автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Оптимизация отпуска теплоты от ТЭЦ при качественно-количественном регулировании в открытых системах теплоснабжения

На правах рукописи

Маккавеев Вячеслав Владимирович

ОПТИМИЗАЦИЯ ОТПУСКА ТЕПЛОТЫ ОТ ТЭЦ ПРИ КАЧЕСТВЕННО-КОЛИЧЕСТВЕННОМ РЕГУЛИРОВАНИИ В ОТКРЫТЫХ СИСТЕМАХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.14.14 - Тепловые электрические станции, их энергетические

системы и агрегаты

□□3465753

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Улан-Удэ - 2009

003465753

Работа выполнена в Читинском государственном университете

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Куприянов О. Е. (ЧитГУ)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Степанов В. С. (ИрГТУ)

кандидат технических наук, доцент Балдаев В. А. (ВСГТУ)

Ведущая организация: ОАО «ТГК №14»

Защита состоится «17» апреля 2009 г. в 1300 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.039.03 при Восточно-Сибирском государственном технологическом университете по адресу: 670013, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40в, ВСГТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Восточно-Сибирского государственного технологического университета

Автореферат разослан « \<2 » _2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, д-р техн. н-к

Бадмаев Б. Б.

Общая характеристика работы

Актуальность работы.

В условиях реструктуризации и перехода к рыночным механизмам в энергетике России приоритетными в развитии энергетической науки становятся направления, связанные со снижением себестоимости отпускаемой тепловой и электрической энергии на основе повышения эффективности их работы. При этом следует отметить, что речь идет не о введении дополнительных мощностей путем постройки новых источников энергии, а о повышении конкурентоспособности существующих.

Оптимизация отпуска теплоты от источника теплоснабжения с учетом функционирования тепловых сетей и потребителей тепловой энергии относится к разряду беззатратных методов повышения конкурентоспособности предприятий энергетики и поэтому может считаться одним из приоритетных направлений оптимизации режимов работы теплоэнергетического оборудования предприятий.

Сложность выбора параметров отпускаемой теплоты состоит в том, что необходимо учитывать большое количество характеристик теплосети, внешние воздействующие факторы, существующие режимы работы оборудования ТЭЦ. Следует учитывать дополнительные ограничения, накладываемые инерционностью тепловой сети, аккумулирующей способностью зданий, теплотехническими характеристиками оборудования и т. п. Нельзя не отметить, что схемы тепловых сетей для каждого города или поселка всегда различны и имеют произвольную конфигурацию, и в каждом конкретном случае взаимовлияние потребителей тепла друг на друга различно. Кроме того, потребители тепловой энергии могут иметь различные схемы подключения к тепловой сети и различную степень автоматизации.

Поэтому разработка механизма, который бы позволил производить расчет оптимального суточного графика отпуска теплоты от источника теплоснабжения при условии обеспечения всех потребителей необходимым количеством теплоты на отопление и ГВС в сутках, является на сегодняшний день актуальной задачей.

Цель работы:

1. Теоретическое исследование оптимизации отпуска теплоты от источника теплоснабжения потребителям тепловой энергии.

2. Разработка математической модели открытой тепловой сети централизованного теплоснабжения произвольной конфигурации.

3. Разработка следующих методик расчета по математической модели тепловой сети:

- расчет гидравлического состояния тепловой сети и температуры внутреннего воздуха у конкретного потребителя теплоты в определенный момент времени при заданных параметрах отпускаемой теплоты от источника;

- расчет напора теплоносителя на источнике теплоснабжения, необходимого для обеспечения указанного потребителя расчетньм расходом теплоты на отопление при заданной температуре подачи;

- выбор наихудшего потребителя тепловой сети в определенный момент времени при заданной температуре наружного воздуха и температуре подачи от источника;

- расчет влияния перегрева наихудших потребителей на суточные графики отпуска теплоты от источника и корректировка суточных графиков при устранении перегрева наихудших потребителей.

4. Разработка методики расчета оптимального суточного графика отпуска теплоты от источника теплоснабжения при качественно-количественном регулировании в открытых системах централизованного теплоснабжения при условии обеспечения всех потребителей необходимым количеством теплоты на отопление и ГВС в сутках.

5. Разработка программного комплекса, реализующего математическую модель тепловой сети и вышеуказанные методики расчета, посредством которого могут проводиться вычислительные эксперименты по выбору оптимального суточного графика отпуска теплоты и другие методические расчеты.

Научная новизна:

1. Создана наиболее полная комплексная математическая модель тепловой сети, в основе которой лежат системы линейных и нелинейных уравнений, объединившая в себе методики гидравлического и теплового расчета открытой сети централизованного теплоснабжения.

2. Даны рекомендации по составлению систем уравнений для гидравлического расчета при обходе графов тепловых сетей, имеющих внешние замкнутые контуры.

3. Предложена методика, ориентированная для реализации на ЭВМ, и расчетные формулы для вычисления теплоты, которую необходимо подавать от источника, чтобы обеспечить у заданного потребителя расчетный расход теплоты на отопление и ГВС.

4. Предложена методика учета инерционного запаздывания и потерь теплоты на участках тепловой сети, основанная на решении систем линейных уравнений.

5. Разработан алгоритм расчета поправок к значениям напоров теплоносителя на источнике для устранения суточного перегрева наихудших потребителей тепловой сети.

6. Предложена методика расчета суточных графиков отпуска теплоты от источника теплоснабжения при качественно-количественном регулировании открытых систем, которая учитывает граничное условие, что все потребители тепловой сети будут обеспечены суточным расходом теплоты на отопление не менее расчетного.

Достоверность результатов и выводов.

Модели и аналитические зависимости, полученные в диссертационной работе на основе уравнений гидравлического и теплового расчета сети, уравнений Кирхгофа, теории графов, итерационных процессов и систем уравнений курса вычислительной математики, подтверждаются приведенными в работе экспериментальными исследованиями.

Практическая ценность:

1. Разработана универсальная комплексная математическая модель открытой тепловой сети, объединившая в себе различные расчетные методики параметров и состояний сети, как комплектующий элемент современной диспетчеризации теплоснабжения.

2. Разработан программный комплекс «Оптимизация конфигурации (гидравлика, тепловое состояние, режимы работы) тепловых сетей», который позволяет:

- оценить тепловое и гидравлическое состояние тепловой сети в любой точке в указанный момент времени;

- проводить вычислительные эксперименты по изменению схемы и характеристик тепловой сети;

- выполнять расчет оптимальных суточных графиков отпуска теплоты от источника теплоснабжения при качественно-количественном регулировании открытых систем.

3. Предложен механизм расчета оптимальных суточных графиков отпуска теплоты, который может быть использован при разработке режимов центрального качественно-количественного регулирования теплоснабжения, что позволит поддержать у всех потребителей теплоты комфортную температуру внутреннего воздуха в помещении и получить наибольшую экономическую выгоду предприятию теплоэнергетики.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Комплексная математическая модель открытой тепловой сети централизованного теплоснабжения, основанная на системах уравнений, составляемых из условий соблюдения закона сплошности и закона сохранения энергии.

2. Методика расчета оптимального суточного графика отпуска теплоты от источника теплоснабжения при качественно-количественном регулировании открытых систем, которая учитывает граничное условие, что все потребители тепловой энергии сети обеспечены суточным расходом теплоты на отопление и ГВС не менее расчетного для них значения.

3. Расчет поправок к значениям напоров на источнике теплоснабжения при качественно-количественном регулировании, необходимых чтобы устранить суточный перегрев наихудших потребителей теплоты.

Апробация работы.

Основные методологические положения и результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на конференциях в ЧитГУ (г. Чита, 2006, 2007 г.), МФТИ (г. Москва 2007 г.), УГТУ-УПИ (г. Екатеринбург 2007 г.), ЗабИЖТ (г. Чита, 2008 г.), ТПУ (г. Томск 2008 г.), ИрГТУ (г. Иркутск 2008 г.), ВСГТУ (г. Улан-Удэ 2008 г.).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ и получено 1 авторское свидетельство.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и двух приложений. Содержит 128 страниц машинописного текста, 16 рисунков, 22 таблицы и библиографию из 100 источников.

Краткое содержание работы

В главе 1 обосновывается актуальность оптимизации отпуска теплоты от источника теплоснабжения с учетом функционирования тепловых сетей и потребителей тепловой энергии. Проведен обзор литературы по оптимизации системы централизованного теплоснабжения в целом и системы «источник - система транспорта тепла - совокупность потребителей» в частности. Определена цель работы и дается ее краткая характеристика.

В главе 2 рассмотрена математическая модель открытой тепловой сети централизованного теплоснабжения. Приводится описание методики расчета гидравлического и теплового состояния сети при условии обеспечения у заданного потребителя расчетного расхода теплоты на отопление и ГВС. Представлены результаты вычислительного эксперимента по оценке теплогидравлического состояния участка тепловой сети города Читы при различных параметрах регулирования и метеоусловиях. Проведено сравнение результатов вычислительного эксперимента по предложенной математической модели и результатов натурного эксперимента.

В основе методики расчета графика отпуска теплоты от источника теплоснабжения лежит методика расчета напора на источнике, при заданной температуре подачи, необходимого для обеспечения у определенного потребителя (абонента) необходимого расхода теплоты на отопление и ГВС. При расчетах должно быть учтено:

- схема тепловой сети;

- расчетные температуры (температура наружного воздуха , "С; температура воды в подающей линии тепловой сети т[, °С; температура воды в обратной линии тепловой сети г1,°С);

- температура горячей воды ^ , °С; температура холодной воды ?2 • °С;

- характеристики потребителей тепла (расчетный расход воды на отопление , м3/с; расчетное падение напора на элеваторе АН'а, м; расчетная температура внутреннего воздуха

, °С; расход воды на ГВС V/ при Г, = Г, и заданной Г2 • м3/,(;; относительные

сопротивления подающей и обратной линии 51', 5 *; доля отбора воды на ГВС из подающей линии тепловой сети Р (в случае не автоматических регуляторов температуры (РТ) перед системой ГВС));

- характеристики участков сети (длина I, м; диаметр трубы <1, м; коэффициент шероховатости к3, м; сумма коэффициентов местных сопротивлений ^ ^);

- характеристики насосных групп (напор Нн, м);

- суточный график нагрузки ГВС сети;

- предполагаемый суточный график температур наружного воздуха;

- аккумулирующая способность отапливаемых зданий;

- инерционное запаздывание теплоносителя в тепловой сети.

Рассматриваемая двухтрубная сеть имеет в общем случае произвольную конфигурацию, поэтому в основе методики расчета должен лежать метод определения стационарного потокораспределения в многокольцевых гидравлических сетях. Для расчета напоров и расходов воды в многокольцевых тепловых сетях в большинстве случаев используются методы, основанные на решении замкнутых систем нелинейных алгебраических уравнений.

Системы уравнений составляются из условий соблюдения закона сплошности и закона сохранения энергии, т. е. аналогов первого и второго законов Кирхгофа для всех независимых узлов и контуров, а также с учетом замыкающих уравнений связи между напорами и расходами для всех участков сети.

Исходя из известного топологического соотношения

к = р — д + 1,

где к , р , Ц - количество независимых контуров, участков, узлов. В общую систему из р

уравнений, определяющую стационарное потокораспределение в тепловой сети, входит к нелинейных уравнений вида

£5,У,.|У,.|-Хя„,.=0 (!)

с с

и (д — 1) линейных уравнений вида

£у>=0. (2)

где - сопротивления на всех участках ¡' контура с , мс2/м6; V; - расходы на всех участках (' контура с , м3/с; ^ Н - алгебраическая сумма напоров насосных групп на всех

с

участках ¡' контура с , м; V 1 - расходы в узле ./ , м'7с.

Можно предложить следующий метод выбора правил знаков в уравнениях (1) и (2). Каждому из абонентов и насосной группе следует присвоить определенный идентифицирующий номер. Расстановка номеров должна осуществляться в порядке прохождения графа сети в ширину. Ход воды в контуре определяется по принципу: для подающей линии тепловой сети направление от меньшего идентификатора к большему, а для обратной - от большего к меньшему. Данный метод позволяет получить сходящуюся систему уравнений. Так как в целом выбор направлений все же остается произвольным, то после решения системы уравнений может оказаться, что некоторые расходы воды на участках имеют отрицательное значение. Это означает, что направление на данном участке выбрано не верно, следует изменить знаки в уравнениях (1) и (2), относящихся к данным участкам сети, на противоположные и заново пересчитать систему.

На составление системы уравнений большое влияние оказывает наличие дросселирующих шайб на абонентском вводе перед узлом водоразбора. Если указанные постоянные сопротивления установлены, то абонент в уравнении (1) представлен суммой

где - гидравлическое сопротивление абонента, мс2/м6; 5,- , Б" - относительные

гидравлические сопротивления подающей и обратной лиши абонента; V], У^ , -

рассчитываемые расходы воды на участках, м3/с.

Кроме того, добавляется два уравнения вида (2)

-у>+2-у.,.(1-Д) = о • (3)

где Уы - расход воды на ГВС абонентом, м3/с; Д - доля отбора воды на ГВС из подающей линии тепловой сети.

При отсутствии дросселирующих шайб на абонентском вводе потребитель в уравнении (1) представлен слагаемым

•

а местом отбора воды на ГВС в расчете условно могут быть приняты узлы подключения абонента к тепловой сети. В этом случае данные узлы будут представлены следующими уравнениями

=о

1-А) = о" (4)

Следует также отметить, что при составлении системы в качестве некоторых уравнений группы (1) могут быть использованы уравнения, образованные внешними кольцами, при этом предпочтение следует отдавать кольцам, проходящим через меньшее число абонентов.

В уравнениях (3) и (4) фигурирует выражение У ,¡3 (а также У ,(1 — ¡3)), которое описывает, какое количество воды отбирается абонентом из подающей линии тепловой сети на ГВС. В общем случае У г/3 является функцией теплового режима работы сети, а также некоторых характеристик самого абонента.

Ф-Ъ.

где у — - относительный расход воды на отопление.

о

В случае если у потребителя установлен автоматический РТ, то Уг — Уг , а Р для

данного абонента может быть определено по следующей формуле

т _г -/ О 0 = 1- 1 1 ' " о р (р (5) и 5т' г'-г О ' ^

О * Н Ыо

где _ 0 - относительный расход теплоты в системе отопления, 8т'а - перепад расчетных

¿¿о.р

температур воды в тепловой сети, °С.

Qo_

Qop

, , 0,5 -ь и St' . t.-t„ +—--- + A t

A. Q,.P

l + u (p

(ъ-кУ

Qo

x0,2

t -r

(6)

IIP,

t:-t.

f Q ) 0.2 (t'-t') 6 H 0,2

la J U-d

ОЛ , (7)

1 + м (р

где и - коэффициент смешения в узле присоединения; А- температурный напор нагревательного прибора местной системы отопления, °С, z - период времени, который прошел с момента нарушения баланса между получаемой на отопление теплотой и

теплопотерей здания потребителя, с; ^ - температура внутреннего воздуха у потребителя теплоты в момент г = 0, °С; - коэффициент тепловой аккумуляции здания потребителя. В формуле (7) учтена аккумулирующая способность здания абонента. В случае если у потребителя установлен не автоматический РТ, то величина Р будет входным значением для каждого абонента и принимает значение 0 или 1, а будет определяться по формуле

У'Ли-Ч)

v, =-

(1 -p)5r'0t'e-tH Q0

(8)

<Р t'e-'iQ,,

Для учета неравномерности разбора воды на ГВС абонентами в течение суток, выражения V ,/5, У г(1 — /3) уравнений (3) и (4) следует умножить на коэффициент нагрузки ГВС кг. Данный коэффициент является функцией времени кг = f(tec ) и характеризует нагрузку ГВС абонента в текущий момент времени.

Поскольку требуется обеспечить определенный расход воды Voa через систему отопления одного из абонентов и определить напор На на источнике теплоснабжения, то расход воды через систему отопления данного абонента, фигурирующий в (1) - (4), не является искомой величиной при расчете системы уравнений, а вычисляется по формуле

0.5 +и

V„„ — V'(p = V'

l + u

-St'

.fo-O-tt-O-Af'

t. -L

(9)

Если при расчетах следует учитывать аккумулирующую способность зданий, то формула (9) примет следующий вид

0.5 +и

-к

у =у'___1+«_

° Г > ' \

г.-к

'К-О

г.-Л.

0 2 . (Ю)

*» / V"» 'и /

В свою очередь напор на источнике теплоснабжения, который имеет место в уравнениях вида (1), представляет собой переменную величину, итеративно рассчитываемую при решении системы нелинейных уравнений.

Для решения составленной системы нелинейных алгебраических уравнений может быть использован классический метод Ньютона. Кроме того, разработаны и используются несколько модификаций метода Ньютона.

В уравнениях (5) - (10) одним из параметров является величина Г, - температура воды в подающей линии тепловой сети абонента. Данная температура не равна температуре воды, подаваемой от источника теплоснабжения, что обуславливается потерями теплоты на участках сети и инерционным запаздыванием теплоносителя. Так как схема сети является в общем случае произвольной, то для нахождения Тх в отопительных системах абонентов следует составить и решить систему линейных уравнений. В систему входит п уравнений вида

где Т] и Т 1 - температура воды в подающей линии в начале и конце участка сети j, °С; I - период времени, который прошел с момента температурного возмущения на источнике теплоснабжения, с; - температура сетевой воды в конце участка сети у в момент г = 0, °С; п - количество участков подающей линии тепловой сети.

к™

2 ДУс ^

8

.25

где Л - суммарное термическое сопротивление цепи «теплоноситель - окружающая среда», м°С/Вт; ср - теплоемкость воды, сВтРС\Уср - средний удельный вес воды, кг/(с2м2); g-ускорение свободного падения, м/с2.

sK,'

где V„ c - емкость труб участка сети j, м3.

И (q - 2) уравнения вида

0, (12)

i i

(13)

где Vj(_, - расход воды, поступающий и исходящий из узла i в подающую линию участка сети j соответственно, м3/с; температура воды, поступающая и

исходящая из узла i в подающую линию участка сети j соответственно, °С; q - количество узлов сети.

Уравнение вида (12) составляется для каждого узла сети, в который направлен поток воды более чем из одного входящего в узел участка сети, для других узлов составляются уравнения вида (13). Знак первых двух слагаемых в уравнениях вида (11) определяется направлением течения воды в соответствующих участках сети. В уравнениях вида (11), которые соответствуют участкам сети, начинающимся на источнике теплоснабжения, Tj = const и равна температуре подачи от источника.

Если в расчетах не требуется учитывать инерционность тепловой сети или требуется рассчитать установившееся состояние сети, то вместо уравнений вида (11) в системе линейных уравнений следует использовать уравнения вида

tj + At;,J+1-^41=°. (14)

где &Tjj+i - потеря температуры воды в подающей линии участка сети j ■

9

'r.+r. v

Дг: ш =

У

1+-

0.25

V

J.W - У (15)

I ср

RVJCr „

Знак ^¿,¿+1 определяется направлением течения воды в подающей линии участка сети.

Следует отметить, что поскольку в уравнения (5) - (8), а также в систему линейных уравнений для расчета Т, прямо или косвенно входит расход воды V , то их расчет следует

осуществлять на каждой итерации решения системы нелинейных уравнений стационарного потокораспределения в тепловой сети.

Результатом расчета системы является получение необходимого напора на источнике теплоснабжения, при заданной температуре подачи от него, для того чтобы обеспечить определенного абонента расчетным расходом теплоты на отопление в сутках. Одновременно с этим будут получены состояния других потребителей и участков сети при указанных параметрах подачи от источника.

Для проверки достоверности предложенной математической модели открытой тепловой сети был проведен натурный эксперимент определения гидравлического и теплового состояния теплосети корпуса «Э» ЧитГУ при различных значениях температур наружного воздуха, различных температурах и расходах теплоносителя, различных значениях коэффициентов разбора воды из подающей линии теплосети. Полученные при проведении натурного эксперимента значения расходов и температур теплоносителя в разных точках участка теплосети сравнивались с результатами аналогичного вычислительного эксперимента по предложенной математической модели. Степень несоответствия результатов вычислительного эксперимента действительным значениям, полученным опытным путем, не превышает 3 %,

В главе 3 рассмотрена методика расчета оптимального суточного графика отпуска теплоты от источника теплоснабжения. Представлен алгоритм учета суточного перегрева наихудших потребителей тепловой энергии сети.

Использование методики, изложенной в главе 2, позволяет осуществлять поиск наихудшего абонента сети при определенных условиях, то есть абонента, обеспечив которого расчетным расходом теплоты на отопление и ГВС, обеспечивается расход теплоты на отопление и ГВС не меньше расчетного и у всех других потребителей сети. Состояние, при котором осуществляется поиск наихудшего абонента, определяется температурой наружного воздуха , временем суток , температурой подачи от источника теплоснабжения Г,.

Методика определения наихудшего абонента следующая. При заданном состоянии расчета из всех абонентов сети выбирается один первоначальный. Производится расчет сети, который обеспечивает необходимый расход теплоты на отопление и ГВС для данного абонента. Далее просматриваются все потребители сети, и выбирается среди них тот, у

которого относительный расход теплоты на отопление 0,о < 1 и меньше чем у других абонентов. Осуществляется расчет сети, обеспечивающий абонента с минимальным • И

так далее до тех пор, пока не будут удовлетворены все потребители. Последний рассмотренный абонент является наихудшим.

Представленный алгоритм определения наихудшего абонента не учитывает инерционное запаздывание теплоносителя. Если при поиске все же требуется учесть инерционность, то необходимо выбрать некоторый момент запаздывания X , относительно которого будет осуществляться поиск. Задача определения наихудшего абонента будет переформулирована следующим образом. Требуется найти такого потребителя тепловой сети, обеспечив которого необходимым расходом теплоты на отопление и ГВС за промежуток времени X, одновременно будут обеспечены необходимым количеством теплоты и все абоненты тепловой сети. Выбор величины X должен осуществляться исходя из анализа схемы сети, режимов работы оборудования ТЭС и иных практических соображений.

Алгоритм определения наихудшего абонента с учетом запаздывания X выглядит следующим образом:

1. При заданном состоянии расчета из всех абонентов сети выбирается один первоначальный. Производится расчет сети, который обеспечивает необходимый расход теплоты на отопление и ГВС для данного абонента. При расчете не нужно учитывать инерционность тепловой сети (в математической модели используются уравнения вида (14) вместо уравнений вида (11)). После расчета, одновременно с величиной расхода воды в системе отопления, будет получена температура воды в подающей линии тепловой сети у абонента Хш.

2. Производится расчет сети с учетом инерционности, который обеспечивает необходимый расход теплоты на отопление и ГВС для выбранного абонента. При этом в уравнениях вида (11) г устанавливается равным X , а Т}, которая определяет температуру сетевой воды на входе выбранного абонента, устанавливается равной , температура сетевой воды на источнике теплоснабжения в формируемой системе линейных уравнений становится переменной величиной. После данного расчета будет получена температура сетевой воды Г, и расход V, которые следует подать от источника чтобы за время Т обеспечить рассматриваемого абонента необходимым количеством теплоты на отопление и ГВС.

3. После вычислений, описанных в пункте 2 алгоритма, просматриваются все потребители сети, и выбирается среди них тот, у которого относительный расход теплоты на

отопление (20 <1 и меньше чем у других абонентов. Переходят к пункту 1 алгоритма,

осуществляя расчет сети, обеспечивающий абонента с минимальным 0о за время Т . Продолжают расчет до тех пор, пока не будут удовлетворены все потребители тепловой сети. Последний рассмотренный абонент является наихудшим.

Предполагаемый суточный график температур наружного воздуха и выбранный суточный график нагрузки ГВС позволяют разбить сутки на временные диапазоны. На каждом из диапазонов, при заданной температуре подачи от источника теплоснабжения, наихудший абонент не меняется. Таким образом, если задать такой график отпуска теплоты от источника, что на каждом из указанных диапазонов будет удовлетворен наихудший

абонент, то данный график будет обеспечивать у всех абонентов сети ()0 >1. Поскольку выбор температур подачи на временных диапазонах является в целом произвольным, то число возможных графиков отпуска теплоты от источника равно числу размещений с повторениями возможных температур подачи по числу мест равному количеству временных диапазонов.

На разных суточных диапазонах могут быть различные наихудшие абоненты, поэтому для каждого возможного графика (зафиксированы определенные температуры подачи от источника теплоснабжения на каждом диапазоне) необходимо учитывать перегрев наихудших потребителей на диапазонах, где они не являются худшими.

В работе предложен алгоритм, который для выбранного графика отпуска теплоты от источника теплоснабжения позволяет учесть перегрев наихудших абонентов и предложить такие напоры на источнике, которые при заданных температурах подачи на суточных

диапазонах обеспечат у наихудших абонентов (20д,„ =1 и у остальных <2„ ¿1.

Алгоритм устранения перегрева может быть применен при расчете сети как с учетом, так и без учета инерционности. Если инерционная задержка теплоносителя учитывается, то на временных диапазонах все расчеты осуществляются при температуре Г, и расходе воды V, которые подаются от источника для обеспечения наихудших абонентов за промежуток времени Т. Суточные температурные графики будут образованы этими значениями температур подачи и расхода. Следует отметить, что при рассмотрении очередного

временного диапазона значения ^ формул (7), (10) и формулы (11) математической модели следует принимать равными соответственно (в и предыдущего временного диапазона.

Выбор оптимального суточного графика отпуска теплоты от источника теплоснабжения среди большого числа возможных графиков может осуществляться по

различным критериям. Наиболее предпочтительным критерием является суммарная экономическая выгода предприятия энергетики от применения выбранного суточного графика отпуска теплоты. Данный критерий оптимизации объединяет в себе анализ экономии топлива от снижения отпуска теплоты, анализ снижения затрат на электрическую энергию на собственные нужды, а также учет снижения платы за выбросы в окружающую среду. Проведение вышеуказанного анализа для каждого возможного графика отпуска теплоты требует расчета режимов работы оборудования источника теплоснабжения.

Для проведения сравнения по предложенному критерию должна быть известна температура обратной сетевой воды Тг на источнике теплоснабжения. Формулы для вычисления Г2 также включены в математическую модели теплосети.

Выбранный оптимальный суточный график отпуска теплоты необходимо сместить по времени на некоторую величину для того, чтобы компенсировать инерционную задержку теплоносителя и подать необходимую теплоту наихудшим абонентам к началу их временных диапазонов. Если при поиске наихудших абонентов в расчете учитывался момент запаздывания Г, то в полученном суточном графике начало их,- каждого диапазона смены значения отпускаемой от источника теплоты следует сместить к началу суток на X . Если же в математической модели инерционное запаздывание не учитывалось (что следует применять для тепловых сетей, где запаздывание мало по сравнению с продолжительностью временных диапазонов), то т1 следует сместить на величину времени I,-, в течение которого наихудший абонент временного диапазона / будет обеспечен необходимым ему расходом теплоты на отопление и ГВС после температурного возмущения на источнике.

Для того чтобы определить г,- на временном диапазоне I необходимо провести расчет сети без учета инерционности, который обеспечивает необходимый расход теплоты на отопление и ГВС для наихудшего абонента диапазона I. Далее для каждого участка сети ], который лежит на пути теплоносителя от источника до данного наихудшего абонента, составить и решить уравнение (16), подставив значения температур и расходов, полученных при расчете сети. Искомое значение г,-

где и 7 , - температура воды в подающей линии в начале и конце участка сети ) , °С;

- температура сетевой воды в конце участка сети ] в момент температурного возмущения на источнике теплоснабжения, "С.

Следует отметить, что выбор наилучшего суточного графика отпуска теплоты от источника теплоснабжения не следует осуществлять среди всего числа возможных графиков, так как часть из них может не удовлетворять граничным условиям, которые накладываются физическими характеристиками теплосети и предельными режимами работы оборудования источника теплоснабжения.

В главе 4 рассмотрено практическое применение предложенной методики оптимизации режимов отпуска теплоты. С помощью разработанного программного комплекса проведен вычислительный эксперимент по расчету оптимального суточного графика отпуска теплоты от Приаргунской ТЭЦ (Забайкальский край). Рассчитан экономический эффект от внедрения оптимизационной модели.

Схема тепловой сети поселка имеет лучевой вид с одним источником теплоснабжения. От Приаргунской ТЭЦ выходит пять основных лучей тепловой сети (пять подсетей), при этом регулирование всех лучей осуществляется совместно. Потребители тепловой энергии присоединены к тепловой сети по открытой схеме, регуляторы расхода воды на отопление отсутствуют. Известны характеристики всех абонентов и участков тепловой сети. Задан график суточной нагрузки ГВС, а также график центрального качественного регулирования по совмещенной нагрузки отопления и ГВС.

Множество состояний тепловой сети, для которых осуществлялся поиск наихудших потребителей и расчет гидравлического и теплового состояния сети поселка Приаргунск, образуется следующим образом:

- температура наружного воздуха 1И изменяется от -38 °С до -8 °С (с шагом 1 °С);

- коэффициент нагрузки горячего водоснабжения кг принимает значения 0,1, 1.3, 2.2 соответственно в 0, 6, 16, 20 часов;

- температура подачи от источника теплоснабжения Г, принимает значение по действующему графику качественного регулирования по совмещенной нагрузке отопления и ГВС ± 5 °С (с шагом 1 °С).

При поиске наихудших потребителей тепловой сети поселка Приаргунск было получено, что существуют только два наихудших потребителя при разных состояниях расчета. Это абоненты с номерами 173 и 214 на схеме сети, оба находятся в подсети № 3.

Методика расчета оптимального суточного графика отпуска теплоты для заданных суток предполагает наличие графика температур наружного воздуха за эти сутки. Вычислительные эксперименты по расчету оптимальных суточных графиков проводились для различных периодов отопительного сезона, ниже представлен расчет графика отпуска теплоты для 11 февраля 2007 года. Эти сутки являются наиболее представительными сутками февраля, поскольку средняя температура наружного воздуха в этот день приблизительно равна средней температуре наружного воздуха за месяц в целом. Если бы в расчете речь шла о сутках, которые еще не наступили, то график температур наружного воздуха мог бы быть лишь предугадан, скорее всего, путем оценки статистических данных. Температуры наружного воздуха и коэффициенты нагрузки ГВС кг на временных диапазонах tt c 11 февраля 2007 года в поселке Приаргунск представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Температуры наружного воздуха в п. Приаргунск 11 февраля 2007

{е.с • ЧаС 0-2 2-3 3-6 6-11 11-16 16-18 18-20 20-22 22-24

г„,°с -25 -24 -23 -22 -21 -19 -21 -24 -26

кг 0 0 0 1 1 1.3 1.3 2.2 2.2

Согласно таблице 1 для указанных суток существует 9 временных диапазонов, в течение которых не изменяется ни наружная температура воздуха, ни нагрузка ГВС, ни наихудший абонент.

При расчете было принято, что температура подачи от источника теплоснабжения Г, может быть максимально отклонена от графика качественного регулирования на ± 5 °С (с шагом 1 °С). Отсюда следует, что количество рассматриваемых графиков равно 59.

Критерием, по которому осуществлялось сравнение указанных графиков, является суточная экономическая выгода Приаргунской ТЭЦ при использовании конкретного графика отпуска теплоты, которая, в свою очередь, зависит от количества топлива, затраченного для обеспечения суточной тепловой нагрузки поселка, количества затраченной на собственные нужды электрической энергии, а также от количества выбросов вредных веществ в окружающую среду.

После проведения всех расчетов по описанной методике получено, что температуры подачи Г, от Приаргунской ТЭЦ на временных диапазонах оптимального суточного графика отпуска теплоты б , несколько отличаются от тех, которые были реально установлены на источнике 11 февраля 2007 года в соответствии с графиком качественного регулирования.

Если для указанного графика на каждом временном диапазоне обеспечивать наихудшего абонента Ат|П этого диапазона необходимым расходом теплоты на отопление и ГВС, то температура обратной сетевой воды Тг, расход воды в подающем V, и обратном Уг трубопроводе в тепловой сети № 3 на источнике теплоснабжения будут иметь значения, указанные в таблице 2.

Таблица 2 - Режим тепловой сети № 3 при применении оптимального суточного графика

отпуска теплоты Сор1 без учета перегрева наихудших потребителей

Г,.С. час Г„, °С кг г,, °С А»« Т2, °С V,, м3/с Уг, м3/с

0-2 -25 0 81 214 18 67.6284 0.141233 0.141233

2-3 -24 0 80 214 18 66.7351 0.138901 0.138901

З-б -23 0 80 214 18 65.89661 0.127767 0.127767

6-11 -22 1 78 173 18 64.84342 0.132456 0.125927

11-16 -21 1 77 173 18 63.9439 0.29975 0.123446

16-18 -19 1.3 74 173 18 62.0751 0.134633 0.126146

18-20 -21 1.3 77 173 18 63.98442 0.130285 0.121797

20-22 -24 2.2 80 173 18 66.79802 0.13839 0.124026

22-24 -26 2.2 82 173 18 68.56866 0.153001 0.138637

3.229443 3.072747

-22.42 1 78.458 65.26961 0.13456 0.128031

В предпоследней строке таблицы 2 указана сумма значений соответствующих строк за сутки в целом, в последней строке - среднесуточное значение параметров.

За 34 шага алгоритма учета перегрева у обоих наихудших потребителей тепловой сети

для заданных суток обеспечено (20Су,„ - 1.

На рисунках 1 и 2 представлены графики изменения относительных расходов теплоты

на отопление <20 у абонентов 173 и 214 тепловой сети поселка Приаргунск на временных

диапазонах для суточного графика отпуска теплоты Сор1 соответственно до применения

алгоритма учета перегрева наихудших потребителей и после применения.

Рисунок 1 - Относительный расход теплоты на отопление (20 наихудших потребителей для оптимального суточного графика отпуска теплоты от источника Сор, без учета перегрева

Рисунок 2 - Относительный расход теплоты на отопление 0о наихудших потребителей для оптимального суточного графика отпуска теплоты от источника Сорг с учетом перегрева

Графики на рисунках 1 и 2 подтверждают, что применение указанного алгоритма позволило снизить среднесуточный расход теплоты на отопление у наихудших абонентов.

После учета перегрева для графика Сор, было получено, что представляется

возможным понизить расход сетевой воды от источника, поскольку на некоторых временных диапазонах не требуется поддерживать расчетную температуру внутреннего воздуха у наихудших потребителей за счет их некоторого перегрева на других диапазонах.

Информация о том, какую температуру внутреннего воздуха t1 следует поддерживать у наихудших потребителей и режим, который установится при этом в тепловой сети № 3, представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Режим тепловой сети № 3 при применении оптимального суточного графика

отпуска теплоты с учетом перегрева наихудших потребителей

.час К, °с кг °С Аип тг, °С У2, м3/с

0-2 -25 0 81 214 17.9 67.44196 0.139126 0.139126

2-3 -24 0 80 214 17.9 66.54815 0.136806 0.136806

3-6 -23 0 80 214 18 65.89661 0.127767 0.127767

6-11 -22 1 78 173 18 64.84342 0.132456 0.125927

11-16 -21 1 77 173 18 63.9439 0.129975 0.123446

16-18 -19 1.3 74 214 18 62.0751 0.134371 0.125883

18-20 -21 1.3 77 173 18 63.98442 0.130285 0.121797

20-22 -24 2.2 80 173 17.9 66.61486 0.136333 0.121969

22-24 -26 2.2 82 173 17.9 68.38621 0.140819 0.126455

3.19413 3.037434

-22.42 1 78.458 65.21582 0.133089 0.12656

Говоря о тепловой сети в целом, если бы 11 февраля 2007 года был использован оптимальный суточный график Сгор(, то отпуск теплоты от Приаргунской ТЭЦ с учетом догрева подпитки составил бы 560 Гкал, что почти на 17 % экономичнее действительного суточного отпуска теплоты от ТЭЦ.

Годовой экономический эффект от внедрения предложенной оптимизационной модели составляет около 2 миллионов рублей и включает в себя снижение расхода топлива на отпущенную тепловую энергию, снижение затрат на электрическую энергию на собственные нужды, а также снижение платы за вредные выбросы в окружающую среду.

Все приведенные расчеты были осуществлены с помощью разработанного автором программного комплекса «Оптимизация конфигурации (гидравлика, тепловое состояние, режимы работы) тепловых сетей». На момент написания диссертационной работы указанный программный комплекс внедрен и проходит стадию апробации на Приаргунской ТЭЦ.

Основные выводы и результаты:

1. Разработана комплексная математическая модель открытой тепловой сети централизованного теплоснабжения произвольной конфигурации, которая объединяет в себе большое количество характеристик тепловой сети, особенности структуры сети, внешние воздействующие факторы. Данная модель может быть использована для проведения расчетов гидравлического и теплового состояний сети, расчета графиков отпуска теплоты от источника теплоснабжения, проведения вычислительных экспериментов по изменению схемы или характеристик тепловой сети, а также в более сложных оптимизационных моделях.

2. Проведена апробация предложенной математической модели открытой тепловой сети на примере теплосети корпуса «Э» ЧитГУ. Степень несоответствия результатов вычислительного эксперимента действительным значениям, полученным опытным путем, не превышает 3 %.

3. Разработаны различные расчетные методики параметров и состояний тепловой сети. Методики позволяют оценить тепловое и гидравлическое состояние сети в любой ее точке в указанный момент времени при известных параметрах подачи от источника и температурах наружного воздуха, либо наоборот - в зависимости от параметров, которые требуется обеспечить у потребителей в определенный момент времени при известной температуре наружного воздуха, рассчитать температуру сетевой воды и напоры, которые следует поддержать на источнике теплоснабжения.

4. Предложена методика расчета оптимальных суточных графиков отпуска теплоты от источника теплоснабжения при качественно-количественном регулировании в открытых системах централизованного теплоснабжения при условии обеспечения всех потребителей необходимым количеством теплоты на отопление и горячее водоснабжение.

5. Проведен расчет экономической эффективности использования оптимальных суточных графиков подачи теплоты от источника теплоснабжения, полученных по предложенной методике, на примере системы теплоснабжения поселка Приаргунск Забайкальского края. Годовой экономический эффект от использования методики составляет порядка 2 миллионов рублей, что говорит о ее достаточно высокой экономической эффективности.

Основные результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в работах:

1. Иванов, С. А. Методика расчета параметров потребителя при качественно-количественном регулировании в открытых системах централизованного теплоснабжения / С. А. Иванов, А. Г. Батухтин, В. В. Маккавеев // Промышленная энергетика. - 2008. - №4. -С. 32-34.

2. Иванов, С. А. Расчет суточного графика отпуска теплоты от источника теплоснабжения при качественно-количественном регулировании в открытых системах централизованного теплоснабжения / С. А. Иванов, А. Г. Батухтин, В. В. Маккавеев // Промышленная энергетика. - 2008. - №5. - С. 25-27.

3. Маккавеев, В. В. Практическое применение некоторых методик оптимизации режимов отпуска теплоты / В. В. Маккавеев, О. Е. Куприянов, А. Г. Батухтин // Промышленная энергетика. - 2008. - №10 - С. 23-27.

4. Иванов, С. А. Оптимизация отпуска теплоты от источника теплоснабжения с учетом функционирования тепловых сетей и потребителей тепловой энергии как один из методов энергосбережения / С. А. Иванов, А. Г. Батухтин, В. В. Маккавеев // Вестник Забайкальского центра РАЕН. - 2008. - №1 - С. 80-83.

5. Маккавеев, В. В. Оптимизация отпуска теплоты от источника с учетом функционирования тепловых сетей и потребителей тепловой энергии при качественно-количественном регулировании в открытых системах централизованного теплоснабжения / В. В. Маккавеев, О. Е. Куприянов // Вестник МАНЭБ. - 2008. - Т. 13. - №13. - С. 56-58.

6. Маккавеев, В. В. Оптимизация конфигурации (гидравлика, тепловое состояние, режимы работы) тепловых сетей / В. В. Маккавеев, А. Г. Батухтин. - Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ №2008610504.

7. Маккавеев, В. В. Проблема влияния различных видов потребителей на функционирование системы централизованного теплоснабжения / В. В. Маккавеев, А. Г. Батухтин. - Материалы VI Всероссийской научно-практической конференции «Кулагинские чтения». - Чита: ЧитГУ, 2006. - Ч. II. - 318 с. - С. 205-207.

8. Маккавеев, В. В. Расчет потерь теплоты на участках сети в открытых системах теплоснабжения / В. В. Маккавеев, О. Е. Куприянов, А. Г. Батухтин. - Материалы VII Всероссийской научно-практической конференции «Кулагинские чтения». - Чита: ЧитГУ, 2007. - Ч. I. - 260 с. - С. 225-227.

9. Маккавеев, В. В. Расчет расхода тепла от источника теплоснабжения при качественно-количественном регулировании открытых систем / В. В. Маккавеев, О. Е. Куприянов. - Труды 50-й научной конференции МФТИ «Современные проблемы

фундаментальных и прикладных наук». - Москва: МФТИ, 2007. - Ч. III. - 204 с. - С. 101— 103.

10. Маккавеев, В. В. Разработка методического комплекса оптимизации конфигурации (гидравлика, тепловое состояние, режимы работы) тепловых сетей / В. В. Маккавеев, Н. В. Горячих, О. Е. Куприянов. - Материалы Всероссийской студенческой олимпиады, научно-практической конференции и выставки студентов, аспирантов и молодых ученых «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии». - Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2007. - 400 с. - С. 67-68.

11. Маккавеев, В. В. Программный комплекс оптимизации конфигурации (гидравлика, тепловое состояние, режимы работы) тепловых сетей / В. В. Маккавеев, О. Е. Куприянов. - Материалы XII международной молодежной научно-практической конференции «Молодежь Забайкалья: перспективы развития края». - Чита: ЗабИЖТ, 2008. -Ч. II. - 311 с. - С. 171-173.

12. Маккавеев, В. В. Методика оптимизации отпуска теплоты от источника с учетом функционирования тепловых сетей и потребителей тепловой энергии. - Материалы XIY международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современная техника и технологии». - Томск: ТПУ, 2008. - Ч. III. - 622 с. - С. 374-377.

13. Маккавеев, В. В. Расчет суточного графика отпуска теплоты от источника теплоснабжения при качественно-количественном регулировании в открытых системах централизованного теплоснабжения / В. В. Маккавеев, О. Е. Куприянов. - Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири». - Иркутск: ИрГТУ, 2008. - 628 с.-С. 567-571.

Подписано в печать 13.03.09 Формат 60x84"ií Объем 1 уч.-изд.л. Тираж 100 экз. Заказ № 33

Отпечатано в типографии Читинского государственного университета, 672039, г. Чита, ул. Александро-Заводская, 30

Введение

Глава I. Анализ методов оптимизации режимов работы теплоэнергетического оборудования источника теплоснабжения 9 1.1. Оптимизация распределения тепловой и электрической энергии между турбинами ТЭЦ

1.2 Оптимизация отпуска теплоты от источника теплоснабжения с учетом функционирования тепловых сетей и потребителей тепловой энергии

1.2.1 Существующая методологическая база регулирования отпуска теплоты от источника теплоснабжения

1.2.2 Влияние функционирования теплосети и потребителей тепловой энергии на экономичность отпуска теплоты от ТЭЦ

1.2.3 Существующие научно-технические разработки по оптимизации отпуска теплоты от источника теплоснабжения с учетом функционирования тепловых сетей и потребителей тепловой энергии

1.3. Выводы и постановка задачи

Глава II. Комплексная математическая модель открытой тепловой сети централизованного теплоснабжения

2.1 Определение параметров, которые должны быть учтены при формировании математической модели

2.2 Построение комплексной математической модели открытой тепловой сети централизованного теплоснабжения

2.3 Пример практического применения комплексной математической модели открытой тепловой сети централизованного теплоснабжения

2.3.1 Описание предметной области

2.3.2 Описание эксперимента и анализ результатов

2.4 Выводы

Глава III. Методика расчета оптимального суточного графика отпуска теплоты от источника теплоснабжения

3.1 Методика определения наихудшего потребителя тепловой энергии

3.2 Учет суточного перегрева наихудших потребителей

3.3 Выбор оптимального суточного графика отпуска теплоты от источника теплоснабжения

3.4 Выводы

Глава IV. Практическое применение методики оптимизации режимов отпуска теплоты от источника теплоснабжения

4.1 Анализ предметной области вычислительного эксперимента

4.1.1 Состав основного оборудования Приаргунской ТЭЦ

4.1.2 Тепловая сеть поселка Приаргунск

4.2 Вычислительный эксперимент по выбору оптимального суточного графика отпуска теплоты от источника теплоснабжения

4.3 Расчет экономической эффективности выбранного суточного графика отпуска теплоты

4.4 Выводы

Выводы по диссертации

В условиях реструктуризации и перехода к рыночным механизмам в энергетике России приоритетными в развитии энергетической науки становятся направления, связанные со снижением себестоимости отпускаемой тепловой и электрической энергии на основе повышения эффективности их работы. При этом следует отметить, что речь идет не о введении дополнительных мощностей путем постройки новых источников энергии, а о повышении конкурентоспособности существующих.

Оптимизация отпуска теплоты от источника теплоснабжения с учетом функционирования тепловых сетей и потребителей тепловой энергии относится к разряду беззатратных методов повышения конкурентоспособности предприятий энергетики и поэтому может считаться одним из приоритетных направлений оптимизации режимов работы теплоэнергетического оборудования предприятий. Данный способ снижения себестоимости производства тепловой энергии представляет собой задачу определения такого графика отпускаемой теплоты, чтобы все потребители были обеспечены необходимым количеством теплоты на отопление и горячее водоснабжение, и при этом сам график отпуска теплоты был наиболее экономически выгоден предприятию энергетики.

Большинство городов и поселков Забайкальского края отапливаются от местных котельных или ТЭЦ, которые работают по графикам отпуска теплоты, рассчитанным еще в 90-х годах. При этом сами населенные пункты значительно увеличились с того времени и, следовательно, намного увеличилось и количество потребителей теплоты, подсоединенных к местной системе централизованного теплоснабжения. Новые же нагрузки покрываются за счет повышения мощностей источников теплоснабжения. Все это приводит к неоптимальному использованию топливных ресурсов и повышению стоимости энергии.

Сложность выбора параметров отпускаемой теплоты состоит в том, что необходимо учитывать большое количество характеристик теплосети: схему тепловой сети, множественные характеристики участков сети и потребителей тепловой энергии, характеристики источников теплоснабжения и насосных групп, предполагаемый график температур наружного воздуха, суточные графики нагрузки горячего водоснабжения потребителей. Следует учитывать дополнительные ограничения, накладываемые инерционностью тепловой сети, аккумулирующей способностью зданий, теплотехническими характеристиками оборудования и т.п. Нельзя не отметить, что схемы тепловых сетей для каждого города или поселка всегда различны и имеют произвольную конфигурацию, и в каждом конкретном случае взаимовлияние потребителей тепла друг на друга, конечно же, различно. Кроме того, потребители тепловой энергии могут иметь различные схемы подключения к тепловой сети и различную степень автоматизации.

Существует необходимость разработки механизма, который бы позволил производить расчет оптимального суточного графика отпуска теплоты от источника теплоснабжения при условии обеспечения всех потребителей необходимым количеством теплоты на отопление и горячее водоснабжение в сутках. В настоящей работе поставлена задача разработки указанного механизма, включающего в себя математическую модель тепловой сети и ряд методик расчета тепловых сетей (гидравлика, тепловое состояние, режимы работы), который позволит выбирать оптимальные графики отпуска теплоты от источника теплоснабжения при качественно-количественном регулировании в открытых системах централизованного теплоснабжения с учетом функционирования тепловых сетей и потребителей тепловой энергии.

Целью данной работы является:

1. Теоретическое исследование оптимизации отпуска теплоты от источника теплоснабжения потребителям тепловой энергии.

2. Разработка математической модели открытой тепловой сети централизованного теплоснабжения произвольной конфигурации, что позволит при расчетах учитывать в совокупности основные характеристики тепловой сети, особенности структуры сети, ряд внешних факторов, инерционность движения теплоносителя, гидравлическое взаимовлияние потребителей теплоты друг на друга. '

3. Разработка следующих методик расчета по математической модели тепловой сети:

- расчет гидравлического состояния тепловой сети в определенный момент времени при заданных параметрах отпускаемой теплоты от источника;

- расчет температуры внутреннего воздуха у конкретного потребителя теплоты в определенный момент времени при заданных параметрах отпускаемой теплоты от источника;

- расчет напора теплоносителя на источнике теплоснабжения, необходимого для обеспечения указанного потребителя расчетным расходом теплоты на отопление при заданной температуре подачи;

- выбор наихудшего потребителя тепловой сети (при обеспечении которого расчетным расходом теплоты на отопление гарантирован расход теплоты на отопление не меньше расчетного и у всех других потребителей сети) в определенный момент времени при заданной температуре наружного воздуха и температуре подачи от источника;

- расчет влияния перегрева наихудших потребителей на суточные графики отпуска теплоты от источника и корректировка суточных графиков при устранении перегрева наихудших потребителей.

4. Разработка методики расчета оптимального суточного графика отпуска теплоты от источника теплоснабжения при качественно-количественном регулировании в открытых системах централизованного теплоснабжения при условии обеспечения всех потребителей необходимым количеством теплоты на отопление и горячее водоснабжение в сутках.

5. Разработка программного комплекса, реализующего математическую модель тепловой сети и вышеуказанные методики расчета, по средством которого могут проводиться вычислительные эксперименты по выбору оптимального суточного графика отпуска теплоты и другие методические расчеты.

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы и двух приложений.

Выводы по диссертации

1. В условиях реструктуризации и перехода к рыночным механизмам в энергетике России приоритетными в развитии энергетической науки становятся направления, связанные со снижением себестоимости отпускаемой тепловой и электрической энергии. Особенно актуально встает вопрос о повышении конкурентоспособности существующих источников. Одним из беззатратных способов снижения себестоимости отпускаемой энергии является оптимизация отпуска теплоты от источника теплоснабжения с учетом функционирования тепловых сетей и потребителей тепловой энергии.

2. Разработана комплексная математическая модель открытой тепловой сети централизованного теплоснабжения произвольной конфигурации, которая объединяет в себе большое количество характеристик тепловой сети, особенности структуры сети, внешние воздействующие факторы. Данная модель может быть использована для проведения расчетов гидравлического и теплового состояний сети, расчета графиков отпуска теплоты от источника теплоснабжения, проведения вычислительных экспериментов по изменению схемы или характеристик тепловой сети, а также в более сложных оптимизационных моделях.

3. Проведена апробация предложенной математической модели открытой тепловой сети централизованного теплоснабжения. Степень несоответствия результатов вычислительного эксперимента по математической модели действительным значениям, полученным опытным путем, не превышает 3 %.

4. Разработаны различные расчетные методики параметров и состояний тепловой сети. Методики позволяют оценить тепловое и гидравлическое состояние сети в любой ее точке в указанный момент времени при известных параметрах подачи от источника и температурах наружного воздуха, либо наоборот - в зависимости от параметров, которые требуется обеспечить у потребителей в определенный момент времени при известной температуре наружного воздуха, рассчитать температуру сетевой воды и напоры, которые следует поддержать на источнике теплоснабжения.

5. Предложена методика расчета оптимальных суточных графиков отпуска теплоты от источника теплоснабжения при качественно-количественном регулировании в открытых системах централизованного теплоснабжения при условии обеспечения всех потребителей необходимым количеством теплоты на отопление и горячее водоснабжение.

6. Проведен расчет экономической эффективности использования оптимальных суточных графиков подачи теплоты от источника теплоснабжения, полученных по предложенной методике, на примере системы теплоснабжения поселка Приаргунск Забайкальского края. Годовой экономический эффект от использования методики составляет порядка 2 миллионов рублей, что говорит о ее достаточно высокой экономической эффективности.

1. Богданов, А. Б. Теплофикация национальное богатство России / А. Б. Богданов // Новости теплоснабжения. - 2002. - № 4. - С. 20-22.

2. РД 34.08.552-95. Методические указания по составлению отчета электростанции и акционерного общества энергетики и электрификации о тепловой экономичности оборудования. -М. : Союзтехэнерго, 1995. -67 с.

3. РД 34.09.455-95. Методические указания по обследованию теплопотребляющих установок закрытых систем теплоснабжения и разработке мероприятий по энергосбережению. М. : ВТИ, 1996. - 57 с.

4. СНиП 41.02-2003. Тепловые сети.

5. СНиП 41.01-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование.

6. СНиП 2.04.01-85*. Внутренний водопровод и канализация зданий.

7. Вакулко, А. Г. Методические материалы для энергоаудита / А. Г. Вакулко, О. Л. Данилова М. : МЭИ, 1999. - 144 с.

8. Беляйкина, И. В. Водяные тепловые сети: Справочное пособие по проектированию / И. В. Беляйкина, В. П. Витальев, Н. К. Громов и др. М. : Энергоатомиздат, 1998. - 376 с. : ил.

9. Середкин, А. А. Состояние и перспективы энергосбережения в городе Чите / А. А. Середкин, А. М. Бутырский // Вестник Читинского государственного технического университета. Чита : ЧитГТУ. - 2001. -Выпуск 15. - 158 с.

10. Урин, В. Д. Энергетические характеристики для оптимизации режима электростанций и энергосистем / В. Д. Урин, П. П. Кутлер М. : Энергия, 1974. - 136 с.

11. Крумм, JI. А. Комплексный расчет краткосрочных режимов электроэнергетических систем на основе метода приведенного градиента / JI. А. Крумм, Н. А. Мурашко, Н. Г. Мурашко // Известия АН СССР «Энергетика и транспорт». 1971. -№ 1. - С. 3-15.

12. Беллман, Р. Д. Прикладные задачи динамическогопрограммирования / Р. Д. Беллман, С. А. Дрейфус. М. : Наука, 1965. - 457 с.108

13. Маркович, И. М. Использование метода ветвей и границ в некоторых энергетических оптимизационных задачах / И. М. Маркович, А. И. Лазебник // Электричество. 1970. - № 7. - С. 65-70.

14. Андрющенко, А. И. Теплофикационные установки и их использование / А. И. Андрющенко, Р. 3. Аминов, Ю. М. Хлебалин. М. : Высшая школа, 1989. - 256 с.

15. Соколов, Е. Я. Теплофикация и тепловые сети: Учебник для вузов / Е. Я. Соколов. 3-е изд., перераб. - М. : Энергоиздат, 1982. - 360 с. : ил.

16. Гиршфельд, В. Я. Режимы работы и эксплуатация ТЭС / В. Я. Гиршфельд, А. М. Князев, В. Е. Куликов. М. : Энергия, 1980. - 288 с. : ил.

17. Эфрос, Е. И. Повышение эффективности теплофикационных турбоустановок / Е. И. Эфрос, В. Ф. Гуторов, Л. Л. Симою, Б. Б. Калинин и др. // Электрические станции. 2003. - № 5. - С. 39^-6.

18. Андрющенко, А. И. Оптимизация режимов работы и параметров тепловых электростанций: Учеб. пособие для студентов теплоэнергетических специальностей вузов / А. И. Андрющенко, Р. 3. Аминов. М. : Высшая школа, 1983. -255 с. : ил.

19. Флос, С. Л. Оптимизация распределения нагрузок между турбоагрегатами ТЭЦ с использованием ЭВМ / С. Л. Флос, В. К. Жалялетдинова // Энергетика и электрофикация. 1988. - № 3. - С. 42-43.

20. Клер, А. М. Автоматизация построения статистических и динамических моделей теплоэнергетических установок / А. М. Клер, С. К. Скрипкин, Н. П. Деканова // Известия РАН. Энергетика. 1996. - № 3. - С. 78-84.

21. Шмидт, Р. А. Алгоритмы оптимизации тепловых схем ТЭЦ на ЭЦВМ методом кусочно-линейного программирования / Р. А. Шмидт, Л. А. Левин // Теплоэнергетика. 1971. - № 5. - С. 10-14.

22. Кроу, К. Математическое моделирование химических производств / К. Кроу, А. Гамилец, Т. Хоффман и др. М. : Мир, 1973. - 392 с.

23. Палагин, А. А. Логически-числовая модель турбоустановки / А. А. Палагин // Проблемы машиностроения. 1975. - № 2. - С. 103-106.

24. Вульфман, Ф. А. Применение модульного принципа для описания задач математического моделирования теплоэнергетических установок / Ф. А. Вульфман, Н. С. Харьков, Л. М. Куприянова // Известия АН СССР. Энергетика и транспорт. 1978. - № 4. - С. 129-136.

25. Кафаров, В. В. Принципы математического моделирования химико-технологических систем / В. В. Кафаров, В. И. Мешалин, В. Л. Перов. М. : Химия, 1974.-344 с.

26. Боровков, В. М. Автоматизированное проектирование тепловых схем и расчет переменных режимов ПТУ ТЭС и АЭС / В. М. Боровков, С. А. Казаров, А. Г. Кутохов и др. // Теплоэнергетика. 1993. - № 3. - С. 5-9.

27. Карпов, В. Г. Автоматизация построения программ для расчета схем теплоэнергетических установок / В. Г. Карпов, Л. С. Попырин, В. И. Самусев, В. В. Эпелыптейн // Известия АН СССР. Энергетика и транспорт. -1973.-№ 1.-С. 129-137.

28. Попырин, Л. С. Автоматизация математического моделирования теплоэнергетических установок / Л. С. Попырин, В. И. Самусев, В. В. Эпелынтейн. М.: Наука, 1981. - 236 с.

29. Клер, А. М. Методы оптимизации сложных теплоэнергетических установок / А. М. Клер, Н. П. Деканова, Т. П. Щеголева и др. Новосибирск : «Наука», Сибирская издательская фирма, 1993. - 116 с.

30. Карпов, В. Г. Алгоритмы преобразования ориентированного графа в бесконтурный / В. Г. Карпов, Д. Я. Кесельман, В. Н. Подкорытов. Труды Иркутского семинара по прикладной математике. - Иркутск, 1969. - № 1. -С. 64-81.

31. Мадоян, А. А. Расчет нестационарных характеристик и показателей графиков электрической нагрузки и агрегатов / А. А. Мадоян, Э. К. Аракелян, С.А. Минасян. Ереван : Айастан, 1989.

32. Аракелян, Э.К. Методические основы многокритериальной оптимизации суточных режимов работы энергооборудования ТЭС / Э. К. Аракелян, С. А. Минасян, Г. Э. Агабабян // Теплоэнергетика. 2006. - № 10. - С. 7-10.

33. Аракелян, Э. К. Повышение экономичности и маневренности оборудования тепловых электростанций / Э. К. Аракелян, В. А. Старшинов. -М.: Издательство МЭИ, 1993.

34. Аракелян, Э. К. Оптимизация и оптимальное управление / Э. К. Аракелян, Г. А. Пикина. М. : Издательство МЭИ, 2002.

35. Баграмян, Г. К. Выбор оптимальных режимов энергосистем с тепловыми пиковыми станциями : автореферат дис. . канд. техн. наук / Г. К. Баграмян. Ереван, 2003.

36. Минасян, С. А. Выбор оптимальных режимов работы ТЭС энергосистемы с учетом динамики энергетических характеристик оборудования : автореферат дис. . канд. техн. наук / С. А. Минасян. -Ереван, 1981.

37. Кронгауз, С. Д. Системы теплоснабжения промышленных предприятий от центральных котельных / С. Д. Кронгауз. М. : Госстройиздат, 1951. - 154 с.

38. Пакшвер, В. Б. Дальнее теплоснабжение городов / В. Б. Пакшвер // За экономию топлива. 1949. - № 11. - С. 26-30.

39. Ионин, А. А. Теплоснабжение: Учебник для вузов / А. А. Ионин. -М.: Стройиздат, 1982. 336 с. : ил.

40. Зингер, Н. М. Гидравлические и тепловые режимы теплофикационных систем / Н. М. Зингер. М. : Энергия, 1976. - 336 с.

41. Пик, М. М. Выбор температурного графика регулирования отпуска тепла в системах централизованного теплоснабжения / М. М. Пик, И. А. Смирнов // Теплоэнергетика. 1974. - № 11. - С. 54-58.

42. Громов, Н. К. Абонентские устройства водяных тепловых сетей / Н. К. Громов. М.: Энергия, 1979. - 248 с.

43. Соколов, Е. Я. О системах автоматизации абонентских установок / Е. Я. Соколов, Н. М. Зингер // Водоснабжение и санитарная техника. 1980. - № 10.-С. 41-43.

44. Генкин, Б. И. Регулировка водяных тепловых сетей / Б. И. Генкин. -М.: Госэнергоиздат, 1951.

45. Чистович, С. А. Автоматизированные системы теплоснабжения и отопления / С. А. Чистович, В. К. Авервянов, Ю. Я. Темпель. Л. : Стройиздат, 1987.

46. Зингер, Н. М. Гидравлические и тепловые режимы теплофикационных систем / Н. М. Зингер. 2-е изд., перераб. - М. : Энергоатомиздат, 1986. - 320 с.: ил.

47. Чистович, С. А. Гидравлический режим открытых тепловых сетей с переменным расходом воды / С. А. Чистович. М. : Издательство МКХ РСФСР, 1955.-96 с.

48. РД 153-34.0-20.523-98 Методические указания по составлению энергетических характеристик для систем транспорта тепловой энергии. М. : СПО ОРГРЭС, 1999. - 80 с.

49. Губин, В. Е. Концепция совершенствования схем отпуска тепла от ТЭЦ на основе комплексного энергетического обследования : автореферат дис. . канд. техн. наук / В. Е. Губин. Томск, 2004.

50. Беляев, В. И. Влияние переменного режима работы теплосети на работу турбины Т-100-130 по тепловому графику / В. И. Беляев, В. Я. Гиршфельд, А. И. Миркина // Теплоэнергетика. 1972. - № 4. - С. 39-43.

51. Зингер, Н. М. Исследование нестационарного режима подачи тепловой энергии на отопление / Н. М. Зингер, Ю. В. Кононович, А. Л. Бурд // Теплоэнергетика. 1984. - № 9. - С. 15-19.

52. Сафронов, А. П. Автоматизация систем централизованного теплоснабжения / А. П. Сафронов. М. : Энергия, 1974. - 272 с.

53. Губернский, Ю. Д. Гигиенические основы кондиционирования микроклимата жилых и общественных зданий / Ю. Д. Губернский, Е. И. Кореневская. -М. : Медицина, 1978. 191 с.

54. Нормы проектирования // СНиП 4.2. Отопление вентиляция и кондиционирование воздуха. М. : Стройиздат, 1976. - 109 с.

55. Вороновский, Г. К. Нормирование, мониторинг и управление качеством теплоснабжения в крупных теплофикационных системах с использованием новых методических принципов / Г. К. Вороновский, К. В. Махотило // Новости теплоснабжения. 2002. - № 3. - С. 38-42.

56. Хлебалин, Ю. М. Использование пара промышленных отборов турбин для выработки пиковой конденсационной электроэнергии на ТЭЦ / Ю. М. Хлебалин, В. В. Захаров // Промышленная энергетика. 1998. - № 10. -С. 14-16.

57. Батухтин, А. Г. Оптимизация отпуска теплоты от ТЭЦ на основематематического моделирования с учетом функционирования различных113типов потребителей : дис. . канд. техн. наук / А. Г. Батухтин. Улан-Удэ, 2005.

58. Повышение эффективности работы ТЭС Читинской энергосистемы. Ч II. Оптимизация режимов отпуска тепла от Читинской ТЭЦ-1 : отчет по НИР / Чибушев А. П., Иванов С. А. Чита. : ЧПИ. - 1989. - 65 с. - Инв. № 01870068052.

59. Проведение энергоаудитов на предприятиях города Читы : отчет по НИР / Иванов С. А., Середкин А. А. Чита: ЧитГТУ. - 1999. - 50 с. - Инв. № 02200001236.

60. Батухтин, А. Г. Оптимизация работы системы теплоснабжения, наоснове моделирования тепловых и гидравлических процессов / А. Г.

61. Софиев, А. Э. Системы математического моделирования теплогидравлических сетей / А. Э. Софиев, В. А. Иванов, А. П. Иванов // Теплоэнергетика. 2002. - № 10. - С. 35-39.

62. Квасов, И. С. Анализ и параметрический синтез трубопроводных гидравлических систем на основе функционального эквивалентирования : автореферат дис. . доктора техн. наук / И. С. Квасов. Воронеж, 1998.

63. Иванов, А. П. Автоматизация создания АРМ разработчика на эксплуатационника сложных гидравличесих сетей / А. П. Иванов, Н. Д. Михейкина, Т. Б. Сизова // Приборы и системы управления. 1993. — № 12. -С. 38-42.

64. Михейкина, Н. Д. Программная диалоговая система оценки состояния сложных теплогидравлических сетей / Н. Д. Михейкина, А. П. Иванов // Приборы. 2001. - № 2. - С. 31-32.

65. Байбаков, С. А. Прогнозирование эксплуатационных режимов работы систем теплоснабжения методом математического моделирования / С. А. Байбаков, Н. М. Зингер // Теплоэнергетика. 1989. - № 6. - С. 49-53.

66. Дикоп, В. В. Компьютерные модели тепловых сетей и циркуляционных систем / В. В. Дикоп, В. А. Кудинов, А. Г. Коваленко, Ю. С. Панамарев и др. // Теплоэнергетика. 2006. - № 8. - С. 66-68.

67. Колесников, С. В. Исследование гидравлических режимов работы цирксистемы Тольяттинской ТЭЦ на компьютерной модели / С. В.

68. Колесников, В. В. Дикоп, С. В. Томкин, В. А. Кудинов // Известия Вузов СНГ. Энергетика. 2002. - № 6. - С. 90-95.

69. Кудинов, В. А. Разработка компьютерной модели и исследование работы циркуляционной системы Новокуйбышевской ТЭЦ-2 / В. А. Кудинов,

70. A. Г. Коваленко, С. В. Колесников, Ю. С. Панамарев // Известия РАН. Энергетика. 2001. - № 6. - С. 118-124.

71. Меренков, А. П. Теория гидравлических цепей / А. П. Меренков, В. Я. Хасилев. М.: Наука, 1985.

72. Романовский, И. В. Алгоритмы решения экстремальных задач / И.

73. B. Романовский. -М. : Наука, 1977.

74. Абрамов, Н. Н. Теория и методика расчета системы подачи и распределения воды / Н. Н. Абрамов. М. : Стройиздат, 1972.

75. Меренков, А. П. Математическое моделирование и оптимизация систем тепло-, водо-, нефте- и газоснабжения / А. П. Меренков, Е. В. Сеннова, С. В. Сумарокова и др. Новосибирск : ВО Наука, Сибирская издательская фирма, 1992.

76. Коваленко, А. Г. Система синтеза и анализа гидравлических сетей / А. Г. Коваленко, Н. С. Туева. М. : ВЦ АН СССР, 1989.

77. Шалагинова, 3. И. Задачи и методы расчета температурных графиков отпуска тепла на основе теплогидравлического моделирования систем теплоснабжения / 3. И. Шалагинова // Теплоэнергетика. 2004. - № 7. - С. 41-49.

78. Сидлер, В. Г. Математическая модель теплогидравлических режимов абонентских вводов. Методы анализа и оптимального синтеза трубопроводных систем / В. Г. Сидлер, 3. И. Шалагинова. Иркутск, 1991.

79. Ротов, П. В. Исследование и разработка технологий центрального регулирования нагрузки открытых систем теплоснабжения на ТЭЦ : дис. . канд. техн. наук / П. В. Ротов. Ульяновск, 2002.

80. Губин, В. Е. Повышение эффективности работы системы теплоснабжения / В. Е. Губин, С. А. Косяков. Материалы докладов III Всероссийского совещания «Энергосбережение и энергетическая безопасность регионов России». - Томск : Изд-во ЦНТИ, 2002. - С. 63-69.

81. Гаврилин, А. И. Программа энергосбережения муниципального образования / А. И. Гаврилин, В. Е. Губин, С. А. Косяков // Промышленная энергетика. 2003. - № 9. - С. 12-13.

82. Иванов, С. А. Методика расчета параметров потребителя при качественно-количественном регулировании в открытых системах централизованного теплоснабжения / С. А. Иванов, А. Г. Батухтин, В. В. Маккавеев // Промышленная энергетика. 2008. - № 4. - С. 32-34.

83. Маккавеев, В. В. Практическое применение некоторых методик оптимизации режимов отпуска теплоты / В. В. Маккавеев, О. Е. Куприянов, А. Г. Батухтин // Промышленная энергетика. 2008. - № 10. - С. 23-27.

84. Маккавеев, В. В. Оптимизация конфигурации (гидравлика, тепловое состояние, режимы работы) тепловых сетей / В. В. Маккавеев, А. Г. Батухтин. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2008610504.