автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Повышение эффективности систем централизованного теплоснабжения

На правах рукописи

005О т**

КОЛОСОВ Михаил Викторович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

05.14.04 - промышленная теплоэнергетика

15 щр т

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск - 2012

005014223

Работа выполнена на кафедре «Тепловые электрические станции» ФГАОУ В ПО «Сибирский федеральный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Михайленко Сергей Ананьевич

Официальные оппоненты: Липовка Юрий Львович,

доктор технических наук, «Сибирский федеральный университет» кафедра «Инженерных систем зданий и сооружений», профессор

Бестолченко Владимир Георгиевич,

кандидат технических наук, ООО «Технологии инженерных систем», директор,

г. Красноярск

Ведущая организация: ОАО «Сибирский энергетический

научно-технический центр» Красноярский филиал Сибирский теплотехнический научно-исследовательский инсти ту т ВТИ

г. Красноярск

Защита состоится 28 марта 2012 года в 9~ на заседании диссертационного совета ДМ 212.099.07 при ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» по адресу: г. Красноярск, ул. Ленина, ауд. 204.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВГ10 «Сибирский федеральный университет»

Автореферат разослан 28 февраля 2012 года

Ученый секретарь

диссертационного совета Чуиак Татьяна Михайловна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Большая изношенность оборудования и трубопроводов на существующих теплоэнергетических системах, интенсивная застройка новых жилых районов в городах и поселках, намечающиеся оживление и структурная перестройка отраслей экономики требуют больших объемов работ но реконструкции и новому строительству тепловых трасс и теплоэнергетических систем. В этой связи исключительную актуальность приобретает проблема оптимизации использования дефицитных инвестиционных и других ресурсов в современных процессах восстановления и разви тия теплоэнергетики страны в новых экономических условиях.

Одним из направлений энергосбережения в системах централизованного теплоснабжения является совершенствование схем и параметров тепловых сетей, являющихся связующим звеном между источниками и потребителями теплоты, на базе всесторонних исследований режимов их работы для обеспечения принятия научно обоснованных проектных и технологических решений, способствующих экономии тепловой и электрической энергии, минимизации энергетических потерь. Поэтому совершенствование методик выбора новых и повышения эффективности существующих тепловых сетей является актуальной задачей, решение которой позволит повысить качество и надежность работы систем централизованного теплоснабжения в целом, что соответствует одному из стратегических направлений развития России -модернизации энергетики.

Методы проектирования кольцевых тепловых сетей в настоящее время еще далеки от совершенства, не достаточно учитывают как экономические показатели при выборе диаметров закладываемых в проект трубопроводов, так и возможности по проведению энергосберегающих мероприятий, что требует дополнительных исследований в этом направлении.

Объект исследования - кольцевые тепловые сети.

Предмет исследования - технико-экономических характеристики тепловых сетей различной конфигурации.

Цель работы заключается в развитии методов расчета кольцевых тепловых сетей с учетом повышения эффективности их функционирования.

Для достижения основной цели поставлены и решены следующие задачи:

структурный и функциональный анализ работы кольцевых тепловых сетей для обоснования критерия оптимизации системы теплоснабжения;

оптимизация характеристик и параметров системы теплоснабжения по энергетическим и экономическим показателям;

разработка рекомендаций по увеличению пропускной способности тепловой сети и повышению эффективности се работы.

Научная новизна работы:

1. Впервые на базе структурного и функционального анализа и применения эксэргетического метода, предложен критерий оптимизации характеристик тепловой сети, позволяющий получить достоверную

информацию о потенциале энергосбережения эксплуатируемых кольцевых тепловых сетей.

2. На базе численных исследований решена задача оптимизации характеристик тепловой сети, отличающаяся от известных учетом технических ограничений и позволяющая повысить точность расчетов при проектировании систем теплоснабжения.

3. Предложен метод выбора конструктивных параметров реконструируемых трубопроводов тепловых сетей, позволяющий проводить мероприятия по повышению пропускной способности с максимальной экономической эффективностью.

Практическая значимость состоит в том, что предложенный метод оптимизации параметров новых и реконструируемых тепловых сетей, позволяющая уже на стадии проектирования точнее и наиболее полно учитывать индивидуальные особенности каждого конкретного объекта с целыо улучшения технико-экономических характеристик тепловой сети и экономии энергетических ресурсов.

Достоверность полученных результатов подтверждается удовлетворительным совпадением результатов расчета по предлагаемым методикам с расчетами потокораспределения на основе геоинформациоппой системы Хи1иТЬсгто в ходе апробации программного продукта.

Личный вклад автора. Автор принимал участие в постановке задачи, разработке методик и проведении экспериментов, обработке и интерпретации полученных результатов, формулировании основных выводов по результатам выполненных работ.

Лнробани51 работы проводилась на Всероссийской научной конференции «Паука. Технологам. Инновации», Новосибирск, 2009; VI Всероссийской научно-технической конференции «Молодежь и наука», Красноярск, 2010; XI Международной научно-технической конференции «Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах» Пенза, 2010; Всероссийской научно-практической конференции «Технологии XXI века в энергетике и транспортных коммуникациях: проблемы и перспективы», Сочи, 2010; II Всероссийской конференции «Инновационная энергетика», Новосибирск, 2010; XI Всероссийской научно-практической конференции «Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города», Красноярск, 2010.

Использование результатов работы. Разработанный профаммный продукт для определения оптимальных характеристик и конфигураций тепловых сетей используется при разработке технических решений но реконструкции тепловых сетей в ОАО «Енисейская территориальная генерирующая компания (ТГК-13)», филиале «Красноярская теплосеть», а также в Сибирском федеральном университете при обучении студентов по специальности «Промышленная теплоэнергетика» и направлению «Теплоэнергетика».

Публикации. Но материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе две статьи из списка рецензируемых изданий, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы из 96 наименований, 30 рисунков и 9 таблиц. Объем диссертационной работы 118 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель исследований, выделены научная новизна и практическая значимос ть полученных результатов.

В первой главе дан обзор публикаций и анализ основных направлений исследований в области повышения эффективности системы централизованного теплоснабжения. Обсуждаются существующие методы оценки и показатели энергетической эффективности элементов теплоснабжения.

Ii настоящее время в рамках территориальных образований, крупных городов и мегаполисов все более актуальным становится системный подход к энергосбережению в коммунальном комплексе.

Для оценки эффективности работы источников теплоты и/или электроэнергии используются энергетический, действующий метод ОРГ'РЭС и эксергстический метод. Сопоставление теплового и эксергетического балансов приводит к переоценке представлений о термодинамической эффективности рассматриваемого объекта. Эксергстический анализ тепловых потерь учитывает существенную статью потерь - потерю от необратимости процессов. Исследованиям эффективности систем теплоснабжения посвешсны работы: В.Я. Хасилева, Л.П. Меренкова, Б.Л. Шифринсона, JI.A. Мелептьсва, U.M. Зингера, U.M. Журавлева, Н. Guggenheim и др.

Тепловые сети как составная часть системы централизованного теплоснабжения, оказывают значительное влияние на эффективность работы всей системы теплоснабжения. Тепловые потери в окружающую срсду, возникающие при транспорте теплоносителя в теплопроводах, представляют собой важный энергетический и экономический показатель эффективности работы тепловых сетей и являют собой предмет заинтересованности всех участников взаиморасчетов при выработке, транспорте и потреблении тепловой энергии.

Более трудными по сравнению с разветвленными тепловыми сетями стали и традиционные задачи проектирования новых систем из-за резкого увеличения их масштабов и закольцованной структуры. Большая протяженность и сложный рельеф местности приводят к необходимости установки в сети насосных и дроссельных подстанций для поддержания давлений в трубопроводах в допустимых пределах. Перечисленные задачи не

могут быть обоснованно решены ни аналитическими методами, ни методами сравнения вариантов с равномерным распределением потерь давления на трение.

Наиболее типичной становится проблема расширения и развития существующей сети для присоединения новых потребителей тепла. При этом приходится выбирать диаметры труб не только для вновь прокладываемых участков, но и для существующих, подлежащих реконструкции с целыо увеличения пропускной способности. Реконструкция каждого из них в свою очередь может быть осуществлена различным образом: заменой существующего диаметра на больший или прокладкой параллельной магистрали. Актуальной также стала задача оптимального выбора параметров сетей с несколькими источниками теплоснабжения.

Математическое моделирование гидравлических режимов сложных тепловых сетей требует применения общих методов расчета потокораспределения в гидравлических цепях. Экстремальное описание потокорасиределегшя имеет несомненное теоретическое и методическое значение. Наиболее интересным в этом плане является интерпретация задачи потокораспределения как нелинейной сетевой транспортной задачи. Проблема оптимизации параметров различных схем городского теплоснабжения в случае применения новых материалов, оборудования, технических предложений и схем, выбора способа теплоснабжения потребителей: централизованного и децентрализованного требует научного обоснования и технико-экономических расчетов на основе системного подхода. Значительный вклад в развитие математического моделирования тепловых сетей и процессов оптимизации внесли: В.Я. Хасилев, А.П. Меренков, Ю.М. Варфоломеев, Н.М. Зингер, А.Л. Ионин, ЮЛ. Линовка, БЛ. Шифринсон, Е.Я. Соколов, Е.Б. Триус, Ф.Г1. Васильев, Н.Г. Голыптсйн и др.

Кроме того, анализ существующих подходов и методов исследования систем централизованного теплоснабжения и ее элементов, показал, что отсутствуют показатели энергетической эффективности систем нейтрализованного теплоснабжения как единого комплекса. Причиной этого является то обстоятельство, что при определении к.п.д. системы неизвестно с чем производить сравнение, какое значение к.п.д. принимать за достижимый максимум. Поэтому оценка энергетической эффективности системы 'теплоснабжения в целом имеет лишь информативный характер, не позволяя с его помощью найти пути повышения эффективности системы.

На основании обзора литературы сформулированы основные задачи, решаемые в диссертации.

Во второй главе проводится структурный и функциональный анализ теплоэнергетического комплекса на основе методов эксергетического анализа.

При исследовании системы теплоснабжения использовалось понятие экссргии в различных ситуациях для выявления непроизводительного использования природных ресурсов. Для примера энергетический к.п.д. Красноярской '1311,-3 работающей в режиме водогрейной котельной составляет почти 90% (Таблица 1). При эксергетическом анализе выясняется, что потери

6

составляют до 78% от сожженного топлива.

Таблица 1 - Сравнение энергетического и эксергетического к.п.д. для силовых станций г. Красноярска

тс:

Станция

Кр а с 11 оярс кая ТЭЦ-1_ Красноярску ТЭЦ-2

Красноярская ТЭЦ-3

Энергетический к.п.д.

0,592

0,664

0,882

Эксергетический к.п.д.

0,32 0,392

0,221

Экссргия потока зависит не только от температурного режима тепловой сети, по и от непосредственного изменения температуры окружающего воздуха, т.е. относительный термодинамический показатель качества энергии сетевой воды к не является постоянной величиной (рисунок 3).

0,4

0,25

0,2 0,15

-40

-35 -30 -25

-10

Рисунок 1-Зависимость относительного термодинамического показателя качества энергии сетевой воды к от температуры наружнего воздуха Т,„.

Развитие и текущее функционирование энергосистем, как и любых других больших систем, обеспечивает выполнение большого числа самых разнообразных целей. Энергосистема должна быть экономичной, обеспечивать полное и надежное снабжение потребителей электрической и тепловой энергией, не оказывать вредного влияния на окружающую среду. При наличии многих и часто противоречивых целей, а также различных типов исходной информации об энергосистеме, появляются различные альтернативы решения.

Корректный анализ энергетической эффективности систем теплоснабжения базируется на подходе к системе теплоснабжения как к единому теплоэнерг етическому комплексу, в котором все составные элементы функционально связаны и взаимно влияют друг на друга. Основными технологическими процессами являются: производство тепловой энергии в виде и ара и горячей воды энергетическими источниками за счет исходных ресурсов, а также по возможности производство электроэнергии; транспорт

7

энергоносителя, с соответствующими параметрами; а также потребление энергии. Модель транспорта тепловой энергии имеет множество связных элементов, из-за чего усложняется анализ данной системы. Элементами системы транспорта тепловой энергии являются трубопроводы, насосные с танции, а также теплообменные аппараты (рисунок 4).

Рисунок 2 - Функциональная структура системы транспорта энергии

Для оценки эффективности работы любой системы, в том числе теплоэнергетической, обычно используется обобщенный физический показатель, - коэффициент полезного действия. Увеличения к.и.д. системы (а значит и повышения ее экономичности) можно достигнуть только снижением величины непроизводительных потерь, возникающих в процессе работы. Функциональная структура системы транспорта энергии позволила выявить наиболее крупные составляющие этих потерь:

• потери тепловой энергии по длине теплотрасс, связанные со способом укладки и изоляции трубопроводов;

• гидравлические потери и к.п.д. сетевых насосов, обеспечивающих движение теплоносителя по теплотрассе;

• периодически возникающими во время аварийных и нештатных ситуаций утечками теплоносителя.

Потери эксергии в трубопроводах обусловлены потерями тепла через 01раждсния, потерями теплоносителя в результате утечек, а также потерями на преодоление трения:

С с

вх р

= в с

вых р

/ / (т > N \

Т -Т 'в.х 'о 1-1п «.г

г.

ч V и // У

/ / Гг ^ л

Т -Т * вы* * о 1-1п вых т. +

\ ч ч и J; У

где О^Свых - расходы теплоносителя на входе и выходе из трубопровода, кг/с; р - плотность теплоносителя, кг/м3; Р1а, Ртх - давление потока на входе и выходе из трубопровода, Па; Р(1 - давление окружающей среды, Па; Тп„ Тгыт -

давление потока на входе и выходе из трубопровода, 11а; Та - температура окружающей среды, К; Еттсрь - эксергия потерь, Вт; ср - удельная изобарная

теплоемкость, Дж/кг-К.

В насосе энергия, приходящая с электроэнергией, расходуется на повышение давления и тепловые потери:

/ ( / „ N \

1 — 1п Г т

0 ,хср Т -Т *11Х 'о а.т г.

\ V \ и /у /

р

= в.ы*Сг

Т^-То

1 — 1г1

Т.

т

V 'о /)

+ ШХ ( ) ^потерь'

Р

где - расходы теплоносителя на входе и выходе из насоса, кг/с; Ра,

- давление потока на входе и выходе из насоса, Па; Тт, 7'8Ь1Х - давление потока на входе и выходе из насоса, Па; Э - эксергия электроэнергии затрачиваемой па привод насоса, Вт.

Для анализа системы энергоснабжения необходимо учитывать все элементы совместно, т.е. для повышения эффективности работы системы необходимо найти возможности для снижения суммарных потерь эксергии как во всех элементах системы, так и в системе энергоснабжения в целом. Для повышения эффективности системы теплоснабжения необходимо найти пути снижения потерь эксергии также и в тепловых сетях. Самым очевидным решением является выбор наилучших с экссргстической точки зрения параметров тепловой сети.

В результаты анализа в качестве объектов подлежащих реконструкции, но составленной структурной схеме, принять трубопроводы и насосы, а в качестве оценочного параметра по составленной функциональной схеме выбраны экономические и эксергетические показатели.

В третьей главе дается описание сформулированной математической задачи оптимизации характеристик тепловой сети с использованием методов оптимизации проектных решений по реконструкции и новому строительству тепловых сетей. Рассмотрены вопросы повышения энергетической и экономической эффективности теплоснабжения.

Для проекта реконструкции или нового строительства тепловой сети необходимо выбрать такой вариант ее конфигурации и основных параметров, при котором потери эксергии при эксплуатации тепловой сети были бы минимальными. Общая модель нелинейной оптимизации проектных параметров и схемы тепловой сети при эксергетической оптимизации записывается:

1П1П

о

|п /■•(<?)=тт{*хк+то чк+1>КМ+ч т[п<р

I и

где (', _/ - номера узлов тепловой сети;^ - диаметры трубопроводов тепловой

сети, м; к - относительный термодинамический показатель качества энергии сетевой воды от температуры наружного воздуха;/. - длины трубопроводов

тепловой сети, м; пц,т0 - эмпирические коэффициенты, Ы-мощность насосов, зависящая от напорно-расходной характеристики тепловой сети, Вт; И^ -потери напора в трубопроводах тепловой сети, Па; g¡j - расход теплоносителя в трубопроводах тепловой сети, кг/с, ср - суммарные затраты электроэнергии и потери тепловой энергии тепловой сети при выходе элемента системы из строя при условии полного обеспечения потребителей тепловой энергии, Вт. Для решения задачи были введены следующие:

1. Для любого потокорастределепия должны выполняться два «сетевых» закона Кирхгофа. С использованием матрицы соединений Л, которая однозначно отображает структуру (топологию) системы, и вектора нагрузок Q записывается материальный баланс: Ag = (¿.

Вводя матрицу контуров В, запишем компактную формулу суммарного нулевого изменения напора для любого контура системы: БИ = 0.

2. Выполнения соотношений по гидротехническим параметрам па участках сети, принимая, что на каждом участке имеет место квадратичный закон гидравлического сопротивления 5, с учетом активного напора Н:

3. Выполнения ограничений по пропускной способности (максимальному расходу теплоносителя) на участках сети: ^^ < #тах.

Не превышение допустимых давлений в оборудовании источника теплоснабжения, тепловой сети и абонентских установок, а также условия не вскипания: Р < Р < Р

Ш1П — * I — тах ■

4. Выполнение условий обеспечения требуемых расходуемых напоров у потребителей: АР >АР

1 I — потр

5. Выполнения условий неотрицательности переменных:

>0/г,>0,^>0, уХШ)>0.

В целевой функции минимизируются ожидаемые приведенные затраты эксерг-ии на эксплуатацию теплосети, с учетом ущербов, вызываемых аварийными ситуациями в элементах сети.

Эмпирические коэффициенты пи,ти выбираются в зависимости от

способа прокладки трубопроводов и вида теплоизоляции трубопроводов. Эмпирические коэффициенты г>и,ти определялись, аппроксимируя

зависимости норм плотности теплового потока для трубопроводов двухтрубных водяных сетей при подземной канальной и бесканалыюй

прокладке (рисуиок 5). Такие зависимости можно получить для любых вариантов прокладки и изоляции трубопроводов.

♦ Бесканальная прокладка ■ Канальная прокладка

Рисунок 3 - Нормы плотности теплового потока ^ от внутреннего диаметра трубопровода с/ для трубопроводов двухтрубных водяных сетей при подземной канальной и бесканальной прокладке

С практической точки зрения очень удобным представляется критерий энергетической эффективности т]а систем теплоснабжения с учетом ценности разного вида энергии для возможности непосредственного сравнения эффективности работы систем различной величины, и определения их максимальных потенциалов энергосбережения с использованием эксергетически оптимальных величин энергопотерь: Г|;) = Лсут/т1пмх'гДО Лсуш ~ показатель эффективности работы системы (можно рассматривать его как к.и.д. системы); Т1ЛИХ - показатель эффективности работы этой же системы полученный при се экссргетической оптимизации.

Для проектирования экономически эффективной системы используется функция общих расчетных затрат, тогда задача оптимизации будет формулироваться следующим образом. Для проекта реконструкции или нового строительства тепловой сети необходимо выбрать такой вариант ее конфигурации и основных параметров, при котором были бы минимальными приведенные затраты тепловой сети. Затраты на теплопотери и электроэнергию рассчитываются по тарифам на электрическую энергию с учетом ее эксергетического перевода в стоимость тепловой энергии за период плановой эксплуатации трубопроводов тепловой сети. Затраты, пропорциональные капиталовложениям в линейные участки, можно рассчитывать но обобщенным формула па основании нормативных документов (рисунок 6). Затраты, пропорциональные капиталовложениям в насосные станции, рассчитываются согласно их мощности.

(

(I, мм

188.3х2 +206.1 х + 7.463 Я" = 0.992 ..................

у = 150.7Х1 - 224.9хг 210.3 х - 1.392 Кг = 0.992

а, м

♦ в сухих грунтах ■ в мокрых грунтах -Полиномиальная (в сухих грунтах) -Полиномиальная (в мокрых грунтах)

Рисунок 4 - Стоимость прокладки водяных тепловых сетей в нспроходпых каналах 5 в зависимости от диаметра трубопровода в цепах на четвертый

квартал 2010 года

Таким образом, для нахождения оптимальной конфигурации тепловой сети необходимо:

1. 11одготовить исходные данные. Для расчета оптимальных параметров тепловой сети должны быть заданы: расчетная схема сети с длинами участков, производительностями источников, расходами теплоносителя у потребителей с выделением вновь проектируемой и существующей частей, ограничения возможности реконструкции существующих участков, возможные площади для сооружения насосных подстанций и давления в узлах сети, технико-экономические показатели.

2. Выполнить теплогидравлический расчет. Провести анализ тепловой сети. В случае если параметры тепловой сети значительно отклоняются от нормативных, сделать вывод о необходимости реконструкции.

3. Провести анализ перспективы развития района. Необходимо учесть перспективу роста потребителей в результате роста числа жилищных и производственных комплексов, развитие новых тепловых мощностей (строительство котельных и ТЭЦ).

4. В качестве оценочного параметра выбрать экономические или энергетические показатели.

5. В качестве объектов подлежащих реконструкции принять трубопроводы и насосы.

6. В качестве искомой характеристики принять диаметр трубопровода.

7. В качестве параметров определяющих работоспособность тепловой сети принять нормативные скорости движения теплоносителя и напоры.

8. Составить оптимизационный функционал, а также учесть технические ограничения на основе исходных данных.

9. Произвести определение оптимальных диаметров трубопроводов тепловой сети и мест проведения реконструкции.

= 135.8х3 -

с.

к

В четвертой главе приводятся результаты расчетов системы централизованного теплоснабжения для климатических условий г. Красноярска. Показывается практическая реализуемость и эффективность предложенного инструментария для повышения эффективности вариантов реконструкции систем теплоснабжения.

Для обеспечения качественного и бесперебойного теплоснабжения потребителей Советского района г. Красноярска с учетом подключения к ■тепловым сетям ОАО «Енисейская ТГК (ТГК 13)» вновь создаваемых и реконструируемых зданий и сооружений жилого, производственного и прочего назначения с заявленной суммарной нагрузкой 1000 т\час (рисунок 5), требуется реконструкция существующих тепловых сетей протяженностью 67.2 км в двухтрубном исполнении с одновременным увеличением диаметров трубопроводов. В стесненных условиях инфраструктуры Советского районов г. Красноярска замена трубопроводов существующих участков тепловых сетей на трубопроводы большего диаметра является наиболее эффективным решением проблемы увеличения пропускной способности тепловых сетей с цслыо подключения новых потребителей.

Для анализа системы теплоснабжения Советского района г. Красноярска было проведено исследование по соблюдению тепло-гидравлических режимов в тепловой сети. Результаты замеров температурных параметров и расходов на приборах коммерческого учета за период с 01 января 2010 года по 01 мая 2010 года показали сильную неравномерность и несбалансированность потокораспрсдсления теплоносителя (рисунки 6 и 7), из-за чего к.н.д. реально исследуемой тепловой сети Советского района г. Красноярска в период обследования составило 62.2%. Решением данной проблемы может стать применение методов математического моделирования при проектировании тепловых сетей.

2 500 2 000

О)

5 000 ............■ ■ -

4 500 • -♦ ■ .........- ^

4 000 _----------------- ■- ■■ д

А 3 500 ■----

и 3 000 ............. .........-....... -...... ..... ....... -4-ТЭЦ-1

-ТЭЦ-2

1500 «—--- - ' ....................- -А-ТЭЦ-3

юоо _ __ ___*

500 •---.....

о

2007 2008 2009 2010

ГОД

Рисунок 5 - График распределения тепловой энергии филиалами ОАО «Енисейская ТГК (ТГК-13)» в г. Красноярске по годам

Тепловые сети

А А А

аааа Аа А'

и

о

SC

▲ А

■ ■

А А

Номер потребителя тепловой энергии

А Температура подающей линии у потребителя ■ Температура обратной линии у потребителя ——Температура подающей линии на ТЭЦ — — Температура обратной линии па Т'Л 1,

Рисуиок 6 - Средняя температура теплоносителя 7"за январь 2010 года на Красноярской ТЭЦ-3 в сравнении с температурами 32 тепловых пунктов

4а ^ А А А А . А

■ ш А ■ ■ .

.......Г.Ж.P.^.......

- ■ -------Ии ■-------------------«■----------------■ --

■ ...............-Я.....-.....- ■■..........- ■

Номер потребителя тепловой энергии

А Температура подающей линии у потребителя ■ Температура обратной линии у потребителя Температура подающей линии на ТЭЦ ......Температура обратной линии на ТЭЦ

Рисунок 7 - Средняя температура теплоносителя за апрель 2010 года па Красноярской ТЭЦ-3 в сравнении с температурами 82 тепловых пунктов

Для проектирования реконструкции но созданной методике была составлена программа в среде Math LAB. Задача оптимального иотокораспределеиия решается с помощью модифицированных функций Лагранжа и метода Ньютона.

Оптимизация тепловой сети Советского района г. Красноярска проводилась по нескольким критериям: наименьшим потерям эксергии при эксплуатации системы, с последующей оценкой потенциала энергосбережения, по экономическому критерию, с оценкой минимально возможных затрат. Сравнение различных вариантов реконструкции тепловой сети Советского района 1'. Красноярска приведено в таблице 2. Продолжительность отопительного сезона принимается согласно СНиП 23-01-99 «Строительная

климатология» для г. Красноярска и составляет 234 суток. Ремонтный период составляе т 21 сутки, в т.ч. 7 суток на гидравлические испытания.

Из таблицы 2 видно, что максимально возможный к.п.д. тепловой сети составляет 98.5%, следовательно, теоретический потенциал эиергосбрежсния составляет 4% или почти половину от существующих потерь энергии. Расхождение теоретического к.п.д. и к.п.д. полученного при натурных измерениях происходят из-за не соблюдении температурного режима у потребителей, вследствие проектирования сети с учетом искаженных на1рузок.

Капитальные затраты при реконструкции для получения эксергстически оптимальной тепловой сети близки к капитальным затратам на создание новой сети, т.к. диаметры в большинстве случаев в оптимальных вариантах и в существующей сети различны.

Таблица 2 - Сравнение различных вариантов реконструкции тепловой сети Советского района г. Красноярска

Система теплоснабжения

Потери экссртии, МВт

Всего эксергии, МВт __

К.п.д. системы

Критерий энергетической эффективности _ _______

11ротяжсшюсть реконструируемых

участков, км _________

Капитальные затраты на сооружение тепловой сети (при ее

реконструкции), Млрд._руб.___

Эксплуатационные затраты

тепловой сети за ЗО лет, Млрд. руб. Суммарные затраты тепловой сети

за 30 лет, Млрд. руб.__________

Срок окупаемости с учетом подключения потребителей 1Ш1]^кой_1000 т/ч, лет___

Существующая система

6,86_

126,03

0,946

0,960

3,20 (-)

3,61 6,81

Система после экссргстической оптимизации

3,25

122,69 0,985

1

39,6

3,93 (3,93)

1,85

5,78

17

Система после выбора варианта реконструкции

4,91 " 124.fi ().%1

0,975

5,954

3,35 (0,672)

2,93 6,28

Дальнейший анализ тепловой сети дал возможность выбора варианта реконструкции при минимальном изменении ее конфигурации, а следовательно, и минимальных капитальных вложениях. В этом случае минимизировались сроки окупаемости проекта при достижении требуемого значения пропускной способности, итерационно минимизируя общие расчетные затраты при уменьшении количества исследуемых трубопроводов. Минимальные общие расчетные затраты достигаются при замене четырех участков.

Для достижения требуемой пропускной способности в этом случае необходимо заменить трубопроводы, представленные в таблице 4, остальные трубопроводы остаются без изменений.

Таблица 4 - Результаты оптимизации

Номер Длина участка, Диаметр, мм Стоимость прокладки

трубопровода м старый новый млн. руб.

7 1000 800 1200 187,00

17 557 700 1000 74,80

34 200 700 1000 Г 26,86

58 600 700 1200 112,20

70 627 800 1000 84,20

143 1000 800 1200 61,02

Сумма 3984 672,11

Схема тепловой сети с указанием реконструируемых участков показана на рисунке 8. Для подтверждения адекватности используемой методики были проведены расчеты тепловой сети Советского района г. Красноярска в пакете /иЬТЬегто. При подстановке найденных диаметров и выполнении поверочного расчета тепловой сети в 2и1и'1Ъеппо, получены значения расходов и удельных потерь давления в трубопроводах тепловой сети, которые совпадают с результатами, полученными по этим величинам па разрабо танной программе, что в свою очередь говорите правильности решения.

Рисунок 8 - Схема тепловой сети с указанием реконструируемых участков

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен структурный и функциональный анализ системы теплоснабжения, отличающийся применением методов эксергетического

анализа позволяющий получить сведения о потенциале проведения энергосберегающих мероприятий;

2. Предложена методика оптимизации диаметров и напоров расширяемых и реконструируемых тепловых сетей, позволяющая уже на стадии проектирования наиболее полно учитывать индивидуальные особенности и экономические характеристики каждого конкретного объекта с цслыо улучшения технико-экономических характеристик тепловой сети и экономии энергетических ресурсов.

3. Создан программный продукт для исследования систем централизованного теплоснабжения. Произведен, расчет с использованием разработанного программного продукта системы централизованною теплоснабжения для климатических условий г. Красноярска. Сформулированы рекомендации по замене трубопроводов тепловой сети Советского района г. Красноярска для увеличения пропускной способности сети с одновременным повышением ее эффективности.

Публикации но теме диссертации Статьи в ведущих рецензируемых журналах и изданиях:

1. Колосов, М. В. Сравнительный анализ методов оптимизации параметров и конфигураций тепловых сетей / М. В. Колосов, С. Л. Михайленко // Вестник КрасГАУ, 2011. - № 9. - С. 266-269.

2. Колосов, М.В.Оптимизация параметров и конфигураций тепловых сетей / М.В. Колосов, С.А. Михайленко // Известия Томского политехнического института, № 10. -Т. 319. -№ 4., 2011. С. 61-63.

Публикацш! в журналах, сборниках трудов и конференций:

3. Колосов, М.В. Повышение эффективности энергоснабжения с использованием малой энергетики / М.В. Колосов, Борисов А.Н. // Наука. Технологии. Инновации. Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых в 7-ми частях. Новосибирск: изд-во НГТУ, 2009. - С. 53-54.

4. Колосов, М.В. Оценка энергетической эффективности источников теплоты в СЦТ / М.В. Колосов, Борисов А.Н. // У1-я Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука» Красноярск, 2010. - С. 78-81.

5. Колосов, М.В. Эперго- и ресурсосбережение в системах централизованного теплоснабжения / М.В. Колосов, Борисов А.Н. // 11-я Межд. НПК «Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах» Пенза, 2010. - С. 128-130.

6. Колосов, М.В. Энергосбережение в системах централизованного теплоснабжения / М.В. Колосов, Борисов А.П. // Всероссийская научно-практическая конференция: «Технологии XXI века в энергетике и

транспортных коммуникациях: проблемы и перспективы» Сочи, 2010. - С. 5658.

7. Колосов, М.В. Эксергегический анализ - путь к реальной эффективности / М.В. Колосов// II Всероссийская конференция «Инновационная энергетика» (с международным участием) Новосибирск, Центр культуры НГТУ, 2010. -С. 161-163.

8. Колосов, М.В. Использование эксергегического анализа для поиска энергосберегающих решении / М.В. Колосов, С.А. Михайленко // XI Всероссийская научно-практическая конференция «Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города», Красноярск, 2010. С. 36-38.

9. Колосов, М.В. Повышение эффективности систем газоснабжения, при использовании давления природного газа / М.В. Колосов, Л.Ю. Суганова // VII-я Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука», Красноярск, 2011. С. 124-125.

Ю.Колосов М.В., Анализ методов расчета трубопроводов для увеличения пропускной способности/ М.В. Колосов, С.А. Михайленко // Вест ник ассоциации выпускник КГ'ТУ, Красноярск - 2011.

11. Колосов М.В., Увеличение пропускной способности трубопроводов тепловых сетей/ М.В. Колосов, С.А. Михайленко // Вестник ассоциации выпускник КГТУ, Красноярск - 2011.

12. Колосов М.В., Перспективы развития теплоснабжения / М.В. Колосов // VII всероссийский семинар вузов по теплофизике и энергетике, Кемерово - 20И г. С. 98-100.

13. Колосов М.В., Экономическая оптимизация тепловых сетей/ М.В. Колосов // V международная заочная научно-практическая конференция «Энергетика в современном мире», Чита- 2011 г. С. 71-73.

14.Колосов М.В., Свидетельство № 2011619129 об официальной регистрации программы для ЭВМ "Программа для оптимизации потокораспределения в кольцевых тепловых сетях". Зарегистрировано в Реестре нрофамм для ЭВМ. Дата регистрации 24 ноября 2011 г.

Подписано в печать 21.02.2012 Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ 6472

Отпечатано полиграфическим центром Библиотечно-издательского комплекса Сибирского федерального университета 660041 Красноярск, пр. Свободный, 82а Тел/факс (391)206-26-58, 206-26-49 E-mail: print_sfu@mail.ro; http://lib.sfu-kras.ru

61 12-5/2188

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

Колосов Михаил Викторович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор С.А. Михайленко

Красноярск -2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение...................................................................................................................3

1 Анализ исследуемого объекта и постановка задачи.....................................9

1.1 Производственная структура, состояние и перспективы развития систем теплоснабжения районов........................................................................9

1.2 Методики оценки энергетической эффективности систем централизованного теплоснабжения................................................................17

1.2.1 Методики оценки энергетической эффективности источников теплоты в системах централизованного теплоснабжения..........................17

1.2.2 Методики оценки энергетической эффективности транспорта теплоты в системах централизованного теплоснабжения..........................25

2 Функциональная модель теплоснабжения...................................................37

2.1 Функциональная структура системы теплоснабжения........................37

2.1.1 Подсистема производства тепловой энергии..................................39

2.1.2 Подсистема транспорта тепловой энергии......................................47

2.2 Эксергетический анализ систем теплоснабжения.................................51

2.3 Эксергетический анализ температурного графика и критерий энергетической эффективности........................................................................58

3 Повышение эффективности транспорта тепловой энергии.......................62

3.1 Оптимизационные модели и методы проектирования и повышения эффективности тепловых сетей........................................................................62

3.2 Эксергетическая модель оптимизации конфигурации и ключевых проектных параметров тепловой сети.............................................................73

3.2.1 Определение тепловых потерь трубопроводов...............................78

3.2.2 Учет случайных факторов, влияющих на гидродинамический и тепловой режимы работы сети теплоснабжения.........................................82

3.3 Экономическая модель оптимизации конфигурации и ключевых проектных параметров тепловой сети.............................................................87

4 Применение разработанного инструментария при оптимизации параметров теплосети...........................................................................................89

4.1 Постановка задачи и подготовка исходной информации.....................89

4.2 Реализация созданного алгоритма и анализ полученного решения.... 93

Основные выводы и рекомендации...................................................................110

Список литературы.............................................................................................112

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Россия располагает масштабным недоиспользуемым потенциалом энергосбережения, который по способности решать проблему обеспечения экономического роста страны сопоставим с приростом производства всех первичных энергетических ресурсов.

Высокая доля энергоемких технологий (энергоемкость национального дохода в России в 2 - 3 раза выше, чем в странах Западной Европы), непомерно расточительный характер энергопотребления (более трети всех потребляемых ресурсов расходуется нерационально), стремительный рост тарифов на тепловую и электрическую энергию, авторитетные экспертные оценки удручающего технического состояния основных производственных фондов и реальных перспектив развития ТЭК являются серьезнейшими препятствиями дальнейшего реформирования экономики [1].

Сибирь является по существу главной топливно-энергетической базой страны, здесь производится 77 процентов всех энергоресурсов страны, в том числе 27 процентов электроэнергии, добывается 91 процент газа, 69 процентов нефти, 61 процент угля. Несмотря на уникальные возможности по добыче и производству энергоресурсов, ТЭК Сибири переживает в настоящее время глубокий кризис. Все это является следствием перенапряжения производственного потенциала при постоянном остром недостатке инвестиций на его развитие, серьезных диспропорций между подготовкой запасов, добычей и переработкой энергоресурсов, производством и транспортом энергии, развитием производства и инфраструктуры. Есть и другая особенность - энергоемкость и электроемкость промышленного производства Сибири превосходит среднероссийский показатель на 13 - 14 процентов, при этом уровень цен на энергоресурсы не соответствует уровню эффективности использования топлива и энергии [2, 3].

По заключению специалистов Института стратегического управления планетарной ресурсо-энергетической и социально-гуманитарной деятельности человека, уже сегодня подавляющее число электростанций в стране работает в критическом, предаварийном режиме, 20 процентов основного генерирующего оборудования подлежит демонтажу по условиям безопасной эксплуатации. Около 45 процентов активной части основных производственных фондов в энергетике проработало более 20 лет. В нефтеперерабатывающей промышленности по большинству предприятий износ достиг 90 процентов их первоначальной стоимости. Шахтный фонд почти на 70 процентов состоит из шахт, введенных в эксплуатацию более тридцати лет назад, более 100 шахт необходимо закрывать как нерентабельные. К этому следует добавить техническую отсталость. В нефтяной и газовой промышленности только 10 - 14 процентов эксплуатируемого оборудования отвечает мировому уровню.

Все эти трудности в большей или меньшей степени характерны и для энергетики Красноярского края [4]. Как никогда обострился комплекс проблем, связанных с дефицитом тепла в Красноярске и других городах края. По-прежнему преобладают расточительные подходы в потреблении энергоресурсов. Отсутствует какая-либо система эффективных методов экономического стимулирования энергосбережения. В соответствии с требованиями СНиП предстоит решать непростую задачу снижения потерь через ограждающие конструкции зданий и сооружений. Расчеты и результаты теплоэнергетических испытаний показывают, что общие теплопотери зданий на 50 - 60 процентов выше нормативных [5].

Решение этих и других проблем в ТЭК края становится насущно необходимым и неотложным. Государственная Дума и Правительство Российской Федерации предпринимают конкретные шаги по переводу экономики России с энергорасточительного на энергосберегающий путь развития [6, 7]. Принят федеральный закон Российской Федерации № 261-ФЗ

«Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской федерации» от 23 ноября 2009 года [8]. Принято распоряжение Правительства Российской Федерации «Энергетическая стратегия России на период до 2030 года (ЭС-2030)» от 13 ноября 2009 г. №1715-р [9].

Низкий уровень инвестиций в энергетику приводят к старению основных фондов, их преждевременному выбытию из-за удлинения межремонтных периодов и уже в ближайшем будущем могут не позволить ТЭК играть ту важную роль в экономике Красноярского края и страны в целом, которую он все еще играет сегодня.

Вместе с тем, как показывает опыт и результаты работы так называемых "демонстрационных зон" в России, мероприятия, связанные с энергосбережением, способны компенсировать в среднем до 40 процентов необходимых инвестиций в энергетику только за счет без затратных и мало затратных проектов и программ.

Мировая практика показывает, что каждый доллар, вложенный в экономию энергии, приносит в конечном итоге четыре доллара в виде дополнительной прибыли предприятия. Не случайно в развитых странах энергосбережение справедливо относится к наиболее рентабельным видам бизнеса, а принцип минимизации энергетических затрат на единицу продукта становиться адекватным средством выхода из сырьевого тупика в инновационную перспективу [10].

Система централизованного обеспечения теплом потребителя представляет собой сложный технологический комплекс, объединяющий в себе теплоисточник, тепловые сети и системы внутреннего теплоснабжения разного рода потребителей. Над повышением эффективности работы этого комплекса и его подсистем работало и работает большое число ученых и специалистов: А.И. Андрющенко, В.М. Бродянский, Е.Я. Соколов, Ю.П. Мелентьев, А.П. Меренков, Е.В. Сеннова, В.А. Стенников, М.Н. Зингер и др.

Вместе с тем с изменениями экономических, социальных и иных условий в стране, многие вопросы требуют новых методических подходов и решений.

Проблема повышения эффективности коммунального и промышленного теплообеспечения является весьма актуальной для государства, региональных властей, энергетиков, коммунальных служб, населения.

Цель работы: заключается в развитии методов расчета кольцевых тепловых сетей с учетом повышения эффективности их функционирования.

Для реализации основной цели исследования в диссертационной работе поставлены следующие задачи:

структурный и функциональный анализ работы кольцевых тепловых сетей для обоснования критерия оптимизации системы теплоснабжения;

оптимизация характеристик и параметров системы теплоснабжения по энергетическим и экономическим показателям;

разработка рекомендаций по увеличению пропускной способности тепловой сети и повышению эффективности ее работы.

Объектом исследования являются кольцевые тепловые сети различной конфигурации.

Научная новизна работы определяется следующими положениями:

1. Впервые на базе структурного и функционального анализа и применения эксэргетического метода, предложен критерий оптимизации характеристик тепловой сети, позволяющий получить достоверную информацию о потенциале энергосбережения эксплуатируемых кольцевых тепловых сетей.

2. На базе численных исследований решена задача оптимизации характеристик тепловой сети, отличающаяся от известных учетом технических ограничений и позволяющая повысить точность расчетов при проектировании систем теплоснабжения.

3. Предложен метод выбора конструктивных параметров реконструируемых трубопроводов тепловых сетей, позволяющий проводить мероприятия по повышению пропускной способности с максимальной экономической эффективностью. Практическая значимость состоит в том, что предложенный метод оптимизации параметров новых и реконструируемых тепловых сетей, позволяющий уже на стадии проектирования точнее и наиболее полно учитывать индивидуальные особенности каждого конкретного объекта с целью улучшения технико-экономических характеристик тепловой сети и экономии энергетических ресурсов.

Достоверность полученных результатов подтверждается

удовлетворительным совпадением результатов расчета по предлагаемым методикам с расчетами потокораспределения на основе геоинформационной системы ZuluThermo в ходе апробации программного продукта. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы (91 наименований) и приложения. Объем диссертационной работы 118 страниц, включая список литературы - 6 страниц, 30 рисунков и 9 таблиц.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель исследований, выделены научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе дан обзор публикаций, посвященных исследованиям различных элементов системы централизованного теплоснабжения. Обсуждаются существующие методы оценки и показатели энергетической эффективности элементов теплоснабжения. Отмечается, что в изученной литературе показана ошибочность «физического» метода анализа технико-экономических показателей, но не предложено методики, отражающей действительную ценность разного рода энергий для системы теплоснабжения

в целом. Также не достаточно проработанным остается вопрос оптимизации параметров тепловых сетей контурного типа.

Во второй главе проводится структурный и функциональный анализ теплоэнергетического комплекса, дается описание энергетической эффективности систем теплоснабжения, а также описание разработанной модели для исследования системы централизованного теплоснабжения, которая включает модули, описывающие условия функционирования всех ее элементов на основе методов эксергетического анализа.

В третьей главе дается описание математической модели расчета характеристик элементов тепловых сетей с использованием методов оптимизации проектных решений по реконструкции и новому строительству тепловых сетей. Рассмотрены вопросы повышения энергетической, экономической эффективности и надежности теплоснабжения. В четвертой главе приводятся результаты расчетов, произведенные на разработанной математической модели системы централизованного теплоснабжения для климатических условий г. Красноярска. Показывается практическая реализуемость и эффективность предложенного инструментария для повышения эффективности выбора вариантов реконструкции систем теплоснабжения.

В заключении дается краткое описание основных результатов диссертационной работы.

1 АНАЛИЗ ИССЛЕДУЕМОГО ОБЪЕКТА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1 Производственная структура, состояние и перспективы развития систем теплоснабжения районов.

Изначально системы теплоэнергоснабжения сооружались и проектировались в расчете на номинальную (максимально расчетную) нагрузку, при этом перерасходы топливно-энергетических ресурсов, как правило, не являлись предметом пристального инженерного анализа. Эффективность теплосетей с учетом объектов теплопотребления, в отличие от зданий, затруднительно выразить существующими критериями. Для нахождения критических звеньев и максимальных резервов энергосбережения в коммунальном теплоэнергетическом комплексе необходимо рассмотреть эффективность использования энергоресурсов по всему технологическому комплексу - от источников до конечных потребителей, включая системы доставки и распределения энергоносителей.

Наряду с существенным ростом единичной мощности ТЭЦ росли магистральные и "вторичные" распределительные сети, к старым сетям подключались новые потребители пара и горячей воды. При этом удельная протяженность сетей на единицу установленной мощности, удельная выработка теплоты на 1 МВт практически не изменялись, что свидетельствует об определенной сбалансированности развития источников и потребителей. При этом совершенствование систем транспорта и распределения теплоты отставало от роста масштабов и сложности систем теплоэнергоснабжения в целом. Распределенные системы теплоснабжения крупных городов насчитывают тысячи точек присоединения разнородных потребителей, не оборудованных необходимыми регуляторами и приборами учета.

В этой связи актуальность системного подхода к энергосбережению в коммунальном комплексе уже не вызывает сомнений, тем более в рамках территориальных образований, крупных городов и мегаполисов. Интеграция знаний смежных наук в энерго- и ресурсосбережении требует единых методических подходов и предпосылок, согласованных технических, организационных, информационных решений, а разнообразие территориальных условий и параметров коммунальных потребителей затрудняет создание единых типологических моделей, способствующих выявлению максимальных непроизводительных потерь.

Все существующие в России системы централизованного теплоснабжения можно разделить на две группы. К первой группе относятся теплофикационные системы, в которых базовая нагрузка теплоснабжения (основная часть отопительной нагрузки и полная нагрузка горячего водоснабжения) покрывается за счет теплоты отбора пара или отработанных в газотурбинных установках (ГТУ) газов при комбинированной выработке теплоты и электроэнергии. Пиковая часть нагрузки в таких системах покрывается, как правило, от паровых котлов низкого давления или водогрейных котлов, осуществляющих раздельную выработку дополнительного количества теплоты в пиковом режиме. Ко второй группе относятся системы с теплоснабжением от районных котельных с паровыми или водогрейными котлами большой или средней мощности.

Системы централизованного теплоснабжения представляют собой сложный комплекс взаимосвязанных элементов, который включает в себя генерирующие мощности тепловой энергии (ТЭЦ, ТЭС АЭС, котельные), элементы системы транспорта теплоты от источника теплоснабжения к потребителю (магистральные и квартальные тепловые сети, индивидуальные и центральные тепловые пункты, насосные станции и проч.) и системы внутреннего теплоснабжения потребителей (отопительные и нагревательные приборы различных типов) [11].

В настоящее время в СЦТ имеется ряд наболевших проблем:

• большой износ основного и