Распределительных тепловых сетей Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 697.34

МОДЕЛЬ ТЕРМОЭКОНОМИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ

© С.Г. Культяев, Э.М. Малая

Ключевые слова: централизованное теплоснабжение; проектирование сетей теплоснабжения; метод термоэкономической оптимизации; методика подбора диаметров.

Предлагается метод термоэкономической оптимизации, позволяющий усовершенствовать проектные гидравлические расчеты тепловых сетей. Представлены результаты расчетов для сети централизованного теплоснабжения поселка городского типа. Расчеты показывают, что диаметр трубы, толщина изоляции и время работы системы являются основными параметрами для оптимального проектирования сетей теплоснабжения.

Централизованное теплоснабжение (ЦТ) является важным источником энергии для страны и может обеспечивать экономически эффективное и экологически благоприятное энергоснабжение городов [1-6].

Системы ЦТ по сравнению с децентрализованными системами обладают потенциалом высокой энергетической эффективности и являются более «экологически чистыми».

Система трубопроводов, по которым горячая вода (теплоноситель) распределяется между абонентами, является одной из основных частей системы централизованного теплоснабжения. Эти трубопроводы должны быть тщательно спроектированы и подобраны так, чтобы обеспечить минимальные затраты не только во время строительства, но и во время эксплуатации.

Существует распространенная методика подбора диаметров распределительных тепловых сетей, в которой учитываются только скорость движения теплоносителя и падение давления по длине трубопровода и в местных сопротивлениях. Определение размеров труб сети централизованного теплоснабжения играет важную роль по экономическим соображениям. Если выбран диаметр трубопровода больше, чем требуется, то инвестиционные затраты и затраты на распределение тепловой энергии за счет увеличения площади наружной поверхности будут высокими. Для уменьшения потерь тепловой энергии можно, конечно, использовать теплоизоляцию, однако стоимость инвестиций в обустройство теплоизоляции трубопровода будет также высока. В противном случае если выбранный диаметр трубопровода меньше, то возрастут затраты, связанные с перекачкой теплоносителя и поддержания его необходимой скорости в сети, иначе при снижении скорости возрастут тепловые потери.

Таким образом, при проектировании тепловых сетей должны быть учтены все вышесказанные аспекты. При постоянно растущей потребности в тепловой энергии и стоимости топливных ресурсов должны быть пересмотрены обычные методы, используемые при проектных изысканиях.

Поэтому мы предлагаем производить проектный подбор параметров тепловых сетей (а именно диаметры

трубопроводов и толщины тепловой изоляции) с точки зрения термоэкономического расчета.

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОПТИМИЗАЦИИ УЧАСТКА ТРУБОПРОВОДА

1. Эксергетические потери, связанные с потерями давления. Эксергетические потери на единичном участке трубопровода из-за потери давления определятся по формуле:

_ Т0 шм!

АР

Тср pw Л н

(1)

где То - температура окружающей среды, °С; Тср -

т

средняя температура воды на участке трубы, °С; —— -

Р—

расход теплоносителя на данном участке трубопровода, т/ч; цнас - к. п. д. циркуляционного насоса, обеспечивающего необходимую скорость на данном участке трубы; АР - общая потеря давления на участке трубопровода, Па, определяемая по формуле:

АР = |ь-7+В1-Р т.

где X - коэффициент потерь давления на трение по длине и рассчитывается в зависимости от числа Рейнольдса и эквивалентной шероховатости трубы. Для существующих труб значение эквивалентной шероховатости труб принимается равным 0,15 мм; -

сумма коэффициентов местных потерь в арматуре трубопроводов.

2. Эксергетические потери, связанные с потерями тепла на участке. Предполагая, что температура на наружной поверхности трубы (То) является постоянной и коэффициенты теплопроводности трубы и

1590

изоляционного покрытия (Хтр и Хизол) не зависят от

температуры, изменение температуры теплоносителя при движении внутри трубы опишется уравнением:

Тк - Го = (Тн - Го) • є

-ЛБ

где Тн и Тк - температура жидкости в начале и конце расчетного участка трубы.

Коэффициенты А, В рассчитываются как:

Л =

2 П

1 1 ,

-------+------------1п

V Гікі Х тр

V

ГА

Ср = 12,345 - 0,088Т + 3,58110 -4 Т2 - 6,527 40-7 Т3 + 4,555 40 -10Т4.

Таким образом, потери эксергии между началом (Ен ) и концом (Ек ) участка трубы за счет потерь тепла в атмосферу могут быть рассчитаны как:

АЕ = Ен - Ек .

ТЕРМОЭКОНОМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОПТИМИЗАЦИИ УЧАСТКА ТРУБОПРОВОДА

Ежегодные капитальные затраты включая капитальные операционные и эксплуатационные затраты, за исключением затрат на топливо, для к-го участка трубопровода определятся следующим выражением:

Б =

^ = {СВР + <Зк )Ік +УкКЕе )к + Вк .

где СЕР - норма дисконтирования:

кі - коэффициент конвективной теплоотдачи внутри труб, рассчитываемый по формуле:

СВР = -

1 - (1 + і)-

Хіа • 0,023 •Яе0 8^Рг0 4

О

к - суммарный коэффициент теплопередачи вокруг трубы, который равен сумме радиационного крад и конвективного кконв коэффициентов теплообмена:

кґ крад + кконв .

а к , % - коэффициенты, составляющие эксплуатационные и технические части затрат Ік; ґ - ежегодное время работы установки при номинальной мощности, ч; Ік - общие затраты на монтаж участка трубопровода, тыс. руб.; Як - прочие затраты, тыс. руб.

Таким образом, для любого к-го участка тепловой сети суммарные капитальные затраты, включающие операционные и эксплуатационные составляющие (без учета топлива), можно записать в виде:

где

Р-Є- Тов - То4) . Тпов - То

к_„ = 11.58 • 1-1 1 2 1 (^ - ґ0 )0-266(1 + 0,79 3 5 -Vв у-

8 - степень черноты покрытия материала изоляции трубы; Тпов - абсолютная температура на поверхности изоляционной конструкции,°С; Ув - скорость воздуха, омывающего внешнюю поверхность изоляционной конструкции, м/с.

Тогда для участка трубопровода значение эксергии можно найти по уравнению:

( Т

Г Г С р (Т )

|Ср (Т)йТ - Т0 ]-JY1dт

\

(2)

где С получается из выражения:

7 _1к

1 к = ~к

Ежегодные капитальные затраты, включая капитальные операционные и эксплуатационные затраты и затраты на топливо для одного участка трубы, описываются уравнением:

Т )к = 1к + (Edes)+ се ^Іояе.

(3)

Целью термоэкономической оптимизации является снижение капитальных затрат. Поэтому уравнение (3) используется в качестве целевой функции. Затраты можно свести к минимуму, решая уравнение (3) либо аналитически, либо численными методами. В качестве основных переменных выступают диаметр трубы и толщина тепловой изоляции.

Для каждого сегмента трубы общие затраты на монтаж І к будут складываться из затрат на покупку самих труб, затрат на теплоизоляцию, арматуру и покровный слой. Затраты на материал труб определяются формулой:

1

0

к

Т

п

V То

Т

1591

1тр = (1,308032 + 0,54011М +1,4933 • 10~5М2)ЬтрХтр .

Затраты на тепловую изоляцию опишутся выражением:

1и3 = (11,15648 + 299,308еи3 - 471,83е2из)Аи3Х^3,

где М - материальная характеристика трубопровода; еиз - толщина изоляции, м; Аиз - площадь поверхности изоляции, м2.

ТЕРМОЭКОНОМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОПТИМИЗАЦИИ ВСЕЙ ТЕПЛОВОЙ СЕТИ

Применяя уравнение (3) для всей системы, состоящей из к элементов, целевую функцию можно записать в виде:

(СТ )сцт = ^£=1 к +\:Леи ^аеи )+ се (^1ахе )]£ ) . (4)

Когда заданы мощность проектируемой системы теплоснабжения и место расположения трубопроводов,

подбираемыми величинами при проектировании являются диаметр трубопроводов и толщина тепловой изоляции. И в этом случае диаметр труб и толщина их теплоизоляции подбираются таким образом, чтобы целевая функция (3) для каждого участка имела бы оптимальные значения. Для получения этих оптимальных значений находится производная целевой функции по данным переменным. В результате операции получаются 2хк нелинейных уравнения для 2хк неизвестных. Система нелинейных уравнений может быть решена с помощью обычных математических методов. Нелинейность в этой системе уравнений вызывается наличием параллельных расчетов как тепловых потерь трубопровода, так и потерь давления, поэтому система 2хк нелинейных уравнения с 2хк неизвестными должна быть решена одновременно. По этой причине аналитическое решение для данной системы уравнений не может быть применено. Поэтому данная задача решается на компьютере итерационным методом Ньютона.

Предпроектный расчет был произведен для системы централизованного теплоснабжения поселка городского типа Саратовской области (рис. 1).

Абонент 1

Участок 2. в = 12,54 т/ч; Ь = 215 м Участок 4. в = 5,62 т/ч; Ь = 430 м

Котельная

Абонент 2

Участок 3. в = 17,69 т/ч; Ь = 430 м Участок 1. в = 6.78 т/ч; Ь = 320 м

Учас О = 5,15 т/ч ок 5. і; Ь = 320 м

Абонент 3

Рис. 1. Схема системы централизованного теплоснабжения поселка городского типа Саратовской области

Таблица 1

Результаты расчетов по классической методике подбора оптимального диаметра трубопроводов тепловых сетей

Участок/Параметр 1 2 3 4 5 Итого

d, м 0,133 0,219 0,219 0,133 0,127

V, м/с 1,46 1,06 1,5 1,22 1,25

АР, Па 58770 12082 48456 56753 47585

2 , тыс. руб. 1765 1970 3935 2470 1765 11905

Сйех,тыс. руб. 690 260 1485 560 430 3425

Се , тыс. руб. 1670 1410 2830 2250 1615 9775

Ст , тыс. руб. 4125 3640 8250 5280 3810 25105

1592

Таблица 2

Результаты расчетов с применением предлагаемого метода подбора оптимального диаметра

трубопроводов тепловых сетей

Участок/Параметр 1 2 3 4 5а 5б Итого

d, м 0,133 0,219 0,219 0,133 0,114 0,108

V, м/с 1,4б 1,0б 1,5 1,22 1,4 1,7

АР, Па 58770 12082 4845б 5б753 53125 23159

Ь, м 320 215 430 430 273 47

2 , тыс. руб. 17б5 1970 3935 2470 1500 190 11830

Сйех,тыс. ру6. б90 2б0 1485 5б0 270 190 3455

Се , тыс. руб. 1б70 1410 2830 2250 1370 175 9705

Ст , тыс. руб. 4125 3б40 8250 5280 3300 575 24990

В табл. 1 показаны результаты расчетов по классической методике подбора оптимального диаметра трубопроводов тепловых сетей по рис. 1. Как видно из расчетов, участки под номерами 1, 2, 3 являются магистральными участками с суммарными потерями давления на них 119,3 кПа. Гидравлическая невязка участков

1 и 4 составляет 3,43 %, что допускается существующими нормами, однако невязка участков 2 и 5 составляет 32,84 %. При стандартной постановке задачи предлагалось оснастить участок дросселирующей шайбой. Мы же предлагаем для подбора диаметров участка 5 и гидравлической увязки воспользоваться термоэкономическим методом (табл. 2).

В табл. 2 приведены аналогичные результаты с применением предлагаемого метода гидравлического расчета.

При балансировке системы расчетный диаметр трубы не совпал со стандартным значением, поэтому участок был разделен на две пропорциональные части с использованием ближайших большего и меньшего значения стандартных диаметров.

Как видно из расчетов, уменьшение диаметра привело к снижению капитальных затрат, уменьшению стоимости потерь тепла за счет уменьшения теплопо-терь, однако у нас не возросли затраты на перекачку теплоносителя. Общая стоимость затрат внедрения проекта по предлагаемому методу расчета уменьшилась на 115 тыс. руб. Следовательно, применение разработанной модели термоэкономической оптимизации тепловых сетей при их проектировании является малозатратным, простым и быстро окупающимся мероприятием, направленным на экономию тепловой энергии и реализацию программы по энергосбережению.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ионин А. А. Надежность систем тепловых сетей. М.: Стройиздат, 1989. 268 с.

2. Малая Э.М., Спирин А.В. Снижение надежности систем централизованного теплоснабжения при несоблюдении температурного графика // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2010. № 1. С. 199-203.

3. Сеннова Е.В., Смирнов А.В., Ионин А.А. [и др.] Надежность систем энергетики и их оборудования: справочное издание: в 4 т. Новосибирск: Наука, 2000. Т. 4. Надежность систем теплоснабжения. 351 с.

4. СНиП 41-02-2003. Тепловые сети. Нормы проектирования. Взамен СНиП 2.04.07-86; введ. 2003-09-01. М.: Госстрой России, 2003. 77 с.

5. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. 2-е изд., стереотип. М.: МЭИ, 2001. 465 с.

6. Шаргут Я., Петелла Р. Эксергия / пер. с польск.; под ред. В.М. Бродянского. М.: Энергия, 1968. 280 с.

7. Янтовский Е.И. Потоки энергии и эксергии. М.: Наука, 1988. 144 с.

Поступила в редакцию 2 ноября 2012 г.

Kultyayev S.G., Malaya E.M. THERMO-ECONOMIC MODEL OF OPTIMIZATION OF DISTRICT HEATING NETWORK

The thermo-economic optimization method which improved design hydraulic heating networks calculations is proposed. The results for the district heating network townships are presented. The calculations show that the diameter of the pipe, insulation thickness and work time of heating network are key parameters for the optimal heating networks design.

Key words: centralized heat supply; heating network design; method of thermo-economic optimization; methodology of diameters selection.

1593