CC BY
0УДК 620.9 Новиков И.К., Рахимбулов В.Е., Шостак И.В.
Новиков И.К.
студент кафедры электро- и теплоэнергетика Оренбургский государственный университет (г. Оренбург, Россия)
Рахимбулов В.Е.
студент кафедры электро- и теплоэнергетика Оренбургский государственный университет (г. Оренбург, Россия)
Шостак И.В.
студент кафедры электро- и теплоэнергетика Оренбургский государственный университет (г. Оренбург, Россия)
МОДЕЛИРОВАНИЕ ИНТЕГРАЦИИ ОТРАБОТАННОГО ТЕПЛА В СУЩЕСТВУЮЩУЮ СЕТЬ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ, РАБОТАЮЩУЮ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ ПОДАЧИ
Аннотация: в данной статье рассматриваются такие моменты как интеграция отработанного тепла, централизованная сеть теплоснабжения, работающая на различных температурах подачи.
Ключевые слова: теплоснабжение, дополнительная интеграция, интеграция тепла, снижение температур подачи.
В строительном секторе, где теплоснабжение зданий требует значительного энергопотребления, системы централизованного теплоснабжения являются многообещающей технологией использования
2266
возобновляемых и отработанных источников тепла для снижения воздействия теплоснабжения зданий на климат. Сети централизованного теплоснабжения могут использовать множество различных источников отработанного тепла с различными уровнями температуры для распределения тепла по подключенным зданиям. Определяют четыре различных поколения систем централизованного теплоснабжения, которые различаются уровнем температуры, типом рабочей жидкости или возможностью подключения к другим энергетическим системам, таким как газовая или электрическая сеть. Системы централизованного теплоснабжения первого поколения распределяют тепло через пар, а второе поколение обеспечивает тепло водой под давлением при высоких температурах выше 100°С. В то время как теплоснабжение исключительно на основе ископаемого топлива характерно для первого и второго поколения, третье поколение централизованного теплоснабжения также использует альтернативные источники тепла, такие как промышленное тепло или биомасса, и, кроме того, характеризуется уровнем средней температуры ниже 100°С. Современные системы централизованного теплоснабжения четвертого поколения, которые в основном питаются от устойчивых источников тепла, работают при низких температурах ниже 60°С .
Подача тепла посредством централизованного теплоснабжения широко распространена во многих странах, например, в Скандинавии и Балтийском регионе на централизованное теплоснабжение приходится 50% теплоснабжения зданий. Однако большинство существующих систем централизованного теплоснабжения снабжаются тепло-станции, работающими на ископаемом топливе, в Европе 35% систем комбинированного производства тепла и электроэнергии (ТЭЦ) работают на угле, 39% на газе и только 11% на возобновляемых источниках энергии. Для сокращения выбросов углекислого газа в строительном секторе необходима замена этих котельных устойчивыми источниками тепла. Таким образом, интеграция отработанного тепла или возобновляемых источников тепла в существующие системы
2267
централизованного теплоснабжения является важным шагом в общем энергетическом переходе.
Предоставлены обзоры нескольких устойчивых источников тепла в системах централизованного теплоснабжения и описать основные проблемы их использования в сетях централизованного теплоснабжения, а также потенциал для преобразования централизованного теплоснабжения в современные системы четвертого поколения. В различные категории источников тепла, такие как промышленное избыточное тепло или сточные воды, нанесены на карту в Дании, чтобы подчеркнуть полезный тепловой потенциал, который можно использовать в системах централизованного теплоснабжения в сочетании с тепловыми насосами. Кроме того, несколько исследований сосредоточены на потенциале конкретных источников отработанного тепла и изучают возможность использования этих источников тепла в сетях централизованного теплоснабжения, например, избыточного тепла от супермаркетов или электростанций, от промышленных процессов или от системы охлаждения центров обработки данных и высокопроизводительных компьютеров.
Интеграция дополнительных источников тепла в существующую сеть централизованного теплоснабжения является сложной задачей, поскольку уровень температуры источника часто не соответствует температуре сети или географическое положение неблагоприятно для структуры сети. С помощью имитационных моделей исследованы изменившиеся условия эксплуатации сетей централизованного теплоснабжения вследствие интеграции децентрализованных источников тепла. Отмечается, что децентрализованная интеграция тепла приводит к обратным массовым потокам и, следовательно, к изменению скоростей потока в сети, что приводит к колебаниям термических напряжений в трубах. Протестировать интеграцию потребителей в сеть централизованного теплоснабжения, используя динамическое моделирование сети. Они моделируют различные сценарии относительно уровня температуры и мощности потребителя и показывают, что интеграция потребителя в сочетании со снижением температуры подачи приводит к снижению тепловых
2268
потерь, но также к увеличению энергопотребления насосов. Они изучают тепловые и гидравлические эффекты в сети централизованного теплоснабжения Тронхеймского университета, возникающие в результате использования дополнительного интегрированного источника отработанного тепла. Моделирование показывает, что дополнительная интеграция тепла может привести к образованию конусов давления вблизи точки интеграции, что влияет на надежность электроснабжения некоторых подключенных потребителей в сети.
Кроме того, переход существующих систем централизованного теплоснабжения с высоких температур на средние или даже на низкие необходим для повышения эффективности их распределения и обеспечения возможности интеграции устойчивых источников тепла на низкотемпературных уровнях. Нейросети и др. исследовать возможности снижения температуры подачи в существующей системе посредством моделирования, учитывая адаптацию управления централизованным отоплением и частичную реконструкцию подключенных зданий. Всесторонний обзор ограничений и возможных мер по снижению температуры подачи в существующих системах централизованного теплоснабжения.
Как видно из исследований, упомянутых выше, работу централизованного теплоснабжения часто тестируют с помощью имитационных моделей. Такие имитационные модели позволяют исследовать поведение системы и выявлять возможные возникающие проблемы до того, как система будет адаптирована к реальному миру. Разработать систему моделирования для тестирования планируемой сети централизованного теплоснабжения с различными температурами подачи и дополнительной интеграцией потребителей. В этой структуре гидравлическая и тепловая модели сети объединяются с помощью итерационного подхода для описания всего режима централизованного теплоснабжения. Другие инструменты моделирования, использующие различные подходы к моделированию, доступны на различных языках программирования, например, и разрабатывают
2269
модели централизованного теплоснабжения в Modélica, и разрабатывают инструменты на основе Python. Обзор доступных подходов к моделированию с различными целями, например, моделирование различных компонентов в системе централизованного теплоснабжения или исследование поведения целостной системы распределения. Кроме того, они выделяют несколько коммерческих инструментов и оценивают их в матрице.
Чтобы исследовать эксплуатационные изменения в сетях централизованного теплоснабжения из-за интеграции дополнительного источника тепла, мы используем существующий подход к моделированию систем централизованного теплоснабжения в Modélica и расширяем имитационную модель для моделирования работы с двумя источниками тепла. Сначала мы представляем подход к моделированию крупных сетей централизованного теплоснабжения в Modélica. Во-вторых, мы опишем расширение модели. В-третьих, мы представляем, как оценивается измененная работа централизованного теплоснабжения.
Имитационная модель централизованного теплоснабжения моделируется в Modélica и использует библиотеку Modélica с открытым исходным кодом AixLib для модели предложения, спроса и труб. В модели используется подход моделирования с разомкнутым контуром, который характеризуется тем, что входные и выходные данные массового расхода моделей спроса и предложения гидравлически развязаны, что снижает сложность модели. Подход с разомкнутым контуром используется для крупных систем централизованного теплоснабжения с большим количеством реализованных моделей потребителей для снижения вычислительной сложности. Для данного исследования подходит подход с разомкнутым контуром, поскольку основное внимание уделяется возможному распределению тепла через существующую трубопроводную сеть, а не оперативному управлению подключенными подстанциями или источниками тепла.
2270
В подмодели источника питания 8оигсвМва1 с разомкнутым контуром библиотеки Л1хЫЬ массовый расход в источнике жидкости задается давлением и температурой и подключается к выходному порту подмодели, символизируя линию подачи сети централизованного теплоснабжения. Входной порт модели подачи, который символизирует обратную линию сети, соединен со стоком жидкости. Структура модели спроса представлена.
Рисунок 1. Модель подачи с разомкнутым контуром с источником жидкости и стоком жидкости.
В модели спроса с разомкнутым контуром VarTSupplyDp для подключенных зданий требуемый массовый расход рассчитывается на основе потребности в тепле, расчетной температуры обратки и температуры входящей подачи. Как и в модели предложения, в модели спроса порты подачи и выпуска жидкости гидравлически развязаны.
Моделью трубопровода модели централизованного теплоснабжения является модель PlugFlowPipe библиотеки моделей AixLib. Модель трубы с поршневым потоком моделирует потери давления и тепла в сегменте трубы и учитывает температурную волну в рабочей жидкости. Однако из-за сложности модели трубы с поршневым потоком короткие сегменты труб в сети моделируются с помощью модели StaticPipe, которая также доступна в библиотеке AixLib, чтобы снизить вычислительные затраты.
В крупных сетях централизованного теплоснабжения большие расстояния между разветвлениями состоят из нескольких небольших отрезков труб из-за изгибов или расширительных петель. Представление всех этих сегментов труб в виде подмоделей труб в Modélica требует больших
2271
вычислительных затрат. Поэтому топология трубопровода сети упрощается за счет объединения нескольких меньших сегментов трубопровода в один сегмент трубопровода, чтобы упростить модель и уменьшить общую сложность. Следуя работе, на этом этапе распределения коэффициенты потерь на трение из-за изгибов или фитингов в сети объединяются в комплексный коэффициент, представляющий общие потери на трение всех агрегированных сегментов труб.
Вся имитационная модель централизованного теплоснабжения автоматически создается с помощью среды Python uesgraphs, которая экспортирует работоспособные модели Modélica на основе графического представления сетей централизованного теплоснабжения. Uesgraphs — это инструмент энергетических сетей, который представляет одну или несколько структур энергетических сетей в виде графиков и обрабатывает конкретную сетевую информацию о линиях снабжения, спроса или распределения в качестве атрибутов. На основе этих атрибутов в графическом представлении подмодели Modélica параметризуются с использованием шаблонного подхода Python и подключаются к целостной имитационной модели, например, сети централизованного теплоснабжения. Такой подход к представлению энергетических сетей и возможность автоматического экспорта моделей облегчают создание крупных имитационных моделей централизованного теплоснабжения. Кроме того, незначительные корректировки атрибутов поставок или потребителей в графическом представлении позволяют быстро адаптировать имитационную модель.
Декарбонизация существующих систем централизованного теплоснабжения путем замены котельных, работающих на ископаемом топливе, устойчивыми источниками тепла имеет важное значение для углеродно-нейтрального теплоснабжения в секторе зданий. Такое замещение теплоснабжения, поскольку отходящее тепло должно быть интегрировано в местную систему централизованного теплоснабжения, чтобы сократить подачу тепла от существующей газовой котельной. В этой статье мы проверяем возможность интеграции отработанного тепла в существующую систему
2272
централизованного теплоснабжения посредством моделирования, в результате чего модель из предыдущей работы расширяется для учета нескольких источников тепла в системе централизованного теплоснабжения.
Оценка имитационной модели показывает правильное поведение и стратегию управления и, следовательно, может быть использована для исследования возможности интеграции отработанного тепла в местную систему централизованного теплоснабжения кампуса.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Архипов, Е. М., Жуков, Е. Н. (2015). Тепловые сети и тепловое потребление. Москва: Издательство МЭИ;
2. Зарубин, Ю. А. (2013). Основы теплотехники и теплоснабжения. Санкт-Петербург: Питер;
3. Кириллов, Н. А., Смирнов, Ю. М. (2011). Моделирование процессов теплопередачи. Москва: Логос;
4. Васильев, В. В., и Гришин, А. М. (2017). Интеграция вторичных энергетических ресурсов в систему теплоснабжения. Энергетика и электрификация, 4, 23-29;
5. Зимин, В. И., и Калинина, Т. А. (2018). Моделирование процессов теплообмена в сетях централизованного теплоснабжения. Теплоэнергетика, 2, 45-52
2273
Novikov I.K., Rakhimbulov V.E., Shostak I. V.
Novikov I.K.
Orenburg State University (Orenburg, Russia)
Rakhimbulov V.E.
Orenburg State University (Orenburg, Russia)
Shostak I.V.
Orenburg State University (Orenburg, Russia)
MODELING INTEGRATION OF WASTE HEAT TO EXISTING CENTRALIZED NETWORK HEAT SUPPLY, WORKING AT DIFFERENT SUPPLY TEMPERATURES
Abstract: this article discusses such issues as the integration of waste heat, a centralized heat supply network operating at different supply temperatures.
Keywords: heat supply, additional integration, heat integration, supply temperatures.
2274
