Повышение эффективности систем централизованного теплоснабжения

Повышение эффективности систем централизованного теплоснабжения

Повышение эффективности систем централизованного теплоснабжения

Марков Алексей Романович
Генеральный директор ООО "ОТЭП"
г. Москва
тел. 8 (499) 390-84-52
http://отэп.рф/

Одним из важнейших условий нормальной работы системы теплоснабжения является создание гидравлического режима, обеспечивающего давления в тепловой сети достаточные для создания в теплопотребляющих установках расходов сетевой воды в соответствии с заданной тепловой нагрузкой. Нормальная работа систем теплопотребления суть обеспечение потребителей тепловой энергией соответствующего качества, и заключается для энерго-снабжающей организации в выдерживании параметров режима теплоснабжения на уровне, регламентируемом Правилами Технической Эксплуатации (ПТЭ) электростанций и сетей РФ, ПТЭ тепловых энергоустановок. Гидравлический режим определяется характеристиками основных элементов системы теплоснабжения: водоподогревательная установка источника тепловой энергии с сетевыми насосами, тепловая сеть и теплопотребляющие установки.

В процессе эксплуатации в действующей системе централизованного теплоснабжения из-за изменения характера тепловой нагрузки, подключения новых теплопотребителей, увеличения шероховатости трубопроводов, корректировки расчетной температуры на отопление, изменения температурного графика отпуска тепловой энергии (ТЭ) с источника ТЭ происходит, как правило, неравномерная подача тепла потребителям, завышение расходов сетевой воды и сокращение пропускной способности трубопроводов.

В дополнение к этому, как правило, существуют проблемы в системах теплопотребления. Такие как, разрегулированность режимов теплопотребления, разукомплектованность элеваторных узлов, самовольное нарушение потребителями схем присоединения (установленных проектами, техническими условиями и договорами). Указанные проблемы систем теплопотребления проявляются, в первую очередь, в разрегулированности всей системы, характеризующейся повышенными расходами теплоносителя. Как следствие – недостаточные (из-за повышенных потерь давления) располагаемые напоры теплоносителя на вводах, что в свою очередь приводит к желанию абонентов обеспечить необходимый перепад посредством слива сетевой воды из обратных трубопроводов для создания хотя бы минимальной циркуляции в отопительных приборах (нарушения схем присоединения и т.п.), что приводит к дополнительному увеличению расхода и, следовательно, к дополнительным потерям напора, и к появлению новых абонентов с пониженными перепадами давления и т.д. Происходит «цепная реакция» в направлении тотальной разрегулировки системы.

Все это оказывает негативное влияние на всю систему теплоснабжения и на деятельность энергоснабжающей организации: невозможность соблюдения температурного графика; повышенная подпитка системы теплоснабжения, а при исчерпании производительности водоподготовки – вынужденная подпитка сырой водой (следствие – внутренняя коррозия, преждевременный выход из строя трубопроводов и оборудования); вынужденное увеличение отпуска тепловой энергии для сокращения числа жалоб населения; увеличение эксплуатационных затрат в системе транспорта и распределения тепловой энергии.

Необходимо указать, что в системе теплоснабжения всегда имеет место взаимосвязь установившихся тепловых и гидравлических режимов. Изменение потокораспределения (его абсолютной величины включительно) всегда меняет условие теплообмена, как непосредственно на подогревательных установках, так и в системах теплопотребления. Результатом не нормальной работы системы теплоснабжения является, как правило, высокая температура обратной сетевой воды.

Следует отметить, что температура обратной сетевой воды на источнике тепловой энергии является одной из основных режимных характеристик, предназначенной для анализа состояния оборудования тепловых сетей и режимов работы системы теплоснабжения, а также для оценки эффективности мероприятий, проводимых организациями, эксплуатирующими тепловые сети, с целью повышения уровня эксплуатации системы теплоснабжения. Как правило, в случае разрегулировки системы теплоснабжения, фактическое значение данной температуры существенно отличается от своего нормативного, расчетного для данной системы теплоснабжения значения. Графическое отображение возможных значений фактических температур в подающем и обратном трубопроводах на выводе источника тепловой энергии представлено на рис.1.

Рис. 1. Температурный график отпуска тепловой энергии

- температурный график отпуска тепловой энергии 150/70С;

- возможные фактические температуры на выводе источника тепловой энергии.

Таким образом, при разрегулировке системы теплоснабжения температура сетевой воды, как один из основных показателей режима отпуска и потребления тепловой энергии в системе теплоснабжения, оказывается: в подающем трубопроводе практически во всех интервалах отопительного сезона характеризуется пониженными значениями относительно принятого температурного графика центрального качественного регулирования отпуска тепловой энергии; температура обратной сетевой воды, несмотря на это, характеризуется повышенными значениями по сравнению с температурным графиком центрального качественного регулирования отпуска тепловой энергии; перепад температур в подающих и обратных трубопроводах, а именно этот показатель (наряду с удельным расходом сетевой воды на присоединенную тепловую нагрузку) характеризует уровень качества потребления тепловой энергии, занижен по сравнению с требуемыми значениями по температурному графику.

Следует отметить еще один аспект, связанный с увеличением относительно расчетного значения расхода сетевой воды на тепловой режим систем теплопотребления (отопления, вентиляции). Для непосредственного анализа целесообразно воспользоваться зависимостью, которая определяет в случае отклонения действительных параметров и конструктивных элементов системы теплоснабжения от расчетных, отношение действительного расхода тепловой энергии в системах теплопотребления к его расчетному значению.

где - расход тепловой энергии в системах теплопотребления, - расход сетевой воды,
и - температура в подающем и обратном трубопроводах соответственно.

Данная зависимость (*), отображена на рис.2. По оси ординат отложены отношения действительного расхода тепловой энергии к его расчетному значению, по оси абсцисс отношение действительного расхода сетевой воды к его расчетному значению.

Рис. 2. График зависимости расхода тепловой энергии системами теплопотребления от расхода сетевой воды

В качестве общих тенденций, необходимо указать, что, во-первых, увеличение расхода сетевой воды в n раз не вызывает соответствующего этому числу увеличения расхода тепловой энергии, то есть коэффициент расхода теплоты отстает от коэффициента расхода сетевой воды. Во-вторых, при уменьшении расхода сетевой воды подача теплоты в местную систему теплопотребления уменьшается тем быстрее, чем меньше фактический расход сетевой воды по сравнению с расчетным.

Таким образом, системы отопления и вентиляции (доля тепловой нагрузки которых относительно общей на источнике тепловой энергии, в основном для РФ, является определяющей) весьма слабо реагируют на перерасход сетевой воды. Так, увеличение расхода сетевой воды на эти системы относительно расчетного значения на 50% вызывает увеличение теплопотребления только на 10%.

Точка на рис.2 с координатами (1;1) отображает расчетный, фактически достижимый режим работы системы теплоснабжения после проведения наладочных мероприятий. Под фактически достижимым режимом работы подразумевается такой режим, который характеризуется существующим положением конструктивных элементов системы теплоснабжения, тепловыми потерями зданиями и сооружениями и определяющимся суммарным расходом сетевой воды на выводах источника тепловой энергии, необходимым для обеспечения заданной тепловой нагрузки при существующем графике отпуска тепловой энергии.

Также следует отметить, что увеличенный расход сетевой воды, ввиду ограниченного значения пропускной способности тепловых сетей, приводит к уменьшению необходимых для нормальной работы теплопотребляющего оборудования значений располагаемых напоров на вводах потребителей. Следует отметить, что потери напора по тепловой сети определяются квадратичной зависимостью от расхода сетевой воды:

То есть, при увеличении фактического расхода сетевой воды в 2 раза относительно расчетного значения потери напора по тепловой сети увеличиваются в 4 раза, что может привести к недопустимо малым располагаемым напорам на тепловых узлах потребителей и, следовательно, к недостаточному теплоснабжению этих потребителей, что может вызывать несанкционированный слив сетевой воды для создания циркуляции (самовольному нарушению потребителями схем присоединения и т.п.)

Таким образом, в разрегулированной системе теплоснабжения, развитие которой, как правило, происходит по пути увеличения установленной мощности основного оборудования (насосных и водоподогревательной установки источника тепловой энергии), пропускной способности магистральной тепловой сети, параллельно с этими процессами происходит процесс гидравлической разрегулировки, при этом, по сути стихийно складывается объективная ситуация, при которой практически отсутствует не только возможность присоединения новых потребителей без дополнительных капитальных затрат на увеличение пропускной способности сети, установленной мощности сетевых насосных агрегатов, но и на поддержание требуемых параметров на вводах к потребителям.

Дальнейшее развитие такой системы теплоснабжения по пути увеличения расхода теплоносителя, во-первых, потребует замены головных участков теплопроводов, дополнительной установки сетевых насосных агрегатов, увеличения производительности водоподготовки и т.п., во-вторых, ведет к еще большему увеличению дополнительных издержек - расходов на компенсацию электроэнергии, подпиточной воды, потерь тепловой энергии.

Однако, вместе с тем, состав, структура, характеристики, состояние основного оборудования источника тепловой энергии и теплопроводов тепловых сетей, как правило, позволяют рассчитывать на обеспечение эффективной работы всей системы.

Таким образом, технически и экономически более обоснованным представляется развитие такой системы за счет улучшения ее качественных показателей - повышения температуры теплоносителя, перепадов давления, увеличения перепада температур (теплосъема), что невозможно без кардинального сокращения расходов теплоносителя (циркуляционного и на подпитку) в системах теплопотребления и, соответственно, во всей системе теплоснабжения.

При этом сокращаются также и капитальные затраты на развитие системы в случае присоединения новых потребителей, поскольку создается техническая возможность в присоединении без дополнительных капвложений в магистральные сети и источник теплоты.

Таким образом, главным мероприятием, которое может быть предложено для оптимизации такой системы теплоснабжения, является наладка гидравлического и теплового режима системы теплоснабжения. Техническая сущность данного мероприятия заключается в установлении потокораспределения в системе теплоснабжения исходя из расчетных (т.е. соответствующих присоединенной тепловой нагрузке и выбранному температурному графику) расходов сетевой воды для каждой системы теплопотребления. Это достигается установкой на вводах в системы теплопотребления соответствующих дросселирующих устройств (авторегуляторов, дроссельных шайб, сопел элеваторов), расчет которых производится исходя из расчетного перепада давлений на каждом вводе, который рассчитывается исходя из гидравлического и теплового расчета всей системы теплоснабжения.

Следует отметить, что создание нормального режима функционирования такой системы теплоснабжения не ограничивается только проведением наладочных мероприятий, необходимо также проведение работ по оптимизации гидравлического режима системы теплоснабжения.

Режимная наладка охватывает основные звенья системы централизованного теплоснабжения: водоподогревательную установку источника теплоты, центральные тепловые пункты (при наличии таковых), тепловую сеть, контрольно-распределительные пункты (при наличии), индивидуальные тепловые пункты и местные системы теплопотребления.

Наладка начинается с обследования системы централизованного теплоснабжения. Проводится сбор и анализ исходных данных по фактическим эксплуатационным режимам работы системы транспорта и распределения тепловой энергии, сведений по техническому состоянию тепловых сетей, степени оснащённости источника теплоты, тепловых сетей и абонентов коммерческими и технологическими средствами измерения. Анализируются применяемые режимы отпуска тепловой энергии, выявляются возможные дефекты проекта и монтажа, подбирается информация для анализа характеристики системы. Проводится анализ эксплуатационной (статистической) информации (ведомостей учета параметров теплоносителя, режимов отпуска и потребления энергии, фактических гидравлических и тепловых режимов тепловых сетей) при различных значениях температуры наружного воздуха в базовые периоды, полученной по показаниям штатных СИ, а также проводится анализ отчетов специализированных организаций.

Параллельно разрабатывается расчетная схема тепловых сетей. Создается математическая модель системы теплоснабжения на базе расчетного комплекса ZuluThermo, разработки Политерм (г. С-Петербург), способного моделировать фактический тепловой и гидравлический режим работы системы теплоснабжения.

Необходимо указать, что существует достаточно распространенный подход, который заключается в максимальном снижении финансовых затрат, связанных с разработкой мероприятий по наладке и оптимизации системы теплоснабжения, а именно - затраты ограничиваются приобретением специализированного программного комплекса.

«Подводным камнем» при таком подходе является достоверность исходных данных. Математическая модель системы теплоснабжения, созданная на основе недостоверных исходных данных по характеристикам основных элементов системы теплоснабжения, оказывается, как правило, неадекватной действительности.

Так, например, использование коэффициентов шероховатости, принятых на основе срока службы участков трубопроводов тепловой сети, для математического описания сопротивления участков, а не их фактического значения на каждом отдельном участке, приводит к значительному рассогласованию реального и расчетного режимов.

Данное обстоятельство находит наглядное отражение в следующем примере. При расчете системы теплоснабжения, состоящей из одного источника теплоты, одного участка и одного потребителя тепловой энергии (см. рис. 3), при использовании значения коэффициента шероховатости kш = 1, располагаемый напор на вводе потребителя определяется значением Нрасп = 8,5 м (см. рис 4а). Однако, даже при незначительном увеличении коэффициента шероховатости (диапазон которого определяется значениями от 0,2 для новых чистых труб до 7,0 - 9,0 при сильной коррозии) до kш = 1,5 располагаемый напор на вводе потребителя составит уже Нрасп = 2,0 м (см. рис 4б). Отличие значений располагаемых напоров составляет порядка 76%. Как следствие - некорректно рассчитанное значение диаметра сужающего устройства для рассматриваемой системы теплопотребления, приводящее к ненормальному теплоснабжению потребителя.

Рис. 3.Пример системы теплоснабжения с одним теплопотребителем

а)

б)

Рис. 4.Пьезометрический график при а) kш=1.0 б) kш=1.5

Становиться ясно, к каким последствиям приводит использование значений коэффициента шероховатости, неадекватных действительности, в случае расчета достаточно крупной системы теплоснабжения, такой, например, как на рис. 5.

Рис. 5.Пример системы теплоснабжения с количеством тепловых узлов около 3000 и количеством участков трубопроводов порядка 5000.

После установки рассчитанных на такой математической модели, созданной на основе недостоверной исходной информации, дроссельных устройств энергоснабжающая (эксплуатирующая) организация для обеспечения качественного теплоснабжения вынуждена корректировать значительную часть дроссельных устройств, что приводит к разрегулировке тех потребителей, теплоснабжение которых осуществлялось на достаточном уровне. Происходит очередная "цепная реакция" в направлении тотальной разрегулировки системы теплоснабжения, которая возвращается в своё исходное состояние (возможно худшее) в достаточно сжатые сроки.

В конечном итоге, минимизация затрат, связанных с разработкой оптимального режима системы теплоснабжения, приводит к убыткам.

Во избежание таких последствий ООО «ОТЭП» проводит достаточно широкий спектр обследований и испытаний, направленных на получение достоверной исходной информации по характеристикам основного оборудования источника тепловой энергии, центральных тепловых пунктов, теплопроводов тепловых сетей и систем теплопотребления.

На основании достоверных данных создается математическая модель фактического теплового и гидравлического режимов системы теплоснабжения. Выявляется истинное положение дел в системе транспорта и распределения тепловой энергии. Определяются фактические расходы теплоты и сетевой воды по тепловой сети, фактическое гидравлическое сопротивление трубопроводов на каждом отдельном участке тепловой сети, потери напора в тепловой сети, потери напора в коммуникациях источника теплоты, фактические характеристики сетевых и подпиточных насосов.

По результатам обследований и испытаний, с использованием математической модели фактического режима системы теплоснабжения, проводится оценка резервов тепловой экономичности и потенциала энергосбережения.

На основе полученных достоверных данных обследований и испытаний разрабатывается тепловой режим системы теплоснабжения, определяются расходы тепловой энергии и сетевой воды по тепловой сети при расчетных условиях. Следующими этапами являются: проведение гидравлического расчета тепловой сети и систем теплопотребления; разработка оптимального гидравлического режима системы теплоснабжения, обеспечивающего эффективность работы тепловой сети; расчет необходимых дроссельных и смесительных устройств в тепловых сетях, для тепловых пунктов потребителей и отдельных теплоиспользующих установок.

Результатом проведенных работ являются мероприятия по оптимизации режима работы системы теплоснабжения, которые должны быть полностью выполнены до начала работ по регулированию системы.

Следует еще раз подчеркнуть, что достоверность исходных данных является одним из определяющих факторов успешной разработки и внедрения мероприятий по наладке и оптимизации системы теплоснабжения, и, как следствие - получения энергетического и экономического эффектов.

Внедрение разработанных мероприятий во избежание излишних финансовых затрат целесообразно поручить местной специализированной организации.

Регулировка системы теплоснабжения осуществляется в отопительный период после выявления фактического состояния системы теплоснабжения после выполнения всех разработанных мероприятий по наладке и оптимизации режима. Регулирование системы теплоснабжения, суть - обеспечение разработанных гидравлического и теплового режимов, состоит из регулирования основных ее элементов: источника тепловой энергии; тепловой сети; систем теплопотребления. Так, например, при несоответствии фактических расходов расчетным производится корректировка устройств, с помощью которых распределяется теплоноситель (дроссельных диафрагм, сопл элеваторов, автоматических устройств) и т.п.

Таким образом, основными этапами работы по оптимизации теплового и гидравлического режимов системы теплоснабжения являются:

• обследование системы теплоснабжения;
• проведение испытаний, направленных на получение достоверной исходной информации по характеристикам основных элементов системы теплоснабжения;
• создание математической модели фактического теплового и гидравлического режимов системы теплоснабжения;
• разработка теплового режима системы теплоснабжения;
• проведение гидравлического расчета тепловой сети и систем теплопотребления;
• разработка оптимального гидравлического режима системы теплоснабжения;
• расчет необходимых дроссельных и смесительных устройств;
• разработка мероприятий по оптимизации режима системы теплоснабжения;
• проверка выполнения разработанных мероприятий;
• поэлементная регулировка системы теплоснабжения;
• определение энергетического и экономического эффекта от внедрения мероприятий, направленных на оптимизацию режима системы теплоснабжения.

Энергетическая эффективность наладочных мероприятий определяется: увеличением пропускной способности трубопроводов тепловых сетей, что приводит к увеличению располагаемых напоров на вводах теплопотребителей; улучшением температурного режима работы системы теплоснабжения, т.е. использованием в большей мере температурного потенциала теплоносителя; для энергоснабжающей организации выдерживанием параметров режима теплоснабжения на уровне, регламентируемом ПТЭ электростанций и сетей РФ, ПТЭ тепловых энергоустановок.

Таким образом, проведение работ по оптимизации теплового и гидравлического режимов системы теплоснабжения повышает энергоэффективность и надежность ее функционирования при обеспечении требуемого качества отпускаемой тепловой энергии.

Экономическая эффективность работ по оптимизации режима системы теплоснабжения достигается за счет: сокращения расходов топлива за счет ликвидации перегрева систем теплопотребления; сокращения расхода электроэнергии на перекачку теплоносителя за счет снижения удельного расхода сетевой воды и возможного отключения излишних насосных агрегатов; сокращения капитальных затрат на развитие системы в случае присоединения новых потребителей, поскольку создается техническая возможность в присоединении без дополнительных капиталовложений в магистральные сети и источник теплоты; сокращения расхода тепловой энергии, связанной с уменьшением расхода подпиточной воды; сокращения расхода химически очищенной воды на подпитку.

Таким образом, происходит не только улучшение, но и повышение экономичности теплоснабжения. В результате этого ясно, что работа по оптимизации режима системы теплоснабжения является конкретным инструментом в решении задачи общегосударственного значения - энергосбережения.