Годовые характеристики систем теплоснабжения Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

■-►

ЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

УДК 620.92: 620.9:662.62

М.С. Басс, С.Г. Батухтин, К.А. Кубряков ГОДОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Чтобы оценить эффективность использования тепловой энергии, необходимо рассматривать как весь комплекс в совокупности (источник — тепловые сети — потребитель), так и его объекты по отдельности. Каждый объект данного комплекса имеет свой потенциал энергосбережения, и эффективность его работы влияет на остальные составляющие комплекса.

Существуют два основных источника централизованного теплоснабжения — водогрейные котельные и ТЭС.

Тепловые электрические станции представляют собой достаточно совершенное производство, отвечающее технологическому уровню их постройки. К настоящему времени большинство станций морально и физически устарели и требуют серьезной модернизации или введения новых мощностей. Но сложная экономическая ситуация в России, в том числе недостаток свободных финансовых средств, вызывает необходимость изыскивать малозатратные методы повышения эффективности работы ТЭС. Из них следует выделить оптимизацию тепловых потоков и модернизацию вспомогательного оборудования. Данные мероприятия при достаточно низких сроках окупаемости имеют менее значительный эффект в комплексе источник — сеть — потребитель из-за своей изначально высокой эффективности работы [1, 2].

Наиболее сложная ситуация сложилась на угольных котельных, особенно находящихся на балансе муниципальных образований. На объектах зачастую отсутствует достоверная информация о типах котлов, их паспортных характеристиках, особенно о фактическом состоянии оборудования, данные о котором можно получить только после режимных испытаний. Стоимость режимных испытаний достаточно велика, хотя без них невозможно оценить реальное

состояние как котлоагрегатов, так и всей котельной в целом, и предложить конкретные действия по повышению эффективности их работы.

Кроме источника тепловой энергии и потребителя неотъемлемой частью данного комплекса являются тепловые сети, эффективность работы которых очень важна. Произведя тепловую энергию на котельной, ТЭС или другом источнике, нужно с как можно меньшими затратами доставить ее до потребителя.

Меры, определяющие эффективность работы тепловых сетей, можно разделить на три составляющие [3]:

приведение в оответствие гидравлических потерь расчетным значениям; снижение утечек сетевой воды; снижение тепловых потерь через изоляцию и арматуру.

Повышение КПД только на источнике — недостаточная мера, так как значительная часть выработанной тепловой энергии расходуется неэффективно во внешнем контуре потребителей (разрегулированность тепловых сетей, состояние теплотрасс и режимы их эксплуатации, завышенные удельные затраты на отопление зданий и т. п.). Потенциал энергосбережения на системах транспорта и потребления составляет 75—80 %, остальное приходится на источники теплоснабжения [4].

Для нормализации работы тепловых сетей необходимо вначале произвести расчет гидравлических потерь и сравнить с фактическими значениями путем проведения гидравлических испытаний, а затем привести тепловую сеть в соответствие расчетному варианту с помощью ре-жимно-наладочных и реконструкционных работ. Разрегулировка тепловой сети приводит к росту затрат на перекачку сетевой воды, а также к не-

возможности обеспечить договорные условия теплоснабжения ряду потребителей.

Утечки сетевой воды в закрытых системах теплоснабжения в норме не должны превышать 0,75 % от фактического объема воды в трубопроводах тепловых сетей и в присоединенных к ним системах теплопотребления зданий. Повышенные утечки сетевой воды означают прямые потери тепла и необходимость дополнительной подпитки тепловой сети.

Одним из факторов, определяющих эффективность работы тепловых сетей, является состояние ее тепловой изоляции. В советское время существовала плановая замена как самих трубопроводов, так и изоляции, но после развала СССР эти мероприятия практически не выполнялись. Один из основных способов улучшения ситуации на существующих тепловых сетях — восстановление или замена изоляции. Для технико-экономической оценки эффективности мероприятий по замене тепловой изоляции необходима адекватная методика оценки затрат. Наиболее точно данную методику можно создать для конкретного региона, имеющего свои климатические, технологические особенности. Важная задача — не только оценка реального состояния, но и определение оптимального типа и экономически обоснованной толщины тепловой изоляции.

Наиболее сложен во всем этом учет влияния энергоэффективности производства и распределения тепловой энергии на тариф, так как на его формирование влияют не только экономические факторы, но и политические и административные решения. Тарифы в конечном итоге косвенно влияют на технико-экономические показатели производителя тепловой энергии и на затраты потребителей.

Относительная годовая температура

Введем понятие относительной годовой температуры, определяя ее как

где Ь) =

^ =

- I,

^нг мес ^ншах

X Ь

(1)

"нг мес "ншах , мес — среднемесячное

значение температуры наружного воздуха, ^ншах — максимальное среднемесячное значение температуры наружного воздуха в году.

Поскольку в летний период отсутствует отопительная нагрузка, а в мае и сентябре системы теплоснабжения в Забайкальском крае работают в среднем по полмесяца, более точно относительную температуру во время отопительного сезона для оценки работы систем теплоснабжения можно получить из следующей системы уравнений:

ГТ _ 1 ;

= тмес гншах,х ^

Ь =

^н5мес ^ншах

К, хот1); , ^фот^ хв);

= 0 х л );

(2)

о ^н9мес ^ншах г ч

Ь=—2—, xe[xл, х°т2);

= ^нгмес — ^ншах,х е [хот2, хк ),

где хе[ хо, хот1 ) , ^К^ хк ) — часть отопительного сезона, в котором осуществляется отопление в течение всего месяца; хе[хот1,хв) , хе[хл, хот2 ) — период, в котором осуществляется отопление в течение части месяца; хе[хв, хл ) — период, в течение которого отопление отсутствует.

Для Забайкальского края при расчетах в часах: хо = 0, хот1 = 2880, хв = 3624, хл = 5832, хот2 = = 6552,хк = 8760.

При расчете в месяцах из этой системы уравнений можно получить значения относительных температур за отопительный период в следующем виде:

=

^нг мес ^ншах

В = Х (/,

г=0

нг мес ^ншах

В

) +

(3)

^н5мес ^ншах

^ 12 н9 мес н шах

2

^ X (^нг мес ^ншах). г=10

Формула отражает идеальный вариант отпуска и потребления тепла. При обеспечении заданной внутренней температуры количество теплоты зависит от температуры наружного воздуха, а относительная температура за отопительный период представляет собой изменение в течение отопительного периода.

Идеальный вариант — это когда источник отпускает, сеть передает, а потребитель исполь-

2

+

2

Рис. 1. Фактические значения относительного годового потребления жилых зданий (— здание; -■--дом; -к--Ш СНиП)

зует то тепло, которое ему необходимо, с учетом потерь в каждом элементе системы. На практике такое возможно лишь при полной автоматизации процесса теплоснабжения как на источнике, так и у потребителя. Реально же на тепловых электрических станциях и котельных осуществляется в большинстве случаев качественное и количественно-качественное регулирование, на центральных тепловых пунктах — количественное, а у большинства потребителей отсутствует даже простейшая автоматика, что

приводит к «недотопам» и «перетопам» в течение отопительного сезона и к рассогласованию между различными объектами самой тепловой сети.

Соответствие функциональной зависимости реальным данным проиллюстрировано на графиках, представленных на рис. 1, 2. Зависимости различаются значениями коэффициентов, и при отсутствии статистических данных по объектам можно в первом приближении использовать эти зависимости для определения потребления (или отпуска) тепла как в любой момент времени, так

Рис. 2. Функциональные значения относительного годового потребления

жилых зданий (-♦- — здание; -■- — дом; -а- — СНиП)

и за любой период, в том числе за год. Кроме того, имея прогнозы по значениям температур, данные зависимости легко корректируются, и можно на их основе прогнозировать поведение системы теплоснабжения в долгосрочной перспективе.

Расчетная функция имеет вид

Ш _

ео8

Т-Т„

Т

2% 1 +1

2Ь

(4)

Ом

Оп

ео8

Т-Т„

Т

2% +1

Ош

2ьап

+ ^ГВС , (5)

(

(О л

м

V Огод У

Ом

Л (О л

ме

V Огод у

О.

год

/шш

безГВС 100 -12

(О Л

V Огод У

100. (6)

Определение тепловой нагрузки за месяц:

^ _ Омесш:

Омес _ ТО л

Оме

Ом

V Огод У

(7)

где

(О л

V Огод у

V Огод Умах

— максимальное значение отно-

сительной тепловой годовой характеристики;

( о Л

мес — значение относительной тепловой

V Огод У

годовой характеристики для данного периода; Омесшах — максимальная тепловая нагрузка объекта.

При наличии нагрузки ГВС следует добавить эту величину к ежемесячной нагрузке.

Таким образом, учитывая, что значения

где тшах — момент времени, к которому достигается наибольшая относительная температура ; Т — продолжительность года; а, Ь — эмпирические коэффициенты.

Относительная тепловая годовая характеристика

(

Ом

\

О

совпадают в самый холод-

V ^ год У

( о л

^мес v Огод /ш

ный месяц, для определенного типа объектов достаточно знать его максимальную тепловую нагрузку, чтобы получить тепловое потребление любого объекта в любой момент времени в течение года.

Потребление за год определяется по формуле

Огод _ (

Ом

где тшах — момент времени, к которому достигается наибольшая нагрузка котельной Ошах; Т — продолжительность года; дГВС—доля выработанной теплоты, идущей на горячее водоснабжение; а и Ь — эмпирические коэффициенты.

Доля нагрузки на ГВС — дГВС — принята постоянной в течение года и равной минимальной нагрузке, соответствующей июню. Ее исключают из общего теплового баланса, вычитая из ежемесячной нагрузки минимальную. В случае, когда неизвестны величины отпуска тепла с котельной по месяцам, но известны доли потребления, дГВС исключают из общего теплового баланса следующим образом:

Ом

.(8)

О

V год у

т. е. данные зависимости показывают долю тепла от всего годового потребления, приходящуюся на данный момент.

На рис. 1 и 2 «Здание» — означает расчетные значения относительных нагрузок по вышеизложенной методике; «Дом» — относительные нагрузки «реального» здания; «¿н СНиП» — относительная температура согласно СНиП (Чита) за отопительный период. Из графиков видно, что практически на всем диапазоне относительных нагрузок расчетные значения соответствуют относительной температуре. Иначе говоря, расчет любого здания можно выполнять как по первому, так и по второму случаю.

На рис. 3 «Уг. к.» — означает относительные нагрузки для угольных котельных, «Уг. к. без ГВС» — относительные нагрузки для угольных котельных без ГВС, «¿н СНиП» — относительная температура согласно СНиП (Чита) за отопительный период. Из графиков видно, что практически на всем диапазоне относительные нагрузки практически соответствуют относительной температуре согласно СНиП (Чита) за отопительный период. Таким образом, любую котельную можно определять либо индивидуально в зависимости от типа отпускаемой нагрузки с котельной, либо по относительной температуре согласно СНиП.

Л

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000 Т, час

Рис. 3. Относительный годовой отпуск от котельных (--Уг. к.; -*— Уг. к. без ГВС; ---сИи СНИП1

Относительный годовой отпуск тепла от угольных котельных

На рис. 4 представлена функциональная за

°мес

Ом

О

год

008

т-т

-2п

+1

От

2Ь

- + ^ГВС ' (9)

висимость

где ттах — момент времени, к которому достига-

Т —

Ог

/ (т) для угольных котельных ется наибольшая гагружа котельной ^

и средневзвешенная зависимость [5].

Зависимость теплоты от времени для любой угольной котельной можно описать следующей формулой:

°мес/ °мес

продолжительность года; #гвс — доля выработанной теплоты, идущей на горячее водоснабжение; а и Ь — эмпирические коэффициенты.

Достаточная точность достигается при а = =3/2 и Ь = 1,35.

18 16 14 12 10 8 6 4 2 О

/V т. \

У" \ ч 1Г \ ^ \ \ ^ \ /7

^ \ \\ \\ / / / / ^ /

\\ ■ / / / / / / а

\\ \\ \\ /7 / /

\\ \\ / в / / II

V \\ // ¡г

\\ \ ¡/

--1-1- Ч-1- \ уу --* - -Ь- -1-1-

Т, час

Рис. 4. Относительный годовой отпуск тепла от угольных котельных (- *--усредненная линия по котельным; —а— — функциональная зависимость)

^мес/ QMec

0 744 1416 2160 2880 3624 4344 5088 5832 6552 7296 8016 Т, час

Рис. 5. Зависимость относительной тепловой нагрузки в течение года ( - м - — фактическая зависимость; —*— — расчетная зависимость)

Размерность времени может быть любая — месяцы, дни, часы.

Относительный годовой отпуск тепла от мазутных котельных

На рис. 5 представлена фактическая зависимость Омес = /(т) мазутных котельных и ра-

Огод

счетная зависимость.

Зависимость теплоты от времени для любой котельной можно описать следующей формулой:

Qm

Q

год

cos"

X-Tm

-2%

+1

Qn

2bQ

■+4гвс> (10)

год

где тшах — момент времени, к которому достигается наибольшая нагрузка котельной Ошах; Т — продолжительность года; #ГВС — доля выработанной теплоты, идущей на горячее водоснабжение; а и Ь — эмпирические коэффициенты.

Достаточная точность достигается при а = = 1,4 и Ь = 1,47.

Размерность времени может быть любой.

Рис. 6. График изменения температуры наружного воздуха и расчетной нагрузки в течение года начиная с января (—о— — относительная температура; --■-- — мазут)

Энергетика. Электротехника -►

На рис. 6 отображены значения приведенной температуры наружного воздуха и расчетных значений нагрузок в течение года. Из них следует, что распределение нагрузок в течение года практически полностью соответствует изменению температуры воздуха; небольшие расхождения в летние месяцы связаны с наличием небольшой доли тепла, идущего на нужды горячего водоснабжения, которая практически не зависит от температуры окружающего воздуха. При отсут-

ствии нагрузки горячего водоснабжения характеристика изменения отпуска тепловой энергии от котельной с высокой точностью совпадает с зависимостью изменения температуры наружного воздуха в течение года.

Исследования проведены в рамках гранта Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых — кандидатов наук в области знания «Технические и инженерные науки».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Goryachikh, N.V. Some Methods for Making Co-generation Stations More Maneuverable [Текст] / N.V. Goryachikh, A.G. Batukhtin, S.A. Ivanov // Thermal Engineering.— 2010.— Vol. 57, №10.

2. Батухтин, А.Г. Оптимизация отпуска теплоты от ТЭЦ на основе математического моделирования с учетом функционирования различных типов потребителей [Текст]: Автореф. дисс. ... канд. техн. наук / А.Г. Батухтин / Восточно-Сибирский ГТУ. — Улан-Удэ, 2005

3. Басс, М.С. Комплексный подход к оптимизации функционирования современных систем тепло-

снабжения [Текст] / М.С. Басс, А.Г. Батухтин // Теплоэнергетика.— 2011. № 8.

4. Басс, М.С. Технико-экономическая оценка внедрения энергосберегающих проектов (на примере Забайкальского края) [Текст] / М.С. Басс // Научно-технические ведомости СПбГПУ.— 2011. № 123.

5. Басс, М.С. Упрощенная методика расчета нормативов удельных расходов топлива в отопительных котельных применительно к условиям Забайкальского края [Текст] / М.С. Басс, А.Г. Батухтин, С. А. Требунских // Промышленная энергетика.— 2009. № 9.

УДК 621.1

А.Г. Батухтин, В.В. Пинигин, М.В. Кобылкин

АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

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 формулируют задачу максимально эффективного использования природных энергетических ресурсов и потенциала энергетического сектора для устойчивого роста экономики и повышения качества жизни населения страны.

Увеличение тепловой нагрузки современных систем централизованного теплоснабжения определяется присоединением новых потребителей. По информации ФСГС РФ в среднем за

последние 5 лет в России было возведено около 410 млн м3 строительных объектов при прогнозе роста не менее чем на 10 % в год. Кроме того, в ряде населенных пунктов производится перевод тепловой нагрузки районных котельных на ТЭЦ. При этом увеличение нагрузки не учитывается в действующих графиках отпуска тепла от источников теплоснабжения, которые, как правило, не пересчитывались еще с 90-х годов. Современные градостроительные планы требуют технико-экономического и эксергетическо-го обоснования. Существующие методы оценки эффективности функционирования и развития систем можно разделить на энергетические, экс-ергетические и технико-экономические. Все они