CC BY
22DOI: 10.24411/9999-010A-2019-10115
В.К. ТКАЧЕВ1, С.В. КОЛЕСНИКОВ2, К.В. ТРУБИЦЫН1, А.В. ЕРЕМИН1, И.В. КУДИНОВ1, А.Н. БРАНФИЛЕВА1
1 Самарский государственный технический университет, г. Самара, Россия
2 ПАО «Т Плюс», г. Самара, Россия
ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ Г. САМАРЫ С ЦЕЛЬЮ УЛУЧШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ В ВОЛЖСКОМ БАССЕЙНЕ
Эффективным средством анализа работы теплосетей централизованного теплоснабжения крупных городов являются компьютерные модели, позволяющие полностью воспроизводить гидравлические процессы, протекающие в сложных многокольцевых разветвленных трубопроводных системах. И, в частности, они позволяют определять давления, скорости, расходы теплоносителя, потери напора и расходы электроэнергии на перемещение среды и другие параметры (Соколов, 1963; Зыков, 1969; Абрамов, 1972; Меренков, Хасилев, 1985; Математическое моделирование..., 1992; Карташов, 2001; Кудинов и др., 2001; Колесников и др., 2002; Зройчиков и др., 2007; Кудинов, 2010, 2011).
При построении компьютерных моделей используются два закона Кирхгофа, широко применяемые при расчетах электрических сетей, которые ввиду электрогидравлической аналогии могут быть использованы и для расчетов гидравлических сетей. Используя законы Кирхгофа и теорию графов, создается «дерево» теплосети, из вершины которого можно достичь любой её точки. При разработке компьютерной модели определяются гидравлические характеристики трубопроводов. Потери напора A h в трубопроводе складываются из потерь на трение (линейные) и потерь в местных сопротивлениях
7 2 2
l U и
—+ / x— d 2g 2g
где 1 - коэффициент трения; l - длина трубопровода, м; d - внутренний диаметр, м; и -средняя скорость, м/с; /Х-сумма коэффициентов местных сопротивлений на участке трубопровода; g - ускорение свободного падения.
Если ввести понятие «эквивалентная длина трубопровода» 1э, которая
определяется по формуле 1э = 1 / Х, то потери напора на местные сопротивления можно свести к линейным потерям. Тогда (1) примет следующий вид:
Ah = ^ Çll + 1 iVM. (l + 1э ). (2)
2gè d d) 2dg 3>
Если расход жидкости через участок Q м3/с, то и = 4Q / (pd2 ) и гидравлическая характеристика участка - трубы записывается в виде
Ah = sQ2, (3)
где s = 8l(l + 1э)/(p2gd5) - гидравлическое сопротивление участка, с2/м5.
Гидравлическая характеристика участка - задвижки также имеет вид (3), где s -коэффициент сопротивления задвижки, зависящий в основном от степени ее открытия.
Ah=1-Vf-+Exf-, (1)
© 2019 Ткачев Василий Константинович, Tkachev.VK@samgtu.ru; Колесников Сергей Владимирович; Трубицын Константин Викторович; Еремин Антон Владимирович; Кудинов Игорь Васильевич; Бранфилева Анастасия Николаевна
Участки - насосы в расчетной схеме гидравлической сети представлены аналитическими характеристиками, связывающими между собой напор, развиваемый насосом, и подачу. Характеристика насоса в координатах Q - Н с достаточной для практики точностью может быть выражена уравнением вида
Н = Н ф- Qн2 5 ф,
где Нф - фактический напор, развиваемый насосом при закрытой на выходе задвижке ^н= 0), м; Qн - подача насоса, м3/с; 5ф - фактическое гидравлическое сопротивление насоса.
® - повысительные и понизительные насосные; XI - задвижки; ® - потребители теплоты; прямая магистраль;
- обратная магистраль; Р - давление кгс/см2; V - отметка высоты, м;
О - расход теплоносителя, т/ч
Рис. 1. Распределение давлений в теплосети централизованного теплоснабжения г. Самары от тепловых источников СамТЭЦ, БТЭЦ, СГРЭС, ЦОК, ПОК
Таким образом, для построения компьютерной модели гидравлической системы используется полная информация об объекте - длины и диаметры трубопроводов, степень их шероховатости, состояние запорных устройств, отметки высот расположения оборудования, величина стоков и притоков среды в отдельных точках сети, характеристики насосов и прочее. На основе всех этих данных строится модель с паспортными характеристиками оборудования. Однако реальные характеристики объекта могут существенно отличаться от паспортных. Поэтому с целью максимального приближения построенной модели к реальной системе выполняется идентификация модели. Для этого используются экспериментальные данные по расходам и давлениям среды в различных точках гидравлической системы. Для того чтобы приблизить модель к реальной системе, гидравлические сопротивления отдельных участков модели изменяют таким образом, чтобы получаемые из расчета на модели результаты как можно меньше отличались от экспериментальных значений параметров. Процесс идентификации является итеративным, и в модели он автоматизирован.
После выполнения идентификации можно считать, что компьютерная модель реальной теплосети построена. Такая модель позволяет выполнять практически любое число вычислительных экспериментов применительно к данной сети. Важным преимуществом модели является возможность проведения любых изменений в сети с целью устранения имеющихся проблем (изменение диаметров трубопроводов,
открытие или закрытие задвижек, изменение характеристик насосов и проч.), что позволяет оперативно принять меры по изменению текущего режима, а также выбрать наилучшие варианты реконструкции теплосети.
Городские теплосети, запитываемые от ТЭЦ и котельных, представляют сложные разветвленные гидравлические системы. В практике их эксплуатации основными проблемами являются недостаточный перепад давлений между прямым и обратным трубопроводами, повышенное давление в обратном трубопроводе, разрегулированность сети (несоответствие расчетных и действительных расходов) у потребителей теплоты и др. Причинами указанных проблем могут быть: повышенный расход теплоносителя, недостаточные диаметры трубопроводов, уменьшение диаметров труб из-за наличия отложений на их внутренних поверхностях, перекрытие задвижек на участках сети с большими скоростями течения теплоносителя, «паразитные» циркуляции и пр. Решить вопрос о том, какая из этих причин является определяющей, довольно сложно. Эффективным инструментом для наиболее достоверного определения основных причин возникновения указанных проблем являются компьютерные модели.
В настоящей работе рассматриваются результаты построения объединенной компьютерной модели сети централизованного теплоснабжения г. Самары, имеющей пять крупных тепловых источников. К ним относятся Самарская ТЭЦ (СамТЭЦ), Безымянская ТЭЦ (БТЭЦ), Самарская ГРЭС (СГРЭС), Центральная (ЦОК) и Привокзальная (ПОК) отопительные котельные (рис. 1). Каждый из источников тепла в зависимости от его мощности обеспечивает теплоносителем для нужд отопления и горячего водоснабжения соответствующий район г. Самары, т.е. теплосети от всех источников тепла в настоящее время функционируют независимо одна от другой (в единой трубопроводной системе теплосети от различных источников разделены с помощью перекрытых задвижек).
Распределение давлений в объединенной теплосети централизованного теплоснабжения г. Самары, представленное на рис. 1, получено путем совмещения в одинаковом масштабе эпюр давления от всех источников тепла. В настоящее время теплосети всех тепловых источников разделены задвижками и работают изолировано. Эпюры давлений для каждого из них получены на их компьютерных моделях. Таким образом, все эпюры давлений, представленные на рис. 1, получены на компьютерных моделях каждого из представленных источников тепла при их независимой работе. В то же время, имея компьютерные модели всех этих тепловых источников, их без особых затруднений можно объединить в единую компьютерную модель, что и было сделано в настоящей работе.
Прежде чем перейти к обсуждению вопросов, связанных с оптимальным перераспределением нагрузки между источниками тепла для решения имеющихся в настоящее время проблем, приведем краткую характеристику теплосетей от СамТЭЦ и БТЭЦ (рекомендации по изменению режима их работы будут даны ниже).
Самарская ТЭЦ имеет три тепловывода, суммарная нагрузка которых О составляет около 16800 т/час. (7800 т/ч - первый и по 4500 т/ч - второй и третий). На первом и третьем тепловыводах для обеспечения располагаемого перепада давлений установлены повышающие давление насосные (Н1 и Н2, см. рис. 1). В качестве конкретного примера на рис. 2 приведена эпюра давления наиболее нагруженного (О = 7800 т/час) первого тепловывода СамТЭЦ, содержащего повысительную насосную Н1. Анализ эпюры показывает, что на прилегающем к СамТЭЦ участке прямого и обратного трубопроводов длиной 3,6 км, происходит потеря располагаемого перепада давлений, составляющая 0,45 МПа. Для того чтобы избежать пересечения эпюр давления прямого и обратного трубопроводов, установлена повысительная насосная Н1, повышающая давление в прямой магистрали почти на 0,4 МПа.
Выполненные на модели исследования показали, что «дерево» теплосети СамТЭЦ (как, впрочем, и теплосетей всех остальных источников) не является оптимальным. Причина в том, что разделение тепловыводов с помощью перекрытых задвижек (для ликвидации кольцевых структур, порождающих паразитные токи) выполнено на участках трубопроводов, где при открытых задвижках наблюдаются высокие скорости течения среды (теплосеть содержит 14 перекрытых задвижек). При таком делении одни участки сети оказываются вполне работоспособными, а на других возникают серьезные проблемы в виде недостаточного располагаемого перепада давлений и повышенных давлений в обратных трубопроводах.
Оптимальным является «дерево», когда разделения в сети выполнены на участках с минимальными скоростями течения среды, либо в застойных зонах, т. е. там, где происходит естественное разделение тепловыводов. Компьютерная модель позволяет построить оптимальное «дерево» путем итерационного перебора большого количества вариантов работы теплосети с перекрытыми задвижками в застойных зонах.
Рис. 2. Распределение давлений на первом тепловыводе (1 - С, см. рис. 1) СамТЭЦ. Р - давление; Ь - длина трубопроводов;
1 - эпюра давления в прямом трубопроводе;
2 - эпюра давления в обратном трубопроводе; 3 - отметка высоты; Н1 -повысительная насосная
От Безымянской ТЭЦ отходит один тепловывод с нагрузкой 4800 т/ч, который на расстоянии 3 км от БТЭЦ имеет два ответвления (1 - Б и 2 - Б, рис. 1). Задвижками 1 -8 теплосеть БТЭЦ отделена от теплосети СамТЭЦ, а задвижками 23 - 26 - от теплосети ПОК. На рис. 3 приведена эпюра давления на тепловыводе 1 - Б, анализ которой позволяет заключить, что серьезными проблемами здесь являются недостаточный располагаемый перепад давлений между прямым и обратным трубопроводами, составляющий на отдельных участках сети около 30 - 50 кПа при минимально допустимом 200 кПа, а также повышенное давление в обратных трубопроводах, достигающее на отдельных участках 700 кПа при максимально допустимом 600 кПа. Основной причиной указанных проблем является повышенный расход теплоносителя по трубам, имеющим недостаточный диаметр. Так, на участке АВ тепловывода (диаметр трубопроводов 700 мм, длина Ь = 2 км) происходит потеря располагаемого перепада давления от 760 до 420 кПа. Расчеты на модели показали, что увеличение диаметров трубопроводов на этом участке до 900 мм приведет к увеличению располагаемого перепада давлений не менее чем на 250 кПа, что позволит по всей длине тепловывода устранить проблему не только недостаточного располагаемого перепада давлений, но и повышенного давления в обратных трубопроводах (рис. 3). Очевидно, что реализация данного предложения является радикальным решением проблемы, однако весьма дорогостоящим.
Можно предложить вариант, связанный с передачей части нагрузки от БТЭЦ к СамТЭЦ (в районе задвижек 5-8, см. рис. 1). Расчеты на модели теплосети БТЭЦ показывают, что передача нагрузки в количестве 1200 т/ч теплосети СамТЭЦ позволяет увеличить располагаемый перепад давлений на первом тепловыводе (1 - Б; см. рис. 1) теплосети БТЭЦ примерно на 120 кПа.
Р, м вод. ст. 160
А" 1 3
---" 3
„.-'А «шшиии^ 4
Рис. 3. Распределение давлений на первом тепловыводе (1 - Б, см. рис. 1) БТЭЦ. Р - давление, м вод. ст.; Ь -длина трубопроводов, м; 1, 2 - прямой и обратный трубопровод; 3 - эпюра давления после передачи нагрузки от БТЭЦ к СамТЭЦ; 4 - отметка высоты местности, м
Объединенная компьютерная модель позволяет решить и много других проблем, связанных с перераспределением нагрузки между различными тепловыми источниками. И, в частности, можно рассчитать полное исключение ЦОК из системы централизованного теплоснабжения, что значительно улучшит экологическую ситуацию в г. Самаре. К тому же, будет получен экономический эффект, связанный с тем, что подготовка горячей воды для отопления на тепловых электрических станциях в 3-4 раза дешевле, чем её подготовка на газовых котельных, каковой является ЦОК. На компьютерной модели можно рассчитать варианты передачи всей нагрузки ЦОК тепловым электрическим станциям СамТЭЦ и БТЭЦ.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-38-00029 мол а.
Список литературы
120
80
40
L, м
Абрамов Н.Н. Теория и методика расчета системы подачи и распределения воды. М.: Стройиздат, 1972. 286 с.
Зройчиков Н.А., Кудинов В.А., Коваленко А.Г., Колесников С.В., Москвин А.Г., Лисица В.И. Разработка компьютерной модели и расчет оптимальных режимов работы циркуляционной системы ТЭЦ-23 ОАО «Мосэнерго» // Теплоэнергетика. 2007. № 12. С. 7-15.
Зыков А.А. Теория конечных графов. Новосибирск: Наука, 1969. 543 с.
Карташов Э.М. Аналитические методы в теории теплопроводности твердых тел. М.: Высш. школа, 2001. 550 с.
Колесников С.В., Дикоп В.В., Томкин С.В., Кудинов В. А. Исследование гидравлических режимов работы цирксистемы Тольяттинской ТЭЦ на компьютерной модели // Изв. ВУЗов СНГ. Энергетика. 2002. № 6. С. 90-95.
Кудинов В.А., Коваленко А.Г., Колесников С.В., Панамарев Ю.С. Разработка компьютерной
модели и исследование работы циркуляционной системы Новокуйбышевской ТЭЦ-2 // Изв. АН. Энергетика. 2001. № 6. С. 118-124.
Кудинов И.В. Использование компьютерной модели для проектирования тепловых сетей // Вестн. Самарск. гос. технич. ун-та. Сер. Технич. науки. 2010. №4 (27). С. 174-181.
Кудинов И.В. Построение компьютерных моделей систем теплоснабжения больших городов // Вестн. Самарск. гос. технич. ун-та. Сер. Технич. науки. 2011. №1 (29). С. 212-219.
Математическое моделирование и оптимизация систем тепло-, водо-, нефте- и газоснабжения / А.П. Меренков, Е.В. Сеннова, С.В. Сумарокова и др. Новосибирск: Наука, 1992. 407 с.
Меренков А.П., Хасилев В.Я. Теория гидравлических цепей. М.: Наука, 1985. 278 с.
Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1963. 360 с.
