и экономически более выгодным в ряде случаев, даже в недогружаемых системах теплоснабжения, является работа по проектному температурному графику 150/70 ОC, но с его срезкой в зоне отрицательных температур наружного воздуха, когда температура прямой сетевой воды достигает 120-130 ОC. Температура срезки определяется условиями эксплуатации системы теплоснабжения. Главное, при этом обеспечивается стабильный гидравлический режим системы и не требуется переналадка сетей и абонентских узлов.

Расчет эксплуатационного температурного графика должен производиться для конкретных условий эксплуатации систем теплоснабжения перед предстоящим отопительным сезоном.

5. При теплоснабжении от котельной во всех случаях оптимальный эксплуатационный температурный график отпуска теплоты фактически соответствует проектному 150/70 ОC, о чем свидетельствует пологость оптимума минимизируемой функции суммарных затрат топлива (рис. 2), т.е. оптимум не достигается даже при графике 150/70 ОC.

6. Переход на проектный температурный график ниже типового 150/70 ОC при качественном регулировании отпуска теплоты от источника и общепринятом температурном графике работы систем отопления зданий 95/70 ОC, как правило, не оправдывается. И вряд ли на это следует идти, учитывая возможную модернизацию в недалеком будущем систем централизованного теплоснабжения за счет гидравлического разделения теплоснабжающего и теплоис-пользующего контуров, т.е. перехода на независимые системы теплоснабжения.

7. Как при теплоснабжении от ТЭЦ, так и от котельной срезка температурного графика в зоне положительных температур наружного воздуха в отопительный период из-за наличия абонентских установок ГВС соответствует температуре прямой сетевой воды 63-65 ОC (при качественной тепловой изоляции теплосетей, обеспечивающей нормативные теплопотери).

В летний период эта температура должна быть 65-70 ОC для исключения недогрева воды в абонентских установках ГВС до 50-55 ОC (по СНиП) и избежания вследствие этого потерь теплоты со сливом и повышенного расхода водопроводной воды [3].

Снижение в летний период температуры прямой сетевой воды ниже указанного уровня существенно увеличивает расход электроэнергии на перекачку теплоносителя и в то же время практически мало сказывается на тепловых потерях в сетях и теплофикационной выработке электроэнергии на ТЭЦ.

Кроме того, известно, что снижение температуры прямой сетевой воды ниже 70 ОC усиливает коррозию трубопроводов теплосетей, имеющих минераловатную изоляцию и некачественную гидрозащиту, что свойственно нашим сетям, из-за увлажнения и недостаточного высыхания изоляции. По этой причине в системах теплоснабжения западных стран температура прямой сетевой воды не опускается ниже 80 ОC, за исключением систем с теплосетями, имеющими пенополиуретановую тепловую изоляцию и наружную гидрозащиту в виде полиэтиленовой оболочки. Проигрыш при этом от потерь теплоты через изоляцию сетей и в выработке электроэнергии при теплоснабжении от ТЭЦ перекрывается выигрышем от уменьшения расхода теплоносителя и применения качественно-количественного регулирования отпуска теплоты от источника, а также сокращения затрат на замену и ремонт поврежденных коррозией сетей.

Литература

1. Методика технико-экономических расчетов в энергетике/Государственный комитет по науке и технике, Академия наук СССР, Министерство энергетики и электрификации. - М., 1966.

2. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов и их отбору для финансирования / Официальное издание. -М., 1994.

3. Черковский Н.М. Оптимизация температурного графика отпуска тепла в межотопительный период // Энергия и менеджмент. 2002. №2. С. 10-14.

Размещено на Allbest.ur