CC BY
47УДК 697.34
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЧИН НЕОБЕСПЕЧЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ И ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМАХ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО
ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
Чичерин С. В.
Омский государственный университет путей сообщения, 644046, Россия, г. Омск, пр. Маркса, 35, [email protected]
Аннотация.
Предмет исследования: В условиях рыночной экономики теплоснабжение стало услугой, а задачи обеспечения гидравлических режимов и снижения последствий переходных процессов не самоцелью, а лишь средством на пути обеспечения жителей, административных и коммерческих учреждений тепловой энергией.
Материалы и методы: Гидравлические режимы водяных тепловых сетей разрабатываются ежегодно для отопительного периода, для оценке закономерностей использовался программно-расчетный комплекс ZuluThermo. Сравнение распределения давлений выполнено на примере системы централизованного теплоснабжения г. Омска.
Результаты: Показаны типичная комплектация теплового пункта вновь строящегося здания и основные принципы выбора насосного оборудования с частотно-регулируемым приводом. Основная причина необеспечения гидравлических режимов и возникновения переходных процессов - недостаточное финансирование, а, как следствие, необходимость занижения параметров на теплоисточнике, чрезмерные тепловые потери и перерасход тепловой энергии абонентами. Анализ расчетных располагаемых напоров и соответствующих величин в контрольных точках теплосети показал отличие на 20-25%. Выявлено, что источниками жалоб чаще всего становятся одни и те же группы концевых потребителей, причем жалобы часто не обоснованы. Показано, почему любая организация, связанная с распределением тепловой энергии, может работать в сфере Ь2Ь и Ь2с.
Выводы: Ориентация генерирующего и теплосетевого бизнеса на Ь2Ь или Ь2с модели крайне перспективна. Для обеспечения заданного гидравлического режима важно достичь потребления тепловой энергии в пропорциональном соответствии с расчетными тепловыми нагрузками. Информация об их величинах хранится в базах данных, используемых для расчета потокораспределения и начисления оплаты. Перспектива применения блокчейна в сфере теплоснабжения связана прежде всего с защитой таких баз данных и невозможности фальсификации записей в них. При достижении значительной доли элементов управления тепловыми сетями, оснащенных средствами телемеханизации, целесообразным становится использования блокчейна для защиты таких элементов от несанкционированного воздействия извне.
Ключевые слова: теплоснабжение, насос, режим, давление, тепловая сеть, вода.
ВВЕДЕНИЕ
Апрель 2019 года отметился сразу чередой резонансных событий, связанных с системами централизованного теплоснабжения. 08 апреля в г. Санкт-Петербурге из-за повреждения участка тепловой сети и выброса горячей воды от термических ожогов погибла женщина, находившаяся в квартире на первом этаже в многоквартирном доме на 2-й Комсомольской улице. В результате коммунальной аварии также пострадал 30-летний сын погибшей. 24 апреля и также в г. Санкт-Петербурге рейсовый автобус попал в яму с горячей водой, образовавшуюся в результаты размыва грунта вблизи места повреждения подающего трубопровода тепловой
сети. Кроме очевидного социального и экономического вреда каждое такое происшествие может быть классифицировано как технологическое нарушение, требующее оповещения отключаемых и смежных абонентов и проведения оперативных переключений, с последствиями в виде дестабилизации гидравлического режима и возникновения множества неблагоприятных для систем централизованного теплоснабжения переходных процессов. На протяжённых тепловых сетях, имеющих выраженные резервные связи, переключения, как правило, не ограничиваются лишь локализацией поврежденного участка путем закрытия секционирующей арматуры и последующего его заполнения, а включают в себя организацию временной схемы теплоснабжения,
затрагивающей теплоисточник, насосные станции и несколько сотен потребителей. Каждое такое переключение требует колоссального внимания со стороны персонала оперативно-диспетчерских служб, машинистов насосных станций, начальников смен станций, приводит к изменению расходов сетевой воды, подпитки, а значит, загрузке или разгрузке водоподготовительного оборудования, а при несогласованном выполнении оно может привести к чрезмерному снижению давления или гидравлическому удару. Все это подчёркивает актуальность поставленной в настоящей работе цели, а именно: выявить предпосылки развития гидравлической разрегулировки и предложить пути решения проблемы. Для достижения цели сформулированы следующие задачи: провести ситуационное исследование на примере системы централизованного теплоснабжения крупного населенного пункта, проанализировать типичную комплектацию теплового пункта вновь строящегося здания, предложить способы внедрения современных 1Т-технологий для обеспечения заданного гидравлического режима, задать направления для дальнейших изысканий в данной сфере научной деятельности.
АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ
Согласно п. 4.12.36 Правил технической эксплуатации1 в основу режима отпуска тепла для водяных систем теплоснабжения должен быть положен график центрального качественного регулирования, а, значит, количественное регулирование (регулирование расходом) является исключением. Для насосных установок в условиях практического отсутствия экономичных способов регулирования расхода теплоносителя, а значит и режима их работы одно лишь повышение КПД еще не обеспечивает возможной экономии электроэнергии. В связи с этим параллельно с работами по повышению заводских КПД насосов в системах централизованного теплоснабжения осуществляются мероприятия по улучшению режимов их использования как на тепловом пункте [1], так и на теплоисточнике [2]. Достижение синергичной работы удаленных элементов невозможно без внедрения комплексной системы телемеханизации, диспетчеризации и
автоматизации.
В настоящее время полностью автоматизированные системы централизованного теплоснабжения еще не функционируют ни в одном городе нашей страны [3]. Однако решение оптимизационных задач из числа связанных с теплоснабжением осуществляется в нескольких городах [4]. В частности, решена задача распределения нагрузки между котлами котельной
[5].
Для расчета гидравлических режимов применяются различные математические модели, часть из них имеют проблемы со сходимостью и получением начальных приближений [6, 7], другая часть не позволяют решать техническую задачу потокораспределения, делая акцент на ценообразовании [8] или анализе рыночных аспектов генерирующего и теплосетевого бизнеса [9]. Как показано ниже, на гидравлическую устойчивость системы централизованного теплоснабжения непосредственное влияние оказывает величина тепловых потерь, в свою очередь зависящая от множества факторов, в т. ч. способа застройки [10].
При проведении литературного обзора намеренно обходились вниманием работы, касающиеся сравнения различных программно-расчетных комплексов [11] или выявления перспективных направлений их развития [12].
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Понятие «Ь2с» происходит от английского «business to consumer» (дословно - «бизнес для потребителя»), что означает термин продажи товара и услуг физическим лицам. Такая модель работы предполагает, что клиент покупает что-то для себя, для своего личного пользования. Соответственно b2b - это «business to business» («бизнес для бизнеса»): компании, такого профиля продают товары и услуги для других компаний. В мире b2b-продаж товары и услуги покупаются не для того, чтобы пользоваться самим, а потому что это им нужно для работы их собственного бизнеса.
Термин «блокчейн» (от англ. Block Chain) стало активно обсуждаться с ростом популярности криптовалюты для защиты баз данных.
Система блокчейн имеет следующие характерные черты:
создается первичный блок, в котором не имеется записи о предыдущем блоке;
каждый очередной блок содержит информацию о «родителе», виде транзакции, собственном заголовке, используемом при генерации дочернего блока;
пользователи системы видят все количество блоков, но обладают доступом лишь к своим.
Криптовалютами область применения технологии не ограничиваются. Большой интерес распределенная система хранения данных представляет для банковских учреждений, государственных и ресурсоснабжающих организаций.
С формальной точки зрения средствами задания гидравлического режима являются: насосное оборудование на тепловых пунктах потребителей, насосных станциях и на теплоисточнике, схема
1 СО 153-34.20.501-2003 Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации
теплоприготовительной установки источника и гидравлическое сопротивление трубопроводов, зависящее в основном от линейного падения давления на участке, определяемого в свою очередь по уравнению Дарси для турбулентного режима [13]:
Я = ^ = 0.812 Х-°2
(1)
2й й V
Определение коэффициента гидравлического трения X во всех расчетных комплексах, как правило, производится по формуле Б. Л. Шифринсона:
Г X 0,25
Х = 0,11
к*.
V й J
(2)
При подстановке шероховатости следует различать эквивалентную кэ, относительную котн и абсолютную кабс величины:
к = к = кабс, (3)
э отн > 4 '
Именно величина эквивалентной шероховатости внутренней поверхности стальных труб задается п. 8.5 СП 124.13330.2012 «Тепловые сети»: для паровых тепловых сетей кэ = 0,0002 м; для водяных тепловых сетей кэ = 0,0005 м; для сетей горячего водоснабжения кэ = 0,001 м. Переходные процессы в гидравлических системах, как правило, описываются следующей системой дифференциальных уравнений:
дН . 1 ду V ду
= ^ +-
(4)
д1 g дт g д1
дн_ дн_а!ду ,
дт д1 g д1
где Н = z+ р/^) - пьезометрический напор;
V - средняя скорость;
1 - координата, отсчитываемая вдоль оси трубы;
а - скорость распространения ударной волны в жидкости;
^ - уклон трения (удельная потеря энергии на трение в трубопроводе).
Делая ряд допущений, система может быть приведена к двум волновым уравнениям, общие решения которых записываются следующим образом:
Г
н - Но = f
1
\
г
у - уо =-
X--
V а J (
1
\
\
X + -
V а J
(
\
X + -
V а J
(5)
X —
V а J
где Н0 и у0- соответственно пьезометрический напор и скорость в трубе при установившемся движении;
f и ф - произвольные функции;
а - скорость распространения в трубе волны изменения давления, определяемая по формуле Жуковского.
Что касается скорости процессов в теплообменной аппаратуре подогревателей горячего водоснабжения, вентиляции, независимо присоединенных систем отопления, пароводяных теплофикационных подогревателей ТЭЦ и водо-водяных подогревателей котельных, то гидравлические и тепловые процессы в них происходят значительно быстрее, поэтому динамикой этих процессов также можно пренебречь.
Различная удаленность потребителей от источников теплоты не позволяет наилучшим образом использовать выработанную теплоту без применения средств автоматики. Время транспортировки теплоносителя от источника до конечного потребителя в крупных системах централизованного теплоснабжения с
неравномерной загрузкой сети составляет 15-20 ч и увеличивается при снижении расхода. Тепловые потери в трубопроводах тепловой сети, которые обусловливают паление температуры
теплоносителя по длине сети, могут составить 15-20С [14]. Более подробному исследованию и разработке методов расчета нестационарных тепловых режимов элементов систем централизованного теплоснабжения посвящены работы [15, 16].
При экспериментальных исследованиях переходных гидравлических процессов в действующих тепловых сетях и на экспериментальных стендах используется информационно-измерительный комплекс,
включающий малоинерционные датчики параметров, регистрирующие приборы, синхронизацию записи параметров.
По принципу действия и назначению системы защиты от недопустимых давлений могут быть разделены на системы защит от гидравлических ударов и от недопустимых давлений при квазистационарных режимах. Данная
классификация до некоторой степени условна. Известны такие устройства, которые своим действием, защищая от гидравлических ударов, изменяют и конечный стационарный режим, например, сбросные устройства. Тем не менее требования к сбросным устройствам -быстродействие, пропускная способность и т.д. -могут существенно изменяться в зависимости от назначения клапана. Отличительной особенностью противоударных устройств является их быстродействие, которое может оказаться не более 0,1-0,3 с. Каждое защитное устройство имеет ограниченную зону применения, выбор типа устройства осуществляется расчетным путем.
Для защиты оборудования тепловых сетей осуществляется установка быстродействующих сбросных клапанов диаметрами до 300 мм. Рабочий диапазон давлений этих клапанов составляет 0,21,0 МПа. Время полного открытия клапана в
г
<
зависимости от давления настройки равно 0,3-0,5 с, что определяет время, за которое происходит возрастание давления от давления настройки до максимально допустимого значения.
Экспериментальными и расчетными исследованиями установлено, что градиент давления при переходных процессах может достигать 0,3-0,4 МПа/с, а время, за которое давление возрастает до максимального значения, может быть 0,1-0,3 с. Если при этом давление в нормальном гидравлическом режиме превышает 0,25 МПа, возможно применение защитного устройства, включающего в себя нормально открытый регулирующий клапан и две последовательно установленные разрывные мембраны. Время разрыва мембраны составляет около 0,05 с. В нашей стране налажен выпуск выпуклых разрывных мембран диаметрами до 300 мм.
Наиболее простым сбросным устройством, применение которого возможно при исходном давлении меньше 0,25 МПа, является гидрозатвор. Помимо указанных устройств ограниченную область применения нашли пневматические резервуары, маховые колеса на оси насосных агрегатов.
Одним из мероприятий по улучшению режимов использования насосного оборудования является обеспечение соответствия между напорной характеристикой насосов и сопротивлением трубопроводов с тем, чтобы исключить избыточный напор, вызывающий в связи с дросселированием воды значительные перерасходы электроэнергии. Например, на Среднеуральской ГРЭС для питания прямоточных котлов, имеющих повышенное гидравлическое сопротивление, было установлены питательные насосы типа П-150-5 с чрезмерно высоким напором-. Для снятия избыточного напора лопатки этих насосов были подрезаны, что позволило на каждом насосе снизить потребляемую мощность на 160 кВт (на 22%).
Имеются также значительные возможности снижения гидравлического сопротивления стояков систем отопления и, в частности регулирующих клапанов. Повсеместный переход на более чувствительную электронную автоматику регулирования безусловно позволит снизить сопротивление трубопроводов.
Опыт эксплуатации показал, что переход на одновременную параллельную работу
автоматических регуляторов расхода на каждом стояке позволяет снизить общее сопротивление системы отопления 10-20%, причем качество работы отопительных приборов не ухудшается.
В условиях параллельной работы котельных установок и насосов, что в первую очередь относится к питательным и циркуляционным насосам, важно обеспечить рациональное распределение нагрузок между оборудованием и для всех эксплуатационных режимов выбрать наиболее выгодные комбинации работающих насосов [5]. Для этой цели на станции должны быть
проведены испытания и разработаны соответствующе графики использования питательных и циркуляционных насосов, что обеспечивает соблюдение наиболее экономичных режимов их работы.
Номенклатура выпускаемых в настоящее время насосов весьма обширна. Ранее одно из крупнейших в Советском Союзе предприятий, Уральский завод гидромашин, выпускал горизонтальные
центробежные насосы типа Д, к которым относятся, например, насос 300Дх90 и насос Д-2000-34, применяемые в качестве подпиточных на ряде крупных тепловых электростанций до сих пор.
Для тепловых пунктов ранее выпускались вертикальные центробежные и высоконапорные многоступенчатые насосов. На теплоисточниках особое место занимают осевые и поворотно-лопастные насосы. Мощность таких насосов доходила до 7500 кВт и производительность до 54000 м3/ч. Эти насосы по праву называются уникальными и изготавливались по индивидуальным заказам.
До середины двадцатого века выпускались осевые насосы типа ПрВ, но с 1960 г. отечественная промышленность полностью перешла на выпуск более совершенных насосов типа О и ОН. Насосы типа ПрВ и заменяющие их насосы типа О и ОП в основном предназначались для обслуживания тепловых электростанций в качестве циркуляционных. Насосов типа ПрВ (20ПрВ-60, 30ПрВ-60, 40ПрВ-60 и 40ПрВ-60х2) было изготовлено более 300 единиц, и их все еще можно встретить в эксплуатации. Все выпускавшиеся ранее типоразмеры насосов в настоящее время заменяются соответствующими насосами производителей Grundfos, Magna, Wilo и др.; кроме того, выпуском насосного оборудования занимается ряд отечественных и китайских компаний. Такие насосы оснащаются электродвигателем с мокрым ротором и защищенным статором, не имеют сальниковых уплотнений, они просты по конструкции и надежны в эксплуатации.
Сопоставляя скорость протекания переходных тепловых и гидравлических процессов в системах централизованного теплоснабжения, по
результатам теоретической части исследования можно сделать следующие выводы: условия возникновения их различны; характер гидравлических режимов - колебательный, а тепловых - асимптотический; скорость протекания процессов при гидравлических режимах на два-три порядка выше, чем тепловых; динамические свойства объекта, определяющие скорость протекания переходных процессов, во многом различны. Процессы теплоснабжения обладают большим самовыравниванием, а скорость изменения параметров при гидравлических возмущениях определяется скоростью
распространения звуковой волны [11], при температурных - тепло аккумулирующими свойствами объектов [12].
В соответствии с п.6.2.60 Правил технической эксплуатации тепловых энергоустановок гидравлические режимы водяных тепловых сетей разрабатываются ежегодно для отопительного периода. Для моделирования потокораспределения в тепловых сетях предназначено несколько программно-расчетных комплексов [7, 9]. В настоящей работе использования информационно -вычислительная система ZuluThermo версии 7.0 среды Zulu версии 7.0, тепловые нагрузки и характеристика тепловых сетей приняты по состоянию на 2018 г.
Для исследования закономерностей в части установки оборудования на проектируемых тепловых документах была изучена рабочая документация по следующим строящимся или реконструируемым по России объектам:
Артёмовский городской суд с пристройкой, г. Владивосток;
филиал Федерального государственного бюджетного учреждения культуры Московского художественного академического театра (МХАТа) им. А.П. Чехова по адресу: г. Москва, ЮАО, пересечение проспекта Андропова с Нагатинской улицей;
муниципальное казенное общеобразовательное учреждение Кадыйская средняя
общеобразовательная школа им. М.А.Четвертного (Костромская область);
здание страхового товарищества «Саламандра», 1913-1914 годы для размещения бюджетного учреждения культуры Омской области Омского областного музея изобразительных искусств им. М.А Врубеля, ул. Музейная, д. 4, г. Омск; и др.
Время уделялось и на изучение относящихся к теме положений, изложенных в действующей на момент написания статьи (второй квартал 2019 года) нормативно-технической документации. Методы ситуационного изучения и причинно -следственного анализа, примененные при проведении настоящего исследования, более подробно описаны в [17, 18].
В данном разделе описываются процесс организации эксперимента, примененные методики, использованная аппаратура; даются подробные сведения об объекте исследования; указывается последовательность выполнения исследования и обосновывается выбор используемых методов (наблюдение, тестирование, эксперимент, лабораторный опыт, анализ, моделирование, изучение и обобщение и т. д.).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ АНАЛИЗ
В условиях рыночной экономики теплоснабжение стало услугой, а задачи обеспечения гидравлических режимов и снижения последствий переходных процессов не самоцелью, а лишь средством на пути обеспечения жителей, административных и коммерческих учреждений, а также объектов промышленного производства,
качественным и бесперебойным отоплением, ГВС, тепловой энергией для калориферов и технологических нужд [8]. С другой стороны, как показано в разделе Методы, решение этих задач невозможно без покупки и обслуживания дорогостоящего оборудования, для чего важны собираемость платежей и интенсивная работа с дебиторской задолженностью. Ориентация генерирующего и теплосетевого бизнеса на Ь2Ь или Ь2с модели крайне перспективна. Например, основной способ продвижения товаров и услуг Ь2с - это обычная массовая реклама. На сайтах теплоснабжающих организаций, как правило, уделяется достаточно внимания развитию различных платежных систем, информированию потребителей о задолженности, испытаниях и отключениях; в сети интернет и региональных СМИ появляется информация о различных акциях.
Любая организация, связанная с производством, распределением и потреблением тепловой энергии, может работать и в сфере Ь2Ь, и в сфере Ь2с, более того она вынуждена так работать, заключая договора с подрядными, энергосервисными, научно-исследовательскими организация или выходя на открытый рынок с тендерными закупками.
Следует понимать ряд общих закономерностей: так, физические лица покупают самое дорогостоящего из того, что могут себе позволить. Примером могут послужить многотарифные приборы учета или оборудование тепловых пунктов. Согласно правилам Ь2с продаж лучше продавать что-то относительно недорогое и пользующееся широким спросом - тепловую энергии. Юридические лица напротив покупают самое дешевое из того, что будет выполнять поставленную задачу: они будут стараться занижать тепловую нагрузку, отказываясь от вентиляции и ГВС, переходить на бездоговорное потребление. По модели Ь2Ь лучше продавать или покупать что-то достаточно крупное и дорогое, совершая всего по несколько сделок в месяц или в год - средства автоматизации, телемеханизации и
диспетчеризации, насосное оборудование. А основной способ продвижения Ь2Ь - это личные встречи и затяжные переговоры.
На этапе проектирования процесс теплоснабжения считается стационарным и установившемся, а вероятность возникновения переходных процессов или отключения электроэнергии учитывается лишь при выборе предохранительных и обратных клапанов, а также оборудования, инициализирующего аварийное отключение насосов или теплопотребляющих систем потребителей.
Для поддержания температуры в системе отопления по заданному температурному графику (в 100% случаев 95/700С), как правило, предусматриваются двухходовые регулирующие клапана типа VFG2 ф=100 ^=125 м3/ч с электроприводом. Циркуляционный насос (например, ТР 100-390/2 производителя Grundfos),
чаще устанавливается на обратном трубопроводе, а подбирается с учетом потерь давления в системе отопления, трубопроводах и оборудовании теплового пункта, включая водоподогреватели отопления (при независимой схеме) и теплообменники ГВС (открытая схема присоединения в настоящее время не допускается). В 100% случаев предусмотрена установка двух насосов: одного - рабочего, одного - резервного. Подпитка системы отопления предусмотрена лишь в случае независимой схемы присоединения, тогда она осуществляется автоматически из обратного теплопровода. На подпиточном трубопроводе обычно также устанавливаются два насоса (один -рабочий, один - резервный), оборудованных системой плавного пуска, и расширительный бак (например, Reflex G1500). Системы теплоснабжения приточных установок
присоединяются к тепловым сетям исключительно по независимой схеме. Установка циркуляционных насосов и подпиточного оборудования систем теплоснабжения приточных установок
производится аналогичным, как и в случае независимых систем отопления, образом.
Системы ГВС присоединяются к тепловой сети по закрытой (требующей теплообменного оборудования) схеме, например, двухступенчатой смешанной; устройство циркуляционного трубопровода для обеспечения заданной температуры ГВС в часы минимального водоразбора в ряде случаев обязательно. К примеру, на ИТП здания филиала Федерального государственного бюджетного учреждения культуры Московского художественного академического театра (МХАТа) им. А.П. Чехова в первой ступени используется пластинчатый теплообменник Alfa Laval M6-FG (47 пластин), во второй ступени используется пластинчатый теплообменник TL6-BFG (37 пластин) того же производителя. Автоматическое поддержание заданной температуры горячей воды производится двухходовым клапаном типа VFG2 ф=65 kVS=50 м3/ч, также с электроприводом. Насос (например, UPS 65-180FB производителя Grundfos) устанавливается на циркуляционном трубопроводе, и также подбирается с учетом потерь давления.
В 80% случаев в качестве запорной арматуры предусматриваются фланцевые стальные шаровые краны, быстро отключающие элементы и обеспечивающие высокую степень защиты от последствий возникновения переходных процессов и деструктивных воздействий сетевой воды. На 4 из 7 рассмотренных объектов в качестве предохранительных клапанов применяются предохранительные клапана Presscor 320-1 Flameo.
На этапе эксплуатации основная (первая) причина необеспечения гидравлических режимов и
2 В омских домах отключают отопление из-за профилактических работ. URL:
https://ngs55.ru/news/more/65543151/
возникновения переходных процессов -недостаточное финансирование, как следствие недостаточные параметры на теплоисточнике в целом и необходимость их кратковременного снижения для проведения аварийно-восстановительных работ. Из-за таких работ в течение отопительного периода приходится дополнительно проводить так называемые профилактические отключения23. Недоотпуск тепла в результате каждого такого отключения составляет до 300 Гкал.
Признаком возникновения аварийной ситуации является резкое увеличения подпитки. Надзорным органом по отношению к теплоснабжающим организациям является территориальное управление Ростехнадзора. Необходимость быстрого устранения повреждения и нормализации гидравлического режима в период температур наружного воздуха близких к расчетной вынуждает идти на значительные финансовые траты, в т. ч. привлекать сторонние организации в качестве подрядных на кратковременный срок. Основная причина повреждаемости была и остается интенсивная наружная коррозия, имеющая ярко выраженные локальный характер. В местах пересечения с кабельными линиями, железнодорожными и трамвайными путями ситуация усугубляется действием
электрохимической коррозии. Аварийные ситуации требуют проведения расследования, включающего в себя оценку действий персонала и указание причины инцидента.
При температуре теплоносителя в подающем трубопроводе ниже 60°С невозможна подача ГВС по закрытой схеме, приходится переходить на открытую. По температуре внутреннего воздуха в течение отопительного периода ведется работа с Государственной жилищной инспекцией, проводятся комиссионные обследования. Источниками жалоб чаще всего из года в год становятся одни и те же группы концевых потребителей, причем жалобы часто не обоснованы - представители теплоснабжающих организаций вызываются при температуре воздуха в помещениях выше 20°С.
На гидравлические режимы существенное влияние (вторая причина) оказывают и чрезмерные тепловые потери, поскольку снижение температуры автоматизированные потребители вынуждены компенсировать увеличением количества теплоносителя [10], что приводит к перерасходу сетевой воды. Третья причина - перерасход тепловой энергии в переходный период абонентами, потребляющими услугу отопления по нормативу, что хорошо показывают распечатки с приборов учета аналогичных зданий, где средства учета имеются. Что касается ГВС, то величина
3 В Омске жители городка Нефтяников остались без отопления. URL: http://kvnews.ru/news-feed/v-omske-zhiteli-gorodka-neftyanikov-ostalis-bez-otopleniya-i-goryachey-vody-
фактическая величина потребления редко превышает 80% от полученной при помощи теплотехнического расчета [4].
Сравнение распределения давлений было выполнено на примере системы централизованного теплоснабжения г. Омска. Была создана наглядная модель, включающая в себя пять наиболее мощных теплоисточников, более десяти насосных станций и более 180 групповых потребителей, нагрузка которых заносилась как сумма нагрузок потребителей, подключенных от каждой врезки каждой тепловой камеры. Анализ расчетных располагаемых напоров и соответствующих величин в контрольных точках теплосети, оборудованных штуцерами для манометров, показал отличие на 20-25%. Фактические и расчетные располагаемые напоры на тепловых пунктах контрольных потребителей, моделирование которых было выполнено с учетом сопротивления распределительных тепловых сетей, разнятся в диапазоне ±40%. При этом почти в 80% случаев фактические располагаемые напоры значительно ниже соответствующих расчетных величин, что может быть объяснено сложившейся практикой эксплуатации, принятой в крупных системах централизованного теплоснабжения. Похожая ситуация была получена и с помощью пакета средств, описанных в [6].
Задание гидравлического режима производится теплоприготовительной установкой
теплоисточника. В качестве примера был рассмотрена схема установки наиболее крупного источника теплоснабжения в г. Омске - ТЭЦ-5.
Схема отпуска тепла от ТЭЦ-5 предусматривает выдачу тепловой мощности от теплофикационных установок турбин типа ПТ-80/100-130/13 и Т-175/210-130. Догрев сетевой воды до расчетных параметров обеспечивается восемью пиковыми бойлерами типа ПСВ-500 и пиковой водогрейной котельной с тремя котлами ПТВМ-180. Регулирование отпуска тепла принято по температурному графику 150°С^70°С.
Установленная тепловая мощность основного энергетического оборудования Омской ТЭЦ-5 составляет 1735 Гкал/час.
Сетевая вода по трубопроводам обратной сетевой воды из города и оранжереи поступает через тепловой пункт во всасывающие патрубки насосов СЭ 5000-70 1-го подъема, установленные в насосной (НГВС). Обратная сетевая вода насосами 1-го подъема подается в главный корпус, где она подогревается в сетевых подогревателях типа ПСГ паром теплофикационных отборов турбин с давлением 0,5^3 кгс/см2. Кроме этого сетевая вода в главный корпус может подаваться насосами летней подпитки через перемычку (ПС-11) между напорными коллекторами сетевых насосов 1-го подъема и насосов летней подпитки (табл. 1).
Таблица 1. Технические характеристики теплосетевого насосного оборудования омской ТЭЦ-5 Table 1. Technical characteristics of the heating network pumping equipment of Omsk TPP-5
№ п/п Наименование и тип насоса Производительность, м3/ч Давление, м вод. ст. Кавитационный запас на всасе, не менее м вод. ст. Температура перепкачиваемой воды, не более С Давление во входном патрубке, не более кгс/см2
Насосы I-го подъема:
1. Сетевые насосы 5000 70 15 120 6
СЭ-5000-70
Насосы зимней подпитки:
2. 300Дх90 (2 шт.). 900 24 5 80
3. Д-2000-34 (4 шт.) 1980 34
4. Д2000-100 (1 шт.) 1450 107
Насосы летней подпитки:
5. СЭ-1250х140(Р) (НПТЛ-3,4,5) 2500 70 180
6. СЭ-2500х60 2500 60 180
(НПТЛ-2).
7. СЭ-2500х140 (НПТЛ-1) 2500 140 180
Насосы II-го подъёма:
8. СЭ-5000-160 5000 160 40 120 10
Критерии и пределы безопасного состояния и режима работы оборудования:
температура сетевой воды в магистральных трубопроводах не должна превышать 150°С;
давление сетевой воды в магистральных трубопроводах не должно превышать 16 кгс/см2. Для защиты трубопроводов теплосети от
превышения давления (более 16 кгс/см2) выполнен трубопровод, соединяющий напорные и всасывающие коллектора насосов 11-го подъема;
по водяной стороне подогреватели (ПСГ) турбин рассчитаны на давление не более 8,0 кгс/см2;
гидравлическое сопротивление ПСГ-5000-3,5-8-П составляет 0,93-1,31 кгс/см2;
кавитационный запас на входе сетевых насосов 11-го подъёма составляет не менее 4,0 кгс/см2;
при давлении воды перед насосами 11-го подъема менее 2,5 кгс/см2 запрещается их включение.
При увеличении давления воды на напоре сетевого насоса свыше 20 кгс/см2 насос отключается защитой.
Для обеспечения заданного гидравлического режима крайне важно достичь потребления тепловой энергии в пропорциональном соответствии с расчетной тепловой нагрузкой, размер которой оговаривается договором, а информация о величинах на каждый вид теплопотребления хранится в базах данных, используемых для расчета потокораспределения и начисления оплаты. Перспектива применения блокчейна в сфере теплоснабжения связана прежде всего с защитой таких баз данных и невозможности фальсификации записей в них. Наиболее важными базами данных на текущий момент являются те, которые содержат личную информацию о потребителях-физических лицах, сведения о юридических лицах, платежеспособности обоих категорий. В процессе роста степени оснащенности потребителей общедомовыми и индивидуальными коммерческими приборами учета возрастает роль информации о показаниях счетчиков, т. к. станет возможным выявлять факт бездоговорного или несанкционированного потребления тепловой энергии. Создание так называемой «умной теплосети», что предполагает работу приборов верхнего учета, установленных на границе распределительных и магистральных сетей4, еще более существенно увеличивает объем обрабатываемых данных. На примере системы централизованного теплоснабжения г. Тюмени несложно посчитать, что автоматизированная передача показаний с почти пяти тысяч приборов учета, которая для функционирования концепта «умной теплосети» должна производиться как минимум один раз в час, увеличит количество записей более чем на сорок миллионов. При достижении сколько-нибудь значительной доли элементов управления тепловыми сетями, оснащенных средствами телемеханизации (прежде всего запорной арматуры), целесообразным становится использования блокчейна для защиты таких элементов от несанкционированного изменения извне.
ВЫВОДЫ
На основании рассмотрения проектов и проведенного ситуационного исследования на примере г. Омска были сделаны следующие выводы:
1. Анализ оборудования тепловых пунктов показывает необходимость разработки
математического метода моделирования звена тепловая сеть-потребитель, обеспечивающего быструю сходимость итерационного процесса.
2. На основании анализа особенностей эксплуатации систем централизованного теплоснабжения разработаны методы и алгоритмы улучшения сходимости для создаваемых математических моделей: автоматическое получение начальных приближений, учитывающих высокую повреждаемость тепловых сетей; устранение причин, оказывающих влияние на гидравлические режимы, формирования циклов обследования насосного оборудования; специальные алгоритмы для разрешения неопределенности, связанной с гидравлическими регуляторами расхода и давления.
3. Предложены пути развития теплосетевего бизнеса и улучшения качества теплоснабжения на основе технологий блокчейна и общепринятых b2c бизнес-моделей;
4. Разработаны способы решения функциональных задач, основанные на математической модели гидравлического режима.
5. Анализ математических моделей тепловых процессов систем централизованного теплоснабжения позволяет обосновать математическую модель теплового режима, основанную на совместном решении соотношений для отопления, горячего водоснабжения и вентиляции.
6. Показан способ задания теплогидравлического режима на примере теплоприготовительной установки крупного теплоисточника.
7. Показана необходимость разработки интегральной математической модели теплогидравлического режима, учитывающей нестационарностъ тепловых процессов и транспортное запаздывание.
8. Оптимизация суточного режима тепловых пунктов на основе схемы динамического программирования оказывает существенное влияние на эксплуатационные показатели систем централизованного теплоснабжения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Wang, Y., You, S., Zhang, H., Zheng, X., Wei, S., Miao, Q., & Zheng, W. (2017). Operation stability analysis of district heating substation from the control perspective. Energy and Buildings, 154, 373-390. doi:10.1016/j.enbuild.2017.08.034
2. Wang, H., Wang, H., Zhou, H., & Zhu, T. (2018). Modeling and optimization for hydraulic performance design in multi-source district heating with fluctuating renewables. Energy Conversion and Management, 156, 113-129. doi:10.1016/j.enconman.2017.10.078
4 В энергетике Тюмени меняется система контроля. URL:https://t.rbc.ru/tyumen/24/10/2017/59eee6f09a79 47b03897a293
3. Chicherin, S. V. (2018). Comparison of a district heating system operation based on actual data - Omsk city, Russia, case study. International Journal of Sustainable Energy, 2019, 38(6), 603-614. doi:10.1080/14786451.2018.1548466
4. Чичерин С.В. Оптимизация потребления тепловой энергии зданиями: графики изменения нагрузки буднего и выходного дня // В сборнике: Энерго-ресурсоэффективность в интересах устойчивого развития Сборник научных трудов международной научной конференции. Томск, 2018. С. 58-60.
5. Сабанин В.Р., Аракелян Э.К., Андрюшин А.В., Репин А.И. Современная концепция оперативного управления режимами работы оборудования ТЭЦ // Новое в российской электроэнергетике. 2018. № 12. С. 6-22.
6. Баландин В.С., Нешина Е.Г., Есимбекова А.К. Моделирование тепловых сетей ЖКХ // Современные научные исследования и разработки. 2018. № 10 (27). С. 159-162.
7. Новицкий Н.Н., Гребнева О.А., Токарев В.В. Исследование эффективности методов активной идентификации для теплогидравлических испытаний тепловых сетей // Теплоэнергетика. 2018. № 7. С. 54-63.
8. Шалагинова З.И. Разработка методики расчета узловых цен тепловой энергии на базе моделирования теплогидравлических режимов систем теплоснабжения для решения задач управления и оптимизации Теплоэнергетика. 2018. № 10. С. 96-108.
9. Пеньковский А.В., Стенников В.А. Математическое моделирование рынка тепловой энергии в формате единой теплоснабжающей организации // Теплоэнергетика. 2018. № 7. С. 42-53.
10. Чичерин С.В., Збараз Л.И. Теплотехническая характеристика квартальной застройки - причина прекратить строительство микрорайонов // Известия КГАСУ, 2019, № 1 (47), с. 194-206.
11. Новицкий Н.Н., Шалагинова З.И., Токарев
B.В., Гребнева О.А. Технология разработки эксплуатационных режимов крупных систем теплоснабжения на базе методов многоуровневого теплогидравлического моделирования // Известия Российской академии наук. Энергетика. 2018. № 1.
C. 12-24.
12. Кислов Д.К., Рябенко М.С., Рафальская Т.А. Разработка системы интеллектуального теплоснабжения на базе информационной сети Zulu // Энергосбережение и водоподготовка. 2018. № 2 (112). С. 55-59.
13. Луценко А.В., Новицкий Н.Н. Модифицированный метод динамического программирования для оптимизации гидравлических режимов распределительных тепловых сетей // Вычислительные технологии. 2018. Т. 23. № 6. С. 47-63.
14. Монахов Г.В., Войтинская Ю.А. Моделирование управления режимами тепловых сетей. М.: Энергоатомиздат, 1995. - 224 с.
15. Емельянов Р.Т., Александрова А.Ф., Игнатьев Г.В., Шмидт В.К. Моделирование динамических режимов теплопровода системы теплоснабжения // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. 2017. № 4 (127). С. 96-102.
16. Карев Д.С., Мельников В.М., Иванченко А.Б. Расчет потерь теплоты при ее передаче по теплопроводу с применением CAD/CAE-технологий // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2017. № 4 (36). С. 6573.
17. Курникова М.В. Метод кейс-стади в научно-исследовательской деятельности // В сборнике: Творческий потенциал - 2017 Сборник статей. Под редакцией С.А. Пиявского, З.Ф. Камальдиновой. 2018. С. 78-84.
18. Кочемасова Е.Ю. Причинно-следственный анализ как инструмент стратегического планирования // Инновации. 2018. № 4 (234). С. 3642.
REFERENCES
1. Wang, Y., You, S., Zhang, H., Zheng, X., Wei, S., Miao, Q., & Zheng, W. (2017). Operation stability analysis of district heating substation from the control perspective. Energy and Buildings, 154, 373-390. doi:10.1016/j.enbuild.2017.08.034
2. Wang, H., Wang, H., Zhou, H., & Zhu, T. (2018). Modeling and optimization for hydraulic performance design in multi-source district heating with fluctuating renewables. Energy Conversion and Management, 156, 113-129. doi:10.1016/j.enconman.2017.10.078
3. Chicherin, S. V. (2018). Comparison of a district heating system operation based on actual data - Omsk city, Russia, case study. International Journal of Sustainable Energy, 2019, 38(6), 603-614. doi:10.1080/14786451.2018.1548466
4. Chicherin S.V. Optimizing Building Heat Consumption: Weekday and Weekend Profiles. Proceedings of the International Conference 'Sustainable and Efficient Use of Energy, Water and Natural Resources'. Tomsk, 2018, 58-60.
5. Sabanin V.R., Arakelyan E.K., Andryushin A.V., Repin A.I. The modern concept of the operational management of the modes of operation of CHP equipment // New in the Russian electric power industry. 2018. No. 12. S. 6-22.
6. Balandin V.S., Neshina E.G., Esimbekova A.K. Simulation of housing and utilities heat networks. Modern scientific research and development. 2018. No. 10 (27). Pp. 159-162.
7. Novitskii N.N., Grebneva O.A., Tokarev V.V. Investigation of Active Identification Methods for Thermohydraulic Testing of Heat Networks. Thermal Engineering. 2018. Т. 65. № 7. С. 453-461.
8. Shalaginova Z.I. The Development of a Method for Calculating the Nodal Prices of the Thermal Energy by Modeling the Thermal and Hydraulic Regimes of the Heat Supply Systems for Solving Control and
Optimization Problems. Thermal Engineering. 2018. T. 65. № 10. C. 756-767.
9. Penkovskii A.V., Stennikov V.A. Mathematical Modeling of the Heat Energy Market on a Single Heat Supplier Basis. Thermal Engineering. 2018. T. 65. № 7. C. 443-452.
10. Chicherin S.V., Zbaraz L.I. Thermal performance of quarterly buildings - reason to stop building neighborhoods. News of the KSUAE, 2019, 1(47), 194-206.
11. Novitsky N.N., Shalaginova Z.I., Tokarev V.V., Grebneva O.A. The technique of developpment of operational modes based on methods of multilevel thermal hydraulic modeling. Proceedings of the Russian Academy of Sciences. Energy. 2018. No. 1. P. 12-24.
12. Kislov D.K., Ryabenko M.S., Rafalskaya T.A. System engineering of the intellectual heat supply on the basis of information network Zulu. Energy Saving and Water Treatment. 2018. 2(112). pp. 55-59
13. Lutsenko A. V., Novitsky N. N. Modified method of dynamic programming for optimization of
hydraulic modes of distribution heating networks. Computational technologies. 2018, 6(23), pp. 47-63
14. Monakhov G.V., Voytinskaya Yu.A. Modeling of management of heating network modes. Moscow, Energoatomizdat, 1995. - 224 p.
15. Emelyanov R.T., Alexandrova A.F., Ignatyev G.V., Schmidt V.K. The simulation of dynamic modes of the heat pipe of heating system. Bulletin of the Krasnoyarsk State Agrarian University. 2017. № 4 (127). Pp. 96-102.
16. Karev D. S., Melnikov V. M., Ivanchenko A. B. Calculation of loss of thermal energy at its transmission on the heat pipe with application of CAD/CAE-technologies. Bulletin of the Kazan State Energy University. 2017. № 4 (36). Pp. 65-73.
17. Kurnikova M.V. Case study method in research activities. In the collection: Creative potential - 2017 Collection of articles. Edited by S.A. Piyavsky, Z.F. Kamaldinovoy. 2018. pp. 78-84.
18. Kochemasova E. Yu. Causal analysis as the instrument of strategic planning. Innovations. 2018. 4(234). pp. 36-42.
DISTRICT HEATING SYSTEM HYDRAULIC MODEL AND TRANSIENT BEHAVIORS: CAUSE
ANALYSIS
S.V. Chicherin
Summary
Materials and methods: By using ZuluThermo, the fulfillment of the hydraulic head demands of all substations is calculated. In the case study, a district heating (DH) system in Omsk, Russia is illustrated to validate the proposed method.
Results: The common design method to the variable-speed pumps in a heat substation is reported. Based on a large central plant, a hydraulic characteristic of the heat source within a DH system with fluctuating hydraulic operation points is shown. The fluctuations of a heat load from design one have significant influence on the overall performance of a DH system. The results of comparative analysis show that an available head varies from 20% to 25%. Any mistake in ensuring hydraulic regime will lead to numerous complaints. The job of the company staff is to collect, consider, investigate, respond to, and where appropriate come to a conclusion about consumers' comments, concerns, and complaints in a prompt and timely manner, from a position of independence. Naturally, the fact that a complaint had been filed did not always mean that a violation had occurred. Matching customers to commodities is by now a well worn theme in cyberspace, but the DH companies' management remains limited on the issue. When 'old industry' companies start to look vulnerable, business to consumer companies - known as B2C, or B2B - business to business - companies are where investors headed.
Conclusions: Another novel idea, a blockchain is evolving from being based on rules, like passwords, to being automatic and made stronger through us just being us. Concerning the dynamic characteristic stability of heating substation largely affects the daily efficiency of a DH system.
Key words: district heating, pump, performance, pressure, network, water.
