Применение ступенчатого регулирования и теплонасосных установок в современных системах централизованного теплоснабжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 05.14.14 - Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты

Применение ступенчатого регулирования и теплонасосных установок в современных системах централизованного теплоснабжения

Калугин Алексей Владимирович

Улан-Удэ - 2012



Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Забайкальский государственный университет» (ФГБОУ ВПО ЗабГУ)

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Батухтин Андрей Геннадьевич

Официальные оппоненты:

Дамбиев Цырен Цыдэнович, доктор технических наук, профессор, Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, заведующий кафедрой «Тепловые электрические станции»

Горячих Наталья Викторовна, кандидат технических наук, главный специалист-эксперт отдела развития жкх Министерства территориального развития Забайкальского края

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный технический университет», г. Иркутск

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук Бадмаев Бадма Банзаракцаевич



1. Общая характеристика работы

теплоснабжение отопление вентиляция энергия

Актуальность работы.

Высокая энергоемкость экономики России по сравнению с ведущими западными странами определяет особенности курса развития энергетики и ЖКХ страны в направлении энергосбережения. Положения энергетической стратегии России на период до 2030 года ставят задачу максимально эффективного использования природных энергетических ресурсов и потенциала энергетического сектора для устойчивого роста экономики и повышения качества жизни населения страны.

Переход к рыночным механизмам в энергетике России ставит вопрос о конкурентоспособности существующих систем централизованного теплоснабжения. Необходимость сохранения системы теплофикации в энергетике России делает приоритетными в развитии энергетической науки направления, связанные со снижением себестоимости отпускаемой тепловой и электрической энергии при их совместном производстве. При этом финансовая политика собственников энергетических компаний вызывает необходимость изыскивать малозатратные методы повышения эффективности работы оборудования. Наиболее эффективным малозатратным способом энергосбережения является оптимизация отпуска теплоты в системах централизованного теплоснабжения, позволяющая снизить себестоимость отпускаемой энергии от ТЭЦ и как следствие повысить их конкурентоспособность.

В настоящей работе поставлена задача исследования возможностей оптимизации суточных и годовых графиков качественно-количественного регулирования отпуска теплоты от ТЭЦ с учетом изменения нагрузки отопления, вентиляции и ГВС потребителей с различной степенью автоматизации на основе математического моделирования взаимосвязанного функционирования производителя и потребителя тепловой энергии. Направление исследования НИР соответствует приоритетному направлению «Энергетика и энергосбережение» и осуществляется в рамках критической технологии «Технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии».

Целью работы ставилось разработать методы оптимизации графиков качественно-количественного регулирования отпуска теплоты в системах централизованного теплоснабжения на основе моделирования режимов потребителей тепловой энергии.

Для решения поставленной цели решались следующие задачи исследования:

1. Теоретическое исследование проблемы «Неоптимальной работы системы транспортировки, распределения и потребления тепловой энергии вследствие разветвленности и разной инерционности участков тепловых сетей, а также влияния различной степени автоматизации потребителей тепловой энергии и разнородности их тепловых нагрузок».

2. Создание методики описания потребителей тепловой энергии с различной степенью автоматизации при учете изменения нагрузки отопления, вентиляции и ГВС, а также нестационарных тепловых режимов.

3. Разработка методики оптимизации годовых графиков качественно-количественного регулирования отпуска теплоты от ТЭЦ.

4. Разработка методики оптимизации отпуска теплоты по корректированным графикам центрального регулирования отпуска теплоты в течение суток с использованием возможности корректировки температуры теплоносителя по лучам тепловых сетей.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны модели функционирования потребителей тепловой энергии при наличии трех видов тепловой нагрузки (отопления, вентиляции и горячего водоснабжения) и различной степени автоматизации

2. Впервые созданы модели функционирования потребителей тепловой энергии, оборудованных современными системами автоматического регулирования.

3. Разработана методика оптимизации годовых графиков качественно-количественного регулирования отпуска теплоты от ТЭЦ.

4. Предложена методика оптимизации отпуска теплоты по корректированным графикам центрального регулирования отпуска теплоты в течение суток с использованием возможности корректировки температуры теплоносителя по лучам тепловых сетей.

Достоверность результатов и выводов обеспечивается корректным использованием применяемого математического аппарата. Полученные в диссертационной работе модели и аналитические зависимости подтверждаются проведенными экспериментальными исследованиями.

Практическая ценность:

1. На основе предложенных в работе методик разработана универсальная математическая модель описания отпуска теплоты от ТЭЦ потребителю с учетом суточного изменения нагрузок отопления, вентиляции и ГВС как составной элемент современной системы диспетчеризации теплоснабжения.

2. Комплексная методика оптимизации годовых графиков качественно-количественного регулирования отпуска теплоты от ТЭЦ может быть использована при разработке режимов центрального регулирования теплоснабжения.

3. Разработана схема корректировки температуры теплоносителя по лучам тепловых сетей с использованием технологии тепловых насосов, которая может быть использована при разработке режимов регулирования отпуска теплоты в течение суток в системах централизованного теплоснабжения.

4. Доказана эффективность разработанных методик оптимизации отпуска теплоты, повышающих экономичность производства энергии от ТЭЦ.

5. Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы на предприятиях энергетики и ЖКХ Забайкальского края, о чем свидетельствуют акты внедрения.

6. Результаты диссертационного исследования применяются в учебном процессе для студентов направления «Теплоэнергетика», что позволит повысить качество подготовки будущих специалистов.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Модели потребителей тепловой энергии с различной степенью автоматизации при наличии трех видов тепловой нагрузки (отопления, вентиляции и горячего водоснабжения).

2. Методики оптимизации суточных и годовых графиков качественно-количественного регулирования отпуска теплоты в системах централизованного теплоснабжения.

3. Способ корректировки температуры теплоносителя по лучам тепловых сетей с использованием технологии тепловых насосов.

Апробация работы. Основные методологические положения и результаты исследований, по теме диссертации, докладывались и обсуждались на конференциях: Механики ХХI веку. VI Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием (Братск, 2007); VI Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием "Прогрессивные технологии в транспортных системах" (Оренбург, 2008); Энергетика в современном мире: Всероссийская научно-практическая конференция (Чита, 2011); Всероссийская научно-практическая конференция "Кулагинские чтения" (ЧитГУ, Чита, 2010; ЗабГУ, Чита, 2011); ХVII Всероссийская научно-техническая конференция "Энергетика: экология, надежность, безопасность" (ТПУ, Томск, 2011); Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием "Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири" (ИрГТУ, Иркутск, 2011), "Пути совершенствования работы теплоэнергетических устройств" Всероссийская молодежная конференция (ДВФУ, Владивосток, 2012).

Личный вклад автора состоял в постановке задачи исследования; разработке методических основ расчета потребителей тепловой энергии; проведении экспериментов и обработке результатов; разработке технических решений и метода оптимизации отпуска теплоты, а также анализе их эффективности.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, из них 3 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников. Содержит 149 страниц машинописного текста, 17 рисунков, 21 таблицу и библиографию из 124 источников.

Работы по разработке математической модели тепловой сети централизованного теплоснабжения выполнены в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно - педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы ГК №П228 по направлению «Создание энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии» в рамках мероприятия 1.2 «Проведение научных исследований научными группами под руководством докторов наук и кандидатов наук» по проблеме «Неоптимальной работы системы транспортировки, распределения и потребления тепловой энергии вследствие разветвленности и разной инерционности участков тепловых сетей, а также влияния различной степени автоматизации потребителей тепловой энергии и разнородности их тепловых нагрузок».

Методики оптимизации отпуска теплоты разработаны автором в рамках выполнения работ по гранту Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых ученых.



2. Краткое содержание работы

Во введении обосновывается актуальность и научная новизна диссертации, сформулированы основные выводы и результаты.

В первой главе представлен критический литературный и патентный обзор, ставятся задачи исследования.

Во второй главе рассмотрена математическая модель тепловой сети централизованного теплоснабжения. Приводится описание методики расчета гидравлического и теплового состояния сети. Рассмотрены модели функционирования потребителей при наличии трех видов тепловой нагрузки (отопления, вентиляции и горячего водоснабжения), учитывающие схемы присоединения установок ГВС, а также степень автоматизации теплопотребления.

Одной из составных частей комплексной модели является описание функционирования потребителя по нагрузкам отопления, вентиляции и ГВС. Для описания работы потребителя в режиме реального времени необходимо получение зависимости температуры обратной сетевой воды после потребителя от температуры прямой сетевой воды перед потребителем при нерасчетных значениях нагрузки горячего водоснабжения и температуры наружного воздуха, а также определение его гидравлического режима: . Нахождение прямой аналитической зависимости не представляется возможным. Кроме того, для оптимизации отпуска теплоты от ТЭЦ потребителю требуется и обратный расчет.

Наиболее распространенными схемами абонентского ввода для жилых домов, оборудованных системами отопления и ГВС закрытой системы теплоснабжения, являются схемы с независимым или зависимым присоединением отопительной установки со струйным смешиванием, параллельной схемой присоединения вентиляционной установки и параллельной, двухступенчатой смешанной или двухступенчатой последовательной схемой присоединения нагрузки ГВС. Исполнительные органы автоматизации установки ГВС представлены регуляторами температуры (РТ), которые могут быть с гидравлическим или электронным регулированием. При этом для математической модели они одинаковы, поскольку ограничивают расход сетевой воды на верхнюю или единственную ступень подогревателя ГВС из условия поддержания расчетной температуры воды на нужды ГВС. Автоматика вентиляционной установки представлена регулятором температуры воздуха. Исполнительные элементы гидравлической автоматики системы отопления могут быть представлены регулятором перепада давления (РПД), устанавливаемым для поддержания перепада давления на абонентском вводе не более заданной величины, регулятором расхода (РР), который ограничивает расход сетевой воды на элеватор системы отопления, а также регуляторами давления «до себя» и «после себя», поддерживающими давление в определенных точках на заданном уровне.

При моделировании потребителей тепловой энергии, оборудованных регулирующими органами, возникает вопрос определения расхода теплоносителя и потери давления на них. Соотношение между относительной пропускной способностью и относительным закрытием клапана определяется расходной характеристикой. Расходная характеристика может быть: линейной, логарифмической, параболической или смешанной. Вид расходной характеристики определяется профилем затвора клапана.

Для дальнейшего изложения введем следующие обозначения:

- выражение означает, что , если верно утверждение , в противном случае ;

- выражение min[A, B] означает меньшее из A и B;

- выражение max[A, B] означает большее из A и B.

В качестве устройств, ограничивающих расход на системы отопления, вентиляции и ГВС, могут выступать гидравлический регулятор расхода, дроссельная диафрагма, а также задвижки или ручные клапана. При этом сопротивление устройства ограничивающего расход на систему (к примеру, отопления) может быть найдено:

- для гидравлического регулятора расхода

,

где - сопротивление полностью открытого регулятора расхода при расходе , мс²/м⁶; - сопротивление частично открытого регулирующего клапана при расходе , мс²/м⁶, - расчетное падение давления на клапане.

Сопротивление частично открытого регулятора большинства фирм производителей может быть найдено исходя из значения условной пропускной способности (величина, регламентируемая для различных диаметров регуляторов всех производителей), а также формы расходной характеристики клапана:

- для линейной расходной характеристики

;

- для равнопроцентной (логарифмической) расходной характеристики

;

- для параболической расходной характеристики



,

где - коэффициент пропорциональности линейной характеристики клапана, - коэффициент пропорциональности равнопроцентной характеристики клапана, - относительное перемещение хода штока клапана. При смешанных характеристиках клапанов применяется характеристика, соответствующая действующему .

Расходные характеристики конкретного потребителя с параллельной схемой включения подогревателя ГВС может быть найдены как:

;

,

где - расход сетевой воды настроенный на гидравлическом регуляторе, - необходимый расход сетевой воды на систему ГВС.

Расчетный коэффициент пропорциональности расходов на ГВС и отопление находится исходя из соотношения сопротивлений:

,



где - расчетный перепад давлений между «прямым» и «обратным» трубопроводом перед отопительной установкой при полностью открытом регуляторе расхода (при его наличии), мс²/м⁶; - расчетное сопротивление линии ГВС при полностью открытом регуляторе температуры (при его наличии), мс²/м⁶.

Температура сетевой воды после системы отопления находится в качестве решения системы уравнений

Расходная характеристика потребителя с двухступенчатой смешанной схемой включения подогревателей ГВС отличается в определении необходимого расхода сетевой воды на верхнюю ступень подогревателя ГВС, который определяется методом последовательных приближений при условии получения расчетного (настроенного на регуляторе) значения температуры поступающей с систему ГВС, в качестве решения системы линейных уравнений:



где - температура холодной воды, ^оС; - температура сетевой воды после отопительной системы, ^оС; - расчетный расход сетевой воды на отопление, м³/с.

Расходная характеристика потребителя с двухступенчатой последовательной схемой включения подогревателей ГВС отличается в определении необходимого расхода сетевой воды на верхнюю ступень подогревателя ГВС , который определяется методом последовательных приближений с промежуточным уточнением при условии получения расчетного (настроенного на регуляторе) в качестве решения системы линейных уравнений

.

При расчете системы уравнений необходимо учитывать взаимосвязь между и .

Прогрессирующее развитие техники, в том числе электроники, способствовало развитию сложных систем автоматического регулирования. Современная система автоматического регулирования (САР) обладает рядом преимуществ, которых было бы 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, то есть изменения законов регулирования и управления системой. Для моделирования потребителей тепловой энергии с САР необходимо знать настройки данных систем, характеризующие их работу. При рассмотрении отдельных потребителей необходимо рассматривать их индивидуальные настройки, а при комплексном моделировании можно использовать оптимальные для данного региона и типа здания, или рекомендуемые в региональных нормативных документах.

Рис. 1. Схема системы отопления потребителя, оборудованного современной системой автоматического регулирования

При наличии насосного смешения в системах отопления последовательные схемы присоединения подогревателей ГВС не применяются. Поскольку коэффициент смешения в данных системах может меняться, то построение графика центрального качественного регулирования для подобных систем не имеет смысла. Особенности функционирования насосного смешения при зависимом подключении отопительных установок определяет только два вида схем подключения подогревателей ГВС: смешанную и параллельную.

Работа абонентов, оборудованных сложными САР, во многом обуславливается их настройками. Поскольку температурные графики теплосети изменяются в процессе их работы (утверждение их производится органами местной власти ежегодно), то основные настройки САР у потребителей должны корректироваться с учетом этих изменений. Введение нормирования основных настроек для различных типов потребителей необходимо для обеспечения максимального эффекта для всей системы.

Наличие насосного смешения определяет особенный гидравлический режим рассматриваемых потребителей. Поскольку гидравлические характеристики клапанов применяемых в САР нормируются производителями, то значение перепада давления может быть определено для любого типа клапана в зависимости от расхода.

Рис. 2. Пьезометрический график

Расход сетевой воды на отопительную установку до точки смешения с учетом настроек системы автоматического регулирования по формуле:



;

;

,

где - расчетный расход сетевой воды во внутренней системе отопления потребителя, м³/с; - расход через полностью открытый регулятор расхода, м³/с.

Расчетный расход сетевой воды во внутренней системе отопления потребителя определяется температурой , зависящей от температуры наружного воздуха и настроек САР.

В третьей главе представлено экспериментальное подтверждение достоверности представления разработанными моделями потребителей тепловой энергии, функционирования разветвленной системы транспортировки, распределения и потребления тепловой энергии учитывающей разветвленность и разную инерционность участков тепловых сетей, а также влияние различной степени автоматизации потребителей тепловой энергии и разнородности их тепловых нагрузок.

При экспериментальных исследованиях использовалась демонстрационная зона «Энергосбережение» ЗабГУ на базе системы теплоснабжения комплекса зданий корпуса «Э», а также участок тепловых сетей, принадлежащих ЗабГУ (рис. 3). В эксплуатационной ответственности Забайкальского государственного университета находятся тепловые сети от камеры ТК-2-27-7, ТК-2-27-5 до элеваторных узлов зданий, а также внутренние сети и устройства. Повысительная насосная станция находится в эксплуатационной ответственности ЗабГУ и расположена на участке тепловых сетей, к которым подключены общежития № 1-4. Общежития № 1-4, гаражи, корпус строительного факультета, корпус факультета управления и экономики, а также система теплоснабжения комплекса зданий корпуса «Э». Данная экспериментальная площадка позволяет провести экспериментальное исследование нестационарных тепловых режимов потребителей тепла с различной степенью автоматизации, схемами подключения установок отопления и горячего водоснабжения, а также с различными соотношениями тепловых нагрузок.

Рис. 3. Принципиальная тепловая схема экспериментального участка тепловых сетей

Система теплоснабжения комплекса зданий корпуса «Э» состоит из трех систем с различными схемами внутренних трубопроводов систем отопления. Данные системы позволяют произвести экспериментальное исследование потребителей с различными внутренними системами и их комбинациями. На узле управления здания корпуса «Э» расположена система автоматического регулирования отпуска теплоты. Данная система позволяет задать различные режимы потребления тепловых нагрузок.

Возможность задачи различных программ потребления тепловых нагрузок, а также ручное управление позволяет в режиме активного эксперимента провести экспериментальное исследование нестационарных тепловых режимов потребителей тепла с различной степенью автоматизации, схемами подключения установок отопления и горячего водоснабжения, а также с различными соотношениями тепловых нагрузок. Экспериментальное подтверждение моделей автоматизированных узлов (с насосным смешением и функциями корректировки теплопотребления в зависимости от температур наружного и внутреннего воздуха) производилось на узле управления здания корпуса «Э» с использованием системы автоматического регулирования на действующих режимах ее работы без изменений. Для имитации нагрузки ГВС производился слив нагреваемой воды после подогревателя.

Экспериментальное подтверждение достоверности представления моделей функционирования потребителей тепловой энергии, оборудованных гидравлическими системами автоматического регулирования и не оборудованных системами автоматического регулирования, проводилось с использованием системы автоматического регулирования при переводе ее в режим ручного управления.

Для имитации работы потребителей, не оборудованных системами автоматического регулирования, исполнительные элементы регулирования отпуска тепла на отопление и ГВС (регулирующие клапана) выставляются в режим постоянного сопротивления. Для имитации работы потребителей, оборудованных гидравлическими системами автоматического регулирования, регулирующий клапан отпуска тепла на отопление выставляется в режим постоянного сопротивления, а клапан ГВС работает в режиме автоматического регулирования температуры.

Анализ результатов расчетов показал, что степень несовпадения результатов расчета по математической модели величины с ее действительными значениями мала и не превышает 6 %.

При проведении эксперимента по функционированию разветвленной системы теплоснабжения для получения достоверной информации было отключено ГВС на общежитиях № 1-4. В результате этого стало возможным использовать общежития в качестве автоматизированного абонента без ГВС, т.к. ПНС можно рассматривать как элемент автоматического управления из-за поддержания постоянного перепада давлений на данном участке. Для имитации нагрузки ГВС производился слив нагреваемой воды после подогревателя. Возмущающим фактором в ходе эксперимента был корпус «Э», в котором установлено оборудование, позволяющее менять количество потребляемой воды из тепловых сетей. Было рассмотрено три случая:

Функционирование системы при наличии в ней корпуса «Э» как объекта со сложной автоматикой. При этом с помощью частотно-регулируемых циркуляционных насосов системы отопления задавался расход теплоносителя равным значению, которое соответствует падению напора между подающим и обратным трубопроводом 0,5 м. При этом на системе автоматического регулирования были выставлены стандартные настройки.

Функционирование системы при наличии в ней корпуса «Э» как объекта с гидравлической автоматикой. Для имитации работы потребителей, оборудованных гидравлическими системами автоматического регулирования, регулирующий клапан отпуска тепла на отопление выставляется в режим постоянного сопротивления (с ручной корректировкой для поддержания заданного перепада давления на систему), а клапан ГВС работает в режиме автоматического регулирования температуры.

Функционирование системы при наличии в ней корпуса «Э» как неавтоматизированного абонента. Для имитации работы потребителей, не оборудованных системами автоматического регулирования, исполнительные элементы регулирования отпуска тепла на отопление и ГВС (регулирующие клапана) выставляются в режим постоянного сопротивления.

Анализ результатов показал высокую степень совпадения экспериментальных данных и значений, полученных с помощью моделей для всех трех случаев.

В четвертой главе рассмотрены способы оптимизации отпуска теплоты в системах централизованного теплоснабжения. Представлена методика оптимизации годового графика центрального качественно-количественного регулирования отпуска теплоты, а также способ суточного регулирования с наличием возможности корректировки температуры теплоносителя по лучам тепловых сетей с использованием тепловых насосов для перераспределения тепловых потоков по лучам тепловых сетей.

В зависимости от задач оптимизации возможны различные исходные и расчетные данные при моделировании системы теплоснабжения. Для оптимизации ступенчатого графика качественно-количественного регулирования требуется получение необходимого напора на источнике теплоснабжения для ряда значений температуры наружного воздуха, следовательно, при моделировании потребителя исходными данными являются расход прямой сетевой воды и его температура. Для оптимального оперативного регулирования температуры прямой сетевой воды на источнике в течение суток требуется определить необходимую температуру от источника для каждого потребителя при условии поддержания его суточного теплового баланса.

Расчет оптимального ступенчатого графика качественного регулирования производится по следующей последовательности:

1. Для всех температур наружного воздуха в промежутке определяем необходимый напор на источнике теплоснабжения при ряде значений температуры прямой сетевой воды, отличных от температуры , соответствующей графикам центрального качественного регулирования . Кроме того, производится расчет затрат на отпуск тепловой энергии (с учетом затрат электроэнергии на перекачку теплоносителя).

2. Производится определение оптимальной температуры для всех температур наружного воздуха, соответствующих минимальным затратам на отпуск тепловой энергии. Если на источнике теплоснабжения установлено насосное оборудование с возможностью плавного регулирования, то найденные температуры и напоры формируют оптимальный график качественно-количественного регулирования. При отсутствии возможности плавного регулирования на любом объекте теплоснабжения возможно использование ступенчатого регулирования количеством работающих насосов. В данном случае необходимо определение оптимальных температур наружного воздуха, при которых необходимо производить ступенчатое изменение напора на источнике , которое осуществляется для возможных напоров на источнике, соответствующих разному количеству включенных насосов на основании следующего условия:

,

где - минимальный напор на источнике, при котором возможно удовлетворить всех потребителей; - напор на источнике, соответствующий работающим насосам; - минимальная температура наружного воздуха, которой соответствует оптимальный напор на источнике ; - минимальная температура наружного воздуха, которой соответствует минимальный оптимальный напор на источнике.

Диапазон температур прямой сетевой воды на ТЭЦ, в котором находится оптимальная температура на конкретном временном промежутке, ограничивается разной протяженностью отдельных участков тепловых сетей и тем, что участки тепловых сетей имеют разные характеристики тепловой изоляции. Кроме того, скорость изменения температуры прямой сетевой воды на ТЭЦ не должна превышать 30 ⁰С/ч, при том, что районы теплопотребления обладают разными потребителями тепловой энергии и как следствие требуют разного изменения температур прямой сетевой воды в течение суток. Снять эти ограничения позволит изменение температуры теплоносителя по лучам тепловых сетей. Данное изменение температуры согласно оптимизированным графикам центрального регулирования (в зависимости от оптимального суточного графика и потребностей конкретных потребителей) для каждого направления тепловых сетей позволит уменьшить перерасходы тепловой энергии, а также снизить температуру обратной сетевой воды и как следствие увеличить выработку на тепловом потреблении на ТЭЦ. Решением этой задачи может служить применение установок по перераспределению потоков теплоты по разноинерционным ветвям теплосетей в зависимости от оптимального суточного графика и потребностей конкретных потребителей. Перераспределение потоков теплоты предполагается осуществлять с применением технологии тепловых насосов. Результат достигается тем, что комплекс теплоснабжения снабжен источником теплоснабжения и имеет не менее двух трубопроводов прямой и двух трубопроводов обратной сетевой воды, в качестве пикового источника теплоты снабжен тепловым насосом с установленными конденсаторами на каждом трубопроводе сетевой воды и испарителями на каждом трубопроводе обратной сетевой воды. На рис. 4 изображена схема установки, где: 1 - источник теплоснабжения, 2, 4 - конденсатор теплового насоса, 3, 5 - испаритель теплового насоса, 6- тепловой насос, 7 - привод, 8 - потребитель, 9 - второй потребитель, 10, 11, 12, 13 - регуляторы расхода, 14 - трубопровод прямой сетевой воды, 15 - трубопровод обратной сетевой воды.



Рис. 4. Схема комплекса теплоснабжения

При отсутствии транспортного запаздывания комплекс теплоснабжения работает следующим образом: воду, подогретую в источнике теплоснабжения 1, направляют по трубопроводу 14, она разделяется на два потока, первый поток направляется потребителю 8, второй поток потребителю 9. Поток, направленный потребителю 8, нагревают в конденсаторе теплового насоса 2 хладагентом, которому передается тепло от испарителя теплового насоса 5 или 3 после сжатия в тепловом насосе 6 приводимого в движение приводом 7. Поток, направленный потребителю 9, нагревают в конденсаторе теплового насоса 4 хладагентом, которому передается тепло от испарителя 5 или 3 после сжатия в тепловом насосе 6, приводимого в движение приводом 7. После охлаждения у потребителей 8, 9 потоки воды по обратным трубопроводам направляются в испарители теплового насоса 3, 5, в которых нагревают хладагент, при этом снижая температуру обратной сетевой воды.

При наличии транспортного запаздывания теплоносителя, направляемого потребителям, комплекс теплоснабжения работает следующим образом: воду, подогретую на источнике теплоснабжения 1, направляют по трубопроводу 14, она разделяется на два потока, первый поток направляется потребителю 8, второй поток потребителю 9. Потоки, направленные потребителям 8, 9 имеют транспортное запаздывание t и t₁ соответственно, тогда поток, направленный потребителю 8, нагревают на время t раньше времени, при котором необходимы соответствующие параметры у данного потребителя, и поток, направленный потребителю 9, нагревают на время t₁ раньше времени, при котором необходимы соответствующие параметры у данного потребителя. При этом повышение температуры по направлению к каждому потребителю осуществляется индивидуально с учетом аккумулирующей способности тепловых сетей и снижения температуры теплоносителя из-за потерь тепла. Снижение интенсивности нагрева теплоносителя осуществляется по направлению потребителя 8 на время t раньше необходимого, и у потребителя 9 снижают температуру на время t₁ раньше необходимого. Поток, направленный потребителю 8, нагревают в конденсаторе теплового насоса 2 хладагентом, которому передается тепло от испарителя теплового насоса 5 или 3 после сжатия в тепловом насосе 6, приводимого в движение приводом 7. Поток, направленный потребителю 9, нагревают в конденсаторе теплового насоса 4 хладагентом, которому передается тепло от испарителя теплового насоса 5 или 3 после сжатия в тепловом насосе 6, приводимого в движение приводом 7. После охлаждения у потребителей 8, 9 потоки воды по обратным трубопроводам направляются в испарители теплового насоса 3, 5, в которых отдают тепло хладагенту, при этом снижая температуру обратной сетевой воды. Распределения хладагента по конденсаторам 2, 4 и испарителям 3, 5 осуществляется регуляторами расхода 10, 11,12, 13.

Применение данной схемы позволит осуществить новую технологию перераспределения тепловых потоков между лучами тепловых сетей с использованием тепловых насосов, что даст возможность модернизировать действующую либо создать новую схему отпуска теплоты в системах централизованного теплоснабжения. Эти мероприятия приведут к снижению эксплуатационных расходов и повышению тепловой мощности за счет оптимизации суточных графиков отпуска теплоты, снижения перетопа потребителей, а также снижения температуры обратной сетевой воды. Кроме того, позволит расширить методы оптимизации систем централизованного теплоснабжения, а также позволит отказаться от распространенного сейчас метода построения графиков центрального регулирования с применением одной температуры прямой сетевой воды для всех потребителей тепловой энергии и перейти к исследованиям режимов работы системы централизованного теплоснабжения по персонализированным графикам качественного регулирования для групп потребителей.

Рис. 5. Принципиальная схема системы теплоснабжения пгт. Ясногорск

Разработанные модели потребителей и системы централизованного теплоснабжения использовались для повышения эффективности функционирования тепловых сетей пгт. Ясногорск (рис. 5).

С использованием разработанных моделей была произведена корректировка расходов по потребителям тепловой энергии, расположенных на первых трех по ходу теплоносителя лучах тепловых сетей. Фактическое снижение расхода составило от 13 до 87 %, или суммарно на 69 % (85,9 м³/ч) по трем первым лучам. Также был произведен расчет установки САР на ЦТП-1 и 2. Расчетный эффект от внедрения данного мероприятия составил около 3,5 млн. руб. в год.

Используя методику оптимизации годового графика центрального качественно-количественного регулирования отпуска теплоты, была произведена корректировка графика центрального качественного регулирования. Полученный график ступенчатого количественного регулирования (рис. 6.), осуществляемого в дополнение к существующему графику качественного регулирования.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6. Расчетный график ступенчатого количественного регулирования

Экономический эффект от внедрения графика ступенчатого количественного регулирования состоит в снижении расхода электрической энергии на привод сетевых насосов. Расчетный экономический эффект после внедрения ступенчатого графика рис. 6, составит около 1 млн. руб. в год.

Кроме того, в главе рассмотрен пример расчета оптимизации по корректированным графикам центрального регулирования отпуска теплоты в течение суток. Выбран вариант схемы (г. Чита), которая позволяет реализовать и использовать тепловой потенциал обратной сетевой воды, возвращаемой с Ломоносовского луча Ду-500 и с города (района Соснового бора) в пункт П-2-5 в тот период, когда потребление ГВС минимальное. Разная инерционность участков тепловых сетей вызывает необходимость осуществлять снижение температуры прямой сетевой воды на 4,34 часа осенью и на 6,4 летом раньше. При этом через 1,1 часа осенью и 1,55 часа летом необходимо включать догрев прямой сетевой воды идущей на Ду-500 с помощью ТНУ-1 и осуществлять его в течение 2,08 часа осенью и 1,07 часа летом (рис. 7-8).

Рис. 7. График температуры теплосети в летний период

Рис. 8. График температуры теплосети в осенне-весенний период



Снижение температуры на ТЭЦ при использовании предложенной схемы можно осуществлять, из условия семичасового снижения у потребителя, в течение 9,16 часов осенью и 8,14 часа летом. При этом завершающие 2,08 часа осенью и 1,07 часа летом необходимо осуществлять догрев прямой сетевой воды, идущей на Ду-800 с помощью ТНУ-2. Предварительный расчет годового экономического эффекта от внедрения схемы использования ТНУ показал экономию около 19 млн. руб. в год.



Основные выводы и результаты

1. Создана комплексная математическая модель тепловой сети, в основе которой лежат системы линейных и нелинейных уравнений, объединившие в себе методики гидравлического и теплового расчета сети централизованного теплоснабжения с учетом функционирования различных видов потребителей тепловой энергии, включая оборудованных современными системами автоматического регулирования.

2. Разработаны модели описания функционирования потребителя по нагрузкам отопления, вентиляции и ГВС при наличии различных видов регуляторов (гидравлических, ручных, дроссельных).

3. Предложена методика учета особенностей расходных характеристик регулирующих клапанов при моделировании различных видов нагрузки потребителей тепловой энергии.

4. Предложены расчетные зависимости для учета схем присоединения подогревателей ГВС закрытых систем теплоснабжения.

5. Разработана методика учета особенностей функционирования потребителей тепловой энергии, оборудованных современными системами автоматического регулирования.

6. Проведена апробация предложенной математической модели на участке тепловых сетей г. Читы.

7. Разработана система централизованного теплоснабжения с наличием возможности корректировки температуры теплоносителя по лучам тепловых сетей на основе использования технологии тепловых насосов.

8. Разработан алгоритм оптимизации ступенчатого графика качественного регулирования путем получение необходимого напора на источнике теплоснабжения при различных температурах наружного воздуха.

9. Произведённый расчет экономического эффекта предложенных методик на объектах энергетики Забайкальского края показал их высокую эффективность.

Основные работы

1. Петин В.В. Современные технологии использования электрической энергии в системах централизованного теплоснабжения/ В.В. Петин, А.Г. Батухтин, А.В. Калугин, П.Г. Сафронов// Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2010. - № 4. - С. 32-38.

2. Калугин А.В. Применение технологии тепловых насосов для повышения эффективности методов оптимизации отпуска теплоты/ А.В. Калугин, А.Г. Батухтин, С.Г. Батухтин // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2011. № 1. - С. 201-203.

3. Батухтин А.Г. Моделирование современных систем централизованного теплоснабжения / А.Г. Батухтин, А.В. Калугин // Вестник ИрГТУ. 2011. Т. 55. № 8. С. 84-91.

4. Калугин А.В. Обоснование применения систем по поддержанию работоспособного состояния машин/ А.В. Калугин, С.П. Озорнин. - Механики ХХI веку. VI всероссийская научно-техническая конференция с международным участием. Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2007. С. 71-73. - 338 с.

5. Калугин А.В. Проблемы диагностирования гидропривода С и ДМ/ А.В. Калугин, С.П. Озорнин. - "Прогрессивные технологии в транспортных системах": VI Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием. Оренбург: ГОУ ОГУ, 2007. С. 234-239. - 338 с.

6. Калугин А.В. Использование тепловых насосов для повышения эффективности существующих систем централизованного теплоснабжения/ А.В. Калугин, А.Г. Батухтин. - Кулагинские чтения: Х Международная научно-практическая конференция. Чита: ЧитГУ, 2010. Ч. V. С. 15-18.

7. Калугин А.В. Повышение эффективности методов оптимизации отпуска теплоты / А.В. Калугин. - "Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири": Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. Иркутск: ИрГТУ, 2011. С. 283-286.

8. Батухтин А.Г. Исследование проблемы неоптимальной работы системы транспортировки, распределения и потребления тепловой энергии вследствие разветвленности и разной инерционности участков тепловых сетей, а также влияния различной степени автоматизации потребителей тепловой энергии и разнородности их тепловых нагрузок: итоговый отчет по НИР / А.Г. Батухтин, М.С. Басс, А.В. Калугин - Чита: ЗабГУ. - 2011. - 147 с. - Рег. № 01200906512.

9. Батухтин А.Г. Оптимизация графиков качественно-количественного регулирования в современных системах централизованного теплоснабжения / А.Г. Батухтин, А.В. Калугин, С.Г. Батухтин. - "Энергетика: экология, надежность, безопасность": Материалы ХVII Всероссийской научно-технической конференции. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. С. 99-101.

10. Батухтин А.Г. Оптимизация ступенчатого графика качественно-количественного регулирования в системах централизованного теплоснабжения / А.Г. Батухтин, А.В. Калугин. - "Кулагинские чтения": ХI Международная научно-практическая конференция. Чита: ЗабГУ, 2011. Ч. IV. С. 117-119.

11. Батухтин А.Г. Оптимальное распределение нагрузок между агрегатами на станциях с поперечными связями / А.Г. Батухтин, А.В. Калугин, С.Г. Батухтин. - "Энергетика в современном мире": Материалы V Всероссийской научно-практической конференции. - Чита: ЗабГУ, 2011. - 213 с. - С. 3-5.

12. Батухтин А.Г. Расчет ступенчатого графика регулирования тепловой сети «ТЭЦ-1 - Город» / А.Г. Батухтин, А.В. Калугин, Кобылкин М.В. - "Пути совершенствования работы теплоэнергетических устройств": Материалы Всероссийской молодежной конференции - Владивосток: ДВФУ, 2012. - 372 с. - С. 9-13.

Размещено на Allbest.ru

...