автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Повышение эффективности систем централизованного теплоснабжения при формировании диспетчерского графика тепловых нагрузок с учетом нестационарных процессов

На правах рукописи

ЖУКОВ Денис Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ДИСПЕТЧЕРСКОГО ГРАФИКА ТЕПЛОВЫХ НАГРУЗОК С УЧЕТОМ НЕСТАЦИОНАРНЫХ

ПРОЦЕССОВ

Специальность 05.14.04 - «Промышленная теплоэнергетика»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1Б ПАЙ 2013

005059041

Красноярск - 2013

005059041

Работа выполнена на кафедре «Теплоэнергетика» ФГБОУ ВПО «Омский государственный университет путей сообщения»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Лебедев Виталий Матвеевич

Официальные оппоненты: Липовка Юрий Львович

доктор технических наук, профессор, ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», кафедра «Инженерные системы зданий и сооружений», профессор

Завгородний Валерий Владимирович

кандидат технических наук, Муниципальное предприятие «Тепловая компания», г. Омск, заместитель директора

Ведущая организация: Военная академия тыла и транспорта

Омский филиал (ОФВАТТ), г. Омск

Защита состоится « 22 » мая 2013 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.099.07 при Сибирском федеральном университете по адресу: г. Красноярск, ул. Ленина, д. 70, ауд. А 204.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Сибирского федерального университета.

Автореферат разослан « 22 » апреля 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Чупак Татьяна Михайловна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Функционирующие в настоящее время системы централизованного теплоснабжения (СЦТ) крупных городов характеризуются сложностью своей конфигурации, разнородностью и переменностью тепловых нагрузок, разнообразием схем их присоединения с различной степенью автоматизации, большой протяженностью и разветвленностью тепловых сетей, инерционностью тепловых процессов, сложностью организации гидравлических режимов, низкой гидравлической устойчивостью, высоким износом оборудования и т.д.

В настоящее время в условиях непрерывного роста цен на энергоресурсы и тарифов на услуги ЖКХ возрастают экономические требования к решению вопросов энергосбережения и энергоэффективности, при этом особую актуальность приобретают проблемы неэффективного функционирования систем теплоснабжения. В условиях ограниченности финансовых средств на реконструкцию и замену оборудования приоритетными становятся беззатратные либо малозатратные мероприятия эксплуатационного характера. В частности, в данной работе показано повышение эффективности функционирования систем централизованного теплоснабжения за счет совершенствования централизованного регулирования отпуска тепловой энергии от тепловых источников при формировании диспетчерского графика тепловых нагрузок с учетом нестационарных процессов на гримере крупной СЦТ г. Омска.

В отечественных СЦТ регулирование отпуска тепловой энергии предусматривается, как правило, качественное по нагрузке отопления или по совмещенной нагрузке отопления и горячего водоснабжения путем изменения температуры теплоносителя в подающих трубопроводах в зависимости от метеорологических параметров. Постоянные изменения метеорологических параметров и регулирование температуры теплоносителя в строгом соответствии с температурным трафиком приводят к необходимости изменения температуры теплоносителя, тепловой нагрузки, режимов и состава основного оборудования теплового источника. Это, в свою очередь, вызывает частые изменения температурных расширений и механических напряжений в трубопроводах тепловых сетей и в оборудовании тепловых источников, увеличивает вероятность их повреждений, а также снижает надежность и экономичность. Кроме того, разработанный изначально для задач проектирования температурный график не учитывает нестационарность тепловых процессов в элементах системы теплоснабжения, а также изменение режимов потребления тепловой энергии в течение суток и недели.

В связи с недостаточной обоснованностью и четкостью имеющихся методик по формированию диспетчерского графика тепловых нагрузок систем теплоснабжения определение задаваемых параметров теплоносителя (температура, давление) и времени выдачи задания на изменение режимов, как правило, осуществляется на основе опыта и интуиции диспетчеров тепловых сетей.

Таким образом, формирование диспетчерского графика с учетом значительного числа факторов, влияющих на тепловые и гидравлические режимы СЦГ, для практического применения в управлении режимами СЦТ представляется весьма сложным, и до настоящего времени отсутствуют научно обоснованные методики задания температуры с учетом нестационарных процессов с целью поддержания комфортных условий в объектах теплоснабжения. Необходимость рассмотрения этого

вопроса вызвана реальными потребностями в повышении эффективности функционирования систем теплоснабжения, что весьма актуально и требует дополнительных исследований в данном направлении.

Объект исследования. Сложные системы централизованного теплоснабжения крупных городов (на примере г. Омска).

Предмет исследования. Нестационарные тепловые и квазистационарные гидравлические режимы в системах централизованного теплоснабжения.

Цель и задачи исследования. Основной целью исследования является совершенствование методики и выработка рекомендаций по оперативному регулированию отпуска тепловой энергии от тепловых источников с учетом нестационарных процессов дая улучшения эффективности работы и надежности систем централизованного теплоснабжения при обеспечении качественного теплоснабжения потребителей. Достижение поставленной цели осуществляется решением пяти основных задач:

1. Анализ функционирования крупных систем централизованного теплоснабжения (на примере г. Омска), существующих методов и рекомендаций по формированию диспетчерского графика тепловых нагрузок систем теплоснабжения;

2. Разработка математической модели, алгоритма и компьютерной программы дня расчета во времени режимов функционирования сложных систем теплоснабжения с автоматизированными и неавтоматизированными системами теплопотребле-ния при нерасчетных условиях с учетом процессов нестационарной теплопередачи в ограждающих конструкциях зданий;

3. Теоретическое исследование изменения тепловых и гидравлических режимов системы теплоснабжения и параметров микроклимата в зданиях при меняющихся климатических условиях и нерасчетных параметрах теплоносителя, сопоставление теоретических и фактических данных в контрольных точках;

4. Совершенствование методики формирования диспетчерского графика тепловых нагрузок в системах теплоснабжения крупных городов и разработка рекомендаций по оперативному регулированию температурных режимов;

5. Определение влияния периодичности изменения диспетчерского графика на повреждаемость трубопроводов тепловых сетей.

Основная идея диссертации. Повышение эффективности и надежности систем централизованного теплоснабжения путем совершенствования методики формирования диспетчерского графика тепловых нагрузок с учетом нестационарных процессов.

Методологическая и теоретическая основа исследования. В основу исследований положены научные труды отечественных и зарубежных авторов в области теплоснабжения, регулирования тепловых нагрузок и обеспечения теплового режима в зданиях. Для решения поставленных задач в диссертационной работе использованы методы вычислительной математики и математического моделирования, последовательных приближений, наименьших квадратов, «увязочный» метод контурных расходов, метод «прогонки» с применением неявной конечно-разностной схемы, сравнительного анализа, объектно-ориентированного программирования, а также теории дифференциальных уравнений, гидравлических цепей, тепломассообмена и теплоустойчивости.

Информационная база исследования. В числе информационных источников диссертации использованы:

научные данные и сведения из учебников и монографий ведущих ученых и специалистов в области теплоснабжения, журнальных статей, материалов научных и практических конференций;

статистические источники, материалы разных организаций, научных фондов и научно-исследовательских институтов;

официальные документы в виде законов, законодательных и других нормативных актов, положения, доклады, проекты;

результаты собственных расчетов, проведенных теоретических и экспериментальных исследований.

На защиту выносятся:

1. Разработанная математическая модель режимов функционирования сложных систем теплоснабжения;

2. Обоснование возможности и необходимости формирования диспетчерского графика тепловых нагрузок с учетом нестационарности процессов в системах централизованного теплоснабжения;

3. Полученные результаты численных решений и их сопоставление с экспериментальными данными в системе теплоснабжения от тепловых источников Омского филиала ОАО «ТГК-11» в г. Омске;

4. Научно обоснованные пред ложения по совершенствованию методики формирования диспетчерского графика тепловых нагрузок;

5. Полученные результаты повышения эффективности системы теплоснабжения на примере Омского филиала ОАО «ТГК-11» в г. Омске.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель, алгоритмы и вычислительная программа, отличающиеся от существующих моделированием в задаваемый период времени режимов сложной системы теплоснабжения с автоматизированными и неавтоматизированными системами теплопотребления при нерасчетных условиях, и учитывающие процессы нестационарной теплопередачи в ограждающих конструкциях зданий для определения изменения параметров микроклимата;

2. Определены допустимые отклонения температуры теплоносителя в зависимости от характеристик систем теплоснабжения;

3. Определена зависимость влияния периодичности изменения диспетчерского графика на надежность трубопроводов тепловых сетей и эффективность системы теплоснабжения;

4. Разработаны рекомендации и усовершенствована методика формирования диспетчерского графика тепловых нагрузок с учетом нестационарных процессов в элементах систем централизованного теплоснабжения для повышения эффективности системы теплоснабжения.

Теоретическая значимость работы Результаты проведенного исследования позволяют обосновать формирование диспетчерского графика тепловых нагрузок и оперативное регулирование отпуска тепловой энергии от тепловых источников с учетом характеристик систем централизованного теплоснабжения. Установленные

зависимости допустимых отклонений температур теплоносителя при различных уровнях автоматизации тепловых нагрузок систем теплоснабжения представляют теоретическую основу их применения в системах автоматического регулирования.

Практическая значимость работы По результатам исследований за счет применения усовершенствованной автором методики регулирования отпуска тепловой энергии повышена надежность эксплуатации тепловых сетей и эффективность функционирования системы централизованного теплоснабжения в целом при обеспечении качественного теплоснабжения потребителей.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных методов исследований и подтверждается сравнением результатов решений «контрольных» примеров по расчету гидравлических режимов по разработанной математической модели с решениями, полученными при помощи сертифицированных программных комплексов, сравнением результатов решений уравнений теплопередачи через ограждающие конструкции здания с применением численных методов, сравнением характера изменения расчетных и фактических данных в контрольных точках действующей системы теплоснабжения, в том числе при аварийных отключениях, а также практическим применением методики и ведением температурных режимов в системе теплоснабжения при опытной эксплуатации в Омском филиале ОАО «ТГК-11» в течение последних трех отопительных периодов.

Использование результатов диссертации. Основные результаты диссертационной работы используются в оперативно-диспетчерском управлении режимами работы тепловых сетей с заданием температурных режимов согласно усовершенствованной методике формирования температурного задания диспетчерского графика тепловых нагрузок с учетом нестационарных процессов в структурном подразделении «Тепловые сети» Омского филиала ОАО «ТГК-11» и муниципальном предприятии (МП) «Тепловая компания» г. Омска. Результаты исследований могут быть использованы в других 11К и организациях, эксплуатирующих системы теплоснабжения, а также в проектных и научно-исследовательских организациях, в ВУЗах при подготовке специалистов по направлению «Теплоэнергетика». Примененные алгоритмы могут служить основой для разработки новых функциональных модулей существующих программных комплексов, предназначенных для расчета тепловых и гидравлических режимов.

Личный вклад автора состоит в определении цели и постановке задач для ее достижения, анализе информационных источников, формировании математической модели, алгоритмов и компьютерной программы для расчета режимов СЦТ с автоматизированными и неавтоматизированными системами теплопотребления, обработке и интерпретации полученных результатов, сопоставлении расчетных и фактических данных, установлении зависимости допустимых отклонений температуры теплоносителя при различных характеристиках СЦТ, а также в разработке рекомендаций и совершенствовании методики формирования диспетчерского графика тепловых нагрузок для оперативного управления режимами систем теплоснабжения.

Апробация результатов исследования. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных и научно-практических конференциях: Всероссийской научной конференции студентов и ас-

пирантов «Молодые исследователи - регионам» (Вологда, апрель 2007 г.); Итоговой конференции XV Конкурса научно-технических разработок по проблемам топливно-энергетического комплекса (Москва, февраль - март 2007 г.); Международной научно-практической конференции «Разработка и внедрение ресурсо- и энергосберегающих технологий и устройств» (Пенза, апрель 2010 г.); V Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, апрель 2010 г.); П Всероссийской научной конференции «Научное творчество XXI века» (Красноярск, март 2010 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем «Энерго - 2010» (Москва, июнь 2010 г.); Международной научно-практической конференции «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития '2010» (Одесса, октябрь 2010 г.); Международной научно-практической конференции «Проблемы, перспективы и стратегические инициативы развития теплоэнергетического комплекса» (Омск, июнь 2011 г.); VI Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности энергетического оборудования» (Иваново, декабрь 2011 г.); XXIV International Scientific and Practical Conference and the I Stage of Research Analytics Championship in the physical, mathematical and technical sciences (London, May, 2012), П Научно-пракшческой конференции Группы «ИНТЕР РАО ЕЭС» (Москва, ноябрь 2012 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе две работы - в ведущих рецензируемых изданиях по перечню ВАК

Структура и объем работы. Диссертация состоит го введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, трех приложений и содержит 167 страниц машинописного текста, в том числе 156 страниц основного текста и 11 страниц приложений, 44 рисунка, 20 таблиц, список использованных источников из 148 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены объект и предмет исследования, сформулированы цель и задачи исследований, определена научная новизна исследования, представлена практическая значимость результатов и показан личный вклад автора.

В первой главе рассмотрено состояние систем централизованного теплоснабжения в целом по России, а также системы теплоснабжения на примере Омского филиала ОАО «ТГК-11». Приведены основные характеристики функционирующих в настоящее время СЦТ крупных городов. Отмечается высокий износ оборудования СЦТ, а также тенденция к вынужденному увеличению срока эксплуатации трубопроводов тепловых сетей. В частности, на рис. 1. приведены данные о сроке эксплуатации трубопроводов магистральных тепловых сетей в Омском филиале ОАО «ТГК-11» по состоянию на 2007 г. и 2012 г.

Отмечается тенденция увеличения степени автоматизации, которая в среднем составляет 0,8 - 1,3 % в год, причем увеличение происходит в основном за счет строительства новых объектов. На рис. 2 приведена структура тепловых нагрузок системы централизованного теплоснабжения Омского филиала ОАО «ТГК-11» и темп роста степени автоматизации тепловых нагрузок.

2007 год

2012 год

21% ^ат ш-- ^ж

ИДо5 пет

■ ОтбдоЮлет

■ ОТ 11 до 15 лет ■От 16 до 20 лет

■ От 21 до 25 лет

■ Свыше 25 лет

15%

Рис. 1. Структура распределения протяженности трубопроводов тепловых сетей по фактическому сроку эксплуатации в Омском филиале ОАО «ТГК-11»

Приведены основные показатели, характеризующие качество теплоснабжения и условия теплового комфорта. Показано, что изменение температуры в допустимых пределах ± 1,5 °С не вызывает дискомфорта.

Рассмотрены и дан анализ известным методам регулирования отпуска тепловой энергии от тепловых источников: качественному, количественному и качественно-количественному.

Проведен анализ основных схем присоединения систем теплопотребления и их автоматизации. Показано, что основной схемой в городах России остается зависимое присоединение систем отопления с элеваторным смешением, которая в свое время была принята при массовой застройке городов.

«Авт ■ Неавт

ГВС эзкр Вид нагрузки

х т

14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0

б)

гвсогкр

2009 2010 Год

2011 2012

Рис. 2. Структура тепловых нагрузок (а) и темп роста степени автоматизации (б)

Анализ проведенных исследований в области регулирования тепловых нагрузок показал, что если вопросам автоматизации тепловых пунктов уделено значительное внимание и разработаны разнообразные методы, алгоритмы и средства для оптимального регулирования, то вопросам оперативного центрального регулирования в крупных системах теплоснабжения должного внимания не уделено. В доста-

точно большом количестве имеются работы по расчету температурных графиков отпуска тепловой энергии, которые изначально разрабатывались .идя задач проектирования систем теплоснабжения, но до настоящего времени применяются в задачах эксплуатации и диспетчерского управления. В методиках расчета температурных графиков центрального регулирования принят ряд допущений и ^трощений, в частности пропорциональность разности температур внутреннего (/д) и наружного воздуха (¡л) при текущих нерасчетных и расчетных условиях для условий стационарных процессов теплообмена. В действительности, все теплообменные процессы, происходящие в системах теплоснабжения, нестационарные, и эта особенность должна учитываться при анализе режимов и оперативном регулировании отпуска тепловой энергии.

В завершении главы определена необходимость совершенствования методики формирования диспетчерского графика тепловых нагрузок, которая должна учитывать характеристики системы теплоснабжения, режимы потребления тепловой энергии, изменение метеорологических условий, а также нестационарные процессы в элементах систем теплоснабжения.

Во второй главе рассмотрена физико-технологическая схема, определены внешние и внутренние возмущающие и управляющие воздействия, действующие на элементы систем централизованного теплоснабжения, и сформирована математическая модель их функционирования, включающая в себя:

1) описание нестационарного теплового режима здания;

2) описание возмущающих воздействий (внешних климатических, внутренних режимных (ГВС, вентиляция), внутренних бытовых);

3) описание квазистационарных гидравлических режимов те пловых сетей;

4) описание режимов функционирования тепловых пунктов с различными схемами присоединения тепловых нагрузок.

Тепловой режим здания представлен нестационарным тепловьгм балансом воздуха в отапливаемом здании, который описывается известным дифференциальным уравнением следующего вида:

свр*ув^р-=длт), (1)

где св — теплоемкость воздуха, Дж/(кг°С); рв — плотность воздухе:, кг/м3; Ув — объем воздуха в здании, м3; ¡в - температура воздуха в здании, °С; г - время, с; бх(г) -суммарная тепловая энергия, поступившая в здание, Вт.

Балансовые составляющие суммарной тепловой энергии определяются:

2ог (г) = «ог^ог Сот ~(в), (2)

бет (г) = а в рст С в "'ясг). (3)

ОоЛт) = кокРоА*в-*н), . (4)

(5)

где Qoт, Ост, Яок, Оинф — соответственно тепловая энергия от системы отопления, потери тепловой энергии через ограждающие конструкции (стены, окна), потери тепловой энергии за счет инфильтрации, Вт; /я, 'ог, Ь.ст — соответственно температуры наружного воздуха, отопительных приборов, внутренней поверхности ограждающей

конструкции, °С; а0т, ав - соответственно коэффициент теплоотдачи от отопительных приборов к внутреннему воздуху, от внутренней поверхности стеновых ограждающих конструкций к внутреннему воздуху, Вт/( м2-°С); кок - коэффициент теплопередачи через оконные ограждения, Вт/(м2-°С); Р0т, Рст. Рок - поверхности соответственно отопительных приборов системы отопления, стеновых и оконных ограждающих конструкций, м2; Ь - расход инфильтрующегося воздуха, м3/ч; р - плотность воздуха, кг/м3; с - теплоемкость воздуха, Дж/(кг°С).

Влияние внешних климатических воздействий через ограждающие конструкции здания и значения 1в.Ст в формуле (3) в текущие моменты времени определяются путем рассмотрения нестационарных процессов теплопередачи в ограждающих конструкциях, которые описываются известным дифференциальным уравнением нестационарной теплопроводности:

дТ(х,т) дгТ(х,т) п _ _

^ ' = а ',0 <х<3, т> 0, (6)

дт ах

где Т - температура стенки, К; х - текущая координата, м; т - время, с; а - коэффициент температуропроводности, м2/ч; 8 - толщина стенки, м.

В основе моделирования гидравлических режимов тепловых сетей заложена теория гидравлических цепей Хасилева В.Я., Меренкова А.П. Для любой произвольной схемы с установившимся течением теплоносителя, состоящей ю п участков, т узлов и к линейно независимых контуров, выполняется условие к=п-т+1.

Для определенной гидравлической схемы системы теплоснабжения строится система уравнений гидравлических режимов тепловых сетей на основе двух сетевых законов Кирхгофа, которая записывается в вееторно-матричной форме:

Г А х х = С,

^ В х 11 = 0, (7)

I Ь+Н=8хХхх,

где А - матрица соединений размерностью (тя-1, и), однозначно отображающая структуру сети и ориентацию ее участков; В - матрица связей размерностью (к, п), отображающая совпадение участков и выбранной системы линейно независимых контуров; в - диагональная матрица из величин гидравлических сопротивлений размерностью (и,и); X - диагональная матрица из абсолютных значений расходов на участках размерностью (и,и); х - вектор расходов на участках размерностью и; Ь - вектор напоров размерностью и; Н - вектор действующих напоров размерностью и; в - вектор узловых расходов размерностью т.

Потери напора в системе уравнений (7) определяются по формуле Дарси-Вейсбаха.

При проведении расчетов в течение времени принимается, что в каждый текущий момент времени режим течения квазистационарный.

Математическое моделирование эксплуатационных режимов функционирования тепловых пунктов в зависимости от схем присоединения систем теплопотребле-ния имеет свои особенности. В частности, для закрытых систем теплопотребления с тешюобменным оборудованием применена методика Е.Я. Соколова, основанная на уравнении тепловой характеристики теплообменного аппарата:

а = (8)

где Q - тепловая нагрузка теплообменного аппарата, Вт; е - коэффициент эффективности теплообменного аппарата; IVM — меньшее значение эквивалента расхода теплообменивающихся сред, Дж/(с-К), V - максимальная разносяъ температур между греющим и нафеваемьм теплоносителями, °С.

Влияние потребителей на тепловой режим помещений отапливаемого здания оценивается изменением инфильтранионной составляющей, величина которой в общих тепловых потерях здания достигает 30 - 50 %. Расход инфильтрующегося воздуха определяется:

L=krLp, (9)

где ки- коэффициент изменения инфильтрации; ¿/.-расчетный (проектный) расход m ¡фильтрующегося воздуха, м3/ч.

Приведенные зависимости (1) - (9) составляют основу математической модели, которая в конечном виде включает более 150 зависимостей.

В третьей главе представлены методы решения уравнений, разработанной в главе 2 математической модели, а также дана характеристика специально разработанной автором на языке программирования Object Pascal в среде программирования Borland Delphi с применением СУБД Paradox компьютерной программы для расчета оперативных режимов работы тепловых сетей и формирования диспетчерского графика тепловых нагрузок.

Определение гидравлических и температурных режимов во времени с учетом работы автоматизированных систем тегаюпотребления, режимов потребления тепловой энергии осуществляется путем последовательного расчета режимов в текущие моменты времени гк =г*~'+Дг (с шагом по времени Дт) задаваемого временного интервала продолжительностью 72 — 96 часов.

Дифференциальные уравнения (1) и (6) аппроксимируются конечно-разностной схемой и решаются численными методами.

Для решения системы уравнений (7) использованы алгоритмы Хасилева ВЛ., Мера жова А.П., Кагановича Б.М., реализующие классический «увязочный» метод контурных расходов (МКР). В разработанной программе проводятся расчеты гидравлических режимов по нескольким, принципиально отличающимся друг от друга, типам:

1. Расчет потокораспределения при фиксированных (расчетных) тепловых нагрузках (расчет по ФН). В данном расчете тепловые нагрузки представляются в правой части системы уравнений своими известными расходами при расчетных условиях (отток в узле присоединения подающего трубопровода Gir и приток в узле присоединения обратного трубопровода G2p). После решения системы уравнений и получения расчетных напоров на входе hlP и выходе h2p систем теплопотребления определяются их расчетные сопротивления S.

2. Расчет потокораспределения при фиксированных сопротивлениях систем теплопотребления (расчет по ФС). В данном расчете тепловые нагрузки представляются в левой части системы уравнений своими расчетными сопротивлениями S, полученным в результате расчета по ФН, и неизвестным расходом х, который определяется при решении системы уравнений.

3. Комбинированный расчет (для условий частичной автоматизации систем теплопотребления при нерасчетных условиях). В данном расчете часть тепловых на-

грузок (автоматизированные нагрузки) представляется в виде эквивалентных расходов при текущих нерасчетных условиях (GAu, Gau), а другая часть (неавтоматизированные нагрузки) - фиксированными сопротивлениями SnAj, предварительно определенными в результате расчета по ФН. В результате расчета определяются неизвестные расходы через неавтоматизированные системы теплопотребления xHAj, которые в дальнейшем участвуют в определении величины тепловой энергии от системы отопления.

Пример принципиальной схемы и преобразования тепловых нагрузок эквивалентными расходами показан на рис. 3.

а)

б)

в)

Gtcü

GTCU

Принципиальная схема

ФН

ФС

¿HAj

Комбинированный

Рис. 3. Пример преобразования тепловых нагрузок эквивалентными расходами схемы а) принципиальная схема; б) при расчете по ФН; в) при расчете по ФС; г) при комбинированном расчете; Обозначения: ИТЭ - источник тепловой энергии, А - автоматизированный потребитель, НА - неавтоматизированный потребитель

На рис. 4 приведена разработанная автором блок-схема алгоритма формирования диспетчерского задания по температуре теплоносителя.

Соответствуй^ качественному теплоснабжению ^5=20=1,51

Рис. 4. Блок-схема алгоритма формирования диспетчерского задания по температуре теплоносителя

13

На рис. 5 представлен пример задания температуры теплоносителя на последующие сутки в пользовательской форме разработанной программы. В данной форме задаются фактические температуры наружного воздуха за предыдущий (сутки X-1) и текущий (сутки X) периоды, а также прогнозные температуры наружного воздуха на следующий период регулирования (сутки Х+1 и Х+2) . На основе данных температур определяется задание по температуре на период регулирования. Также предусмотрена корректировка задания, которая вводится по внешней инициативе либо при значительном отклонении фактических температур от прогнозных. После проведения расчетов и определения динамики изменения температуры внутри помещений, в случае их изменений в допустимых пределах, полученный результат задания температуры теплоносителя является заданием на весь период регулирования.

лиснче-

В качестве примера на рис. 6. представлены результаты расчетов гидравлических (располагаемого напора на неавтоматизированных системах) (а) и тепловых (температуры внутреннего воздуха) (б) режимов для трех вариантов изменения функций температур теплоносителя при одинаковом изменении температуры наружного воздуха.

а) б)

Время, члс

Рис. 6. Результаты расчета гидравлических (а) и температурных (б) режимов

14

Достоверность результатов разработанной модели и алгоритмов решения подтверждается сравнением характера изменения расчетных и экспериментальных параметров в контрольных точках реальной системы и объектах теплоснабжения.

В результате проведенной серии расчетов определены зависимости допустимых отклонений температуры теплоносителя при различных степенях автоматизации тепловых нагрузок (применительно к структуре тепловых нагрузок Омского филиала ОАО «ТГК-11»), представленные на рис. 7.

0,80

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Коэффициент гидравлической устойчивости, Ку

Рис. 7. Зависимость допустимых отклонений температуры теплоносителя при разных степенях автоматизации тепловых нагрузок СА

Анализ полученных результатов расчетов позволил выработать рекомендации по ведению температурного режима, принятые в методике, и заключающиеся в следующем:

1. Формирование диспетчерского графика и оперативное центральное регулирование отпуска тепловой энергии осуществлять с учетом динамических характеристик системы теплоснабжения.

2. Базовый период задания принять до 48 - 96 часов при умеренных изменениях среднесуточной температуры наружного воздуха (до 5 - 10 °С/сутки), при резких изменениях температуры наружного воздуха предусмотреть возможность корректировки температурного задания.

3. При формировании диспетчерского графика учитывать характеристики системы теплоснабжения и полученную зависимость допустимых отклонений температуры теплоносителя.

Также автором сформированы предложения по совершенствованию тепловых и гидравлических режимов в части их управления и схемы систем централизованного теплоснабжения в части реконструкции и установки средств регулирования на тепловых источниках, тепловых сетях и системах теплопотребления.

В четвертой главе представлены результаты практической реализации использования исследований автора в системе централизованного теплоснабжения от тепловых источников Омского филиала ОАО «ТГК-11».

Для организации процесса формирования диспетчерского графика тепловых нагрузок в 2010 году разработана и введена в действие «Инструкция по заданию температурного режима работы теплоисточников Омского филиала ОАО «ТГК-11» в отопительном периоде», в которую автором, на основе проведенных исследований и полученных результатов, включены рекомендации и усовершенствованная методика формирования диспетчерского графика тепловых нагрузок с учетом нестационарных процессов. Ведение температурных режимов на тепловых источниках проиллюстрировано на рис. 8, где представлены фактические режимы работы ТЭЦ-5 в декабре 2011 г. Как видно, происходит сглаживание графиков температур и «срезка» верхних пиков.

Время, сутки

Рис. 8. Фактические режимы работы ТЭЦ-5 Омского филиала ОАО «ТГК-11» в декабре 2011 г.

В результате ведения режимов в отопительные периоды с 2010 года снижена повреждаемость трубопроводов по отношению к прошлым отопительным периодам до 2010 года, что проиллюстрировано на диаграмме рис. 9.

с £

ЕЗпри повышении ЁЭ без изменения ■ при понижении

2006-2007 2007-08 2008-09 2009-10 2010-11 2011-12 2012-13

Отопительные периоды, год

Рис. 9. Распределение повреждаемости трубопроводов тепловых сетей ОАО «ТГК-11» по характеру изменения температуры теплоносителя в отопительные периоды

Экономическая эффективность применения данной методики оценивается в размере 74,115 млн. руб. за отопительный период (по уровню 2.011 г.). Структура снижения затрат по ТЭЦ-5 и по Омскому филиалу в целом приведена в таблице.

Структура снижения затрат за отопительный период

Наименование Снижение затрат по СЦТ от ТЭЦ-5 в декабре 2011 г., млн. руб. Снижение затрат по СЦГ Омского филиала за отопительный период, млн. руб. Примечание

Снижение расхода топлива при выработке энергии 7,161 53,708

Снижение расхода топлива при пусках основного оборудования 0,510 3,825 Прогнозная оценка

Снижение потерь тепловой энергии 1,211 9,083

Снижение ущерба от повреждений 0,941 7,058 Прогнозная оценка

Снижение платы за негативное воздействие на окружающую среду 0,059 0,443 Улучшение экологии

ИТОГО 9,882 74,115

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ функционирования крупных систем централизованного теплоснабжения (на примере города Омска) и существующих методов и рекомендаций по формированию диспетчерского графика тепловых нагрузок систем теплоснабжения.

2. Сформирована математическая модель, разработаны алгоритмы и вычислительная программа для расчета во времени режимов функционирования сложных систем теплоснабжения с автоматизированными и неавтоматизированными системами теплопотребления при нерасчетных условиях, а также процессы нестационарной теплопередачи в ограждающих конструкциях зданий, при помощи которых оценивается изменение параметров микроклимата в зданиях.

3. На основе проведенных теоретических исследований изменения тепловых и гидравлических режимов С ЦТ и параметров микроклимата в зданиях при меняющихся климатических условиях и нерасчетных параметрах теплоносителя установлена зависимость допустимых отклонений температур теплоносителя при различных степенях автоматизации тепловых нагрузок (на примере структуры тепловых нагрузок СЦГ от тепловых источников Омского филиала ОАО «ТГК-11»).

4. Усовершенствована методика формирования диспетчерского графика с учетом нестационарных процессов и разработаны рекомендации по оперативном)' регулированию режимов, апробированные в течение трех отопительных периодов.

5. Определено влияние периодичности изменения диспетчерского графика на надежность трубопроводов тепловых сетей и эффективность СЦГ.

6. Дана оценка эффективности применения усовершенствованной методики формирования диспетчерского графика (на примере СЦГ от тепловых источников Омского филиала ОАО «ТГК-11»),

Список опубликованных работ по теме диссертации Статьи, опубликованные в изданиях из перечня, рекомендованного ВАК:

1. Жуков, Д. В. Математическое моделирование в задачах диспетчерского управления тепловыми режимами систем централизованного теплоснабжения / Д. В. Жуков // В мире научных открытий, 2010. - №4(10). - Ч. 13. - С. 124-126.

2. Лебедев, В. М. Факторы, влияющие на потери тепловой энергии и теплоносителя в открытых системах теплоснабжения / В. М. Лебедев, В. 3. Дмитриев, Д. В. Жуков, Г. А. Побегаева // Промышленная энергетика, 2010, № 11. - С. 28 -32.

Статьи, опубликованные в других журналах, сборниках трудов и материалов конференций:

3. Жуков, Д. В. Централизованное риулирование отпуска тепла с учетом нестационарных процессов в системах теплоснабжения / Д. В. Жуков // Энергосбережение и энергетика в Омской области. — 2005. — № 3 (16). — С. 31 - 37.

4. Жуков, Д. В. Повышение эффективности работы системы централизованного теплоснабжения с учетом нестационарных процессов / Д. В. Жуков // Сборник работ победителей XV Конкурса научно-технических разработок среди молодежи предприятий и организаций топливно-энергетического комплекса. - М., Министерство промышленности и энергетики РФ, Федеральное агентство по энергетике, НС «Интеграция», 2007. - 248 с. - С. 90 - 94.

5. Жуков, Д. В. Повышение надежности и эффективности работы систем централизованного теплоснабжения при учете нестационарных процессов / Д. В. Жуков // Молодые исследователи - регионам: сб. материалов Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов. В 2 т.; Т. 1. — Вологда, ВоГТУ, 2007. — С. 331-333.

6. Жуков, Д. В. О гидравлической устойчивости системы теплоснабжения и работе систем теплопотребления при изменении режимов / Д. В. Жуков // Повышение эффективности объектов теплоэнергетики и систем теплоснабжения: Межвуз. темат. сб. науч. тр. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2008. - 72 с. - С. 23 -27.

7. Жуков, Д. В. Особенности технологии центрального регулирования тепловой нагрузки в системах теплоснабжения / Д. В. Жуков // Разработка и внедрение ресурсо- и энергосберегающих технологий и устройств: сб. статей Международной научно-практической конференции. - Пенза, Приволжский Дом знаний, 2010. - 164 с.-С. 104-106.

8. Жуков, Д. В. Регулирование тепловой нагрузки в системах централизованного теплоснабжения / Д. В. Жуков // Тинчуринские чтения: сб. матер. V Международной молодежной научной конференции / под общ. ред. Ю.Я. Петрушенко. -В 4 т.; Т. 2. - Казань: Казан, гос. энерг. ун-т, 2010. -260 с. - С. 82 - 83.

9. Жуков, Д. В. Оптимизация режимов - основа эффективности функционирования систем теплоснабжения / Д. В. Жуков // Энергосбережение в теплоэлек-троэцергетике и теплоэлектротехнологиях: сб. матер. Международной науч.-практ.

конф. 19 апреля 2010 г. / под ред.: В.В. Шалая, A.C. Ненишева, А.Г. Михайлова, И.В Цыганковой, Т.В. Новиковой. - Омск, ОмГТУ, 2010. - 284 с. - С. 25-28.

10. Жуков, Д. В. Повышение эффективности работы систем централизованного теплоснабжения путем оптимизации теплогидравлических режимов / Д. В. Жуков, В. 3. Дмитриев // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем «Энерго - 2010» (Москва, 1-3 июня 2010 г.). В 2 т.; Т. 1. — М: Издательский дом МЭИ, 2010. - 304 с. ил. - С. 229 - 232.

11. Дмитриев В. 3. Формирование конфигурации системы централизованного теплоснабжения крупного промышленного города / В. 3. Дмитриев, Д. В. Жуков // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Повьшение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем «Энерго - 2010» (Москва, 1-3 июня 2010 г.). В 2 т.; Т. 1. - М.: Издательский дом МЭИ, 2010. - с. 304. ил. - С. 224 - 225.

12. Жуков, Д. В. Оптимизация диспетчерского трафика тепловых нагрузок систем централизованного теплоснабжения / Д. В. Жуков // Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития '2010: сб. научных трудов по материалам международной научно- практическ ой конференции. В 4 т. Т. 4. Технические науки. — Одесса: Черноморье, 2010. - 96 с. — С. 51 - 54.

13. Жуков, Д. В. Оптимизация диспетчерского графика тепловых нагрузок систем централизованного теплоснабжения / Д. В. Жуков И Проблемы, перспективы и стратегические инициативы развития теплоэнергетического комплекса: сб. матер. Международной науч.-практ. конф. 10 июня 2011 г. / под ред.: В.В. Шалая, A.C. Ненишева, А.Г. Михайлова, Т.В. Новиковой. — Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011. - 320 с. - С. 228 - 230.

14. Жуков, Д. В. Оптимизация разработки диспетчерского графика тепловых нагрузок систем централизованного теплоснабжения / Д. В. Жуков // Повышение эффективности энергетического оборудования: сб. матер. VI Всерос. науч.-практ. конф. 6-8 декабря 2011 г. / под ред. A.B. Мошкарина. - Иваново, ГОУ ВПО Ивановский государ, энергетический университет, 2011. — С. 141 -146.

15. Жуков, Д. В. Математическое моделирование и оптимизация управления тепловыми режимами в крупных системах централизованного теплоснабжения / Д. В. Жуков // Theory and practice in the physical, mathematical and technical sciences: Materials digest of the XXIV International Scientific and Practical Conference and the I Stage of Research Analytics Championship in the physical, mathematical and technical sciences. (London, May 3 - May 13, 2012) / International Academy of Science and Higher Education. - London, IASHE, 2012. - 108 p. - C. 45 - 47.

16. Жуков, Д. В. Оптимизация режимов работы тепловых сетей крупных систем централизованного теплоснабжения / Д. В. Жуков // Новости теплоснабжения, 2012, №5 (141).-С. 45 - 49.

Жуков Денис Владимирович

Повышение эффективности систем централизованного теплоснабжения при формировании диспетчерского графика тепловых нагрузок с учетом нестационарных процессов

05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

Подписано в печать 19.04.2013 г. Объем 1,0 п.л. Усл. печ. л. 0,93 Заказ №617

Формат бумаги 60x84 1/16 Тираж 120 экз.

Отпечатано ООО «Издательство «Гротеск» 660021, г. Красноярск, ул. Декабристов, 26

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения»

(ОмГУПС (ОмИИТ))

На правах рукописи

04201358693

ЖУКОВ Денис Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ДИСПЕТЧЕРСКОГО ГРАФИКА ТЕПЛОВЫХ НАГРУЗОК С УЧЕТОМ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ПРОЦЕССОВ

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор, Заслуженный энергетик РФ Лебедев Виталий Матвеевич

Омск-2013

СОДЕРЖАНИЕ

ОПРЕДЕЛЕНИЯ....................................................................... 5

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................. 7

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ КРУПНЫХ СИСТЕМ

ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ............................ 16

1.1. Системы централизованного теплоснабжения: современное состояние и особенности функционирования..................................................16

1.2. Качество теплоснабжения.....................................................28

1.2.1. Условия теплового комфорта................................................29

1.2.2. Показатели качества теплоснабжения......................................34

1.3. Анализ существующих методов регулирования тепловой нагрузки..................................................................................37

1.4. Анализ режимов основных схем присоединения

систем теплопотребления и их автоматизация....................................41

1.5. Оперативно-диспетчерское регулирование отпуска тепловой энергии в системах централизованного теплоснабжения...................... 52

1.6. Постановка задачи...............................................................61

1.7. Выводы по главе 1...............................................................63

ГЛАВА 2. ФОРМИРОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ТЕПЛОВЫХ И ГИДРАВЛИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ СИСТЕМ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ .............. 64

2.1. Функциональная схема системы централизованного теплоснабжения........................................................................ 65

2.2. Нестационарный тепловой режим здания.................................69

2.2.1. Температурный режим ограждающих конструкций....................71

2.2.2. Оценка влияния потребителей на тепловой режим здания.............73

2.3. Возмущающие воздействия в СЦТ...........................................75

2.4. Моделирование теплогидравлических режимов тепловых сетей......79

2.4.1. Потери тепловой энергии через изоляцию трубопроводов..............79

2.4.2. Гидравлические режимы тепловых сетей и гидравлическая устойчивость............................................................................. 85

2.5. Особенности моделирования эксплуатационных режимов функционирования тепловых пунктов с учетом автоматизации

систем теплопотребления.............................................................. 88

2.5.1. Последовательная двухступенчатая схема.................................91

2.5.2. Смешанная двухступенчатая схема..........................................94

2.5.3. Параллельная схема.............................................................98

2.5.4. Открытая схема ГВС............................................................99

2.5.5. Система отопления.............................................................100

2.5.6. Система вентиляции............................................................101

2.6. Выводы по главе 2...............................................................102

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ИНСТРУМЕНТАРИЯ РЕШЕНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ОПЕРАТИВНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ОТПУСКА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

И РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ФОРМИРОВАНИЮ ДИСПЕТЧЕРСКОГО

ГРАФИКА ТЕПЛОВЫХ НАГРУЗОК В СЦТ............................... 103

3.1. Программа « DspGraf »....................................................... 104

3.2. Метод решения уравнения нестационарного теплового баланса воздуха в отапливаемом здании................................................... 106

3.3. Метод решения уравнений гидравлического режима

тепловых сетей......................................................................... 107

3.4. Метод определения температурного режима

ограждающих конструкций..........................................................110

3.5. Общий алгоритм определения задаваемой температуры теплоносителя..........................................................................113

3.6. Оценка достоверности реализации математической модели.........116

3.6.1. Достоверность расчета гидравлических режимов.......................116

3.6.2. Достоверность моделирования теплового режима зданий............119

3.6.3. Сравнение расчетных и фактических режимов..........................120

3.7. Определение зависимости допустимых отклонений

температуры теплоносителя........................................................ 122

3.8. Выводы по главе 3.............................................................126

ГЛАВА 4. РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДИКИ ФОРМИРОВАНИЯ

ДИСПЕТЧЕРСКОГО ГРАФИКА И ОПЕРАТИВНОГО

РЕГУЛИРОВАНИЯ ОТПУСКА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

С УЧЕТОМ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ПРОЦЕССОВ

(НА ПРИМЕРЕ СЦТ ОТ ТЕПЛОВЫХ ИСТОЧНИКОВ

ОМСКОГО ФИЛИАЛА ОАО «ТГК- 11»).....................................127

4.1. Разработка диспетчерского графика тепловых нагрузок...............127

4.2. Оценка экономической эффективности работы СЦТ при формировании диспетчерского графика с учетом

нестационарных процессов.......................................................... 128

4.3. Выводы по главе 4..............................................................141

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................142

Список использованных источников...............................................143

Приложения............................................................................ 157

Приложение 1. Фрагмент листинга программы «DspGraf»....................158

Приложение 2. Титульный лист инструкции по заданию

температурного режима работы теплоисточников..............................166

Приложение 3. Акт об использовании результатов диссертационной работы ...................................................................................167

ОПРЕДЕЛЕНИЯ

диспетчерский график тепловых нагрузок - документ, регламентирующий суточные режимы работы электростанций и тепловых сетей (расход сетевой и подпиточной воды, давление в подающем и обратном трубопроводах, температура в подающем трубопроводе);

источник тепловой энергии - устройство, предназначенное для производства тепловой энергии;

качество теплоснабжения - совокупность установленных нормативными правовыми актами Российской Федерации и (или) договором теплоснабжения характеристик теплоснабжения, в том числе термодинамических параметров теплоносителя;

надежность теплоснабжения - характеристика состояния системы теплоснабжения, при котором обеспечиваются качество и безопасность теплоснабжения;

потребитель тепловой энергии - лицо, приобретающее тепловую энергию (мощность), теплоноситель для использования на принадлежащих ему теплопотребляющих установках;

система теплопотребления - комплекс тепловых энергоустановок с соединительными трубопроводами и (или) тепловыми сетями, которые предназначены для удовлетворения одного или нескольких видов тепловой нагрузки;

система теплоснабжения - совокупность источников тепловой энергии и теплопотребляющих установок, технологически соединенных тепловыми сетями;

тепловая нагрузка - количество тепловой энергии, которое может быть принято потребителем тепловой энергии за единицу времени;

тепловая сеть — совокупность устройств (включая центральные тепловые пункты, насосные станции), предназначенных для передачи

тепловой энергии, теплоносителя от источников тепловой энергии до теплопотребляющих установок;

тепловой пункт - комплекс устройств, расположенный в обособленном помещении, состоящий из элементов тепловых энергоустановок, обеспечивающих присоединение этих установок к тепловой сети, их работоспособность, управление режимами теплопотребления, преобразование, регулирование параметров теплоносителя;

теплопотребляющая установка - устройство, предназначенное для использования тепловой энергии, теплоносителя для нужд потребителя тепловой энергии;

теплоснабжение - обеспечение потребителей тепловой энергии тепловой энергией, теплоносителем, в том числе поддержание мощности.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. Теплоснабжение городов в основном осуществляется от централизованных источников тепловой энергии. Функционирующие в настоящее время системы централизованного теплоснабжения (СЦТ) крупных городов характеризуются сложностью своей конфигурации, разнородностью и переменностью тепловых нагрузок, разнообразием схем их присоединения с различной степенью автоматизации, большой протяженностью и разветвленностью тепловых сетей, инерционностью тепловых процессов, сложной организацией гидравлических режимов, низкой гидравлической устойчивостью, высоким износом оборудования и т.д.

В настоящее время в Российской Федерации, как и во всем мире, время в условиях непрерывного роста цен на энергоресурсы и тарифов на услуги ЖКХ, возрастают экономические требования к решению вопросов энергосбережения и энергоэффективности, при этом особую актуальность приобретают проблемы неэффективного функционирования систем теплоснабжения. В условиях ограниченности финансовых средств на реконструкцию и замену оборудования приоритетными становятся беззатратные либо малозатратные мероприятия эксплуатационного характера. В частности, в данной работе рассмотрено повышение эффективности функционирования систем централизованного теплоснабжения за счет совершенствования централизованного регулирования отпуска тепловой энергии от тепловых источников при формировании диспетчерского графика тепловых нагрузок с учетом нестационарных процессов на примере крупной СЦТ г. Омска.

В отечественных СЦТ регулирование отпуска тепловой энергии предусматривается, как правило, качественное по нагрузке отопления или по совмещенной нагрузке отопления и горячего водоснабжения путем изменения температуры теплоносителя в подающих трубопроводах в зависимости от метеорологических параметров. Постоянные изменения метеорологических параметров и регулирование температуры теплоносителя в строгом соответствии

с температурным графиком приводят к необходимости изменения температуры теплоносителя, тепловой нагрузки, режимов и состава основного оборудования теплового источника. Это, в свою очередь, вызывает частые изменения температурных расширений и механических напряжений в трубопроводах тепловых сетей и в оборудовании теплового источника, увеличивает вероятность их повреждений, а также снижает надежность и экономичность. Кроме того, разработанный изначально для задач проектирования температурный график не учитывает нестационарность тепловых процессов в элементах системы теплоснабжения, а также изменение режимов потребления тепловой энергии в течение суток и недели.

В связи с недостаточной обоснованностью и четкостью уже имеющихся разработанных методик по формированию диспетчерского графика тепловых нагрузок системы, определение задаваемых параметров теплоносителя (температура, давление) и времени выдачи задания изменения режима, как правило, осуществляется на основе опыта и интуиции диспетчеров тепловых сетей.

Таким образом, формирование диспетчерского графика для практического использования в управлении режимами СЦТ представляется весьма сложным с учетом значительного числа факторов, влияющих на тепловые и гидравлические режимы СЦТ, и до настоящего времени отсутствуют научно обоснованные методики задания температуры с учетом нестационарных процессов с целью поддержания комфортных условий в объектах теплоснабжения. Необходимость рассмотрения данного вопроса вызвана реальными потребностями в повышении эффективности функционирования систем теплоснабжения, что весьма актуально и требует дополнительных исследований в данном направлении.

Объект исследования. Сложные системы централизованного теплоснабжения крупных городов (на примере г. Омска).

Предмет исследования. Нестационарные тепловые и квазистационарные гидравлические режимы в системах централизованного теплоснабжения.

Цели и задачи исследования. Основной целью исследования является совершенствование методики и выработка рекомендаций по оперативному регулированию отпуска тепловой энергии от тепловых источников с учетом нестационарных процессов для улучшения эффективности работы и надежности систем централизованного теплоснабжения при обеспечении качественного теплоснабжения потребителей. Достижение поставленной цели осуществляется решением пяти основных задач:

1. Анализ функционирования крупных систем централизованного теплоснабжения (на примере г. Омска), существующих методов и рекомендаций по формированию диспетчерского графика тепловых нагрузок систем теплоснабжения;

2. Разработка математической модели, алгоритма и компьютерной программы для расчета во времени режимов функционирования сложных систем теплоснабжения с автоматизированными и неавтоматизированными системами теплопотребления при нерасчетных условиях с учетом процессов нестационарной теплопередачи в ограждающих конструкциях зданий;

3. Теоретическое исследование изменения тепловых и гидравлических режимов системы теплоснабжения и параметров микроклимата в зданиях при меняющихся климатических условиях и нерасчетных параметрах теплоносителя, сопоставление теоретических и фактических данных в контрольных точках;

4. Совершенствование методики формирования диспетчерского графика тепловых нагрузок в системах теплоснабжения крупных городов и разработка рекомендаций по оперативному регулированию температурных режимов;

5. Определение влияния периодичности изменения диспетчерского графика на повреждаемость трубопроводов тепловых сетей.

Методологическая и теоретическая основы исследования В основу исследований положены научные труды отечественных и зарубежных авторов в области теплоснабжения, регулирования тепловых нагрузок и обеспечения теплового режима в зданиях. Вопросами регулирования тепловой на-

грузки в системах теплоснабжения и обеспечения теплового режима в зданиях занимались выдающиеся отечественные и зарубежные ученые Богословский В. Н., Громов Н. К., Дюскин В. К., Зингер Н. М., Ионин А. А., Кононо-вич Ю. А., Кувшинов Ю. А., Ливчак В. И., Сеннова Е. В., Сканави А. Н., Соколов Е. Я., Табунщиков Ю. А., Фокин К. В., Хасилев В. Я., Чистович С. А., Шарапов В. И., Шкловер А. М., Яковлев Б. В. и другие.

Для решения поставленных задач в диссертационной работе использованы методы вычислительной математики и математического моделирования, последовательных приближений, наименьших квадратов, «увязочный» метод контурных расходов, метод «прогонки» с применением неявной конечно-разностной схемы, сравнительного анализа, объектно-ориентированного программирования, а также теории дифференциальных уравнений, гидравлических цепей, тепломассообмена и теплоустойчивости.

Информационная база исследования. В числе информационных источников диссертации использованы:

научные данные и сведения из учебников и монографий ведущих ученых в области теплоснабжения, журнальных статей, материалов научных и практических конференций;

статистические источники, материалы разных организаций, научных фондов и научно-исследовательских институтов;

официальные документы в виде законов, законодательных и других нормативных актов, положения, доклады, проекты;

результаты собственных расчетов и проведенных теоретических и экспериментальных исследований. На защиту выносятся:

1) Разработанная математическая модель режимов функционирования сложных систем теплоснабжения;

2) Обоснование возможности и необходимости формирования диспетчерского графика тепловых нагрузок с учетом нестационарности процессов в системах централизованного теплоснабжения;

3) Полученные результаты численных решений и их сопоставление с экспериментальными данными в системе теплоснабжения от тепловых источников Омского филиала ОАО «ТГК-11» в г. Омске;

4) Научно обоснованные предложения по совершенствованию методики формирования диспетчерского графика тепловых нагрузок;

5) Полученные результаты повышения эффективности системы теплоснабжения на примере Омского филиала ОАО «ТГК-11» в г. Омске.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель, алгоритмы и вычислительная программа, отличающиеся от существующих моделированием в задаваемый период времени режимов сложной системы теплоснабжения с автоматизированными и неавтоматизированными системами теплопотребления при нерасчетных условиях, и учитывающие процессы нестационарной теплопередачи в ограждающих конструкциях зданий для определения изменения параметров микроклимата;

2. Определены допустимые отклонения температуры теплоносителя в зависимости от характеристик систем теплоснабжения;

3. Определена зависимость влияния периодичности изменения диспетчерского графика на надежность трубопроводов тепловых сетей и эффективность системы теплоснабжения;

4. Разработаны рекомендации и усовершенствована методика формирования диспетчерского графика тепловых нагрузок с учетом нестационарных процессов в элементах систем централизованного теплоснабжения для повышения эффективности системы тепло