Методика плавного регулирования температуры теплоносителя на выходных коллекторах энергоисточников

Методика плавного регулирования температуры теплоносителя на выходных коллекторах энергоисточников

Предлагаемый нормативными документами метод регулировки температуры сетевой воды, отпускаемой от коллекторов энергоисточников в тепловые сети, основывается на ежедневном регулировании два раза в сутки температуры сетевой воды вслед за изменением текущей температуры наружного воздуха в строгом соответствии с утвержденным температурным графиком.

Такой метод регулирования (назовем его традиционным) имеет ряд недостатков.

¦ Постоянные изменения температуры сетевой воды с амплитудой 5ч15 ^ОС, а в ряде случаев и более, даже если они выполняются с нормативной скоростью — менее 30 ^ОС в час, являются фактором стрессового воздействия на трубопроводы тепловых сетей и тем самым приводят к снижению их эксплуатационного ресурса. Это выражается в повышении повреждаемости тепловых сетей, еще не выработавших нормативный срок эксплуатации.

¦ Для энергоисточников с комбинированной выработкой электрической и тепловой энергии (ТЭЦ) частые изменения температуры теплоносителя несовместимы с заблаговременным планированием электрической нагрузки. Поэтому для такой энергоснабжающей организации традиционный метод регулирования теплоотпуска неминуемо будет сопровождаться материальным ущербом из-за штрафных санкций за нарушение планов по электрической выработке, либо по причине работы теплофикационного оборудования ТЭЦ в экономически невыгодном режиме.

Предлагаемая методика регулирования температуры сетевой воды, отпускаемой от энергоисточника на теплоснабжение потребителей, базируется на двух принципах.

• 1. Стремление обеспечить выполнение условия: суммарная тепловая энергия, передаваемая от энергоисточника по тепловым сетям потребителям тепла за период времени равный 6-ти суткам, должна быть максимально близка к величине нормативного расчетного теплоотпуска за этот период, которая определяется, как тепловая энергия, передаваемая потребителям при ежесуточном регулировании температуры сетевой воды по текущей среднесуточной температуре наружного воздуха в соответствии с утвержденным температурным графиком. При этом в каждые отдельные сутки установленного интервала времени температура сетевой воды может отличаться от рассчитанной по температурному графику для погодных условий именно этих суток.
• 2. Стремление сделать регулирование температуры теплоносителя как можно более плавным, т. е. уменьшить частоту и амплитуду ее колебаний.

Введем обозначение: i — номер суток рассматриваемого в методике шестидневного интервала времени, причем:

i=0 соответствует дню, когда выполняется расчет температурного задания;

i=-1 и i=-2 — дням, предшествующим выполнению расчета;

i=1 — день планирования температурного режима;

i=2 и i=3 — дни, следующие за днем планирования режима.

В соответствии с этим величину среднесуточной температуры сетевой воды, отпускаемой от энергоисточника по подающим трубопроводам тепломагистралей в i-е сутки рассматриваемого интервала, обозначим: Tⁱ₁, а среднесуточное значение температуры наружного воздуха за эти сутки: tⁱ_нв, причем подразумеваем, что:

T^-2₁, T^-1₁, T⁰₁ — фактические значения среднесуточной температуры теплоносителя за два дня, предшествующих расчету и фактическое температурное задание на день выполнения расчета;

T¹₁ — рассчитываемая по предлагаемой методике на день планирования температурного режима температура сетевой воды, которую предполагается поддерживать на выходных коллекторах энергоисточника в течение 3-х последующих суток;

t^-2_нв, t^-1_нв — фактические значения среднесуточной температуры наружного воздуха за два предшествующих дня;

tⁱ_нв при i=0, 1, 2, 3 — прогноз Гидрометцентра по среднесуточной температуре наружного воздуха на текущий день и трое последующих суток.

При построении расчетного алгоритма используются следующие исходные функциональные зависимости:

и₁(t_нв) — определяет расчетную зависимость температуры сетевой воды T₁ от температуры наружного воздуха (t_нв) по утвержденному для рассматриваемого энергоисточника температурному графику (в качестве примера на рис. 1 представлен температурный график работы большинства теплоисточников ОАО «ТГК-1»);

и₂(t_нв) — определяет расчетную зависимость «обратной» температуры сетевой воды Т₂ (возвращающейся на ТЭЦ от потребителей тепла) от температуры наружного воздуха t_нв при условии поддержания Т₁ в соответствии с утвержденным для рассматриваемого энергоисточника температурным графиком.

Сформулированные принципы методики регулирования температуры сетевой воды (T₁) можно представить в математическом виде, как стремление к минимизации следующего функционала:

где Qⁱ_ФП — фактическая, либо прогнозируемая величина теплоотпуска от энергоисточника в тепловые сети в зависимости от значения индекса i, а именно:

для i=-2, -1 — фактический теплоотпуск от рассматриваемого энергоисточника за i-е сутки периода, предшествующего дню проведения расчета;

для i=0 — прогнозируемый теплоотпуск от рассматриваемого энергоисточника за текущие сутки (i=0) с учетом уже установленного на ТЭЦ задания по температуре сетевой воды (Т°₁);

для i=1, 2, 3 — прогнозируемый теплоотпуск от рассматриваемого энергоисточника за i-е сутки трехдневного периода, следующего за днем расчета планируемого температурного режима, при условии выполнения спланированного задания на протяжении всего этого интервала, т. е.

T¹₁, T¹₁, T¹₁

Расчетная формула:

T₂ⁱ — обратная температура теплоносителя, соответствующая температуре наружного воздуха t_нв при поддержании в подающем трубопроводе температуры T₁ⁱ, которая рассчитывается по формуле:

Q^l_расчет — расчетная величина требуемого теплоотпуска от энергоисточника в i-е сутки рассматриваемого периода, вычисленная по утвержденному температурному графику при заданных значениях tⁱ_нв:

ЇT₁ — температура стабилизации, т. е. значение T₁, вблизи которого предполагается стабилизировать температуру теплоносителя, чтобы сделать регулирование температурного режима по возможности плавным. Предлагается в качестве ЇТ₁ в расчетные формулы подставлять значение задания по температуре сетевой воды в день планирования (Т°), тогда второй член в формуле (1) будет выражать стремление сохранить температуру теплоносителя на предстоящий день регулирования неизменной.

k — коэффициент стабилизации, величина которого определят степень плавности регулировки температуры: чем k больше, тем более плавным будет график изменения температуры сетевой воды, но вместе с тем увеличивается отличие фактической тепловой энергии, отпускаемой потребителям за рассматриваемый интервал времени от расчетной величины (требуемой, исходя из температурного графика при ежедневном регулировании по текущей температуре наружного воздуха). Оптимальное значение к выбирается из условия, чтобы отличие суммарного фактического теплоотпуска за рассматриваемый период (6 дней) от расчетного не превышало конкретно выбранной величины: 35%. Рекомендуемое значение: к=3.

Q_ГВС — нагрузка горячего водоснабжения, Гкал/ч.

G₂ — циркуляционный расход теплоносителя, т/ч.

c=10^-3 — удельная теплоемкость сетевой воды, Гкал/(град.т).

При построении алгоритма расчета принимаются следующие допущения:

• 1. Нагрузка горячего водоснабжения постоянна, не зависит от Т₁ и t_нв и равна расчетной среднесуточной нагрузке ГВС — Q_гвс.
• 2. Циркуляционный расход теплоносителя является величиной неизменной и равен расчетной величине G₂.

Условие минимума функционала Ф:

Подставляя в это уравнение формулу (1) получим уравнение:

Для упрощения дальнейших преобразований введем следующее обозначение:

Опуская дальнейшие преобразования уравнения (6), приведем итоговое выражение для расчета T¹₁:

Т.о. эта формула позволяет рассчитать задание по температуре сетевой воды на предстоящие сутки, используя следующие исходные данные: о фактических погодных условиях и температуре сетевой воды за предшествующие 2 суток, фактическом задании по температуре сетевой воды на текущие сутки и прогнозе Гидрометцентра на текущий день и трое последующих суток.

Практическое использование данной методики предполагает, что расчет температурного режима на последующий период регулирования (продолжительностью трое суток) выполняется ежедневно в 13:00, после получения прогноза Гидрометцентра о погоде на предстоящую неделю. Однако фактическая корректировка температурного задания выполняется только в том случае, если результат расчета требует изменения температуры теплоносителя на величину более 2 ^ОС.

Эффект от применения предлагаемой методики регулирования температуры теплоносителя для фактических погодных условий г. СанктПетербурга в период отопительного сезона 2011;2012 гг. наглядно иллюстрируют графики на рис. 2.

Из сравнения графиков изменения температуры теплоносителя при двух альтернативных методах регулирования теплоотпуска становится очевидным, что традиционный метод регулирования приводит к необходимости значительно более частых и резких изменений температуры теплоносителя. Так число дней в отопительном сезоне, когда требуется изменять температуру теплоносителя более чем на 5 ^ОС, при традиционном методе регулирования составляет: 65, причем максимальная амплитуда суточного изменения температуры достигает 18 ^ОС! В случае применения предлагаемой методики плавного регулирования теплоотпуска амплитуда суточного изменения температуры в течение всего отопительного сезона не превышает 4,4 ^ОС. Очевидно, что такой режим работы тепловых сетей с эксплуатационной точки зрения является более предпочтительным.

Важнейший вопрос, который возникает при анализе эффективности использования предлагаемой методики регулирования теплоотпуска: как ее применение скажется на качестве теплоснабжения потребителей (температуре внутри отапливаемых зданий)? Для ответа на этот вопрос выполнены сравнительные оценочные расчеты изменения температуры внутри отапливаемых зданий при фактических погодных условиях отопительного сезона 2011;2012 гг. для двух способов регулирования теплоотпуска: традиционном (по текущей среднесуточной температуре наружного воздуха) и в соответствии с методикой, предлагаемой в данной работе.

При разработке алгоритма расчета изменения температуры внутри отапливаемых зданий использовались следующие упрощающие предположения:

¦ температура наружного воздуха (t_нв) изменяется скачкообразно от одного среднесуточного значения к другому;

¦ температура теплоносителя в процессе регулирования теплоотпуска (Т₁) также изменяется скачкообразно один раз в сутки (одновременно с t_нв).

Тогда изменение температуры внутри отапливаемых зданий (t_вп) в течение суток (в промежутке между двумя последовательными скачкообразными изменениями t_нв и Т₁) описывается следующей математической зависимостью:

где t_вп — текущая температура внутри здания после исходного скачкообразного изменения t_нв до величины t⁰_нв и Т₁ до T⁰₁;

t⁰_вп — температура внутри здания, установившаяся к рассматриваемому моменту скачкообразного изменения температуры наружного воздуха и теплоносителя, которые в течение всех последующих суток остаются постоянными, равными: t⁰_нв и Т°₁ соответственно;

ф — текущее время, прошедшее с момента исходного скачкообразного изменения температуры наружного воздуха;

ф₀ — время, характеризующее «скорость» перехода к новому установившемуся режиму (аккумулирующая способность здания), которая принимается равной 36 часов;

?t_стац — изменение температуры внутри здания в случае перехода к новому установившемуся режиму, т. е. при условии, что температурный режим после «исходного» скачка температуры в дальнейшем останется неизменным.

Для расчета этой величины можно предложить следующую формулу:

t_нв^расч=-26 ^ОС — расчетная температура наружного воздуха;

t_вп^расч =+18 ^ОС — расчетная температура внутри отапливаемых зданий;

T⁰₃, T⁰₂ — температура теплоносителя на входе и выходе из отопительной системы отапливаемого здания, соответствующие установленной в тепловых сетях T⁰₁ при температуре наружного воздуха t⁰_нв (рассчитываются на основании утвержденного температурного графика);

Т_з^расч, Т₂^расч — значения температуры на входе и выходе из отопительной системы отапливаемого здания (по температурному графику) при расчетной температуре наружного воздуха t^расч_нв. Рассчитанные в соответствии с изложенным алгоритмом графики изменения температуры внутри отапливаемых зданий в отопительный период 2011;2012 гг. при двух альтернативных методах регулирования теплоотпуска представлены на рис. 3. Из сравнения этих графиков следует, что температура внутри отапливаемых зданий в случае использования предлагаемой методики отклоняется от графика ее изменения при традиционном способе регулирования не более чем на 2 ^ОС и в течение всего отопительного сезона не снижается ниже 18 ^ОС, что считаю допустимым.

температура вода экономический.