CC BY
96
УДК 697.341
ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ И КОНФИГУРАЦИЙ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ
М.В. Колосов, С.А. Михайленко
Сибирский федеральный университет, г. Красноярск E-mail: Kolosov_Mike@mail.ru
Приводится статистический материал и анализ по одному из главных энергетических ресурсов - тепловой энергии. Предложена математическая модель оптимизации параметров тепловой сети по энергетическому эффекту, предложен критерий оценки максимальной энергоэффективности.
Ключевые слова:
Тепловая сеть, оптимизация, энергоэффективность.
Key words:
Energy system, optimization, energyefficiency.
В последние годы тема энергосбережения приобрела большую актуальность, а повышение энергетической эффективности определено Президентом РФ в качестве одного из приоритетов инновационного развития страны. Тепловые сети традиционно являются главным источником потерь и с каждым годом ситуация только ухудшается. Нарушения в системах централизованного теплоснабжения критичны для систем электроснабжения, так как электрическая энергия является замещающим видом энергии для систем централизованного теплоснабжения, а при сильных похолоданиях потребности в тепле, гораздо больше, чем в электроэнергии, и при нарушении режимов обеспечения теплом электрическая энергия используется самым нерациональным способом - на обогрев помещений.
По результатам энергетических обследований, расчетные и договорные присоединенные тепловые нагрузки существенно отличаются от фактических как в сторону превышения, так и занижения. Завышение нагрузок, при недостаточной оснащенности потребителей приборами учета и расчётах по приборам учёта на источниках, дает возможность теплоснабжающим организациям занижать сверхнормативные потери в сетях и, соответственно, завышать объемы реализованной тепловой энергии. Расчетные нагрузки являются основными исходными данными для разработки нормативных энергетических характеристик. При их отличии от фактических получаются расчетные режимные характеристики, недостижимые в реальности.
Фактические нагрузки также важны для определения резервов системы теплоснабжения. Отпуск теплоты с источников = Потребление + Фактические потери в сетях. Для сведения баланса надо знать хотя бы две составляющие. При 100 % оснащенности приборами учета достаточно просто определить фактические потери в сетях. Тогда КПД тепловой сети можно определить как
/ 1 ^потребителя ГГ\ /-» п/
П = ^ ,,--------~ 62,2 %.
источника
И это без учета составляющей затрат электроэнергии для перекачки. Определение фактических нагрузок и потерь должно быть составной частью разработки общего топливно-энергетического баланса.
Фактические потери сетевой воды, по результатам энергетических обследований, как правило, соизмеримы с нормативной утечкой, равной 0,25 % объема тепловых сетей.
Приведение тепловых потерь к нормативным значениям, помимо экономии тепловой энергии и снижения затрат электроэнергии на ее транс -порт, обеспечит высвобождение тепловой мощности, при этом может исчезнуть необходимость строительства новых источников тепла, рис. 1.
Задачей системы теплоснабжения является по возможности более полное и надежное обеспечение потребителей теплом. Поэтому оптимизационные модели проектирования и определения режимов работы систем через критерии оптимальности и ограничения должны отражать влияние полноты и надежности теплоснабжения на результирующий показатель эффективности выбора стратегических и тактических параметров системы теплоснабжения.
Существует модель минимизации суммарных ожидаемых потерь и затрат на создание и эксплуатацию тепловой сети. Однако экономическая эффективность системы теплоснабжения сильно зависит от внешних факторов, таких как стоимость оборудования или срок эксплуатации, в то время как показатель энергетической эффективности зависит только от режима эксплуатации. Вместе с этим в последнее время все больше внимания уделяется эксергетическим методам анализа и оптимизации, однако упоминание тепловых сетей в сочетании с эксергией практически не встречается, в связи с этим для повышения эффективности системы централизованного теплоснабжения необходимо найти пути снижения потерь эксергии также и в тепловых сетях. Эксергия учитывает и разное качество энергии, например при температуре воды 130 °С и температуре окружающего воздуха -40 °С, тепловая энергия имеет ценность примерно в 4 раз ниже
140
120
100
и
О
£ 80
£
я
40 20 0
О 5 10 15 20 25 30 35
Потребитель тепловой энергии
А Температура подающей линии у потребителя ■ Температура обратной линии у потребителя Температура подающей линии на ТЭЦ “ “ «Температура обратной линии на ТЭЦ
*ААА, . А 1А А д i к ▲ ► ► ► ▲ ^ А А А
■ 1 ■ ■Щ— 1 ■ 1 i А 1А :|Г *1 1 1
■ »■' ■ ■ ■ ■ ■■ ■ 1 ■ ■ ■ _ ■ 1 ™ ■ ■ ■ ■
■ ■ ■
Рис. 1. Температура теплоносителя в тепловой сети
чем электрическая энергия, соответственно эксер-гетическая модель так же отражает и экономическую эффективность системы теплоснабжения.
Тогда задачу минимизации можно записать в виде:
шш ^ (х) =
хеХ
= ш1п{ф!(х) + Ф2(х) + М пип ф3(х,у1(а))'},
хеХ © у 1(®)еГ (©)
где х - вектор структурных параметров системы; <р1(х) - суммарные затраты электроэнергии на подачу теплоты потребителям в ситуации ©; <р2(х) -суммарные потери тепловой энергии тепловой сети в ситуации ©; <р3(х) - суммарные затраты электроэнергии и потери тепловой энергии тепловой сети при выходе элемента системы из строя при условии полного обеспечения потребителей теплоэнергии в ситуации ©; у;(ю) - вектор тактических решений в зависимости от состояний элементов теплосети при реализации внутрисистемных случайных параметров (состояния аварии или исправности звеньев сети); Щ - оптимизационный функционал, М -символ математического ожидания.
Оптимум энергозатрат достигается в том случае, когда суммарные затраты электроэнергии и потери тепловой энергии тепловой сети будут минимальны. Теоретически максимальное значение целевой функции оптимизации может быть легко связано с поня-
тием потенциала энергосбережения. Известно, что основная проблема определения потенциала энергосбережения заключается в выборе базового значения, некоего эталона максимальной энергоэффективности, с которым производится сравнение фактического показателя расхода энергоресурса. В наибольшей степени такому показателю соответствует теоретическое значение целевой функции оптимизации.
Одним из направлений совершенствования систем централизованного теплоснабжения является оптимизация параметров и конфигураций тепловых сетей. Повышения энергоэффективности при модернизации тепловых сетей за счет оптимизации потокораспределения при замене трубопроводов и применения современных изоляционных материалов не только снижает потери при передаче те-плоэнергии, но и создает возможность для подключения новых потребителей. Оптимизация энергозатрат на транспортировку энергоносителей необходима в системе долгосрочного планирования вопросов энергоэффективности. Ее результаты прежде всего ориентированы на использование при постепенной модернизации существующего оборудования и внедрении новых технологий.
Обновление тепловых сетей г. Красноярска -одно из ключевых направлений развития Енисейской ТГК. Рациональному использованию тепло-
вой энергии в немалой степени способствует инвестиционная программа по развитию объектов, используемых в системе теплоснабжения города Красноярска. Реализация программы направлена на увеличение пропускной способности тепловых сетей, перераспределение тепловой энергии от тепловых электростанций города, увеличение присоединенной нагрузки объектов теплопотребления.
На сегодняшний день расчетные потери энергии сети Советского района составляют около
7 МВт. Использование эксергетического метода оптимизации показало, что при увеличении диаметров труб выделенных участков (рис. 2) протяженностью 12 км с 0,8 до 1,2 м возможна экономия около 3 МВт энергии.
Наибольший экономический эффект от предложенных мероприятий может быть достигнут при их реализации совместно с плановыми заменами данных трубопроводов по причине их износа с применением новых типов изоляции.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Федеральный закон «Об энергосбережении и о повышении
энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». Одобрен Советом Федерации 18 ноября 2009 года // Энерго-Совет.ЯИ - Портал по энергосбережению. 2009. ИЯЬ: http://www.energosovet.ru/fzakon.html (дата обращения:
07.10.2010).
2. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. - М.: Высшая школа, 2001. - 359 с.
3. Мелентьев Л.А. Оптимизация развития и управления больших систем энергетики. - М.: Высшая школа, 1982. - 319 с.
4. Стратегия повышения энергоэффективности коммунальной инфраструктуры Российской Федерации // ЭнергоСовет.ЯИ -Портал по энергосбережению. 2007. ИЯЬ: http://wwwenergoso-vet.ru/st_energo.html (дата обращения: 07.10.2010).
5. Юдин Д.Б. Задачи и методы стохастического программирования. - М.: Высшая школа, 1979. - 531 с.
6. Спирин Е. Энергоэффективность - не просто модное слово // Энергополис. - 2010. - № 8 (36).
Поступила 10.10.2010 г.
