Применение компьютерных моделей для мониторинга систем теплоснабжения больших городов

Городские теплосети, запитываемые от ТЭЦ и котельных, представляют сложные разветвленные гидравлические системы. В практике их эксплуатации основными проблемами являются недостаточный перепад давлений между прямым и обратным трубопроводами, повышенное давление в обратном трубопроводе, разрегулированность сети (несоответствие расчетных и действительных расходов) у потребителей теплоты и другие проблемы. Причинами указанных проблем могут быть повышенный расход теплоносителя, недостаточные диаметры трубопроводов, уменьшение диаметров труб из-за отложений на их внутренних поверхностях, перекрытие задвижек на участках сети с большими скоростями течения теплоносителя, «паразитные» циркуляции и проч. Решение вопроса о том, какая из этих причин является определяющей, представляется довольно сложной проблемой.

Эффективным средством для наиболее достоверного определения основных причин указанных выше проблем, имеющихся в любой конкретной теплосети, являются компьютерные модели, позволяющие практически полностью воспроизводить гидравлические и температурные режимы их работы, рассматривая теплосети как единые целые системы (с учетом любого количества внутренних кольцевых структур).

Ниже приведены примеры использования компьютерных моделей для расчетов гидравлических сетей. Рассмотренные в примерах задачи решались с использованием программы для ЭВМ «Программа для моделирования гидравлических и тепловых режимов теплосетей ТЭЦ и теплоснабжения», которая специально разрабатывалась для решения подобного класса задач [6]. Основой решения задач являлась задача потокораспределения в гидравлических сетях, которая представляет собой систему уравнений, составленных на основе первого и второго законов Кирхгофа с замыкающими соотношениями, в которых перепад давления может быть описан произвольной непрерывной возрастающей функцией от величины потока по участку сети. В зависимости от типа задач использовались поузловая и поконтурная увязки. Для решения остальных задач использовались различные методы теории графов и исследования операций, термодинамики, экономических расчетов. Это позволяет использовать данный программный продукт как для тактического, так и для стратегического управления сетями.

В качестве языка программирования использовался язык Паскаль. При работе в операционной системе DOS использовалась среда Турбо Паскаль. Для удобства использования разработан специальный графический редактор, который делает наглядным структуру сети, упрощает ее редактирование, изменение входных и анализ выходных данных. База данных позволяет реализовывать многорежимные расчеты сети, осуществлять хранение данных, получаемых от мониторинга гидравлических сетей.

Для работы в операционной системе WINDOWS использовалась среда программирования Delphi. В данной версии этого программного продукта остались неизменными прикладные задачи и изменен интерфейс^[1].

Анализ результатов, полученных для ряда объектов, позволяет заключить, что существуют проблемы, которые являются общими для многих теплосетей. Поэтому практически идентичными будут и пути их решения. В этом смысле весьма показательной является теплосеть, представленная на рис. 9.12. Представляется целесообразным проведение анализа результатов, полученных на компьютерной модели данной теплосети, в целях разработки общих рекомендаций, применимых и для любых других теплосетей [4].

Рис. 9.12. Принципиальная схема тепловых сетей от ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2.

Выполним анализ расчетов теплосетей от ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2, представленных на рис. 9.12. Важной особенностью рассматриваемых тепловых сетей является существенное различие в отметках высот расположения теплоисточников. В частности, отметка высоты ТЭЦ-1 составляет 80 м, а ТЭЦ-2 — 30 м. При этом тепловые сети, запитываемые от ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2, полностью разделены с помощью закрытых задвижек. Практически полностью разделены также один от другого все выводы внутри теплосетей от ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2. Существенное значение имеет тот факт, что ТЭЦ-1, находящаяся на высоте 80 м, запитывает потребителей, расположенных вблизи ТЭЦ-2 на отметке высоты 30 м (см. первый вывод ТЭЦ-1 на рис. 9.12, 9.13) и находящихся от ТЭЦ-1 на расстоянии около 16 км. Кроме того, на расстоянии порядка 3−5 км от ТЭЦ-1 находится участок теплосети с отметкой высоты около 167 м. В связи с этим пьезометрическое давление в обратном трубопроводе по условиям обеспечения циркуляции воды должно поддерживаться на уровне не ниже 180 м, что обеспечивается соответствующими подпорными задвижками (В-24, В-26, см. рис. 9.13, 9.14).

Рис. 9.13. Первый вывод ТЭЦ-1:

 — давление в прямом трубопроводе;  — давление в обратном трубопроводе;  — отметка высоты местности; Р — пьезометрическое давление, м вод. ст.; L — длина трубопроводов, км; НС-6 — понизительная насосная; К-2, К-4,… — тепловые камеры; В-23, В-24 — задвижки Таким образом, перепад давлений в обратном трубопроводе (даже если исключить потерю напора, но длине от трения) будет не менее 180−30 =150 м, и, следовательно, давление в обратном трубопроводе потребителей наиболее низкого участка составит 144 м при допустимом давлении не более 60 м. Для снижения давления в обратном трубопроводе воду из этого пониженного участка местности приходится выкачивать, используя мощную понизительную насосную, каковой является насосная НС-6. С ее помощью давление понижается почти на 120 м. Из этого можно заключить, что особенности рельефа местности (наличие возвышенности на пути теплоносителя к потребителю) создают ситуацию, когда источник теплоты в виде ТЭЦ-1 находится, по сути, не на высоте 80 м, а на высоте 162 м, и вследствие этого давление в обратном трубопроводе при прохождении теплоносителя через возвышенный участок местности по условиям безкавитационного течения жидкости должно поддерживаться на уровне не ниже 180 м (см. рис. 9.13). При этом давление в прямом трубопроводе должно быть таким, чтобы обеспечить у потребителей требуемый располагаемый перепад давлений, в частности на выводах ТЭЦ-1 оно поддерживается на уровне 240 м (пьезометрическое давление).

Рис. 9.14. Второй вывод ТЭЦ-1. НС-2, НС-3 — понизительные насосные.

Вместе с тем ТЭЦ-2, находящаяся на высоте 30 м, запитывает потребителей, расположенных на отметках высоты, достигающих 113 м. Перепад высот составляет 113 — 30 = 83 м. Чтобы поднять воду на такую высоту и создать соответствующую разность давлений между прямой и обратной магистралями, приходится использовать повысительные насосные (в схеме ТЭЦ-2 три такие насосные), так как располагаемого перепада давления, создаваемого сетевыми насосами ТЭЦ-2 (около 50 м), для этих целей явно недостаточно.

С учетом сказанного можно отмстить нецелесообразность запитки потребителей, находящихся на высоте 113 м, от ТЭЦ-2, каскадно повышая при этом давление теплоносителя с помощью повысительных насосных НС-4, НС-5 и НС-7.

Если этих потребителей запитывать от ТЭЦ-1, то давления, создаваемого ее сетевыми насосами, будет вполне достаточно и без использования повысительных насосных.

Аналогично этому нецелесообразно потребителей, расположенных на отметках высот 30−50 м, запитывать от ТЭЦ-1, отметка высоты которой с учетом возвышенности составляет 167 м, а расстояние до этих потребителей 14−16 км (в то время как на расстоянии 3−4 км от них находится ТЭЦ-2, отметка высоты которой сопоставима с отметками высот этих потребителей). В данном случае вместо повысительных насосных для возврата теплоносителя на ТЭЦ-1 на обратной магистрали требуется устанавливать три понизительные насосные (НС-2, НС-3, НС-6). Из этого можно сделать вывод, что подобная запитка потребителей приводит к использованию значительного числа повысительных и понизительных насосных и, следовательно, имеет место существенный перерасход энергии на перемещение теплоносителя, а также затрат средств на обслуживание насосных.

В связи с этим можно предложить следующую схему запитки потребителей от ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2 (на рис. 9.12 схема деления отмечена волнистой линией). Передать всю нагрузку потребителей, находящихся на отметках высот от 30 до 50 м, теплоисточнику ТЭЦ-2, а нагрузку потребителей на отметках высот более 60 м — теплоисточнику ТЭЦ-1. Как показали исследования, такая рокировка нагрузки в схеме существующей теплосети возможна при условии реконструкции трубопроводов с изменением диаметра с 400 до 800 мм на участке теплосети общей протяженностью около 1,1 км. При этом отсутствует необходимость использования всех (трех) повысительных насосных и одной понизительной, а мощность оставшихся двух понизительных насосных может быть несколько снижена.

Анализ результатов расчетов пьезометрического давления для первого вывода ТЭЦ-2 (см. рис. 9.13) позволяет заключить, что в районе тепловой камеры К-55 располагаемый перепад давлений между прямой и обратной магистралями составляет менее 10 м вод. ст. (полученные в результате моделирования графики и, соответственно, числовые данные в тексте приведены с использованием данной единицы измерения; об ее использовании в гидравлике и соотношениях с системными единицами см. параграф 3.7) при минимально допустимом (паспортном) значении 10 м вод. ст. Казалось бы, основной причиной недостаточного располагаемого перепада давлений является значительная потеря напора (около 32 м вод. ст.) на участке прямого трубопровода между тепловыми камерами К-54 и К-55, и реконструкция этого участка с увеличением диаметра трубопроводов была бы решением данной проблемы. Однако эту проблему точно так же можно решить, уменьшив на соответствующую величину дросселирование (понижение) давления в прямом трубопроводе с помощью задвижки В-23.

Аналогичным путем можно решить проблему недостаточного располагаемого перепада давления в районе камеры К-19 второго вывода ТЭЦ-1 (см. рис. 9.14) — уменьшив дросселирование давления в прямом трубопроводе с помощью задвижки В-27.

Отсюда можно сделать следующий важный вывод: для потребителей, расположенных после понизительных насосных НС-2, НС-3 и НС-6, совершенно безразлично, каков располагаемый перепад давления на выходе ТЭЦ-1. Дело в том, что при столь высоком (240 м вод. ст.) давлении, создаваемом в прямых трубопроводах (что связано с необходимостью перемещения теплоносителя через участок местности высотой 162 м), для потребителей, находящихся ниже отметки высоты 120 м (основная часть потребителей теплоты от ТЭЦ-1), располагаемый перепад давления составляет 240 — 120 = 120 м вод. ст. Этого перепада вполне достаточно, чтобы без проблем запитать не только текущую, но и всю дополнительную нагрузку. Для этого необходимо лишь правильно отрегулировать совместную работу дросселирующих клапанов на прямых магистралях и понизительных насосных на обратных трубопроводах. Подобная настройка эффективно может быть выполнена на компьютерной модели.

Эпюры давления, характеризующие текущее состояние на тепловыводах от ТЭЦ-2, даны на рис. 9.15−9.18. Анализ полученных результатов позволяет заключить, что практически на всех выводах главной проблемой является недостаточный располагаемый перепад давления. Например, на первом пути третьего вывода (см. рис. 9.17) он составляет всего около 8 м вод. ст. (в районе тепловой камеры К-31), а в районе камеры К-16 второго пути третьего вывода (см. рис. 9.18) происходит пересечение пьезометрических линий прямого и обратного трубопроводов. Основные причины такого положения следующие.

Puc. 9.15. Первый вывод ТЭЦ-2.

Рис. 9.16. Второй вывод ТЭЦ-2.

Во многих теплосетях путем перекрытия задвижек в целях разделения тепловыводов (в теплосети на рис. 9.12 имеется 18 перекрытых задвижек) создается совершенно неоправданное искусственное сопротивление. В то же время в сложных тепловых сетях задвижки необходимо перекрывать для устранения кольцевых структур (но не разделения тепловыводов). Дело в том, что в кольцевых сетях могут возникать застойные зоны, паразитные циркуляции, а также ухудшается управляемость сети и усложняется поиск аварийных участков (обрывы трубопроводов, утечки теплоносителя и проч.). Поэтому во всех сложных тепловых сетях строится некоторое дерево, в котором жидкость может от его корня (начало тепловыводов у источников теплоты) достигать любого отдаленного потребителя, не проходя по кольцу.

Рис. 9.17. Третий вывод ТЭЦ-2 (первый путь).

Рис. 9.18. Третий вывод ТЭЦ — 2 (второй путь) (НС-4, НС-5 — повысительные насосные).

Результаты расчетов на компьютерных моделях ряда сложных тепловых сетей показывают, что практически во всех сетях построенные с помощью перекрытых задвижек деревья не являются оптимальными по их общему сопротивлению, оказываемому движущемуся теплоносителю. Разделение тепловыводов с помощью перекрытых задвижек в большинстве случаев выполнено на участках с высокой скоростью течения теплоносителя, что приводит к большим потерям напора, так как такие задвижки представляют существенное гидравлическое сопротивление. В результате повышенных потерь напора на отдельных тепловыводах могут возникать серьезные проблемы в виде пересечения линий пьезометрического давления прямого и обратного трубопроводов, а также повышенного давления в обратных трубопроводах. То, что дерево, построенное в теплосетях от ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2, не оптимально, показывают скачки давления в прямых и обратных трубопроводах в точках, где находятся перекрытые задвижки (см. рис. 9.15, 9.18).

Оптимальным является дерево, когда разделения в сети выполнены на участках с минимальной скоростью течения среды либо в застойных зонах (естественное разделение тепловыводов). Сеть с оптимальным разделением тепловых путей обладает всеми свойствами древовидных сетей при отсутствии закольцованных участков. Результаты расчетов показывают, что для сложных теплосетей, имеющих большое число перекрытых задвижек, создание оптимального дерева в ряде случаев позволяет на 15−20 м вод. ст. увеличить располагаемый перепад давления. На соответствующую величину уменьшается также давление в обратных трубопроводах.

По результатам исследования теплосети могут быть сделаны следующие выводы.

• 1. Применительно к любым сложным тепловым сетям, содержащим большое число внутренних кольцевых структур, необходимо строить оптимальное дерево путем перекрытия задвижек лишь на участках сети с минимальными скоростями течения теплоносителя либо в застойных зонах (зонах естественного разделения тепловыводов). Наиболее эффективным средством построения оптимального дерева теплосети является ее компьютерная модель, позволяющая определить количество задвижек и участки, на которых их наиболее целесообразно установить.
• 2. На тепловых сетях со сложным рельефом местности (с большими различиями в отметках высоты источника и потребителя), как правило, приходится применять повысительные и понизительные насосные (иногда целый каскад таких насосных). В данном случае проблемы могут возникать не по причине больших потерь напора на отдельных участках сети из-за недостаточного диаметра трубопроводов, а в результате неправильной настройки совместной работы понизительных (повысительных) насосных и дросселирующих задвижек на прямых (подпорных задвижек на обратных) трубопроводах. В случае применения каскада насосных наибольшая эффективность подобной настройки может быть достигнута путем применения насосов с регулируемым приводом (по числу оборотов электродвигателя). Отметим, что в компьютерной модели могут быть заложены характеристики насосов, позволяющие установить любое число оборотов привода.
• 3. Применительно к тепловым сетям, когда на пути теплоносителя к основному потребителю находится возвышенный участок местности (см. рис. 9.17), целесообразно для потребителей, находящихся до возвышенности, организовывать отдельный контур теплоснабжения с пониженными (но давлению) параметрами теплоносителя. В этом случае давление в прямом трубопроводе, питающем основную (по величине расхода) нагрузку, находящуюся за возвышенным участком местности (отметка высоты которой меньше, чем отметка высоты источника), может быть существенно снижено. Например, применительно к теплосети от ТЭЦ-1 давление в прямом трубопроводе может быть снижено на величину около 40 м вод. ст. Отметим, что данное мероприятие наиболее целесообразно применять в проектах вновь строящихся систем теплоснабжения, а также при основательных модернизациях существующих теплосистем. Схема с раздельными контурами отопления позволит получить значительную экономию средств, ввиду того что благодаря ей можно отказаться от двух взаимоисключающих процессов — давление вначале поднимается до больших величин 240 м вод. ст. а затем (после возвышенного участка местности) дросселируется на 80 м вод. ст. (см. рис. 9.13).

• [1] Для приобретения программного продукта необходимо обратиться к авторам учебника по адресуЭтот адрес e-mail защищен от спам-ботов. Чтобы увидеть его, у Вас должен быть включен Java-ScriptилиЭтот адрес e-mail защищен от спам-ботов. Чтобы увидеть его, у Вас должен быть включен Java-ScriptДля обучения работе программа высылается, но электронной почте. Вариант для обучения содержит все базовые элементы программы, уменьшена только размерность решаемых задач. Число узлов сети не должно превышать 30, число участков — не более 50. Для решения производственно-промышленных задач необходимо обратиться по этим же адресам. Распространение программы предполагает ее адаптацию под задачи заказчика, обучение методам решения задач с последующим сопровождением.