автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Совершенствование систем теплоснабжения

На правах рукописи

005049948

ДМИТРИЕВ Владимир Зиновьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.14.04 - «Промышленная теплоэнергетика»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 . ФЕВ 2013

КРАСНОЯРСК-2013

005049948

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», профессор кафедры «Инженерные системы зданий и сооружений», профессор

Паршуков Николай Петрович,

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Сибирская автомобильно-дорожная академия», доцент кафедры «Городское строительство и хозяйство», доцент

Ведущая организация: Муниципальное предприятие

«Тепловая компания», г. Омск

Защита состоится 6 марта 2013 г. в 14м на заседании диссертационного совета Д 212.099.07 при Сибирском федеральном университете по адресу: 660049 г. Красноярск, ул. Ленина, д. 70, ауд. А 204.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Сибирского федерального университета.

Автореферат разослан 5 февраля 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Чупак Татьяна Михайловна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. В настоящее время в Российской Федерации, как и во всем мире, возрастают экономические требования к решению вопросов энергосбережения и топливоиспользования, при этом особую актуальность приобретают проблемы оптимального функционирования систем теплоснабжения с максимальным производством энергии комбинированным способом.

Разноведомственная подчиненность теплоисточников из-за различных форм собственности, невозможность их работы в таких условиях на единые тепловые сети, отсутствие отработанной структуры управления теплоснабжением города в целом, отсутствие централизованного оперативного управления оптимизацией работы систем теплоснабжения приводит к значительному перерасходу топлива в регионе и напряжению городского бюджета.

Исследование путей совершенствования систем централизованного теплоснабжения (СЦТ) крупных городов весьма актуально, особенно теперь с развитием региональных рынков электрической и тепловой энергии. В настоящее время, когда, например, «Схема теплоснабжения г. Омска на перспективное развитие» не разработана, а предыдущая «Схема теплоснабжения на 2000г. с перспективой до 2010 г.» устарела, особенно актуальны научные исследования в области совершенствования СЦТ.

В настоящем исследовании выполнен комплекс работ по изучению проблем СЦТ крупных городов в Российской Федерации, указаны пути, разработаны конкретные предложения на научной основе для обязательного учета при разработке новой концепции развития схемы теплоснабжения, в том числе для г. Омска с перспективой до 2025 г.

Объектом исследования являются системы централизованного теплоснабжения крупных городов Российской Федерации на примере г. Омска, включающие в себя разноведомственные теплоисточники, не работающие на единые тепловые сети.

Предмет исследования - характеристики схем и режимов работы систем централизованного теплоснабжения для генерации и трансформации энергоносителей, основанных на принципах их комбинированного производства.

Цель исследования состоит в совершенствовании систем централизованного теплоснабжения крупных городов с рациональным использованием разноведомственных источников теплоснабжения и методов их расчета.

Задачи исследования:

1. Провести анализ структуры существующей системы централизованного теплоснабжения крупного города и ее особенностей (на примере г. Омска);

2. Применить основные принципы построения классической иерархической схемы для систем теплоснабжения в крупных городах с учетом разноведомственных тепловых источников и оптимального использования их мощностей;

3. Проработать существующую и перспективную схемы теплоснабжения г. Омска с целью повышения их экономичности, резервирования и надежности, рассмотреть возможность максимального перевода в летний период нагрузки горячего водоснабжения от разноведомственных котельных на ТЭЦ.

4. Проанализировать влияние температурного графика на: гидравлический режим работы теплосети, загрузку теплофикационных отборов ТЭЦ, качество теплоснабжения;

5. Усовершенствовать программное обеспечение решения задач в области эксплуатации систем теплоснабжения крупных городов с учетом дополнительных функций;

Методы исследования: математическое моделирование, методы решения сетевых уравнений с применением законов Кирхгофа, контурных расходов и узловых давлений; методы обьекгао-ориенгированного программирования; современные методы обработки результатов компьютерных расчетов и экспериментальных исследований, численные методы решения нелинейных уравнений; теория эксперимента. При разработке программного обеспечения использовались программные пакеты работы с базами данных Autodesk AutoCAD, Microsoft Excel, Microsoft Access, C++Builder.

Научная новизна настоящей работы состоит в следующем:

1. Разработаны алгоритм и математическая модель определения экономической эффективности от реализации технического проекта по переводу в летний период нагрузки горячего водоснабжения от разноведомственных котельных на ТЭЦ, отличающиеся от известных совместимостью базы выходных данных с базой входных данных программного комплекса для расчета режимов работы системы теплоснабжения.

2. Установлена зависимость между снижением температуры наружного воздуха, величиной недогрева сетевой воды и увеличением расхода теплоносителя в подающем трубопроводе.

3. Найдены и добавлены дополнительные функции в программный комплекс «Система контроля функционирования тепловых сетей - «СКФ-99», позволяющие повысить точность прогноза развития тепловых сетей.

Практическая значимость:

1) На основе обширного анализа систем централизованного теплоснабжения крупных городов РФ и СНГ предложены пути совершенствования системы теплоснабжения г. Омска по трем направлениям: тепловые источники, тепловые сети, режимы их работы.

2) Компьютерная программа, разработанная на основе авторской математической модели и алгоритма, позволила закрыть ряд неэкономичных котельных в г. Омске и перевести тепловую нагрузку их потребителей на генерирующие источники; перевод в летний период нагрузки горячего водоснабжения от неэкономичных котельных разных ведомств позволило загрузить теплофикационные отборы на ТЭЦ и увеличить выработку энергии на тепловом потреблении.

3) Внедрение программного комплекса «СКФ-99», позволяет рассчитывать гидравлические и тепловые режимы, моделировать нештатные ситуации, выявлял. резервы и узкие места в процессе новых подключений, решать вопросы надежности, диагностики, планирования ремонтных компаний на пять лет вперед;

4) Тепловыми испытаниями и сравнительным анализом технических ха-

=Ик==В ТеШ10И30ЛЯЦИИ Доказана неэффективность применения жидко-керамическои теплоизоляции американской технологии Temp-coat

_СТ°ВерНОС1Ъ «аУ™ положений и результатов подтверждается фак-те™х нагрузок отопительных и npoMbnSSSSiS-телыплх котельных заводов «Релеро», «Сибзавод», «Окташкагельной С ул Малиновского котельной МП «Тепловая компания» по ул. 26 Север^ с» ной нагрузкой 725 ГДж/ч на ТЭЦ г. Омска. Полученные в результатов нии нагрузок гидравлические режимы соответствует ра^ньш по™^

1) Научно обоснованную стратегию варианта совершенствования СИТ с

ГоГка^Г СХСМЬ1 ^"ннош теплоснабжеjшя на^тртмJpe п имска до 2025 г. путем модернизации существующих ТЭЦ, строительства теплопроводов и насосных станций, закрытием неэффетттткТот^шГс переключением их тепловой нагрузки на ТЭЦ котельных с

тэтттт 2>„Экономическую эффективность от технического проекта по переводу тепловой натрузки горячего водоснабжения в летний период от разноведом^ венных котельных на ТЭЦ. рашиведомст-

тсма^^ГГ™ П° совеРшенствованик> профаммного комплекса «Система контроля функционирования тепловых сетей» («СКФ-99») для управления централизованным теплоснабжением. управления

Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации докла-

=нИГГСЬ Ш Нау1Ш0-ПрГ"еСШХ -«ФеренхХ

федерального значения, а также на зарубежных научных семинараГ«Негоапитти оштые методы выработки тепловой энергии» (Норяешя. Осло,2Ш) 3^-"

Хельсинки, 2007); «Euro Heat and Power: тенденции и реалии теплоснабжешГв

<<П^ЛеМЬ1 ^бе^кения и энерпГоГ поста решонов Западной Сибири» (Омск, 2008); «Российское теплоснабжение-проблемы и тенденции развития» (Москва, 2009); «Энергоэффе™^ S век» (Санкт-Петербург, 2009); «Повышение наде^осш" и эф^н^т S

S™^1146"" СтаЩИЙ И э«еР-™еских системТ>%сквПо10);

It™ эффективности энергетического оборудования» (Иваново, 2011)- на шГш^Т™ ССМИНа»ФадР« «Теплоэнергетика» ОмГУПСа nun ni1 на„3^еданиикафедры «Промышленная теплоэнергетика» ФГАОУ ВПО «Сибирскии федеральный университет (СФУ)» (Красноярск, 2012)

Использование результатов диссертации. Основные результаты диссертационной работы внедрены в муниципальном предприятий (МГпТ о^ка «Тепловая компания»: закрытие мелких неэкономичнь/котель^ „ пе™ их тепловой нагрузки на тепловые источники ОФ ОАО «ТПС-11»- использова ште програлшного комплекса «СКФ-99» при расчете тетовь^ ипГ«:

Z7 РСЖИМ0В °Т ТеШ1°ВЬ1Х ИСТ01™ Омска; перевод нафузки ^С™. нии период с неэкономичных котельных на ТЭЦ. Результаты работы могут

быть использованы: научно-исследовательскими и проектными институтами, занимающимися разработкой систем централизованного теплоснабжения; предприятиями централизованного теплоснабжения крупных городов в процессе их адаптации в условиях конкурентной среды, а также в ВУЗах на кафедрах при подготовке специалистов по направлению «Теплоэнергетика».

Личный вклад автора заключается в том, что он по существу излагаемых в диссертации вопросов лично определил основные направления по повышению эффективности системы централизованного теплоснабжения на примере г. Омска, выразившиеся в совершенствовании ее иерархической структуры; разработал концепцию по переводу в летний период нагрузки ГВС от разноведомственных неэкономичных котельных на ТЭЦ; разработал математическую модель и компьютерную программу определения экономичности от выработки электроэнергии на тепловом потреблении с учетом затрат на строительство перемычек между тепловыми сетями ТЭЦ и котельных; адаптировал и модернизировал «СКФ-99» к условиям эксплуатации тепловых сетей в г.Омске. Основные положения, разработанные в диссертации, изложены в инженерных решениях, научных статьях и подтверждаются опытом эксплуатации СЦТ г. Омска.

Публикации. По теме диссертации опубликовано десять печатных работ (из них две статьи - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 145 источников, шести приложений. Работа изложена на 161 странице основного текста, включает в себя 41 рисунок, 28 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, определены научная новизна, практическая значимость полученных результатов работы и личный вклад автора.

В первой главе выполнен анализ состояния и особенностей систем централизованного теплоснабжения г. Омска, структуры сжигаемого топлива, характеристик источников теплоснабжения и тепловых сетей, выработки тепловой энергии.

Методологической, теоретической и информационной базой диссертации послужили труды ведущих отечественных ученых и специалистов в области теплоэнергетики Л. А. Меленгьева, Е. Я. Соколова, Н. М. Зингера, К К. Громова, Л. С. Попырина, Л. С. Хрилева, Е. В. Сенновой, И. А. Смирнова, Е. П. Шубина, С. А. Чи-стовича, Б. В. Яковлева и др., а также законодательные и нормативные документы РФ и Омского региона, данные федеральной службы государственной статистики, интернет-сайты энергетических компаний, периодическая литература.

МП "Тепловая компания" 9,7%

Промышленные предприятия 14,9%

Прочие

теплоисточники Как и во всех

4-7% крупных городах Рос-

сии, в Омске централизованное теплоснабжение осуществляется теплоснабжающими предприятиями различных форм собственности: теплоэлектроцентралями ОФ ОАО «ТГК-11» ОАО «ИНТЕР РАО ЕЭС»; промышленно-отопительными котельными промпредприятий, котельными специализированного МП г. Омска «Тепловая компания»; котельными ООО ПФ «Октан»; частными отопительными котельными малой мощности. Всего на территории г. Омска работают 154 котельных. Функциональная структура централизованного теплоснабжения города представляется как разделенная между разными юридическими лицами.

Динамика отпуска тепловой энергии по г. Омску с 2007 по 2010 гг показывает стабильную тенденцию роста (14 %), при среднем по России - 11 %. Данные по г. Омску приведены в таблице 1 и на рис. 1.

Таблица 1

Структура полезного отпуска тепловой энергии предприятиями различных форм собственности в г. Омске, тыс. ГДж, % Наименование тыуП- тало - г^гг-

Рис. 1. Структура полезного отпуска тепловой энергии

Теплоисточники ОФ ОАО «ТГК-11»

Котельные промышленных предпрятий

МП «Тепловая компания»

Котельные ООО ГГФ «Октан»

Прочие котельные

Общий отпуск ТЭ

2007 г.

37653,8

9879,2

5024,3

1016,1

2879,1

56452,5

66,7

17,5

8,9

1,8

2008 г.

38395,4

10198,1

5444,1

1265,5

100

2972,0

58275,1

65,9

17,5

9,3

2,2

5,1

100

2009 г.

40426,2

9177,2

5810,2

1313,7

2986,5

59713,8

67,7

15,4

9,7

2,2

5,0

100

2010 г.

43082,9

9603,7

6278,5

2527,7

2998,1

64490,9

66,8

14,9

9,7

3,9

4,7

100

Дана краткая характеристика источников теплоснабжения Омского филиала ОАО «ТПС-11» и других разноведомственных тепловых источников.

ТЭЦ-2 была введена в эксплуатацию в 1941 г., 1990 г. переведена в режим работы котельной с демонтажем турбоагрегатов. Котельные агрегаты, кроме двух, переведены с Кузнецкого угля на природный газ.

ТЭЦ-3 вводилась поэтапно в эксплуатацию в 1954 - 1958 гг., основное топливо - природный газ. С 2012 г. ведется строительство парогазовой уста-

новки (ill У) с двумя газовыми турбинами производства General Electric (США) и одной паровой турбины отечественного производства.

На ТЭЦ-4 основное энергетическое оборудование вводилось в эксплуатацию в 1967-1979 гг. и предназначалось для теплоснабжения крупнейшего нефтехимического комплекса, в годы перестройки он перестал развиваться и энергетические мощности ТЭЦ-4 оказались нереализованными. Станция работает на угле Экибастузского месторождения (Республика Казахстан).

Автором предлагается вариант передачи тепловой энергии турбин с противодавлением на динамично развивающуюся Левобережную часть г. Омска для реализации электрических (254 МВт) и тепловых (1466,5 ГДж/ч) мощностей и увеличению комбинированной выработки на 12,3 млн. ГДж в год.

На ТЭЦ-5 энергетическое оборудование вводилось в эксплуатацию в 1980 — 1986 гг. Основное топливо — уголь Экибастузского месторождения. В летний период тепловая нагрузка ГВС потребителей ТЭЦ-2 переводится на ТЭЦ-5.

Кировская районная котельная (КРК) введена в эксплуатацию в 1976 г., работает на природном газе и обеспечивает теплоснабжение Левобережной части города с численностью населения более 300 тыс. человек.

Теплоснабжение миллионного г. Омска обеспечивается сложнейшей системой, объединяющей разноведомственные источники теплоты, сотни километров трубопроводов тепловых сетей. Для увеличения пропускной способности тепловых сетей сооружено 13 перекачивающих насосных станций (ПНС).

Основными потребителями тепловой энергии являются промышленные, жилые, административные и культурно-бытовые объекты. К тепловым сетям от теплоисточников ОАО «ТГК-11» подключены 13319 тепловых пунктов, в том числе 59 Ц111 и ТПНС. Присоединение потребителей к тепловым сетям выполнено в основном по зависимой схеме, лишь небольшая часть (около 3 %) подключена по независимой схеме через индивидуальные тепловые пункты (ИТП) и центральные тепловые пункты (ЦТП). Горячее водоснабжение потребителей осуществляется по открытой и закрытой схемам (примерное распределение - 50 % на 50 %).

Функциональная структура централизованного теплоснабжения города от ТЭЦ представляет разделенное между разными юридическими лицами: производство тепловой энергии на ТЭЦ и её транспорт по магистральным тепловым сетям до ЦТП или до потребителей - ОФ ОАО «ТГК-11», транспорт тепла по распределительным тепловым сетям — МП «Тепловая компания». В этой структуре отражается типичная организация теплоснабжения, сложившаяся за последние 50 лет в России при организации теплоснабжения от ТЭЦ общего пользования.

Разноведомственная подчиненность теплоисточников из-за различных форм собственности, невозможность их работы на единые тепловые сети и переключения тепловых нагрузок с одного источника на другой из-за различного уровня технического состояния, отсутствие отработанной структуры оперативного управления режимами работы систем теплоснабжения города в целом приводят к значительному перерасходу топлива, возникновению потерь тепловой энергии и теплоносителя. Назрела реальная необходимость построения

классической иерархической схемы теплоснабжения и создания единого тепло-транспортного предприятия в г. Омске.

Во второй главе проведено исследование путей совершенствования систем теплоснабжения крупных городов (на примере г. Омска) на перспективное развитие.

Основное назначение любой системы теплоснабжения состоит в обеспечении потребителей необходимым количеством теплоты требуемых параметров. В настоящее время в наиболее обобщенном виде структурная схема системы теплоснабжения выглядит следующим образом (рис.2).

Рис. 2. Структурная схема системы теплоснабжения

ит- источник теплоты; тс - трубопроводы тепловой сети; 777 - тепловой пункт;

со - система отопления; оп - отапливаемое помещение.

Образование сложных систем теплоснабжения выдвинуло серьезные вопросы, связанные с обеспечением их надежности и устойчивости.

Технической оснащенности, принципам построения и вопросам резервирования тепловых сетей уделялось недостаточно внимания, увеличение сложности и масштабности систем не сопровождалось изменением их структуры и принципов построения, которые в настоящее время противоречат требованиям к надежности и экономичности теплоснабжения.

Рост тепловых мощностей ТЭЦ, радиуса действия тепловых сетей, расширение круга разнородных потребителей в значительной мере усложнили гидравлический и тепловой режимы работы тепловых сетей, потребовали согласования интересов трех основных звеньев: источников теплоты - тепловых сетей - систем теплопотребления.

Структура СЦТ и режим ее работы должны быть получены в результате оптимизации всех ее звеньев. Всякое нарушение этого принципа ведет к снижению экономичности.

Среди трех основных элементов СЦТ тепловая сеть является не только соединительным транспортным средством, но и определяет надежность теплоснабжения потребителей. Требования к надежности возрастают по мере снижения температур наружного воздуха и увеличения диаметра трубопроводов. Тепловые сети должны быть управляемы, обеспечивать необходимый режим работы и возможность совместной работы нескольких источников тепловой энергии при взаимном резервировании тепломагистралей.

Дальнейшее развитие теплоснабжения г. Омска, на основе опыта ряда крупных городов России и ближнего зарубежья видится в создании единого тепло-транспортного предприятия. Объединение теплосетевого бизнеса позволит увеличить качество поставляемых ресурсов, эффективность и надёжн ость работы систем

теплоснабжения г. Омска за счёт ведения единой технической и инвестиционной полигики, снижения финансовых, производственных рисков и себестоимости поставляемой тепловой энергии, развитие конкуренции среди производителей тепловой энергии, решение вопросов по снижению потерь тепловой энергии и теплоносителя, привлечение финансовых ресурсов на развитие теплосетевого бизнеса. В этой ситуации должен появиться единый центр ответственности за передачу тепловой энергии от источника до потребителя, за потери тепла и сетевой воды.

В соответствии с принципами построения классической системы теплоснабжения, дадим оценку и рекомендации по совершенствованию СЦТ г. Омска.

В теплоснабжающих системах отсутствует 100 % резервирование тепловых сетей. Сети от теплоисточников ОАО «ТГК-11» имеют радиальный характер с целым рядом перемычек, образующих своеобразные кольца. Перемычки на тепловых сетях строились как необходимая целесообразность в данный момент, а не в силу их перспективного развития с учетом будущего режима работы. При конструировании конфигурации систем теплоснабжения не использованы рекомендации для внедрения иерархической схемы тепловых сетей и, в частности, выпала ее вторая ступень — пиковые районные котельные (ГТРК), которые бы выполняли не только роль регулировочных, но и преобразовательных узлов.

На основе анализа существующей ситуации и с учетом исследований классической иерархической структуры построения СЦТ двух ведущих научных школ: Московского энергетического института (Национальный исследовательский университет) (МЭИ (ТУ)) (проф. Соколов Е. Я.) и Института систем энергетики СО РАН (акад. Меленгьев Н. А.) (рис. 3) автором предлагается конфигурацию системы теплоснабжения г. ОМска приблизить к классической иерархической схеме. Рассматривая схему магистральных тепловых сетей и схему сетей от ведомственных и муниципальных котельных г. Омска, в качестве второй ступени иерархической схемы -ПРК, отсутствующей в г. Омске, для повышения надежности и экономичности работы СЦТ диссертантом рекомендовано строительство теплотрасс к промышленно-отопительным и отопительным котельным, перевода их в пиковый режим для совместной работы с ТЭЦ, что позволит максимально использовать комбинированный способ производства энергии:

1) теплосеть: ТЭЦ-2 - котельная завода Транспортного машиностроения;

2) теплосеть: ТЭЦ-2 - котельная Те-

Рис. 3. Иерархическая структура крупных СЦТ

левизионного завода;

3) теплосеть: ТЭЦ-2 - котельная завода им. К. Маркса;

4) теплосеть: ТЭЦ-2 - котельная ФГУ ПО «Полет» терминал «О»;

5) теплосеть: ТЭЦ-5 - котельная ОАО «Электротехнический комплекс»;

6) теплосеть: ТЭЦ-5 - котельная ООО «Омскшина-1»;

7) теплосеть: ТЭЦ-5 - котельная ОАО «Омсктехуглерод»;

8) теплосеть: ТЭЦ-5 - котельной ФГУ ПО «Полет» терминал «Г»;

9) теплосеть: ТЭЦ-5 - котельная ОАО АК «ОмскАгрегат».

С учетом застройки города согласно Генеральному плану предлагаются основные направления совершенствования генерирующих мощностей города, направленные на повышение экономичности и надежности СЦТ г. Омска:

ТЭЦ-2. Для более эффективного использования природного газа - установить газотурбинные установки (ГТУ), на этих установках с утилизацией тепла после ГТУ коэффициент использования топлива (КИТ) достигает 90 %.

ТЭЦ-3. Строительство парогазовой установки (ПТУ). Использование цикла ПТУ, включающей две газовые и одну паровую турбину мощностью по 30 МВт (США) на базе ГТУ-30С с применением дожита перед силовой турбиной и ПГУ-60С, работающей по циклу ПГУ-STIG, с увеличением КПД и КИТ до 95 %.

ТЭЦ-4. Реализация технологической схемы передачи тепловой нагрузки «Левого Берега» в размере 1466,5 ГДж/ч на теплофикационные отборы турбин ТЭЦ-4 с переводом котлов БКЗ-420-140 с Экибастузского на Канско-Ачинский уголь. При этом КРК переводится в пиковый режим работы.

ТЭЦ-5. Установить турбоагрегат типа ПТ-80/100-130 без монтажа дополнительных котельных агрегатов, что позволит увеличить установленную электрическую мощность станции на 100 МВт, а тепловую - на 1173 ГДж/ч. Рассматривая существующую схему теплоснабжения с учетом перспектив, рекомендуется развитие тепловых сетей по следующим направлениям:

1. Реконструкция существующих магистральных тепловых сетей и ПНС с применением новых технологий, материалов и оборудования.

2. Перспективное строительство:

теплотрасса Д , 1000 мм Восточного луча от ТЭЦ-3 протяженностью 1000 м для использования в режиме подающего трубопровода, перевод двух существующих Ду 800 мм в режим обратного трубопровода;

теплотрасса Северного луча от ТЭЦ-3 2 хД , 800 мм длиной 1200 м; теплотрасса «Прибрежная» 2хДу 700 мм и 2хД, 400 мм длиной 1400 м; теплотрасса по территории Христорождественского собора 2*ДУ 700, 2x500 мм протяженностью 980 м;

теплотрасса «Релеро» от ТЭЦ-5 до ПНС-8 2хД, 800 мм длиной 3200 м. Применительно к СЦТ понятие надежность рассматривается как свойство системы бесперебойно снабжать потребителей в необходимом количестве тепловой энергией требуемого качества.

В 2010 г. разработана и внедрена «Методика оценки воздействия отрицательных факторов на трубопроводы тепловых сетей», в основу которой заложена «Матрица критериев оценки...» для определения приоритетности прове-

дения капитального ремонта на участках теплотрасс на пять лет вперед. Многолетний опыт эксплуатации тепловых сетей в условиях г. Омска позволил сформировать перечень из 19 факторов, которые влияют на надежность и продолжительность безотказной эксплуатации тепловых сетей, определяют степень риска при возможных повреждениях трубопроводов.

Итоги эксплуатации и ремонтных компаний доказывают достаточную аргументированность, а главное — эффективность выбранного подхода при формировании планов капитального ремонта. Совпадение прогноза повреждаемости на участках тепловых сетей с фактической повреждаемостью достигает 80 %.

На рис. 4 представлена динамика повреждаемости Омских тепловых сетей, построенная на основе Матрицы - фрагмент «Повреждаемость тепловых сетей».

Л"повр,, п. км/год

Рис. 4. Динамика повреждаемости тепловых сетей

Современная дистанционная диагностика тепловых сетей методом тепловой инфракрасной аэросъемки с последующими надземными методами пирометрии, акустометрии и электрометрии для оценки эксплуатационного состояния теплового хозяйства города позволяет решать следующие задачи: определить существующие места утечки теплоносителя, участки подземных теплопроводов с нарушенной теплоизоляцией, тепловые камеры подтопленные водой.

Подземные теплопроводы, являясь источником тепла, формируют тепловое поле, которое проявляется в виде зон повышенного теплового потока в атмосферу и повышенных значений температуры на поверхности. В основу методики выявления источников тепла, температурных полей на земной поверхности и тепловых потоков заложены фундаментальные законы Кирхгофа, Стефа-на-Больцмана, термодинамики и физики.

По результатам тепловой аэросъемки было выделено более 200 аномальных участков подземных тепловых сетей, 44 скрытых места утечки теплоноси-

теля. При вскрытии участков тепловых сетей, отмеченных аэросъемкой, из 44 участков с утечками, подтвердилось 42 - процент сходимости 95 %.

Схема теплоснабжения города - это обязательный документ, раскрывающий не только перспективы развития теплоэнергетики, но и развитие систем жизнедеятельности города. Основная цель - выбор экономически обоснованного, экологически чистого и устойчивого к возможным изменениям экономической конъюнктуры варианта развития системы теплоснабжения в неразрывной связи с Генеральным планом застройки города и всеми составляющими его инфраструктуры.

Автор диссертации, является членом рабочей группы по разработке Схема теплоснабжения. Предложенная Схема с перспективой до 2025 г. прошла публичное слушание на Градостроительном Совете г. Омска в ноябре 2012 г., отмечены недоработки и замечания, которые потребовали ее доработки.

В третьей главе представлена разработанная математическая модель определения эффективности перевода тепловой нагрузки ГВС в летний период от разноведомственных котельных г. Омска на тепловые электрические станции ОАО «11 К-11» для загрузки теплофикационных отборов турбин и выработки электроэнергии по теплофикационному циклу.

В условиях возрастающих тепловых нагрузок выбор варианта покрытая тепловых нагрузок может быть четко определен только три сравнении эффективности комбинированной и раздельной схем энергоснабжения. Необходима разработка математической модели определения эффективности топливоиспользования при передаче тепловой энергии для нужд ГВС потребителей от котельных на ТЭЦ.

Анализ тепловых нагрузок котельных г. Омска, их расположения относительно тепловых сетей ТЭЦ и технической возможности, выявили перечень котельных, для останова в летний период и передачи нагрузки ГВС на ТЭЦ

Проведенный анализ СЦТ от теплоисточников позволяет сделать вывод, в летний период рационально загрузить ТЭЦ-5 по причинам: теплофикационные отборы двух турбин ПТ-80/100-130/13 летом загружены лишь на 30 %; оборудование работает не в экономичном режиме; увеличивается доля выработки электрической энергии по конденсационному циклу; режим тепловых сетей в летний период ГВС предусматривает работу четырех из семи лучей от ТЭЦ-5 в циркуляционном режиме для обеспечения ГВС по закрытой схеме и позволяет переключить ГВС потребителей от котельных на тепловые сети от ТЭЦ-5.

Средняя продолжительность летнего режима ГВС в г. Омске 3272 часа. Из 154 котельных 27 в летний период можно остановить, и нагрузку ГВС в объеме 976,4 ГДж/ч передать на ТЭЦ-5.

Для определения экономической эффективности перевода нагрузки ГВС от котельных на ТЭЦ разработана математическая модель, обобщенная блок-схема которой представлена на рис. 5. Программа написана с использованием СУБД Microsoft Office Access 2003. В основу методики заложен критерий сравнения затрат на строительство перемычек За и экономии топлива Зг при выработке замещаемой мощности по теплофикационному циклу в сравнении с раздельным способом производства.

Рис. 5. Блок-схема обобщенного алгоритма перевода нагрузки ГВС от котельных на ТЭЦ в летний период

Экономия топлива при комбинированном способе производства электрической и тепловой энергии д В, т у .т., определяется по выражению:

дВ = 0,123-Э1 —

Л* П

10"

(1)

где Э - выработка электроэнергии (ЭЭ) на тепловом потреблении, кДж ч; - КПД выработки ЭЭ по конденсационному и теплофикационному циклам. Выработка электроэнергии на тепловом потреблении, кВт-ч:

"-^-' (2)

э. =■

где - отпуск ТЭ от теплофикационных отборов турбин ГДж/ч; q - количество теплоты, отдаваемое выхлопным паром (паром го отборов) в расчете на 1 кДж, выработанный на базе теплового потребления, характеризует величину выработки электроэнергии на тепловом потреблении, в общем виде <7, кДж/кДж, определяется по формуле:

п —

"-^¡7- <3>

где ~ -Л^,) скрытая теплота парообразования, утилизируемая в бойлере,

кДж/кп Н - адиабатический перепад до камеры отбора, кДж/кг; т]т - относительный электрический КПД, равен:

^оэ =7о! •'7м ?7г» (4)

где - относительный внутренний КПД турбины; - механический КПД турбины, принимается по заводским данным, для турбин типа ПТ-80/100-30/13; 7г - КПД электрического генератора.

Для теплофикационных турбин типа ПТ-80/100-130/13 при давлении пара в отборе 0,17 МПа величина д = 3,34 кДж/кДж.

Экономия топлива определится как Зт = аВ ■ Цп млн.р., (Цг - цена топлива, р/т). Затраты на строительство перемычек млн. р., определяются как сумма всех составляющих затрат. Величина общей экономии, млн. р., рассчитывается-

Таблица 2

Итоговая таблица определения экономичности от перевода нагрузки ГВС с котельных на ТЭЦ

№ Наименование Ел. изм Величина 976 4

1 Заметаемая натузка ГВС ГЛж/ч

2 Выработка 33 на тепловом потреблении МВт-ч 956 520

3 Расчетный расход теплоносителя м /ч 7768

4 Диаметр пепемычки мм 89 530

5 Количество П-обпазных компенсаторов шт. 60

6 Количество сильЛюнных компенсаторов шт. 27

7 Длина труб лля перемычек п. м. 2 017

Стоимость труб млн. о. 92 5

9 Стоимость изоляции млн. о. 31 5

10 Стоимость строительно-монтажных работ млн. Р. 102 5

11 Обшая стоимость капитальных затпат млн. п. 226 3

12 Затраты на топливо млн. п. 789 0

13 Экономия денежных средств млн. Р. 562.7

Для заинтересованности собственников котельных в передние нагрузки предлагается экономию разделить в соотношении: 30 % - котельным, 70 % - ТЭЦ.

Срок окупаемости инвестиций с учетом дисконтирования 1,0-1,5 года.

Не менее важным в области экономии топливно-энергетических ресурсов является вопрос соблюдения температурного графика тепловой сети, существенно влияющий на экономичность как источника тепловой энергии (особенно ТЭЦ), так и всей системы теплоснабжения в целом, он является основным показателем качества тепловой энергии, предоставляемой потребителям.

В соответствии с действующей в 90-х годах схемой теплоснабжения г. Омска расчетным был принят температурный график на отопительный период 170 - 70 °С со срезкой на 150 °С. В 2007 г. этот график был скорректирован на график 150-70 °С со срезкой на 130 °С. Снижение температуры прямой сетевой воды против расчетного температурного графика приводит к разрегулировке гидравлического режима в СІДТ города, что выражается: в увеличении расхода сетевой воды и затрат электроэнергии на перекачку; в снижении располагаемого напора на узлах управления потребителей; в увеличении циркуляции теплоносителя через И'1'll по причине саморегулирования расходов; в увеличении подпитки теплосети с соответствующим увеличением расхода реагентов на подготовку добавочной воды; в переходе от качественно-количественного регулирования на качественное; в переводе ГВС с закрытой на открытую схему.

Выполнена оценка перерасхода теплоносителя за счет отклонения фактического температурного графика тепловой сети от расчетного. На рис. 6 представлено соотношение расчетных и фактических расходов теплоносителя по теплоисточникам в самый холодный день с 2002 по 2011гг. Исследования влияния температурного графика на показатели качества теплоснабжения потребителей и гидравлический режим тепловых сетей показали, что снижение температуры от теплоисточников на 33 °С при самой низкой температуре наружного воздуха в 2006 г. (-39,6 °С) привело к увеличению расхода сетевой воды на 18,3 %.

т/ч

45 000 40 000 -

—г— .. >—

—* —А

т»°с г ■И ¡ШШШш ¡И -эт.Л" 7t IV ||||||||| • ї ї -.vufo

2002г. 2003г. 2004г. 2005г. 2006г. 2007г. 2008г. 2009г. 2010г. 2011г.

—J&—Орасч. 36 359 37 903 38451 38451 35 218 36913 36 913 37 695 37 324 37 324

—«—(Зфакг. 39 631 39 740 41040 41724 39 311 39 207 39 072 40 375 40 035 40 083

(Зфакт- Орасч 9,0% 4,8% 6,7% 8,5% 11,6% 6,2% 5,8% 7,1% 7,3% 7,4%

Рис. 6. Расчетные и фактические расходы теплоносителя

Анализ эффективности пяти видов тепловой изоляции позволил выработать рекомендации по ее применению. Испытания показали, что теплоизоляция жидко-керамическая Temp-coat американской технологии превышает нормативные тепловые потери более чем в 20 раз и к применению не рекомендуется.

В четвертой главе обоснована целесообразность использования геоинформационных программных продуктов для систем централизованного теплоснабжения крупных городов, охватывающих все подсистемы и все предприятия, обеспечивающие единую информационную среду как для ведения производственного процесса, так и для решения организационно-экономических задач.

Проведенный анализ рынка существующих программных продуктов в данной предметной области показал, что готовых решений на рынке программных средств, позволяющих решать весь диапазон задач при эксплуатации систем теплоснабжения крупных городов, нет.

ГИС "CityCom" (г. Москва), ГИС "ZuluThermo" (г. Санкт-Петербург), Стандартизированная информационная система "Bentley sisHYD" (г. Москва)' Информационно-графическая система "GID2005KZ" (Республика Казахстан)' ПК ГРАСТ (г. Москва), ГИС "СКФ-99" (г. Омск).

Исходя из технических критериев оценки ПО, наиболее приоритетным является ООО НТЦ «Теплоснабжение», г. Омск, ПК "СКФ-99". Преимущество* реализованные программные решения в ОАО «ТГК-11», его постоянная модернизация под требование заказчика и поддержание в актуальном состоянии.

Методы математического моделирования, положенные в основу гидравлических режимов разветвленных тепловых сетей ПК «СКФ-99», позволяют определить потокораспределение в тепловых сетях методом стационарного распределения жидкости в трубах, относящееся к итеративным, так называемым "увязочным" методам. "Увязка" сети с заданными сопротивлениями, нагрузками и действующими напорами имеет своей целью найти такие значения расходов на всех участках и давлений в узлах, которые с наперед заданной точностью удовлетворяли бы обоим законам Кирхгофа. К классическим увязочным методам относится метод Лобачевского-Кросса

Математическая характеристика увязочньгх методов заключается в том, что каждый из них представляет лишь один из возможных вариантов применё-ния обобщенных методов расчета нелинейных гидравлических цепей, названных (по аналогии с известными электротехническими методами расчета линейных цепей) методом контурных расходов (МКР) и методом узловых давлений (МД).

Для расчета распределения потоков в сетях с регуляторами применяются алгоритмы решения задачи потокораспределения, основанные на методе последовательных приближений, обеспечивающих сходимость на системах с числом неизвестных 5 ООО - 20 ООО, при этом число итераций не превышает 50; число регуляторов, параллельно работающих в сети источников напора, не ограничено.

Метод эквиваленгирования участков больших тепловых сетей позволяет квартальные тепловые сети, присоединенные к магистральному трубопроводу одной врезкой, т.е. образующие ответвление, можно заменять обобщенным потребителем, с эквивалентным сопротивлением, равным сопротивлению ответвления. Такой подход укрупняет схему, уменьшает размерность решаемой системы нелинейных уравнений и улучшает сходимость вычислительного процесса.

После решения задачи потокораспределения и определения напоров в узлах определяется разность напоров на врезке, что позволяет затем решить зада-

чу потокораспределения внутри квартальной сети при условии, если внутри сети отсутствуют источники напоров и регуляторы расхода и напора, т.е. элементы с изменяющимся сопротивлением.

В течение 10 лет в работе Тепловых сетей ОАО «ТГК-11» эксплуатируется программный комплекс «Система контроля функционирования тепловых сетей», главный разработчик - директор НТЦ «Теплоснабжение» Л. В. Чупин (г. Омск). За это время создана и накоплена уникальная база данных более 130 тыс. элементов, позволяющая решать широкий спектр задач по управлению сложным трубопроводным хозяйством системы теплоснабжения города: отображение реальной топологической схемы тепловых сетей с ее элементами (участки труб, задвижки, тепловые камеры, насосы, регуляторы и т.д.); автоматический переход от описательной модели (база данных) через модель-граф к аналитической модели - системы нел

максимального экономического эффекта и ооеспечение ее развития до максимальной функциональной полноты.

ПК «СКФ-99» несколько раз был модифицирован под конкретные условия, диссертантом в него внесены и добавлены следующие изменения:

1) для более точного расчета гидравлических режимов работы тепловых сетей, кроме расчета по присоединенным нагрузкам потребителей, предусмотрен параллельный расчет гидравлических режимов по фактическим тепловым нагрузкам с приборов учета потребителей;

2) расчет дроссельных устройств производится с учетом снижения температуры теплоносителя по длине теплотрассы от источника тепловой энергии до потребителя;

3) добавлен ряд необходимых запросов по различным параметрам для работы с рабочей схемой тепловых сетей и для ее анализа;

4) внесены учет и обработка информации по повреждаемости и диагностике тепловых сетей;

5) решается задача расстановки приоритетов при замене трубопроводов в период летней ремонтной компании.

В настоящее время ПК «СКФ-99» имеет законченный вид, полностью соответствует многочисленным задачам, решаемым в процессе эксплуатации тепловых сетей г.Омска: на сервере СП «Тепловые сети» установлен основной модуль ПК «СКФ-99», удаленные терминалы работают в сетевом режиме во всех тепловых районах, технических службах и на диспетчерском пункте.

Данный программный продукт внедрен в г. Казани (Республика Татарстан), г. Караганда (Республика Казахстан), МП «Тепловая компания», ОАО «Омский Бекон» (г. Омск), ОАО «ТГК-11» (г. Новосибирск, г. Томск).

Основные компоненты ПК «СКФ-99»: графический интерфейс, база данных; расчетно-аналитическое ядро. Графический интерфейс наглядно отображает реальную топологическую схему тепловых сетей с детализацией ее элементов. Единая база данных обеспечивает возможность совместной многопользовательской работы с данными в локальной сети.

Главная идея при разработке

Основные функции «СКФ-99»: информационно-справочная; диспетчерское управление; расчеты и моделирование; анализ аварийности, планирование ремонтов.

На примере закрытия котельной ОАО АК «ОмскАгрегат» с выбором оптимального варианта переключения тепловой нагрузки на ТЭЦ иллюстрируется применение ПК «СКФ-99». Целью расчета является разработка и оценка возможных вариантов переключения тепловой нагрузки с котельной на ТЭЦ-5.

В «СКФ-99» (рис. 7) моделируются три варианта: первый - существующая ситуация: тепловая нагрузка потребителей в размере 63,9 ГДж/ч обеспечивается от котельной; второй - закрытие котельной с обеспечением ее тепловой нагрузки 63,9 ГДж/ч и подключением дополнительной нагрузки 24,1 ГДж/ч (общая - 88,0 ГДж/ч) через тепловые сети ТЭЦ-5 без реконструкции; третий - передача тепловой нагрузки котельной, дополнительное подключение новых потребителей (тепловая нагрузка - 88,0 ГДж/ч) с выполнением реконструкции тепловых сетей, что предоставляет возможность подключения дополнительно новых потребителей с тепловой нагрузкой 40 ГДж/ч, в результате общая тепловая нагрузка для передачи на ТЭЦ-5 составит 128,0 ГДж/ч. В «СКФ-99» разработан ситуационный план, выполнен расчет

гидравлических и тепловых режимов, построены пьезометрические графики, из чего следует, что самым предпочтительным и перспективным является третий вариант с наибольшим располагаемым напором ЛЯ = 59,8 м в.ст. в тепловой камере присоединения У-С-ТК-6/1 (рис. 8). Этот вариант обеспечивает максимальную подключенную тепловую нагрузку потребителей <2 = 128,0 ГДж/ч и оправдывает себя с учетом закрытия котельной. Срок окупаемости проекта с учетом дисконтирования Рис. 7. Ситуационный план проекта _ меНее четырех лет.

',<;. ? т:ч!. Ч) ' ' * <" Р - 23 12 V! ,>¡>1,1 СФ.ЭТШ9 (V И ■ IЛ1! 1.1 ... ,1 ) 7 Л1 (>;, 1Г1Ч1.Ч (*р=Э71Лвг

Рис.8. Пьезометрический график третьего варианта 19

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

На основе анализа особенностей систем централизованного теплоснабжения г. Омска с учетом теплоснабжения от разноведомственных тепловых источников, состояния тепловых сетей, структуры сжигаемого топлива, выработки и потребления тепловой энергии, даны рекомендации по использованию мощностей ТЭЦ-4 (254 МВт, 1466,5 ГДж/ч) и увеличению комбинированной выработки на 12,3 млн. ГДж в год, в том числе:

1. Разработаны алгоритм и математическая модель определения экономической эффективности от реализации технического проекта по переводу в летний период нагрузки горячего водоснабжения от разноведомственных котельных на ТЭЦ, отличающиеся от известных совместимостью базы выходных данных с базой входных данных программного комплекса для расчета режимов работы системы теплоснабжения, позволяющих оптимизировать структуру существующей СЦТ.

2. Установлена зависимость между снижением температуры наружного воздуха, величиной недогрева сетевой воды и увеличением расхода теплоносителя в подающем трубопроводе, на основе которой возможно улучшить технико-экономические показатели энергосистемы.

3. Найдены и добавлены дополнительные функции в программный комплекс «Система контроля функционирования тепловых сетей - «СКФ-99», позволяющие повысить точность прогноза развития тепловых сетей.

4. На основе принципов построения классической иерархической схемы ' централизованного теплоснабжения г. Омска и создания единого теплотранс-портного предприятия учтены разноведомственные тепловые источники и оптимальное использование их мощностей.

5. Проведены исследования существующей системы централизованного теплоснабжения г. Омска, выявлены ее недостатки в части принципов построения, резервировании, надежности и предложены пути технического и экономического решения, внесены конкретные рекомендации в рабочий проект «Схемы теплоснабжения г. Омска с перспективой до 2025 г.».

6. Тепловыми испытаниями и сравнительным анализом технических характеристик пяти типов теплоизоляции доказана неэффективность применения жидко-керамической теплоизоляции американской технологии Temp-coat.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Дмитриев В. 3. О режимах теплоснабжения г. Омска от тепловых источников ОАО АК «Омскэнерго» / В. 3. Дмшриев // Энергосбережение и энергетика в Омской области. 2004. № 4. С. 27 - 31.

2. Дмитриев В. 3. Сети ловят тепло / В. 3. Дмитриев // Энергосбережение и энергетика в Омской области. 2006. № 2. С. 48.

3. Дмитриев В. 3. Пути снижения сверхнормативных тепловых потерь в системе централизованного теплоснабжения / В. 3. Дмитриев, Г. А. Побегаева // Повышение эффективности объектов теплоэнергетики и систем теплоснабжения: Межвуз . темах, сб. науч. тр. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, -¿ии». С. 17 — 22.

4. 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.

5. Дмитриев В. 3. Формирование конфигурации системы централизованного теплоснабжения крупного промышленного города / В. 3. Дмитриев Д. В. Жуков // Труды всерос. науч.-практ. конф. «Повышение надежности и эф^ фекгивности эксплуатации электрических станций и энергетических систем «Энерш-2010»: МЭИ. М., т. 1. С. 224,225.

6. Жуков Д. В., Дмитриев В. 3. Повышение эффективности работы систем централизованного теплоснабжения путем оптимизации теплогидравли-ческих режимов систем централизованного теплоснабжения / Д. В. Жуков, В. 3- Дмитриев Н тРУДы всерос. науч.-практ. конф. «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем «Энерго-2010»: МЭИ М., т .1. С. 229-232.

7. Дмитриев В. 3. Реконструкция системы теплоснабжения от теплоисточников Омского филиала ОАО «ТГК-11» / В. 3. Дмшриев, Г. А. Побегаева // Сб. материалов VI междунар. науч.-практ. конф. «Повышение эффективности энергетического оборудования-2011». Ивановский гос. энергетический ун-т -Иваново, 2011. С. 229 - 232.

8. Дмитриев В. 3. Динамика развития системы централизованного теплоснабжения г. Омска / В. 3. Дмшриев // Повышение эффективности объектов теплоэнергетики и систем теплоснабжения: / Межвуз. темат. сб. науч. тр. / Омский гос ун-т путей сообщения. Омск, 2012. С. 21 -26.

9. Дмитриев В. 3. Реконструкция системы централизованного теплоснабжения от теплоисточников Омского филиала ОАО «ТГК-11» М Новости теплоснабжения. 2012. № 3. С. 39 - 41.

10. Лебедев В.М., Приходько С. В., Дмитриев В. 3. Реконструкция промьшшенно-отошгтельных котельных в ТЭЦ малой мощности и их технико-экономическая эффективность / В. М. Лебедев, С. В. Приходько, В. 3. Дмитриев и др. Промышленная энергетика. 2012. № 12. С. 23 - 27.

Дмитриев Владимир Зиновьевич

Исследование путей совершенствования систем централизованного теплоснабжения крупных городов

05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

Подписано в печать 04.02.2013 г. Формат бумаги 60x90

Усл. печ. л. 1.4 Тираж 100 экз-

Заказ № 166

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

ДМИТРИЕВ Владимир Зиновьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.14.04 - «Промышленная теплоэнергетика»

^ Диссертация

^^ на соискание учёной степени

Оф кандидата технических наук

^ со

ю 2

о а

о

СМ Я

Научный руководитель

СМ доктор технических наук, профессор,

^ заслуженный энергетик РФ

Лебедев Виталий Матвеевич

Омск 2013

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ...................................................2

ВВЕДЕНИЕ......................................................5

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ (на примере г. Омска)............................................12

1.1 Тепловые источники систем теплоснабжения.....................13

1.1.1 Источники теплоснабжения Омского филиала ОАО «ТГК-11».....20

1.1.2 Источники теплоснабжения промышленных предприятий.........30

1.1.3 Источники теплоснабжения МП г.Омска «Тепловая компания» .... 32

1.1.4 Источники теплоснабжения ООО ПФ «Октан» ..................33

1.1.5 Источники теплоснабжения индивидуальные и прочие...........35

1.2 Системы и схемы централизованного теплоснабжения.............36

1.2.1 Тепловые сети Омского филиала ОАО «ТГК-11»................38

1.2.2 Тепловые сети МП г.Омска «Тепловая компания»...............42

1.3 Системы присоединения потребителей..........................44

1.3.1 Схемы присоединения систем отопления.......................45

1.3.2 Схемы присоединения систем горячего водоснабжения...........52

1.4 Характеристика существующей системы теплоснабжения г. Омска .. .54

1.5 Выводы и заключения.........................................58

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПУТЕЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ КРУПНЫХ ГОРОДОВ НА ПЕРСПЕКТИВНОЕ РАЗВИТИЕ.............................................59

2.1 Постановка задачи............................................59

2.2 Создание единого теплотранспортного предприятия...............64

2.3. Иерархическая структура построения системы теплоснабжения г. Омска .............................................................67

2.4 Развитие источников теплоснабжения...........................73

2.5 Развитие тепловых сетей......................................77

2.6 Гидравлические и тепловые режимы............................78

2.7 Вопросы надежности тепловых сетей...........................79

2.8 Современные методы диагностики трубопроводов................87

2.9 Разработка перспективной схемы теплоснабжения города..........91

2.10 Выводы и заключения.......................................95

ГЛАВА 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПУТЕЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СИСТЕМЫ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ г. ОМСКА................................................96

3.1 Постановка задачи...........................................96

3.2 Эффективность перевода в летний период тепловой нагрузки ГВС от котельных различных форм собственности на ТЭЦ....................97

3.3 Влияние температурного графика на эффективность системы теплоснабжения ......................................................120

3.4 Анализ эффективности различных видов тепловой изоляции.......126

3.5 Выводы и заключения.......................................131

ГЛАВА 4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОГРАММНЫХ ПРОДУКТОВ

НА БАЗЕ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛИГИЙ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ КРУПНЫХ ГОРОДОВ........................132

4.1 Постановка задачи......................................... 132

4.2 Анализ рынка существующих программных продуктов............133

4.3 Система контроля функционирования тепловых сетей «СКФ-99» на основе геоинформационных технологий............................135

4.4 Модернизация «СКФ-99» для решения практических задач........142

4.5 Пример переключения тепловых нагрузок с котельной ОАО АК «ОмскАгрегат» на ТЭЦ-5.........................................144

4.7 Выводы и заключения........................................148

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ..........................149

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК...............................150

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Перечень разноведомственных котельных г. Омска . . 162 ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Значения д для турбин с теплофикационными и про-

мышленными отборами пара......................................178

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Акт внедрения на ведущем предприятии...........179

ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Математическое ядро ПК «СКФ-99»...............180

ПРИЛОЖЕНИЕ 5 Акт внедрения ПК «СКФ-99» в СП «Тепловые сети»

Омского филиала ОАО «ТГК-11»..................................191

ПРИЛОЖЕНИЕ 6 Сертификат соответствия ПК «СКФ-99»...........198

ВВЕДЕНИЕ

Современный город - крупный потребитель энергетических ресурсов, необходимых для жизнеобеспечения проживающего в нем населения, а также для нормального функционирования расположенных на его территории промышленных предприятий и учреждений. Важнейшей составной частью жизнеобеспечения города являются его системы теплоснабжения.

Актуальность исследования. В настоящее время в Российской Федерации, как и во всем мире, возрастают экономические требования к решению вопросов энергосбережения и топливоиспользования, при этом особую актуальность приобретают проблемы оптимального функционирования систем теплоснабжения с максимальной долей производства энергии комбинированным способом [13, 16].

Разноведомственная подчиненность теплоисточников из-за различных форм собственности, невозможность их работы в таких условиях на единые тепловые сети, отсутствие отработанной структуры оперативного управления режимами работы систем теплоснабжения города в целом приводят к значительному перерасходу топлива в регионе и обременению городского бюджета [ 43 ].

Исследование путей совершенствования систем централизованного теплоснабжения (СЦТ) крупных городов весьма актуально как по России в целом, так и по г. Омску, особенно в условиях региональных рынков электрической и тепловой энергии. Уже несколько лет отсутствует «Генеральная схема теплоснабжения г. Омска на перспективное развитие», а предыдущая «Схема теплоснабжения на 2000 г. с перспективой до 2010 г.» давно устарела.

В настоящем исследовании выполнен комплекс работ по изучению проблем СЦТ крупных городов в Российской Федерации и в г. Омске, указаны пути их совершенствования, на научной основе разработаны предложения для создания новой концепции развития Генеральной схемы теплоснабжения г. Омска с перспективой до 2025 г.

Вопросы конфигурации систем теплоснабжения, их оптимизация весьма актуальны, особенно теперь, когда различные теплоисточники не работают на единые тепловые сети [68].

Увеличение дальности транспортировки тепловой энергии (до 25-30 км), сооружение тепломагистралей диаметром 1020 мм и более, применение перекачивающих насосных станций, увеличение доли нагрузки горячего водоснабжения (ГВС) до 20 - 25 % от суммарной расчетной тепловой нагрузки района теплоснабжения, соединение тепломагистралей перемычками (часто исходя из вынужденной целесообразности) - все это привело к образованию сложных многокольцевых гидравлических систем и потребовало нового подхода к их расчету, проектированию, наладке и эксплуатации [19, 20, 93].

Объектом исследования являются СЦТ крупных городов Российской Федерации (в том числе г. Омска), включающие в себя разноведомственные теплоисточники, не работающие на единые тепловые сети.

Предмет исследования - совершенствование конфигурации схем и режимов работы систем централизованного теплоснабжения крупных городов для генерации и трансформации энергоносителей, основанных на принципах их комбинированного производства.

Цель исследования состоит в комплексном научном подходе к совершенствованию СЦТ крупных городов (на примере г. Омска) с рациональным использованием разноведомственных источников теплоснабжения, их тепловых мощностей; в совершенствовании методов расчета тепловых сетей с целью улучшения их энергетических характеристик, повышения надежности и резервирования для гарантированного качества теплоснабжения потребителей.

Задачи исследования:

1) провести анализ структуры существующей системы централизованного теплоснабжения крупного города и ее особенностей (на примере г. Омска);

2) применить основные принципы построения классической иерархической схемы для систем теплоснабжения в крупных городах с учетом разноведомственных тепловых источников и оптимального использования их мощностей;

3) проработать существующую л перспективную схемы теплоснабжения г. Омска с целью повышения их экономичности, резервирования и надежности;

4) рассмотреть возможность максимального перевода в летний период нагрузки горячего водоснабжения от разноведомственных котельных на ТЭЦ.

5) проанализировать влияние температурного графика на: гидравлический режим работы теплосети, методы: математического моделирования, методы решения сетевых уравнений с применением законов Кирхгофа, контурных расходов и узловых давлений; методы объектно-ориентированного программирования; современные методы обработки результатов компьютерных расчетов и экспериментальных исследований, численные методы решения нелинейных уравнений; теория эксперимента. При разработке программного обеспечения использовались программные пакеты работы с базами данных Autodesk AutoCAD, Microsoft Excel, Microsoft Access, C++Builder.

Связь с тематикой научно-исследовательских работ. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с областной программой правительства Омской области «Основные направления ресурсосбережения в Омской области на 2010 - 2015гг.», Федеральным законом от 23.11.2009 № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» и Федеральным законом от № 190-ФЗ «О теплоснабжении РФ» [ 1,2].

Научная новизна настоящей работы состоит в следующем:

1. На основе обширного анализа систем централизованного теплоснабжения крупных городов РФ и СНГ предложены пути совершенствования системы теплоснабжения г. Омска по трем направлениям: тепловые источники, тепловые сети, режимы их работы.

2. Разработаны алгоритм и математическая модель определения экономической эффективности от реализации технического проекта по переводу в летний период нагрузки горячего водоснабжения от разноведомственных неэкономичных котельных малой мощности на ТЭЦ.

3. Исследовано влияние графика регулирования температур в тепловой сети на экономические показатели систем централизованного теплоснабжения в целом, установлена зависимость между снижением температуры наружного воздуха, величиной недогрева сетевой воды и увеличением расхода теплоносителя в подающем трубопроводе.

4. Для эффективной работы разветвленных тепловых сетей крупных городов, с учетом многолетних натурных замеров, добавлены дополнительные функции в программный комплекс «Система контроля функционирования тепловых сетей - «СКФ-99», дающие существенные преимущества для прогноза развития тепловых сетей.

5. Тепловыми испытаниями и сравнительным анализом технических характеристик пяти типов теплоизоляции доказана неэффективность применения жидко-керамической теплоизоляции известной технологии Temp-coat.

Достоверность научных положений и результатов подтверждается сопоставлением фактических результатов тепловых и гидравлических режимов удовлетворительной сходимостью с расчетными режимами, полученными с помощью компьютерной программы «СКФ-99» при переключении тепловых нагрузок некоторых отопительных и промышленно-отопительных котельных заводов: «Релеро», «Сибзавод», «Октан», котельная МП «Тепловая компания» по ул. 26 Северная с суммарной нагрузкой 725 ГДж/ч на ТЭЦ г. Омска.

Положения, выносимые автором на защиту.

1) научно обоснованную стратегию варианта реконструкции СЦТ с учетом разработки схемы централизованного теплоснабжения города Омска до 2025 года с учетом модернизации отдельных существующих ТЭЦ, строительства теплопроводов и насосных станций и закрытием неэффективных котельных с переключением их тепловой нагрузки на ТЭЦ;

2) экономическую эффективность от перевода тепловой нагрузки горячего водоснабжения в летний период от неэкономичных разноведомственных котельных малой мощности на ТЭЦ;

3) внедрение и модернизацию компьютерной «Системы контроля функционирования тепловых сетей» («СКФ-99») в системах централизованного теплоснабжения (на примере г. Омска).

Практическая ценность и реализация результатов работы.

1) Компьютерная программа, разработанная на основе авторской математической модели и алгоритма, помогла закрыть ряд неэкономичных котельных в г. Омске и перевести тепловую нагрузку их потребителей на генерирующие источники;

2) Внедрение программного комплекса «СКФ-99» позволяет: рассчитывать гидравлические и тепловые режимы, моделировать нештатные ситуации, выявлять резервы и узкие места в процессе новых подключений, решать вопросы надежности, диагностики, планирования ремонтных компаний на пять лет вперед;

3) Перевод в летний период нагрузки горячего водоснабжения от неэкономичных котельных разных ведомств позволило загрузить теплофикационные отборы на ТЭЦ и увеличить выработку энергии на тепловом потреблении.

Основные результаты и материалы диссертационной работы внедрены и используются в муниципальном предприятии (МП) г. Омска «Тепловая компания» при закрытии мелких неэкономичных котельных и переводе их тепловой нагрузки на тепловые источники ОФ ОАО «ТГК-11».

Используется программный комплекс «Система контроля функционирования тепловых сетей» («СКФ-99») для расчета тепловых и гидравлических режимов на предприятиях г. Омска, г. Караганда (Республика Казахстан), г. Казань (Республика Татарстан).

Основные результаты диссертационной работы внедрены при разработке стратегии ОАО «Территориальная генерирующая компания № 11» в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности, снижения энергоёмкости предприятий омской энергосистемы, что способствует сдерживанию роста тарифов на рынке тепловой энергии Омского региона и повышению конкурентоспособности энергокомпании.

Полученные результаты могут использоваться предприятиями централизованного теплоснабжения крупных городов в процессе их адаптации в условиях конкурентной среды, проектными институтами при разработке проектов СЦТ, а также в ВУЗах при изучении дисциплин по направлению «Теплоэнергетика».

Личный вклад автора заключается в том, что он по существу излагаемых в диссертации вопросов лично определил основные направления по повышению эффективности системы централизованного теплоснабжения на примере г. Омска, выразившиеся в совершенствовании ее иерархической структуры; разработал концепцию по переводу в летний период нагрузки ГВС от разноведомственных неэкономичных котельных на ТЭЦ; разработал математическую модель и компьютерную программу определения экономичности от выработки электроэнергии на тепловом потреблении; адаптировал и модернизировал «СКФ-99» к условиям эксплуатации тепловых сетей г.Омска. Основные положения, разработанные в диссертации, изложены в инженерных решениях, научных статьях и подтверждаются опытом эксплуатации СЦТ г. Омска.

Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях регионального, федерального значения, а также на зарубежных научных семинарах:

«Нетрадиционные методы выработки тепловой энергии»(Норвегия. Осло, 2006);

«Использование в системах теплоснабжения оборудования фирмы Danfoss» (Финляндия. Хельсинки, 2007);

«Euro Heat and Power: тенденции и реалии теплоснабжения в ЕС» (Дания. Копенгаген, 2007);

«Проблемы энергосбережения и энергобезопасности регионов Западной Сибири» (Омск, 2008);

«Российское теплоснабжение: проблемы и тенденции развития» (М., 2009);

«Энергоэффективность. XXI век» (Санкт-Петербург, 2009);

«Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем» (Москва, 2010);

«Повышение эффективности энергетического оборудования» (Иваново, 2011); на научно-технических семинарах кафедры «Теплоэнергетика» ОмГУПСа (Омск, 2008 - 2012);

на заседании кафедры «Промышленная теплоэнергетика» ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет (СФУ)» (Красноярск, 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано десять печатных работ (из них две статьи - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 145 источников, шести приложений. Работа изложена на 161 странице основного текста, включает в себя 41 рисунок, 28 таблиц.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ (на примере г. Омска)

Город Омск - административный центр Омской области, входит в число крупнейших промышленных, образовательных и культурных центров России. Город занимает второе место по численности населения в Сибирском федеральном округе. Численность населения в Омске на 1 января 2011 г. составляла 1 154 ООО человек по данным переписи населения 2010 г. [10].

Омск сформировался как крупный миллионный город в эпоху интенсивной индустриализации СССР. Основу промышленности города со