автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Разработка способов повышения эффективности работы внутренних и внешних контуров теплосетей ТЭЦ

На правах рукописи

ПАНАМАРЕВ ЮРИЙ СЕРГЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФ ЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ВНУТРЕННИХ И ВНЕШНИХ КОНТУРОВ ТЕПЛОСЕТЕЙ ТЭЦ

Специальность 05 14 04 - Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иваново-2007

003069631

I'aooi I ni.ino ihuh hi кафе i[x « I еоретическпе основы теплотехники и ппромехани-ка» С а маре кот тс\ ларе гвсшюю Технического \ нивереигета (СамП V )

Нл\чный р\ ковоппеть - доктор физико-математических наук профессор

Кудинов В.1С1ПМИ Александрович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Данилов Олег Леонидович кандидат технических наук, доцент Субботин Владимир Иванович

Велушля организация - ОАО «Инженерный це!ггр «Фирма ОРГРЭС»

Защита состойся « 25 » мая_ 2007 г в И. час на заседании диссертационного совета Д 212 064 01 в ГОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В И Ленина» по адресу 153003, г Иваново, ул Рабфаковская 34, корп Б. а\д 237

Отзывы в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу

153003, г Иваново, ул Рабфаковская, 34, ученый совет ИГЭУ Тел (4932) 38-57-12' Факс (4932) 38-57-01, E-mail uch_so\et@ispu ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГЭУ Автореферат разослан «_» _ 2007 г

Ученый секретарь диссертационного eoiieia доктор технических iu>k.

профессор

А.В Мошкарин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Для эффективного решения широкого 1фуга проблем управления развитием и функционированием тепловых систем энергетики (ТСЭ) требуется разработка и внедрение новых информационных энерго- и ресурсосберегающих технологий Особенно остро эти проблемы обозначились в последние десятилетия, когда в новых экономических условиях обострившиеся противоречия между поставщиками и потребителями вызвали организационное расчленение технологически связанных систем на фоне повышения степени износа и общего старения оборудования

Для решения указанных проблем большое значение имеют компьютерные модели, позволяющие полностью воспроизводить технические процессы, протекающие в конкретных энергетических системах Такие модели особенно полезны при решении задач реконструкции и развития внутренних и внешних контуров теплосетей ТЭЦ

При проектировании многих схем тепловых электрических станций проектными институтами, как правило, производится расчет и привязка новых схем к существующим схемам поэтапно по мере введения в строй оборудования очередных проектов расширений и увеличений тепловой и электрической нагрузок. При этом производятся расчеты отдельных, как правило, незамкнутых схем, с заданными или предполагаемыми расходами и давлениями на входе и выходе, на основании которых производится выбор необходимого оборудования, трубопроводов и разработка схемных решений Расчеты с целью определения расходов воды и давлений в различных точках всей системы не производятся в связи с невозможностью их выполнения с помощью известных графических или аналитических методов, применяемых при параллельном и последовательном соединении элементов сети В связи с этим возникают схемные изменения, которые приводят к нежелательным распределениям давлений, расходов, температур и к невозможности их регулирования при эксплуатации систем ТЭЦ

Одним из примеров такого подхода к проектированию может служить схема внутреннего контура теплосети Самарской ТЭЦ (СамТЭЦ) Основное проектирование проводилось Белвнипиэнергопромом с частичными перепланировками и изменениями, выполненными по проектам специалистов ТЭЦ. Шесть очередей расширения, неоднократное увеличение тепловых нагрузок, расходных и гидравлических характеристик потребителей и их количества, проведение модернизаций схемы, необходимость которых вызвана введением новых участков - все это привело к созданию сложнейшей многомерной сети с несколькими замкнутыми контурами внутри нее Такая сеть становится трудно управляемой с точки зрения поддержания различных температур и давлений на различных тепловыводах станции В связи с чем, приходится применять регулирование давления, при котором происходит существенная

потеря напора, создаваемого насосами Например, расчеты, проведенные на компьютерной модели Самарской ТЭЦ, показали, что при регулировании давления происходит потеря 40,7 % энергии, затрачиваемой насосами Следует отметить, что указанные проблемы характерны не только для Самарской ТЭЦ, но и подавляющего большинства других станций, которые работают в основном в теплофикационном режиме, или теплосети которых спроектированы с применением коллекторных связей и подвергавшиеся реконструкциям в процессе эксплуатации, например Минская ТЭЦ, Вильнюсская ТЭЦ, Гомельская ТЭЦ, Сызранская ТЭЦ, Пензенская ТЭЦ, Саратовская ТЭЦ-5, Астраханская ТЭЦ, Энгельсская ТЭЦ и др

Целью работы является разработка математических и компьютерных моделей внешних и внутренних контуров теплосетей ТЭЦ

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи

1 Экспериментальные и теоретические исследования внутренних и внешних контуров теплосетей электрических станций с целью разработки наиболее эффективных режимов работы оборудования, а также для поддержания заданных температур и давлений на тепловыводах

2 Расчет и анализ вариантов реконструкций теплосетей ТЭЦ с целью улучшения гидравлического и температурного режимов работы, а также для повышения эффективности и экономичности работы оборудования

3 Исследование совместной работы насосов с регулируемым и нерегулируемым приводами

4 Разработка методов построения оптимальных схем внешних теплосетей ТЭЦ

Научная новизна

1 Предложены математические и компьютерные модели внешних и внутренних контуров теплосетей ТЭЦ, основанные на математическом аппарате теории графов, отличающиеся возможностью расчета расходов и давлений в любой точке сети, рассматриваемой в виде единой гидравлической системы

2 На основе компьютерной модели выполнена оценка распределения затрат энергии, потребляемой насосами, на различных элементах оборудования теплосети (тепловыводы, подогреватели, пиковые котлы, трубопроводы, регуляторы давления, и регулируемые задвижки)

3 Проведены исследования совместной работы насосов с регулируемым и нерегулируемым приводами, позволяющие определить энергосберегающие режимы при работе группы насосов

4 Предложены принципы построения рациональных схем внешних теплосетей ТЭЦ, обеспечивающих минимальные потери напора за счет уменьшения гидравлических сопротивлений

Методы исследования Для решения задач в диссертационной работе использовались методы математического и компьютерного моделирования, натурные испытания на ТЭС

Достоверность результатов н выводов работы

Достоверность результатов обосновывается адекватностью математических моделей, использованных в диссертации, физическим процессам, протекающим в гидравлических сетях, а также применением стандартных методов исследования и корректным использованием математического аппарата при проведении необходимых расчетов

Представленная работа является обобщением теоретических и экспериментальных исследований, выполненных автором на кафедре «Теоретические основы теплотехники и гидромеханика» Самарского государственного технического университета Исследования проводились согласно планам единого заказ-наряда № 551/02 Минвуза России, а также по планам научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ «РАО ЮС» России (реестры за 2001-2004 гг )

Практическая ценность работы

Разработанная в диссертации математическая и компьютерная модель внешнего и внутреннего контуров теплосетей ТЭЦ позволяет

- определять расходы и давления воды в любой точке теплосети (в том числе и на тепловых выводах) при любом составе работающего оборудования,

- рассчитывать общие и удельные затраты электроэнергии,

- определять расходы и давления на входе и выходе каждого насоса, а также их коэффициент полезного действия,

- осуществлять имитационные эксперименты работы теплосети с целью выбора оптимального состава оборудования и схем его включения,

- рассчитывать температурный режим работы теплосети,

- рассчитывать эффективность тепловой изоляции трубопроводов по известным конструктивным характеристикам изоляции и теплофизиче-ским свойствам изоляционных материалов,

- проводить расчет наиболее эффективных вариантов реконструкции теплосети,

- использовать математическую модель для создания базы данных о состоянии теплосети ТЭЦ,

- выполнять исследования совместной работы насосов с регулируемым и нерегулируемым приводами для определения границ регулирования и экономического обоснования применения частотного привода

Результаты работы могут быть использованы в проектных организациях и конструкторских бюро, где разрабатывается и проектируется теплоэнергетическое оборудование Теоретические и практические результаты могут быть использованы также в учебном процессе при подготовке студентов вузов по специальностям "Тепловые электрические станции", "Промышленная теплоэнергетика", "Энергетические системы и комплексы"

Реализация результатов работы

Результаты работы использованы при построении компьютерных моделей теплосетей Тольяттинской ТЭЦ и Самарской ГРЭС, теплосетей г г Самары, Тольятти, Саратова, Ульяновска, цирксистем Ново куйбышевских ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2, цирксистемы Тольяттинской ТЭЦ (соответствующие акты внедрения приведены в приложениях диссертации) Основные положения, выносимые на защиту

1 Результаты разработки математической и компьютерной модели внешнего и внутреннего контуров теплосетей ТЭЦ

2 Результаты экспериментальных исследований температурных и гидравлических режимов работы внутреннего и внешнего контуров теплосетей ТЭЦ с разработкой выводов и рекомендаций, а также для идентификации компьютерных моделей

3 Результаты теоретических исследований гидравлических и температурных режимов работы внутренних контуров теплосетей ТЭЦ на компьютерной модели, позюлившие выявить основные причины недостаточно эффективной их работы

4 Результаты разработки различных вариантов реконструкции внутреннего контура теплосети СамТЭЦ с целью повышения надежности работы оборудования и снижения затрат электроэнергии на собственные нужды при перекачке сетевой воды

5 Результаты исследований совместной работы насосов с регулируемым частотным и нерегулируемым приводами

6 Результаты разработки принципов построения оптимальных схем внешних теплосетей ТЭЦ с минимальными гидравлическими сопротивлениями

Личный вклад автора состоит.

- в формулировке цели и постановке задач исследования, -разработке математической и компьютерной модели внутреннего и внешнего контуров теплосети ТЭЦ,

-проведении экспериментальных исследований теплосети СамТЭЦ, -проведении идентификации компьютерной модели по результатам натурных испытаний,

-разработке и анализе различных вариантов реконструкции внутреннего контура теплосети СамТЭЦ,

-разработке методики анализа совместной работы частотно регулируемого и нерегулируемого приводов с оценкой экономического эффекта от внедрения

Апробация работы

Основные результаты работы были доложены и обсуждены на Международной научно-технической конференции "Проблемы энергосбережения Теплообмен в электротермических и факельных печах и топках" Тверь, ТГТУ

2001, III Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности теплоэнергетического оборудования» Иваново, ИГЭУ 2002, IV Российской научно-технической конференции «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности» Ульяновск, 2003, Международной научно-практической конференции «Проблемы развития централизованного теплоснабжения» Самара, ОАО СМУЭК 2004 Публикации

По результатам выполненных исследований опубликовано 12 научных работ, в том числе 4 статьи в центральных журналах Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, списка использованной литературы Работа изложена на 156 страницах основного машинописного текста, содержит 26 рисунков, 54 таблицы Список использованной литературы включает 61 наименование

ОБЩЕЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель исследования, указана научная новизна и практическая ценность, даны основные положения, выносимые на защиту

В первой главе проведен обзор работ по созданию математических и компьютерных моделей сложных гидравлических сетей, а также результатов исследований режимов работы внутренних контуров теплосетей ТЭЦ

Отмечено, что предметом теории гидравлических цепей (ТГЦ) являются вопросы математического моделирования, расчета, оптимизации и идентификации трубопроводных и гидравлических систем, которые характеризуются топологической общностью расчетных схем, а движение транспортируемой в них среды подчиняется сетевым законам сохранения массы и энергии Рассмотрению этих вопросов посвящены работы Михайленко И М , Меренкова А П , Хасилева В Я , Сеннова ЕВ , Сидлера В Г , Соколова В Я , Токарева В В , Новицкого Н Н , Коваленко А Г , Кудинова В А , Кагановича Б М и др

Трубопроводные системы внутренних контуров теплосетей многих тепловых электрических станций (Самарская ТЭЦ, Минская ТЭЦ, Вильнюсская ТЭЦ, Гомельская ТЭЦ, Сызранская ТЭЦ, Пензенская ТЭЦ, Саратовская ТЗЦ-5, Астраханская ТЭЦ, Энгельсская ТЭЦ и другие) были спроектированы и построены как единые сети с общими коллекторными связями, что облегчает эксплуатацию трубопроводной системы, в ряде случаев уменьшает затраты электроэнергии на перекачку рабочих жидкостей, улучшает маневренность, ремонтопригодность и взаимозаменяемость оборудования, т е делает такие схемы более универсальными Однако, у них имеются следующие недостатки

Необходимость выдерживания различных температурных и гидравлических характеристик по выводам при одновременно существующих коллек-

торных связях, а также изменение нагрузок в зависимости от времени года, а иногда и суток приводит к необходимости их регулирования При этом при выборе насосного оборудования закладываются и устанавливаются насосы с более высокими характеристиками, чем требуется для сети, с дальнейшим снижением давления и расходов путем дросселирования напорными задвижками или регуляторами либо перепуском части воды с напора насосов на всас Кроме того, насосы с повышенными характеристиками закладываются и устанавливаются еще и потому, что выпускаемые промышленностью насосные агрегаты зачастую не соответствуют характеристике сети в каждом конкретном случае, которая, к тому же, меняется с течением времени в зависимости от количества потребителей

Целью настоящего исследования является разработка способов повышения эффективности работы внутренних и внешних контуров теплосетей ТЭЦ Исследования проводились на компьютерных моделях теплосетей Построение компьютерных моделей осуществлялось на основе математической модели Для получения более достоверных результатов компьютерные модели идентифицировались с реальными системами по результатам проведенных натурных испытаний

Выбор наиболее эффективного способа повышения тепловой эффективности работы ТЭЦ осуществлялся посредством всестороннего анализа различных вариантов реконструкции внутреннего и оптимального разделения тепловыводов внешнего контура теплосети Сравнительный анализ вариантов проводился с использованием данных, полученных на компьютерной модели Во второй главе диссертации представлены результаты разработки математической и компьютерной модели внутреннего контура теплосети (на примере Самарской ТЭЦ)

Внутренний контур теплосети ТЭЦ является сложной гидравлической сетью (рис 1 - упрощенная схема, рис 7 - схема, содержащая все основные элементы теплосети) Расчет таких сетей с целью определения расходов воды и ее давлений в различных точках системы не может быть выполнен с помощью обычных методов расчета, применяемых при параллельном и последовательном соединении элементов сети В данном случае задача распределения расходов и давлений может быть решена лишь для всей гидравлической системы в целом путем решения системы нелинейных алгебраических уравнений

В основе расчета сложных кольцевых гидравлических систем лежат два условия, аналогичные требованиям к расчету электрических сетей

Первое условие - соблюдение уравнения баланса расходов, т е равенства притока и оттока воды в каждом узле

¿Й= о

1=1

В эту сумму входят как расходы, отбираемые в узле, так и расходы, проходящие транзитом по линиям

ОСВ 1.3.4

ппн

ОБ. ПСГ

СНЗ ПК IIIСНЗ

ДОБ

1Снз

ОСВ 2

Ф

РД ^

НЕД

Ш

пгвд хов

ПС В-1.3

ПСВ-2

ПСВ-Л

дсе

Рис.]. Схема внутреннего контура теплосети СамТЭЦ Второе условие - равенство нулю потерь напора при обходе каждого кольца

ЙЛ=|

Рассмотренных соотношений формально достаточно для построения замкнутой системы уравнений относительно неизвестных расходов в ветвях сети и давлении в ее узлах. Система уравнений в данном случае получается нелинейной и даже в простейшем случае при квадратичном законе сопротивления трудно получить ее точное решение. Поэтому в основе существующих методов расчета сложных кольцевых сетей лежат алгоритмы итерационного характера.

Данный алгоритм реализуй': программа, основанная на теории графов.

Важным случаем ориентированного графа является входящее дерево, в котором существует вершина V (корень дерева), достижимая из всех остальных вершин. Пример такого дерева приведен на рисункс 2 (вершина V на ней помечена цифрой 1).

Программа позволяет рассчитывать расходы и давления в любой точке с указанием направлений движения потоков по отдельным веткам системы, анализировать работу сети при отключении отдельных ее участков, рассчитывать затраты электроэнергии на привод насосов и ее стоимость, работать на ЭВМ в диалоговом режиме.

В третьей главе диссертации представлены результаты экспериментальных исследований гидравлического режима внутреннего контура теплосети Самарской ТЭЦ, а также результаты идентификации компьютерной модели, выполненной с использованием экспериментальных данных.

Были проведены расчеты двух режимов работы теплосети - зимнего и переходного. Цель этих расчетов - проверка работоспособности созданной компьютерной модели путем сравнения полученных данных с фактическими. Основными исходными данными для расчета являлись заданные параметры теплоносителя на теп л о вы водах станции (расходы сетевой воды и давления в прямых и обратных магистралях) а также

Рис 2

экспериментально полученные значения давлений и расходов на отдельных участках схемы, которые были использованы в процессе расчетов для дополнительного уточнения гидравлических характеристик сети

Результаты расчетов позволяют сделать достаточно подробный анализ гидравлического режима работы теплосети, как в части ее схемных решений, так и с точки зрения эффективности использования основного оборудования

Критерием для оценки в данном случае могут служить удельные затраты мощности (на 1 тонну сетевой воды, подаваемой потребителю) или связанная с этой величиной суммарная мощность сетевых насосов

Основными факторами, определяющими затраты энергии на привод насосов теплосети, являются

- требуемые параметры сетевой воды натепловыводах станции,

- потери напора на подогревателях и пиковых котлах,

- потери напора в трубопроводах,

- потери напора на регуляторах и регулируемых задвижках

Если параметры на тепловыводах по отношению к теплосети станции являются внешними и определяются потребителем, то остальные три фактора в известной мере управляемые и непосредственно связаны с проблемой снижения затрат и повышения эффективности работы теплосети Существенным при этом является удельный вес каждого из перечисленных факторов в общей сумме затрат На основании расчетов получено распределение затрат мощности теплосети, приведенное в табл 1

Проведенный анализ выполнен для зимнего режима, как наиболее приближенного к режиму максимальной загрузки сети На основе этих данных сделаны некоторые выводы относительно путей со вер шенствования работы теплосети

Реконструкция трубопроводов не даст заметного эффекта Их доля в общей сумме затрат сравнительно невелика, а режимные показатели в целом находятся в пределах нормы

Сопротивления подогревателей и пиковых котлов, как уже было отмечено, превышают соответствующие паспортные значения За счет снижения их

№№ п/п Виды затрат Мощность, кВт Удельный вес, %

1 Потребители (тепловыводы) 8040 44,0

2 Подогреватели и пиковые котлы 1915 10,6

3 Трубопроводы 850 4,7

4 Регуляторы и задвижки 7430 40,7

Всего 18235 100

гидравлического сопротивления также можно уменьшить потери, однако существенной экономии и в этом случае получить не удастся

Относительно велика доля затрат мощности на регуляторах и регулируемых задвижках При включении в работу нескольких пиковых котлов она будет снижаться, но в любом случае оставаться достаточно высокой (около 30 %) Причиной этого является, очевидно, завышенные мощности насосов, а также схема их использования и регулирования Как показывают расчеты, практически на всех насосах имеется избыточный напор на выходе, который гасится соответствующими задвижками Значительная часть этих затрат приходится на долю регуляторов РД ППН, РД СНЗ, напорных задвижек насосов и РТ пиковых котлов

На основе анализа работы теплосети были разработаны и проверены расчетами некоторые мероприятия режимного и схемного характера, которые позволят улучшить гидравлические показатели работы теплосети и снизить затраты потребляемой мощности Одним из таких мероприятий является изменение характеристик насосов, так как некоторые насосы теплосети имеют большой запас по развиваемому напору, который гасится задвижками, есть возможность понизить этот параметр до требуемого Этого можно достичь заменой насоса или изменением характеристики имеющегося насоса Изменить характеристику насоса можно несколькими способами

- заменой электродвигателя,

- регулированием числа оборотов двигателя,

- обточкой рабочего колеса

Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки, однако в некотором смысле они эквивалентны В любом случае мы получаем такую характеристику, которая позюлит уменьшить потери мощности на регулируемых задвижках

Следует отметить, что вариант с обточкой колеса не самое удачное решение, поскольку при этом снижается кпд насоса Наиболее эффективным в этом смысле является регулирование числом оборотов двигателя (более под-

робно рассмотрено в главе 5 настоящей работы), хотя и здесь возникают проблемы, связанные с технической реализацией схемы регулирования

В четвертой главе представлены результаты исследования температурных режимов работы внутреннего контура теплосети Самарской ТЭЦ, которая построена таким образом, что обеспечивается практически полная взаимозаменяемость как основного оборудования в пределах группы (насосы, сетевые подогреватели, пиковые котлы), так и трубопроводных элементов схемы (всасывающие и напорные коллекторы) При такой схеме каждый из насосов, подогревателей или пиковых котлов практически может работать на любой тепловывод, а наличие многочисленных перемычек между основными коллекторами позволяет использовать каждый из них безотносительно к тому или иному тепловыводу (рис 7) Относительно автономным можно считать только вывод ПСВ-2 Тепловыводы ПСВ-1, ПСВ-3 лишь гидравлически развязаны с выводом ПСВ4 вследствие различных требований по давлению (случая идеальной была бы схема подготовки воды автономно для каждого тепловывода, позволяющая независимо устанавливать оптимальные гидравлические и тепловые режимы на каждом из них Но она не оптимальна по целому ряду других важнейших характеристик, да и сама по себе теплосеть внутреннего контура Самарской ТЭЦ не позволяет такую схему реализовать

Из сказанного следует, что решение поставленной задачи на существующей схеме будет всегда компромиссным и связано с определенными непроизводительными затратами, которые полностью исключить нельзя, а можно лишь в той или иной степени уменьшить

На основе компьютерной модели был найден такой вариант запитки теп-ловыводов, при котором экономия будет составлять около 77000 рублей за сутки

С помощью компьютерной модели было выполнено обоснование работы теплосети без пиковых котлов, т к в использование пикового котла для создания более высокой температуры на ПСВ-4 по сравнению с другими выгодами не является оптимальным решением вследствие того, что производство теплоты обходится здесь гораздо дороже, чем вырабатываемая в теплофикационном цикле При заданном температурном графике более целесообразным было бы добиться этого с помощью только сетевых подогревателей (ПСГ и бойлеров) Однако это невозможно без определенных изменений в существующей схеме

Анализ схемы показывает, что единственно возможным вариантом решения этой проблемы может быть использование бойлеров ОБ-3,4,5 для подготовки сетевой воды для 4-ой магистрали, так как вода может быть нагрета в них до 90°С Суть предложения заключается в том (см рис 3), что выходы этих бойлеров отсоединяются от всаса насосов СНЗ-10-13 и заводятся на всас насосов СНЗ-14-16

Недостающее количество воды подается насосами ТФН через три коллектора, соединяющие пиковую котельную с напорными линиями насосов СНЗ главного корпуса Поэтому вода через ДС будет поступать в эти линии в любом случае Возможно, лишь в определенных пределах регулировать соотношение потоков в коллекторах Исключить подмешивание на всасе СНЗ-14,15,16 воды из ПСГ4 возможно, если в этой группе оставить работающим только один насос, включив дополнительно один из насосов СНЗ, расположенных в ТФН Соответствующий вариант 2 также был рассчитан на модели Как следует из приведенных данных, температура на 4-м выводе достигает нужного значения, однако на 1-м тепловыводе сохраняется значительный перекос (более 4 °С) Можно заключить, что этот вариант мало отличается от предыдущего и, как будет показано ниже, он и по другим своим возможностям весьма близок к первому Причина этого очевидна возрастает доля воды, подаваемой насосами насосами ТФН и соответственно увеличивается подмешивание более холодной воды, в том числе через ДС-1

4318 (74) 195(14)

н& всас ШСНЗ 3

Рис 3

Главная причина перекоса на ПСВ-1, которая имеет место в рассмотренных выше вариантах работы теплосети (в том числе и с пиковым котлом)-это подмешивание через задвиж^ Э-56 Для того чтобы избежать этого перекоса или существенно снизить его, необходимо отбирать сетевую воду на ПСВ4 из всасывающего коллектора насосов НСНЗ-14,15,16 до врезки в него задвижки Э-56 В связи с этим предлагается врезать подающий вывод 4-й

магистрали в трубопровод, идущий от выхода пиковых котлов ПК-6,7,8 на всас насосов СНЗ III подъема

Расчет проводился при том же составе оборудования, что и в варианте 1 Температуры на выходах теплообменников здесь также выбирались таким образом, чтобы получить на всех тепловыводах результаты, максимально приближенные к заданным Данный вариант выгодно отличается от двух рассмотренных выше Во-первых, здесь легко достигается требуемое превышение температуры на ПСВ4 (10°С) и даже несколько большее Кроме того, по сравнению с вариантом 2 перекос на 1-м тепловыводе относительно невелик. Также был рассмотрен вариант с одним насосом в группе СНЗ-14,15,16

Эти результаты достаточно близкие к тем, что мы имеем в варианте 3, перекос на ПСВ-1 практически такой же

Для сравнения всех четырех вариантов приводим сводную табл 2

Таблица 2

Вариант ПСВ-1 ПСВ-2 ПСВ-3 ПСВ-4

1 74,5 70,1 70,2 80,2

2 74,4 70,0 70,1 80,1

3 71,8 70,0 70,1 80,1

4 71,6 70,0 70,0 80,0

Для каждого из четырех рассмотренных вариантов были проведены расчеты с целью определения максимально возможного превышения температуры на ПСВ4 Приводим результаты этих расчетов в виде температурного графика, указанного в табл 3

Таблица 3

Вариант ПСВ-1 ПСВ-2 ПСВ-3 ПСВ4

1 76,4 70,1 70,1 84,6

2 75,3 70,0 70,1 82,4

3 72,7 70.2 70,2 85,0

4 72,6 70.1 70,1 85,2

Каждый из них (за исключением варианта 2)обеспечивает превышение температуры наПСВ-4 практически до 15 °С

В пятой главе диссертации приведены результаты исследования совместной работы насосов с регулируемым и нерегулируемым приводом на компьютерной модели

Из практики эксплуатации теплосетей известно, что большая доля напора, вырабатываемого насосами, гасится на регулирующих задвижках (например, в теплосети Самарской ТЭЦ около 40 %) Причиной указанного положения дел является отсутствие в номенклатуре выпускаемых агрегатов насосов с требуемой в данном конкретном случае подачей В связи с чем, на практике обычно применяют насосы с более высокими характеристиками, чем те, ко-

торые требуются Повышенные на выходе насосов напоры в ряде случаев гасятся с помощью соответствующих задвижек или регуляторов Характеристика насоса в этом случае принимает вид кривой 11 (см рис 4), где кривая

1 — характеристика насоса при полностью открытой задвижке на выходе,

2 - характеристика сети

Другой путь решения этой проблемы - применение насосов с регулируемым по числу оборотов приводом Характеристика насоса при уменьшении числа оборотов двигателя с целью уменьшения напора до величины /72 имеет вид 1фивой 1" (рис 4), имеющей одинаковый угловой коэффициент с кривой 1 н.

Н!

Не

I

I

Рис 4 Характеристика насоса, 1-е полностью открытой на выходе насоса задвижкой, 1'- с прикрытой на выходе насоса задвижкой, 1"- с регулируемым по числу оборотов двигателем

Для получения общих закономерностей в диссертации было выполнено исследование совместной работы насосов с регулируемыми нерегулируемым приводом на достаточно простом примере теплосети, состоящей из двух насосов (один с регулируемым приводом) и двух тепловыводов (рис 5)

На графиках рис 6 даны результаты исследований совместной работы двух параллельно соединенных насосов (один с регулируемым при водом) при постоянном напоре на их выходе на единую сеть с переменным сопротивлением Здесь 1-характеристика насоса с нерегулируемым приводом, а также характеристика исходного состояния насоса с регулируемым приводом {щ -число оборотов в исходном состоянии), 2,3,4,5,6,7 - характеристики насоса с регулируемым приводом в зависимости от числа оборотов (и,, п2, , л7), 1+2, 1+4, 1+5, 1+6, 1+7- суммарные характеристики насосов с регулируемым и нерегулируемым приводом при различном числе оборотов насоса с регулируемым приводом, 1', 2', 3', , 9' - характеристики внешней сети при различных ее сопротивлениях

Предположим, что напор Яна выходе из насосов поддерживается постоянным вне зависимости от сопротивления внешней сети Проведем анализ

У

-•-А,,'

Рис 5 Схема теплосети с постоянными давлениями на тепловыводах 1 и2, Н1, Н2 - насосы, В1, В2 - регулируемые задвижки, Яг- потребители теплоты

изменения расхода и возможностей его обеспечения с помощью двух параллельно соединенных насосов в зависимости от сопротивления внешней сети Этот анализ позволяет заключить о том, что диапазон расходов, которые можно обеспечить с помощью двух насосов при напоре Я=сопз1, при различных сопротивлениях внешней сети находится в пределах от С2до (линия АВ) При этом расход может обеспечить лишь один насос, работающий по характеристике 1 (характеристика сети 2') Расход (при характеристике сети 8') обеспечивается работой двух насосов, причем, оба должны иметь характеристики 1 Любые промежуточные (между С2и С8) расходы обеспечиваются изменением числа оборотов насоса с регулируемым приводом

При большом сопротивлении сети (характеристика 1') при данном напоре //= сопв! расход Остановится настолько мал, что он может быть обеспечен работой одного насоса с регулируемым приводом Этот насос должен работать по характеристике 3 с числом оборотов п3

При каком-то очень малом сопротивлении сети (характеристика сети 9') расход при данном напоре Н становится столь велик, что для его покрытия недостаточно двух насосов, работающих по характеристике 1 В этом случае необходимо включать дополнительные насосы

На примере нескольких конкретных режимов было выполнено исследование работы теплосети Самарской ТЭЦ при использовании на втором подъеме насосов одного насоса с регулируемым приводом Были рассмотрены режимы работы теплосети, когда регулирование производится задвижкой, или частотным приводом В качестве примера был взят режим при использовании на втором подъеме шести насосов (СНЗ -3, 5,9,10,12,16) (см рис 7) Анализируя полученные результаты, приходим к заключению о том, что давление на выходном коллекторе насосов второго подъема (перед пиковыми котлами, которые в данном случае отключены) без регулировки составляет 173,7 м Эта величина давления значительно превышает допустимое заданное давле

ние (145 м) в этой точке Длятого чтобы привести это давление к требуемому, необходимо выполнить регулирование одного из насосов Были рассмотрены

Рис 6 Совместная работа двух насосов (один с регулируемым приводом) при постоянном напоре на их выходе на единую сеть с переменным сопротивлением два способа регулирования - задвижкой и частотным приводом (с целью их сравнения и оценки величины получаемой экономии от применения частотного регулирования)

Первоначально рассмотрим вариант регулирования с помощью задвижки, расположенной на выходе одного из насосов (пусть это будет СНЗ-5) Для обеспечения заданного давления на выходном коллекторе насосов второго подъема будем прикрывать задвижку на выходе насоса СНЗ-5 После достижения здесь давления 145 м процесс регулирования заканчивается

Анализ результатов позволяет заключить о том, что давление на выходе насоса СНЗ-5 (перед регулирующей задвижкой) составляет 276 м Учитывая, что давление на входе в насос 56,3 м, получаем, что полный напор, развиваемый насосом, равен 276,1-56,3=219,8 м его расход 1641 т/ч Давление на выходном коллекторе насосов второго подъема (перед пиковыми котлами) составляет 144,5 м, что вполне укладывается в рамки допустимого здесь давления для того, чтобы поддерживались заданные давления на тепловыводах

Следует обратить внимание на тот факт, что насос СНЗ-5 снизил потребляемую мощность с 1600 кВт до 1197 кВт Такое снижение мощности насоса вполне соответствует кривой зависимости мощности от расхода

Анализ позволяет заключить о том, что для достижения того же самого давления (145 м) в выходном коллекторе насосов второго подъема и того же самого расхода через насос СНЗ-5, как и при регулировании, задвижкой (около 1650 т/ч), этот насос должен иметь частоту вращения 2080 об/мин При

этом он потребляет из сети лишь 485 кВт Отсюда экономия мощности по сравнению со случаем регулирования задвижкой составляет 1197-482=715 кВт Следовательно, выгода от применения насоса с регулируемым приводом очевидна

В диссертации представлены результаты исследований регулирования теплосети для практически всего диапазона расходов в пределах расхода одного насоса Причем, необходимо отметить, что этот диапазон расходов примерно равен величине суточного колебания расхода в теплосети СамТЭЦ И, в частности, были рассмотрены несколько режимов от варианта, когда регулируемый насос дает минимальную прибавку расхода (180 т/ч ), до варианта его максимального расхода (3678 т/ч ) Для каждого из режимов работы теплосети была найдена экономия мощности от применения насоса с частотным регулированием привода по сравнению с регулированием задвижкой на выходе насоса

Полученные данные позволили построить график зависимости экономии мощности от величины расхода через насос с регулируемым приводом (см

рис 8) Анализ рафика позволяет заключить о том, что максимальная экономия (более 700 кВт) мощности имеет место в диапазоне расходов от 1000 до 2000 т/ч В диапазоне расходов от 100 т/ч до 3000 т/ч экономия мощности не менее 500 кВт

В случаях, когда расход в прямом трубопроводе внешней сети при шести работающих насосах второго подъема повышается более чем на 1500 т/ч (от базового расхода 21060 т/ч), необходимо включать еще один насос с нерегулируемым приводом Поддержание требуемого давления (145 м) в выходном коллекторе насосов второго подъема будет осуществляться насосом с регулируемым приводом аналогично тому, как это было рассмотрено выше

Если при шести работающих насосах второго подъема расход в прямом трубопроводе понижается на величину большую, чем 1100-1200 т/ч, от базового расхода 21060 т/ч, то следует отключить один нерегулируемый насос и продолжить регулирование сети с помощью насоса с частотным регулированием привода

Из опыта работы теплосети СамТЭЦ следует, что один насос с регулируемым приводом в составе шести работающих насосов второго подъема полностью обеспечит регулирование суточного колебания расхода во внешней сети, практически не прибегая к включению дополнительных насосов Несмотря на то что достигаемая при этом экономия зависит от величины расхода через насос с частотным регулированием, на большей части диапазона расходов (от 100 т/ч до 3000 т/ч) она остается достаточно высокой и составляет не менее 500 кВт Таким образом, экономия мощности будет иметь место практически при любых режимах работы, и величина ее будет находиться в пределах 500-750 кВт

В шестой главе диссертации представлены результаты разработки компьютерной модели внешнего шнтура теплосетей от Самарской ТЭЦ Исследования, выполненные на компьютерной модели I, II, III тепловыводов, позволяют сделать следующие выводы Во внешних тепловых сетях от Самарской ТЭЦ с целью ликвидации кольцевания магистралей выполняют разделения (с помощью соответствующих задвижек) как тепловыводов между собой, так и отдельных тепловыводов на некоторых их участках При таком разделении создается некоторое" дерево", в котором жидкость может от его корня (начало тепловыводов) достигать любого отдаленного потребителя, не проходя по кольцу При этом повышается управляемость сети, упрощается поиск аварийных участков (обрывы трубопроводов, утечки и прочее), ликвидируются застойные зоны, которые могут возникать в кольцевых сетях

Из любой сложной закольцованной сети можно построить большое число древо видных систем, но среди всех них всегда есть та одна, которая является наиболее оптимальной, т е такая, в которой имеют место наименьшие потери энергии Следует также отметить, что создание древовидных сетей дикгу ется еще и тем, что закольцованные многомерные сети не поддаются расчету

с помощью известных инженерных методов Для расчета таких сетей необходимо строить их математическую модель, представляющую из себя большую систему алгебраических нелинейных уравнений Построение

Рис 8 График зависимости экономии мощности ДАТ от расхода насоса с частотным регулированием привода

такой модели и работа с ней требуют наличия соответствующих сложных программ и высокой квалификации исполнителей

Исследования, проведенные на модели, показали, что "дерево", построенное в Самарских, Саратовских, Ульяновских, Тольятгинских тепловых сетях, не является оптимальным Разделение тепловыводов сделано в большинстве случаев не на тех участках где, как это следует из расчетов, его нужно выполнять В настоящий момент такое деление выполнено на участках с высокими скоростями течения среды, Такой вывод был сделан при расчете варианта, когда все задвижки открыты, т е нет никакого «дерева» и в сети наблюдается большое число кольцевых структур Первый и главный результат расчета сети при всех полностью открытых задвижках оказался в том, что большинство проблем, имеющих место в тепловыводах, было снято Все теп-ловыводы оказались значительно более работоспособными, чем при существующем разделении, причем, даже при отключенных повысительных насосных НС-11, НС-12

Такой результат легко объясняется С тепловой сети были сняты препятствия в виде закрытых задвижек, сковывающих движение теплоносителя, так как они представляют собой мощные дополнительные сопротивления течению среды При нерациональном разделении на одних участках сети создаются "комфортные" условия работы, а на других - серьезные проблемы в виде пересечения пьезометрических линий прямого и обратного трубопроводов, повышенных даштений в обратных трубопроводах у потребителей пониженных участков местности, ограничений по строительству высотных зданий в виду резкого падения давления в прямых трубопроводах и прочее

С другой стороны, "освобождение" теплосети от закрытых задвижек ликвидирует ее древовидность и создает все связанные с этим проблемы (коль-

цевание сетей, потеря управляемости при аварийных ситуациях, трудности нахождения аварийных участков и прочее) Однако, компьютерная модель позволяет построить другое "дерево" —" дерево" из сети, в которой перекрыты те участки, где скорости течения среды либо равны нулю (застойные зоны в кольцах) либо они минимальны (близки к нулю) Разделение сети на этих участках не создает в ней практически никаких дополнительных сопротивлений В то же время в такой сети нет колец, не ухудшается проблема управляемости и поиска аварийных участков

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБ ОТЫ

1 На основе теории гидравлических сетей разработана математическая и компьютерная модель теплосети, имитирующая протекающие в ней тепловые и гидравлические процессы В модели теплосеть считается как единое целое, для чего приходится решать большие системы алгебраических нелинейных уравнений

2 Для воспроизведения реальных сопротивлений теплосети (степени загрязненности трубопроводов, уточнения характеристик оборудования, которое не всегда соответствуют паспортным, сопротивлений регуляторов давлений и задвижек - степени открытости) выполнено согласование модели теплосети с реальными физическими процессами, протекающими в ней Отличие результатов, получаемых на модели, не превышает 1 - 5 % от экспериментальных данных (в зависимости от состава работающего оборудования)

3 Расчеты, выполненные на моделях ряда теплосетей, показывают следующее распределение затрат мощности насосов теплопроводы (потребители)- 4045 %, трубопроводы - 4-6 %, подогреватели и пиковые котлы - 810 %, регуляторы и регулируемые задвижки - около 40 % Наибольшая потеря мощности происходит на регуляторах давления и задвижках Причиной этого является завышенные мощности насосов и схемы их использования и регулирования К одному из важнейших путей уменьшения этих потерь относится применение регулируемого привода насосов

4 Выполненные на компьютерной модели исследования для различных теплосетей показали, что один насос с регулируемым приводом в составе группы (пять-шесть) работающих насосов, как правило, полностью обеспечивает регулирование суточного колебания расходов во внешней сети, практически не прибегая к включению дополнительных насосов В случаях существенного изменения расхода во внешней сети необходимо соответственно включить или выключить один из насосов с нерегулируемым приводом При этом насос с регулируемым приводом продолжит регулировку суточного колебания расходов, вне зависимости от числа параллельно работающих с ним насосов с нерегулируемым приводом

5 С помощью компьютерной модели выполнены исследования работы одного насоса с регулируемым приводом в составе шести наосов с нерегули-

руемыми приводами в диапазоне суточного юлебания расхода в пределах расхода одного насоса (от 100 т/час до 3700 т/час) Найдена экономия мощности от применения насоса с регулируемым приводом по сравнению с регулированием задвижкой на выходе насоса Выполненные исследования показали, что в диапазоне расходов от 100 до 3000 т/час экономия мощности составляет 500-750 кВт Экономический эффект в этом случае составит более 3 миллионов рублей в год

6 Исследования, проведенные на компьютерных моделях рада объектов (теплосети Самарской ТЭЦ, Безымянской ТЭЦ, Самарской ГРЭС, Тольятгин-ской ТЭЦ, ТЭЦ ВАЗа, Саратовской ГРЭС и др ), показали, что предложенные модели эффективны при выполнении реконструкций и построении новых участков теплосетей

7 Предложен метод построения оптимального «дерева» теплосетей Самары, Ульяновска, Тольятти, Саратова при котором она имеет минимальные гидравлические сопротивления, обусловленные лишь состоянием внутренних поверхностей трубопроводов и величиной их диаметров Основная идея построения оптимальных теплосетей заключается в перекрытии лишь тех ее участков, где скорости течения теплоносителя либо равны нулю (застойные зоны в кольцах) либо они минимальны (близки к нулю) Разделение сети на этих участках не создает в ней практически никаких дополнительных сопротивлений В то же время в такой сети нет колец (либо они сведены к минимуму), не ухудшается проблема управляемости сети и поиска аварийных участков

8 Применительно к компьютерным моделям разработан и внедрен алгоритм автоматизированного поиска застойных участков, а также участков с минимальными скоростями течения теплоносителя Показано, что существует определенный минимум таких участков Пере1фытие тепловыводов на этих участках с помощью задвижек позволяет построить теплосеть с минимальными гидравлическими сопротивлениями

9 Разработанные в диссертации принципы построения математических и компьютерных моделей внутренних и внешних контуров теплосетей ТЭЦ и котельных применены к внутренним теплосетям следующих ТЭЦ - Самарской, Тольяттинской, Безымянской, ТЭЦ ВАЗ, Самарской ГРЭС, Центральной и Привокзальной отопительных котельных г. Самары, а также внешних теплосетей централизованного теплоснабжения городов Самара, Ульяновск, Саратов, Тольятти, Новокуйбышевск.

ОСНОВНЫЕ ПУБ ЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕ РТАЦИИ Научные статьи, опубликованные в изданиях по списку ВАК:

1 Кудинов В А , Коваленко А Г , Колесников С В , Панамарев Ю С Разработка компьютерной модели и исследование режимов работы циркуляционной системы Новокуйбышевской ТЭЦ - 2//Известия АН Энергетика, № 6, 2001 С 118-124

2 Котееникои С В Диком В В, Гомкин С В Панамарев Ю С, К\пинов 13 А Коваинко А I Исследование гидравлических режимов работы цирксистемы I опьятииской ТЭЦ на компьютерной модели // Вестник самарского госч'дарст-венного технического > ниверситета Вып 14 Серия «Технические на\ки», 2002 С 130-134

3 Панамарев Ю С , Куликов В А , Чиликин Ю П, Котов В В Расчет гидравлических и температурных режимов работы теплосети Самарской ТЭЦ с помощью компьютерной модели//Теплоэнергетика №5 2005 С 35-39

4 Дикоп В В, Кудииов В А., Коваленко А Г, Панамарев Ю С, Чиликин Ю П Компьютерные модели теплосетей и иирксистем // Теаюэнергетика №10 2005 С 38-42

Публикации в других изданиях

5 Панамарев Ю С , Кожин В Ю Модернизация теплообменника ПСВ-500-14-23, его гидродинамический и тепловой расчет//Энергетик №7 2005 С 35-37

6 Панамарев Ю С, Дикоп В В, Кудинов В А, Колесников С В Исследование гидравлических режимов работы теплосети Самарской ТЭЦ на компьютерной модели // III Всеросийская научно-практическая конференция «Повышение эффективности теплоэнергетического оборудования», Иваново, 2002 С 33-37

7 Колесников С В , Дикоп В В , Панамарев Ю С, Кудинов В А. Разработка компьютерной модели циркуляционной системы цнркводоснабжения Новокуйбышевской ТЭЦ - 2 II III Всеросийская научно-практическая конференция «Повышение эффективности теплоэнергетического оборудованиния», Иваново, 2002 С 39-43

8 Кудинов В А., Якубович Е А., Семистенов А В, Колесникове В, Панамарев Ю С Разработка и внедрение системы регулирования температур учебного корпуса № 8 Самарского ГТУ II III Всеросийская научно-практическая конференция «Повышение эффективности теплоэнергетического оборудования», Иваново, 2002 С 169-171

9 Панамарев Ю С , Дикоп В В , Колесников С В , Кудинов В А Расчет гидравлических режимов работы теплосети Самарской ТЭЦ // IV Российская научно-техническая конференция «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности», г Ульяновск, 2003г том 2, С 58-61

10 Колесникове В, Кудинов В А., Коваленко С В, Панамарёв IO С Исследование режимов работы цирксистемы Новокуйбышевской ТЭЦ-2 с помощью компьютерной модели // Тезисы докладов Международной научно-практической конференции «Проблемы энергосбережения Теплообмен в электротермических и факельных печах и топках» Тверь, ТГТУ 2001 г С 39-40

И Панамарев Ю С Гидравлический и температурный расчёт работы теплосети Самарской ТЭЦ // Международная научно-практическая конференция «Проблемы разв1ггия централизованного теплоснабжения» 2004r г Самара С 192-197

12 Панамарев Ю С, Кожин В Ю Гидродинамический и тепловой расчет теплообменника ПСВ-500-14-23 и проведение его модернизации// Международная научно-практическая конференция «Проблемы развития централизованного теплоснабжения» 2004г г Самара С 292-299

Подписано в печать 17 04 2007г

Формат бумаги 60\84 1/16 Печать плоская Уел Изд л 3 0 Тираж 100 экз Заказ

Отпечатано в тдательско-полиграфическом центре Самарского государственного технического универагтета 443100, Самара, ул Молодогвардейская, 244

Введение.

1. Обзор работ в области создания математических и компьютерных моделей тепловых и гидравлических сетей, а также исследований режимов работы внутренних контуров теплосетей электрических станций.

1.1. Развитие теории гидравлических сетей.

1.2. Проблемы и особенности внутренних контуров теплосетей электрических станций.

1.3. Анализ работы теплосети Самарской ТЭЦ.

2. Принципы разработки математических и компьютерных моделей тепловых и гидравлических систем.

2.1. Математическая модель и методика расчета сложных гидравлических систем.

2.2. Характеристика программы расчета гидравлических сетей.

2.3. Гидравлические характеристики элементов расчетной схемы.

3. Анализ гидравлических режимов работы теплосети.

3.1. Удельные затраты мощности по всем элементам теплосети.

3.2. Использование параллельно работающих насосов.

3.3. Изменение схемы регулирования насосов ППН.

3.4. Изменение схемы подпитки теплосети.

3.5. Изменение характеристики насосов.

4. Исследование температурных режимов работы теплосети.

4.1. Особенности работы внутреннего контура теплосети

Сам ТЭЦ.

4.2. Обоснование возможности работы теплосети без пиковых котлов.

4.3. Анализ работы теплосети с пиковыми котлами.

5. Разработка компьютерной модели системы, состоящей из насосов с регулируемым и нерегулируемым приводом.

5.1. Исследование совместной работы насосов с регулируемым и нерегулируемым приводом.

5.2. Исследование системы двух параллельно соединенных насосов (один с регулируемым приводом) при постоянном напоре на их выходе.

5.3. Исследование системы двух параллельно соединенных насосов (один с регулируемым приводом) при переменном напоре на их выходе.

5.4. Применение регулируемого привода на втором подъеме насосов теплосети Самарской ТЭЦ.

5.5. Об эквивалентности расчетов затрат мощности по кривой КПД и кривой мощности при смене числа оборотов насоса.

5.6. Технико - экономическое обоснование внедрения регулируемого частотного привода на сетевых насосах Самарской

6. Принципы построения оптимальных внешних теплосетей ТЭЦ с минимальными гидравлическими сопротивлениями.

6.1. Разработка компьютерной модели первого, второго и третьего 118 тепловыводов внешней теплосети от Самарской ТЭЦ.

6.2. Анализ эпюр распределения давлений на тепловыводах в 125 существующем варианте их работы.

6.3. Разработка оптимального варианта работы внешних теплосетей ТЭЦ с минимальными гидравлическими сопротивлениями.

Выводы.

Актуальность темы

Для эффективного решения широкого круга проблем управления развитием и функционированием тепловых систем энергетики (ТСЭ) требуется разработка и внедрение новых информационных энерго- и ресурсосберегающих технологий. Особенно остро эти проблемы обозначились в последние десятилетия, когда в новых экономических условиях обострившиеся противоречия между поставщиками и потребителями вызвали организационное расчленение технологически связанных систем на фоне повышения степени износа и общего старения оборудования.

Для решения указанных проблем большое значение имеют компьютерные модели, позволяющие полностью воспроизводить технические процессы, протекающие в конкретных энергетических системах. Такие модели особенно полезны при решении задач реконструкции и развития внутренних и внешних контуров теплосетей ТЭЦ.

При проектировании многих схем тепловых электрических станций проектными институтами, как правило, производится расчет и привязка новых схем к существующим схемам поэтапно по мере введения в строй оборудования очередных проектов расширений и увеличений тепловой и электрической нагрузок. При этом производятся расчёты отдельных, как правило, незамкнутых схем, с заданными или предполагаемыми расходами и давлениями на входе и выходе, на основании которых производится выбор необходимого оборудования, трубопроводов и разработка схемных решений. Расчёты с целью определения расходов воды и давлений в различных точках всей системы не производятся в связи с невозможностью их выполнения с помощью известных графических или аналитических методов, применяемых при параллельном и последовательном соединении элементов сети. В связи с этим возникают схемные изменения, которые приводят к нежелательным распределениям давлений, расходов, температур и к невозможности их регулирования при эксплуатации систем ТЭЦ.

Одним из примеров такого подхода к проектированию может служить схема внутреннего контура теплосети Самарской ТЭЦ (СамТЭЦ). Основное проектирование проводилось Белвнипиэнергопромом с частичными перепланировками и изменениями, выполненными по проектам специалистов ТЭЦ. Шесть очередей расширения, неоднократное увеличение тепловых нагрузок, расходных и гидравлических характеристик потребителей и их количества, проведение модернизаций схемы, необходимость которых вызвана введением новых участков - всё это привело к созданию сложнейшей многомерной сети с несколькими замкнутыми контурами внутри неё. Такая сеть становится трудно управляемой с точки зрения поддержания различных температур и давлений на различных тепловыводах станции. В связи с чем, приходится применять регулирование давления, при котором происходит существенная потеря напора, создаваемого насосами. Например, расчеты, проведенные на компьютерной модели Самарской ТЭЦ, показали, что при регулировании давления происходит потеря 40,7 % энергии, затрачиваемой насосами. Следует отметить, что указанные проблемы характерны не только для Самарской ТЭЦ, но и подавляющего большинства других станций, которые работают в основном в теплофикационном режиме, или теплосети которых спроектированы с применением коллекторных связей и подвергавшиеся реконструкциям в процессе эксплуатации, например Минская ТЭЦ, Вильнюсская ТЭЦ, Гомельская ТЭЦ, Сызранская ТЭЦ, Пензенская ТЭЦ, Саратовская ТЭЦ-5, Астраханская ТЭЦ, Энгельсская ТЭЦ и др.

Целью работы является разработка математических и компьютерных моделей внешних и внутренних контуров теплосетей ТЭЦ.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

Экспериментальные и теоретические исследования внутренних и внешних контуров теплосетей электрических станций с целью разработки с наиболее эффективных режимов работы оборудования, а также для поддержания заданных температур и давлений на тепловыводах.

Расчёт и анализ вариантов реконструкций теплосетей ТЭЦ с целью улучшения гидравлического и температурного режимов работы, а также для повышения эффективности и экономичности работы оборудования.

Исследование совместной работы насосов с регулируемым и нерегулируемым приводами.

Разработка методов построения оптимальных схем внешних теплосетей ТЭЦ.

Научная новизна

1. Предложены математические и компьютерные модели внешних и внутренних контуров теплосетей ТЭЦ, основанные на математическом аппарате теории графов, отличающиеся возможностью расчета расходов и давлений в любой точке сети, рассматриваемой в виде единой гидравлической системы.

2. На основе компьютерной модели выполнена оценка распределения затрат энергии, потребляемой насосами, на различных элементах оборудования теплосети (тепловыводы, подогреватели, пиковые котлы, трубопроводы, регуляторы давления, и регулируемые задвижки).

3. Проведены исследования совместной работы насосов с регулируемым и нерегулируемым приводами, позволяющие определить энергосберегающие режимы при работе группы насосов.

4. Предложены принципы построения рациональных схем внешних теплосетей ТЭЦ, обеспечивающих минимальные потери напора за счет уменьшения гидравлических сопротивлений.

Методы исследования

Для решения задач в диссертационной работе использовались методы математического и компьютерного моделирования, натурные испытания на ТЭС.

Достоверность результатов и выводов работы

Достоверность результатов обосновывается адекватностью математических моделей, использованных в диссертации, физическим процессам, протекающим в гидравлических сетях, а также применением стандартных методов исследования и корректным использованием математического аппарата при проведении необходимых расчетов.

Представленная работа является обобщением теоретических и экспериментальных исследований, выполненных автором на кафедре «Теоретические основы теплотехники и гидромеханика» Самарского государственного технического университета. Исследования проводились согласно планам единого заказ-наряда № 551/02 Минвуза России, а также по планам научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ «РАО ЕЭС» России (реестры за 2001-2004 гг.). Практическая ценность работы

Разработанная в диссертации математическая и компьютерная модель внешнего и внутреннего контуров теплосетей ТЭЦ позволяет: определять расходы и давления воды в любой точке теплосети (в том числе и на тепловых выводах) при любом составе работающего оборудования; рассчитывать общие и удельные затраты электроэнергии; определять расходы и давления на входе и выходе каждого насоса, а также их коэффициент полезного действия; осуществлять имитационные эксперименты работы теплосети с целью выбора оптимального состава оборудования и схем его включения; рассчитывать температурный режим работы теплосети; рассчитывать эффективность тепловой изоляции трубопроводов по известным конструктивным характеристикам изоляции и теплофизическим свойствам изоляционных материалов; проводить расчет наиболее эффективных вариантов реконструкции теплосети; использовать математическую модель для создания базы данных о состоянии теплосети ТЭЦ; выполнять исследования совместной работы насосов с регулируемым и нерегулируемым приводами для определения границ регулирования и экономического обоснования применения частотного привода.

Результаты работы могут быть использованы в проектных организациях и конструкторских бюро, где разрабатывается и проектируется теплоэнергетическое оборудование. Теоретические и практические результаты могут быть использованы также в учебном процессе при подготовке студентов вузов по специальностям "Тепловые электрические станции", "Промышленная теплоэнергетика", "Энергетические системы и комплексы".

Реализация результатов работы

Результаты работы использованы при построении компьютерных моделей теплосетей Тольяттинской ТЭЦ и Самарской ГРЭС, теплосетей г. г. Самары, Тольятти, Саратова, Ульяновска, цирксистем Новокуйбышевских ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2, цирксистемы Тольяттинской ТЭЦ (соответствующие акты внедрения приведены в приложениях диссертации).

Основные положения, выносимые на защиту

Результаты разработки математической и компьютерной модели внешнего и внутреннего контуров теплосетей ТЭЦ.

Результаты экспериментальных исследований температурных и гидравлических режимов работы внутреннего и внешнего контуров теплосетей ТЭЦ с разработкой выводов и рекомендаций, а также для идентификации компьютерных моделей.

Результаты теоретических исследований гидравлических и температурных режимов работы внутренних контуров теплосетей ТЭЦ на компьютерной модели, позволившие выявить основные причины недостаточно эффективной их работы.

Результаты разработки различных вариантов реконструкции внутреннего контура теплосети СамТЭЦ с целью повышения надёжности работы оборудования и снижения затрат электроэнергии на собственные нужды при перекачке сетевой воды.

Результаты исследований совместной работы насосов с регулируемым частотным и нерегулируемым приводами.

Результаты разработки принципов построения оптимальных схем внешних теплосетей ТЭЦ с минимальными гидравлическими сопротивлениями.

Личный вклад автора состоит:

- в формулировке цели и постановке задач исследования;

-разработке математической и компьютерной модели внутреннего и внешнего контуров теплосети ТЭЦ;

- проведении экспериментальных исследований теплосети СамТЭЦ;

- проведении идентификации компьютерной модели по результатам натурных испытаний;

- разработке и анализе различных вариантов реконструкции внутреннего контура теплосети СамТЭЦ;

- разработке методики анализа совместной работы частотно регулируемого и нерегулируемого приводов с оценкой экономического эффекта от внедрения.

Апробация работы

Основные результаты работы были доложены и обсуждены на Международной научно-технической конференции "Проблемы энергосбережения. Теплообмен в электротермических и факельных печах и топках". Тверь, ТГТУ. 2001; III Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности теплоэнергетического оборудования». Иваново, ИГЭУ. 2002; IV Российской научно-технической конференции «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности». Ульяновск, 2003; Международной научно-практической конференции «Проблемы развития централизованного теплоснабжения». Самара, ОАО СМУЭК. 2004. Публикации

По результатам выполненных исследований опубликовано 12 научных работ, в том числе 4 статьи в центральных журналах. Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, списка использованной литературы. Работа изложена на 156 страницах основного машинописного текста, содержит 26 рисунков, 54 таблицы. Список использованной литературы включает 61 наименование.

1. Гидравлические цепи. Развитие теории и приложения /Н.Н.Новицкий,Е.В.Сеннова, М.Г.Сухарев и др. -Новосибирск: Наука, Сибирскаяиздательская фирма РАН. 2000.-273 с.

2. Максименко Ф.Е. Различные расчеты по курсу водопроводов.-М.: Типолит. Рихтер, 1910.-102 с.

3. Меренков А.П. Дифференциация методов расчета гидравлических сетей // Жури, вычисл. математики и мат. физики.- 1973. Т. 13, Я25.С. 1237-1248.

4. Меренков А.П. Применение ЭВМ для оптимизации разветвленных тепловых сетей // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1963, №4.С.531-538.

5. Меренков А.П и др. Применение теории и методов расчета гидравлических цепей к системам с неизотермическим течением газа //Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1971, №6. 129-138.

6. Меренков А.П. и др. Об автоматизированных системах программ для расчета гидравлических режимов трубопроводных сетей // Изв. АНСССР. Энергетика и транспорт. 1973, №3. 126-131.

7. Меренков А.П., Сидлер В.Г. Идентификация трубопроводных систем // Фактор неопределенности при принятии решений в больших системахэнергетики. -Иркутск: СЭИ СО АН СССР. 1974. 149-162.

8. Сухарев М.Г. Об одном методе расчета газосборных сетей на вычис- лительных машинах // Изв. вузов. Нефть и газ. 1965, №6. 48-52.

9. Сухарев М.Г., Ставровский Е.Р. Оптимизация систем транспорта газа.- М.: Недра. 1975. -278 с.

10. Сухарев М.Г., Ставровский Е.Р. Расчеты систем транспорта газа с помощью вычислительных машин. -М.: 1971.-206 с.

11. Сухарев М.Г., Ставровский Е.Р., Брянских В.Е. Оптимальное развитие систем газоснабжения.-М.: Недра, 1981.-294 с.

12. Хасилев В.Я. Линейные и линеаризованные преобразования схем гидравлических цепей // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1964,№2.С.231-243.

13. Хасилев В.Я. Элементы теории гидравлических цепей.//Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1964, X2l. 69-88.

14. Хасилев В.Я. Элементы теории гидравлических цепей: Авторефер. дисс... д-ра техн. наук.- Новосибирск: Секция техн. Наук Объединенногоученого совета СО АН СССР, 1996.-98 с.

15. Евдокимов А.Г., Тевяшев А.Д., Дубровин В.В. Моделирование и оптимизация потокораспределения в инженерных сетях.- М.:Стройиздат. 1990.-368 с.

16. Математическое моделирование и оптимизация систем тепло,-водо,- нефте,-и газоснабжения / А.П. Меренков, Е.В. Сеннова, СВ. Сумарокови др. Новосибирск: ВО «Наука». Сиб. изд. фирма. 1992.- 407 с.

17. Меренков А.Н., Хасилев В.Я. Теория гидравлических цеией.- М.: Наука, 1985.-280 с.

18. Сеннова Е.В., Сидлер В.Г. Математическое моделирование и оптимизация развивающихся теплоснабжающих систем.- Новосибирск:Наука, 1987.-221 с.

19. Сидлер В.Г. Разработка и применение методов идентификации параметров гидравлических сетей: Автореф. дис. канд. техн. наук.-Томск, 1977.-20 с.

20. Евдокимов А.Г., Тевяшев А.Д. Оперативное управление потокорас- пределением в инженерных сетях.- Харьков: Вища школа. 1980.-144 с.

21. Сумароков С В . Математическое моделирование систем водоснабжения.- Новосибирск: Наука. 1983.-167 с.

22. Щербаков В.Н. Вопросы идентификации параметров гидравлических сетей: Дис. канд.техн.наук.-Томск, 1979.-215 с.

23. Эгильский И.С Автоматизированные системы управления техноло- гическими процессами подачи и распределения воды. -Л.: Стройиздат.1988.-216С.

24. Дубинский А.В., Сиперштейн Б.И., Берман Р.Я. О методе гидравлического расчета газопроводных систем // Транспорт и хранениегаза.-1974.№7.С25-30.

25. Нанкратов B.C., Дубинский А.В., Сиперштейн Б.И. Ннформационно- вычислительные системы в диспетчерском управлении газопроводами. -Д.: «Недра», 1988.-246 с.

26. Хаймер Ю. Оперативные методы анализа и оптимизации контроля режимов работы систем газоснабжения ГДР: Авторефер. дис...канд.техн. наук.-М.: 1979.-22с.

27. Морев А.А., Сидлер В.Г., Новицкий Н.Н. Системная идентификация многониточных нефтепроводов //Транспорт и хранение нефти инефтепродуктов. 1982. №111. с. 6-7.

28. Ощепкова Т.Б. Оптимизация разветвленных и многоконтурных трубопроводных систем: Автореф. дис... канд. техн. наук.- Новосибирск:Инс-т математики СО АН СССР, 1983.-22 с.

29. Сумароков СВ. Метод решения многоэкстремальной сетевой задачи // Экономика и мат. методы. 1976. Т.12, Хо5. 1016-1018.

30. Меренкова Н.Н., Сеннова Е.В., Стенников В.А. Схемно-структурная оптимизация систем централизованного теплоснабжения // Электронноемоделирование. 1982, Ш6. 76-82.

31. Некрасова О.А., Хасилев В.Я. Оптимальное дерево трубопроводной системы// Экономика и мат. методы. 1970. Т.4, №3. 427-432.

32. Храмов А.В. Оптимальный синтез многоконтурных систем с нафуженным резервированием: Автореф. дис...канд. техн. наук.-Новосибирск: Ин-т математики СО АН СССР. 1983.-24 с.

33. Сеннова Е.В. Оптимизация развития и реконструкции теплоснабл^ающих систем с учетом надежности: Автореф. дис... д-ра техн. наук.-Иркутск,1990.-50С.

34. Сеннова Е.В., Ощепкова Т.Е., Мирошниченко В.В. Методические и практические вопросы построения надежных теплоснабжаюш,их систем// Изв. РАН. Энергетика. 1999, .№4. 65-75.

35. Сумароков СВ. Оптимальный синтез многоконтурных систем централизованного снабжения. Автореф. дис... д-ра техн.наук. Иркутск:СЭИ СО АН СССР. 1992.-42 с

36. Взаимосогласование общеэнергетических и отраслевых решений на современном этапе развития ЕСГ/В.А. Ефремов, Н.И.Илькевич, А.Н.Мерен-ков и др.// Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1990, JSr23. 14-23.

37. Надежность систем энергетики: достижения, проблемы, перспективы /Г.Ф.Ковалев, Е.В. Сеннова, М.Б. Рельсов и др./Нод ред. Н.И.Воропая.Новосибирск: Наука. Сиб.предприятие РАН. 1999. -434 с.

38. Зингер Н.М., Андреева К.С, Вульман Ф.А. Расчет многокольцевых гидравлических сетей на ЭВМ «Урал»//Теплоэнергетика. 1960, №1. 44-52.

39. Абрамов Н.Н. Теория и методика расчета систем подачи и распределения воды. Стройиздат, 1972.286 с.

40. Картвелишвили Н.А. Динамика напорных трубопроводов. -М.: Энергия. 1979.

41. Ильин. Расчет совместной работы насосов, водопроводных сетей и резервуаров. Госстройиздат УССР. Киев. 1963.169

42. Прегер Е.А. Аналитические зависимости между параметрами лопастных насосов. В сб.Трудов ЛИСИ. вып.2О. Изд. ЛИСИ, 1955.

43. Коваленко А.Г., Туева Н.С. Система синтеза и анализа гидравлических сетей. - Вычислительный центр АН СССР. Москва, 1989. -70 с.

44. Старк СБ. Основы гидравлики, насосы и воздуходувные машины. М. металургиздат. 1954. 368 с.

45. Васильева М.Е. Экономико-математические методы оптимизации ключевых параметров и конфигурации тепловых сетей. Автореф. дисс.канд. экон. наук. Новочеркасск, 1999.

46. Чапаев Д.Б. Характеристики внутренней коррозии и надежности тепловых сетей крупного города. Автореф. дисс. канд. экон. наук.Новосибирск, 2004.

47. Шнайдер Д.А. Автоматизация управления системами теплоснабжения промышленных объектов при низкотемпературных режимах. Автореф.дисс. канд. экон. наук. Челябинск, 2003.

48. Кудинов В.А., Коваленко А.Г., Колесников СВ., Панамарёв Ю.С Разработка компьютерной модели и исследование режимов работыциркуляционной системы Новокуйбышевской Т Э Ц - 2. Известия АН.Энергетика, N 6,2001. С 118-124.

49. Панамарёв Ю.С. Гидравлический и температурный расчёт работы теплосети Самарской ТЭЦ. Международная научно-практическаяконференция «Проблемы развития централизованного теплоснабжения».2004г. г. Самара, стр. 192-197.

50. Панамарёв Ю.С, Кожин В.Ю. Гидродинамический и тепловой расчёт теплообменника ПСВ-500-14-23 и проведение его модернизации.Международная научно-практическая конференция «Проблемы развитияцентрализованного теплоснабжения». 2004г. г. Самара, стр. 292-299.

51. Панамарёв Ю.С, Кудинов В.А. Моделирование гидравлических и температурных потоков внутреннего контура теплосети Самарской ТЭЦ.Международная конференция посвященная 70-летию В.И. Юдовича, г.Ростов-на-Дону, 2004 г. стр.29.

52. Панамарёв Ю.С, Кудинов В.А., Чиликин Ю.П., Котов В.В. Расчет гидравлических режимов работы теплосети Самарской ТЭЦ с помощьюкомпьютерной модели.-М.:Теплоэнергетика. №5. 2005г. стр.35-39.

53. Панамарёв Ю.С, Кожин В.Ю., Модернизация теплообменника ПСВ- 500-14-23, его гидродинамический и тепловой расчёт. Журнал Энергетик№ 7, 2005 г. стр. 35-37.

54. Трубопроводные системы энергетики: Управление развитием и функционированием Н.П. Повицкий, Е.В. Сеннова, М.Г Сухарев и др.-Новосибирск: Наука, 2004.-46 с.

55. Меренков А.П., Хасилев В.Я. Теория гидравлических цепей.-М.: Наука, 1985.-278 с.

56. Новицкий Н.Н. Оценивание параметров гидравлических цепей. Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1998.- 214 с.

57. Дикин И.И. Исследование зада.ч оптимального программирования методом внутренних точек // Сб. науч. тр. «Методы оптимизации».-Иркутск: СЭИ СО РАН СССР.- 1975.-е. 108.If I

58. Дикин И.И. Зоркальцев В.И. Итеративное решение задач математического нрограммирования (методы внутренних точек).-Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1980.-144 с.

59. Зингер Н.М. Гидравлические и тенловые режимы тенлофикационных систем.- М.: Энергоатомиздат,.1986.-320 с.

60. Манюк В.И. и др. Наладка и эксплуатация водяных тепловых сетей: Справочник.- М.: Стройиздат, 1988.-432 с.

61. Математическое моделирование и оптимизация систем тепло-, водо-, нефте-, и газоснабжения /А.Н. Меренков, Е.В Сеннова и др.-Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1992.- 40 с.

62. Е.В Сеннова, В.Г. Сидлер Математриеское моделирование и оптимизация развивающихся теплоснабжающих систем.- Новосибирск:Наука, Сибирское отделение, 1987.- 222 с.

63. Гидравлические цепи. Развитие теории и приложения /Н.М. Новицкий, Е.В. Сеннова, М.Г Сухарев и др.- Новосибирск: Наука, Сиб. отделение,2000.- 273 с.

64. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети.- М.: Энергия, 1975.- 376 с. пг.