Размещено на http://www.allbest.ru/

Управление расходом теплоносителя для теплоснабжения потребителей

К.т.н. А.Г. Батухтин

В настоящее время все большее внимание в развитии энергетики получают технологии, направленные на оптимизацию уже имеющихся технологических решений с целью энергосбережения. Такой подход обусловлен как политической стратегией развития энергетики России, что отражено в Федеральном законе № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности», так и конкуренцией существующих систем централизованного теплоснабжения при современных рыночных отношениях в энергетике. Особенно актуально встает вопрос о повышении конкурентоспособности существующих ТЭЦ как основы теплофикации РФ. При этом сложная экономическая ситуация и отсутствие свободных финансовых ресурсов у генерирующих компаний вызывает необходимость изыскивать малозатратные методы энергосбережения [1].

На сегодняшний день разработано множество способов оптимизации отпуска тепловой энергии от ТЭЦ потребителям с учетом особенностей функционирования тепловых сетей как в системах с открытым водоразбором на нужды ГВС [2, 3], так и закрытым [4, 5].

Прогрессирующее развитие техники и в том числе электроники способствовало развитию сложных систем автоматического регулирования. Современная система автоматического регулирования (САР) обладает рядом преимуществ, которых было затруднительно добиться в начале прошлого века, когда становилось централизованное теплоснабжение. В настоящее время одним из главных достоинств САР является возможность реализации сложных законов автоматического регулирования, кроме того, в большинство стандартных систем заложена возможность перепрограммирования, т.е. изменения законов регулирования и управления системой [6]. В таких условиях приобретают значительную актуальность автоматизированные системы регулирования, позволяющие минимизировать теплопотребление, при этом создавая комфортные температурные условия для потребителей.

Существующие автоматизированные системы способны максимально точно отслеживать множество параметров, как теплоносителя, так и воздуха внутри помещений и за пределами здания, и, как следствие, способны к регулированию теплопотребления на достаточно высоком уровне. Однако подобные системы включают в себя большое количество элементов, установка которых необходима на каждом потребителе системы, вследствие чего основным недостатком таких систем являются значительные капитальные затраты и затраты на обслуживание при внедрении автоматики для группы потребителей.

Для решения проблемы затрат на оборудование предлагается внедрение запатентованной автоматизированной системы регулирования расхода теплоносителя для теплоснабжения групп потребителей (рис. 1), при которой полный комплект автоматики устанавливается только на потребителе с максимальной тепловой нагрузкой (автоматизированный потребитель), на остальных потребителях системы (неавтоматизированные потребители) устанавливают только датчики температуры внутреннего воздуха и датчики расхода теплоносителя [7].

Рис. 1. Автоматизированная система регулирования расхода теплоносителя:

1 - источник тепла, 2 - автоматизированный потребитель, 3 - неавтоматизированный потребитель, 4 - теплоэнергопроцессор (ТЭП), 5 - подающий трубопровод, 6 - обратный трубопровод, 7 - датчик расхода теплоносителя, 8 - регулятор расхода теплоносителя, 9 - комплекс датчиков автоматизированного потребителя, включающий в себя датчики расхода, температуры и давления теплоносителя, 10 - циркуляционный насос, 11 - датчик температуры внутреннего воздуха, 12 - датчик температуры наружного воздуха.

Система работает следующим образом: при изменении параметров окружающей среды таким образом, что появляется необходимость повышения тепловой нагрузки потребителей, ТЭП 4 дает сигнал на регулятор расхода 8 для повышения расхода теплоносителя на автоматизированного потребителя 2, что позволяет поддерживать заданную температуру внутреннего воздуха автоматизированного потребителя 2, в то же время неавтоматизированный потребитель 3 начинает испытывать дефицит тепловой энергии, что приводит к постепенному снижению его температуры внутреннего воздуха, отслеживаемой датчиком 11. При снижении температуры внутреннего воздуха неавтоматизированного потребителя 3 до нижнего установленного предела, ТЭП 4 дает сигнал на регулятор расхода 8 для снижения расхода теплоносителя на автоматизированного потребителя 2, что приводит к увеличению расхода на неавтоматизированного потребителя 3 за счет увеличения напора в теплосети. Снижение расхода на автоматизированного потребителя производится до тех пор, пока расход на неавтоматизированного потребителя 3 не достигнет минимального необходимого значения.

При помощи датчика расхода 7 ТЭП 4 отслеживает изменение расхода на неавтоматизированного потребителя, после достижения минимального необходимого значения расхода, ТЭП 4 перестает подавать сигнал на регулятор расхода 8, тем самым стабилизируя систему, после чего начинается прогрев неавтоматизированного потребителя 3, а автоматизированный потребитель 2 постепенно охлаждается, расходуя аккумулированное тепло. Как только температура внутреннего воздуха неавтоматизированного потребителя 3 достигнет верхнего установленного предела, или температура внутреннего воздуха автоматизированного потребителя 2 опустится до нижнего установленного предела, ТЭП 4 возвращает систему в исходное состояние.

Таким образом, циклы перераспределения расходов позволяют соблюсти температурный режим подключенных к тепловым сетям потребителей без установки дополнительных устройств регулирования, что позволяет экономить капитальные затраты на установку устройств автоматики и затраты на их обслуживание.

Поскольку принцип работы схемы основан на гидравлических зависимостях в тепловых сетях, то на нее накладывается ряд ограничений в использовании, так для сетей с «хорошей» гидравликой данный метод будет малоэффективным в связи с незначительной зависимостью между расходом теплоносителя и перепадом давления в теплосети. Но, несмотря на это, особую актуальность схема принимает для тупиковых сетей с ухудшенными гидравлическими показателями, что можно показать на примере зданий Забайкальского государственного университета.

В составе Забайкальского государственного университета имеются два здания, расположенные на одном ответвлении от магистральной тепловой сети, с нагрузками 1,2 и 0,3 Гкал/ч соответственно для первого и второго здания. После проведения мероприятий по автоматизации первого здания было замечено, что при увеличении нагрузки на первом здании, второе здание начинает испытывать дефицит тепловой энергии, в связи с чем был предложен проект автоматизации второго здания для сокращения полученного дефицита, стоимость которого составляет порядка 900 тыс. руб.

В ходе ряда экспериментов было установлено, что при существующих гидравлических условиях и при расчетных параметрах изменение расхода теплоносителя у первого потребителя на 8 т/ч приводит к изменению расхода у второго потребителя в среднем на 1 т/ч, что при соответствующих нагрузках дает большой диапазон для регулирования, тем самым позволяя внедрить вышеизложенную схему. Причем стоимость модернизации существующей схемы, при которой первое здание уже имеет полный комплекс автоматики, до вышеизложенной составляет около 20 тыс. руб. Таким образом, внедрение данной автоматизированной системы регулирования позволит сократить капитальные затраты на 97,7% от первоначальной стоимости проекта.

Помимо локального использования системы для конкретных зданий, вышеизложенный принцип регулирования может быть осуществлен и в более широких рамках. Так, в условиях современной городской застройки, к сетям централизованного теплоснабжения присоединяются не только единичные здания с автоматизированной системой отопления, но и микрорайоны, состоящие из десятков зданий, обладающих современной автоматикой. Работа автоматики таких микрорайонов во многих случаях оказывает достаточно сильное гидравлическое влияние на остальных потребителей системы, находящихся на большом расстоянии друг от друга, что может приводить к дефициту тепла в некоторых районах города. Принцип регулирования в подобном случае можно продемонстрировать на примере теплосетей города Читы.

К городским теплосетям (рис. 2), источником тепла в которых является ТЭЦ-1, подключен микрорайон «Октябрьский» с общей тепловой нагрузкой 14 Гкал/ч, обладающий комплексной системой автоматики с единым центром управления для всего микрорайона. При регулировании нагрузки в масштабах микрорайона неизбежно значительное изменение расходов в теплосетях города, а с учетом их протяженности такое регулирование приводит к изменению располагаемого напора у остальных потребителей (особенно у концевых, с недостаточными напорами).

Первым этапом, перед применением принципа автоматического регулирования групп потребителей, является определение района, на который будет оказываться наибольшее влияние вследствие изменения нагрузки в микрорайоне «Октябрьский». Влияние микрорайона «Октябрьский» определяется на основании гидравлического расчета теплосети ТЭЦ-1 - Город при переменной нагрузке на микрорайон. Имея значительное количество потребителей в системе теплоснабжения, гидравлический расчет целесообразно проводить с применением современных систем математического моделирования теплосетей. Создание максимально приближенной к реально существующим гидравлическим условиям математической модели теплосети ТЭЦ-1 - Город позволило оценить и сравнить влияние изменения нагрузки микрорайона для всех потребителей системы. Согласно расчетам, наибольшее влияние «Октябрьский» оказывает на микрорайон «Сосновый бор» с общей тепловой нагрузкой 26,5 Гкал/ч, находящийся на удалении порядка восьми километров от «Октябрьского». Причем изменение нагрузки «Октябрьского» на 50% в сторону уменьшения или увеличения приводит к изменению располагаемого напора перед микрорайоном «Сосновый бор» в среднем на 20% от расчетного значения, что говорит о сильной гидравлической зависимости микрорайонов. теплоснабжение потребитель автоматизированный

Следующим этапом является установка датчика расхода перед микрорайоном «Сосновый бор», а также установка датчиков температуры внутреннего воздуха в контролируемых зданиях, и обеспечение связи между датчиками в «Сосновом бору» и единым контроллером в «Октябрьском». Установка датчиков температуры внутреннего воздуха необязательна для всех зданий микрорайона, достаточно установить датчики на зданиях, находящихся в наихудших условиях, таким образом, обеспечив теплом эти здания, мы заведомо обеспечиваем теплом остальные здания микрорайона. Выбор контролируемых зданий можно осуществить также исходя из расчетов в математической модели.

После установки датчиков и создания связи между ними и контроллером, становится возможным осуществление процесса регулирования расхода теплоносителя, аналогично методу, описанному выше для группы зданий.

Использование взаимосвязей удаленных потребителей г. Читы (автоматизированного и неавтоматизированного) позволяет осуществлять качественное теплоснабжение «проблемного» района теплопотребления. Применение периодического натопа с учетом неравномерности в течение суток влияния автоматики мкр. «Октябрьский» на режим работы тепловой сети (6 часов вместо 24) позволяет экономить порядка 3,4 млн руб. за отопительный период.

В заключение можно отметить, что использование данной гидравлической зависимости на практике для таких крупных районов теплопотребления являлось вынужденной мерой (хотя и характеризовалось значительным экономическим эффектом). На основе выявленных тонких мест системы централизованного теплоснабжения, был разработан ряд мероприятий для сокращения столь сильного влияния, в итоге в «Сосновом бору» (ТК-2-27) была установлена дополнительная насосная, а также произведена модернизация уже имеющейся. Таким образом, автоматизированная система регулирования расхода теплоносителя для теплоснабжения групп потребителей, являясь альтернативным решением, позволяет значительно экономить не только капитальные затраты, но и затраты на дальнейшее обслуживание.

Работа по разработке энергоэффективных систем централизованного теплоснабжения проводится в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, а также гранта Президента РФ по поддержке молодых ученых, кандидатов наук.

Литература

1. Батухтин А.Г. Оптимизация отпуска теплоты от ТЭЦ на основе математического моделирования с учетом функционирования различных типов потребителей: автореф. дис. канд. техн. наук/ А.Г. Батухтин. - Улан-Удэ: ВСГТУ, 2005. - 16 с.

2. Маккавеев В. В. Практическое применение некоторых методик оптимизации режимов отпуска теплоты / В.В. Маккавеев, О.Е. Куприянов, А.Г. Батухтин// Промышленная энергетика. 2008. - № 10 - С. 23-27.

3. Батухтин А.Г. Применение оптимизационных моделей функционирования систем теплоснабжения для снижения себестоимости тепловой энергии и увеличения располагаемой мощности станции/А.Г. Батухтин, В.В. Маккавеев // Промышленная энергетика, 2010. - № 3. С. 7-8.

4. Маккавеев В.В. Математическая модель ряда абонентских вводов закрытых систем теплоснабжения / В.В. Маккавеев, А.Г. Батухтин//Научно-технические ведомости СПбГПУ, 2009, № 3. - Спб. - С. 200-207.

5. Басс М.С. Комплексный подход к оптимизации функционирования современных систем теплоснабжения / М.С. Басс, А.Г. Батухтин//Теплоэнергетика, 2011, № 8. - С. 55-57.

6. Батухтин А.Г. Методы повышения эффективности и увеличения располагаемой мощности систем централизованного теплоснабжения/А.Г. Батухтин//Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока, 2010. - № 1. - С. 189-192.

7. Батухтин А.Г., Кобылкин М.В., Кубряков К.А. Автоматизированная система регулирования расхода теплоносителя для теплоснабжения группы потребителей // Патент России № 2516114. 2014. Бюл. № 14.

Размещено на Allbest.ru