Методы комплексной реконструкции теплоснабжающих систем при совместной работе источников на единые тепловые сети

В настоящее время на производство тепла в стране расходуется около 400 млн. т у. т, или около 44% всех первичных энергоресурсов, направляемых на внутреннее энергопотребление России. В теплоснабжающих системах (ТСС) страны на перекачку теплоносителя расходуется более 7% генерируемой электроэнергии, суммарная протяженность тепловых сетей (ТС) составляет около 177 тыс. км (в двухтрубном исполнении) [1].

Основу теплоснабжения в нашей стране составляют системы централизованного теплоснабжения. Их доля в структуре производства тепловой энергии составляет 73%. В настоящее время здесь работает около 585 теплоэлектроцентралей (ТЭЦ), более 3000 котельных производительностью выше 20 Гкал/ч и ряд прочих источников тепла (ИТ). К этой группе также относятся электростанции и котельные промышленных предприятий, которые поставляют тепло только на свои производственные нужды, без отпуска его на сторону.

В 2007 г. системами централизованного теплоснабжения было отпущено около 1444 млн. Гкал. Именно здесь сосредоточены наибольшие потери тепла в магистральных и распределительных сетях. По укрупненной оценке суммарные потери тепла достигают 30%.

Сфера децентрализованного теплоснабжения, производящая 27% тепла, включает 63 тысячи котельных единичной тепловой мощностью менее 20 Гкал/ч и не менее 12 млн. автономных (индивидуальных) генераторов тепла. В целом их теплотехнические и экономические показатели, за исключением новых типов автономных теплогенераторов на газе, значительно уступают эффективности крупных котельных.

В предшествующие годы развитие теплоснабжения в нашей стране было ориентировано на создание крупных систем централизованного теплоснабжения с предпочтительным применением комбинированной выработки тепловой и электрической энергии на ТЭЦ. При этом не уделялось должного внимания эффективности систем, надежности и качеству теплоснабжения.

Рост масштабов систем централизованного теплоснабжения в стране долгое время не сопровождался соответствующим повышением их технического и организационного уровня. Схемные и конструктивные решения в ТСС остаются фактически неизменными со времени создания небольших по масштабам и простых по структуре систем. Не соответствует, в достаточной мере, современным требованиям уровень проектирования и строительства тепловых сетей. Медленно внедряются прогрессивные конструкции и индустриальные методы прокладки теплопроводов. Практически отсутствует комплексная автоматизация процессов производства, транспорта, распределения и потребления тепловой энергии.

В процессе развития были созданы очень крупные, плохо управляемые и ненадежные системы, не позволяющие в должной мере использовать все преимущества централизации.

Продолжает сохраняться тенденция снижения конкурентоспособности крупных систем и отказ от них потребителей. Несмотря на это, централизованное теплоснабжение в России и, прежде всего, комбинированное производство тепловой и электрической энергии останется основным способом обеспечения тепловой энергией потребителей страны и перспективным направлением дальнейшего развития теплового хозяйства (ТХ) России. Данные системы наиболее подготовлены к структурным изменениям их построения, к реализации новых передовых технологий и внедрению энергоэффективного оборудования.

В этих условиях особую актуальность и большую народнохозяйственную значимость приобретает проблема повышения эффективности и надежности функционирования ТСС, требующая решения вопросов рационального использования топлива, материальных и трудовых ресурсов, энергосбережения, улучшения экологической обстановки и оказания на высоком уровне социальных услуг населению.

Основными задачами здесь являются: обоснование оптимальных уровней концентрации мощностей источников теплоты, формирование иерархической структуры построения систем, обеспечение их надежности и управляемости, а также поиск путей реализации энергосберегающих технологий на базе энергоэффективного оборудования. Одной из перспективных задач инновационного развития ТСС является объединение нескольких ИТ для работы на общие ТС и оптимальное перераспределение тепловой нагрузки между ними в процессе эксплуатации [2]. Фактически такая работа систем централизованного теплоснабжения реализует все их преимущества и основное предназначение создания крупных теплоисточников и разветвленных тепловых сетей.

При этом возникает новый аспект научных исследований по созданию методической базы, позволяющей осуществлять постановку задач и получать решения, обеспечивающие реализацию совместной работы источников на единые тепловые сети и способствующие эффективному функционированию ТСС.

Другой аспект этой проблемы связан с техническими вопросами изменения структуры систем, технологическим переоснащением источников, тепловых сетей и установок потребителей, оснащением их автоматизированными системами регулирования и управления производством, транспортом и потреблением тепловой энергии, применением более эффективных схем присоединения систем 1 теплопотребления, систем измерения, учета и автоматического регулирования и т. п.

Предмет и объект исследования. Предметом исследования являются разрабатываемые подходы к решению задач комплексной реконструкции ТСС и развиваемые методы оптимизации теплоснабжающих систем при совместной работе источников на общие тепловые сети.

Объектом исследования являются теплоснабжающие системы (источники, тепловые сети и установки потребителей), структура их построения и перспективные технологии, обеспечивающие эффективное I функционирование систем при совместной работе источников на общие тепловые сети.

Цели работы состоят: в постановке и структуризации комплексной проблемы реконструкции систем централизованного теплоснабжения при организации совместной работы источников на общие тепловые сетив обосновании и разработке взаимосогласованных методик, алгоритмов и программ для постановки и решения комплекса задач по реконструкции и развитию ТССв формировании энергоэффективных направлений технического преобразования теплоснабжающих системв проведении исследовательских и реальных расчетов, подтверждающих практическую значимость и эффективность предлагаемых подходовв. разработке практических рекомендаций по реконструкции конкретных систем, обеспечивающих переход на качественно новый, соответствующий передовым тенденциям уровень их функционирования.

Выполнение поставленных целей предполагает решение комплекса задач рассматриваемых в настоящей работе. Среди них можно выделить следующие:

1. Анализ проблем, препятствующих организации совместной работы источников на единые тепловые сети, и основные направления их решения.

2. Исследование влияния совместной работы источников на технико-экономические показатели функционирования теплоснабжающих систем.

3. Постановка и решение задач, составляющих проблему реконструкции ТСС при совместной работе источников и организации режимов эксплуатации системы.

4. Развитие и адаптация методического, алгоритмического и программного обеспечения для обоснования решений при организации совместной работы теплоисточников. 1.

5. Разработка основных направлений технического преобразования теплопотребляющих установок и тепловых сетей, а так же схем подключения источников, обеспечивающих совместную их работу в системах централизованного теплоснабжения.

6. Апробирование предложенных подходов и методов на реальных объектах с целью оценки их практической эффективности.

Методология исследований опирается на основные положения системных исследований в энергетике, на теорию гидравлических цепей (ТГЦ), математическое моделирование, теорию надежности, экономику энергетики. Содержательные исследования базируются на вычислительном эксперименте и практических расчетах.

Научная новизна основных положений, вынесенных на защиту, заключается в следующем:

1. Впервые осуществлена постановка и структуризация проблемы комплексной реконструкции ТСС при организации совместной работы источников на единые тепловые сети с учетом современных требований и условий.

2. Исследованы зависимости системных технико-экономических показателей теплоснабжающих систем при переходе от раздельной к совместной работе источников на общие тепловые сети.

3. Впервые выполнена постановка общей задачи комплексной реконструкции системы при организации совместной работы источников с выделением решаемых при этом подзадач и методов их решения.

4. Предложен подход к решению задач реконструкции ТСС с целью организации совместной работы источников на общие тепловые сети.

5. Определены требования к структуре и техническому оснащению систем при организации совместной работы источников с использованием перспективных направлений технической политики в сфере теплоснабжения.

6. Разработаны практические рекомендации по развитию и реконструкции исследуемых реальных теплоснабжающих систем различных городов страны.

Полученные в работе результаты ориентированы на:

1) комплексность исследования, включая постановку проблемы, методику ее решения, технические меры и рекомендации, учитывающие перспективы развития ТСС;

2) обязательный учет существующего состояния системы, т. е. ее фактических структуры, схемы соединений и параметров всех основных элементов и максимальное использование заложенных в нее преимуществ;

3) применение и развитие современных методов оптимизации — на базе теории гидравлических цепей и теории математического программирования;

4) реализацию инновационных технологий функционирования ТСС с использованием энергоэффективного оборудования, систем регулирования и измерений;

5) получение на основе объектных исследований некоторых общеэнергетических выводов,' относящихся к методам реализации совместной работы источников на единые тепловые сети, к принципам построения систем, техническому оснащению, основам регулирования и управления режимами.

Практическая ценность результатов диссертационной работы. Внедрение предлагаемых методических положений и общесистемных рекомендаций в проектную практику повысит экономическую эффективность ТСС, что в свою очередь будет способствовать достижению высокого уровня комфорта у потребителей, а также будет содействовать активной реализации энергосбер! егающей политики в теплоснабжении.

Предложенные в диссертации методические и практические рекомендации по структурному преобразованию ТСС, техническому их переоснащению, приоритетности энергосберегающих технологий являются основой для формирования перспективных направлений технической политики в области теплоснабжения и создают условия для повышения конкурентоспособности теплофикационных систем по отношению к другим способам производства тепловой энергии.

Методические и практические результаты диссертации были использованы:

• в «Стратегии развития топливно-энергетического комплекса» Магаданской области (2006 г.), Сахалинской области (2007 г.), Чукотского автономного округа (2008 г.), разрабатываемых по заданию Администраций субъектов;

• в работе «Обоснование инвестиций по реконструкции системы энергоснабжения (с целью оптимизации) Центрального и Адмиралтейского районов г. Санкт-Петербурга» (2006 г.), выполненной по заданию Администрации г. Санкт-Петербург;

• в работе «Технико-экономическое обоснование развития системы теплоснабжения Ново-Иркутской ТЭЦ г. Иркутска» (2005 г.) выполненной по заданию Администрации г. Иркутска;

• в проекте «Газификация коммунальных потребителей г. Усть-Кут», выполненной по заданию Администрации г. Усть-Кут.

Многие практические рекомендации по преобразованию ТСС перечисленных городов находятся в стадии проектирования или уже реализуются.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на двух всероссийских научных семинарах с международным участием, на 5 всероссийских научно-практических конференциях, на 5 конференциях научной молодежи ИСЭМ СО РАН, Ученых советах Института Систем Энергетики им. Л. А. Мелентьева СО РАН (ИСЭМ).

Публикации. Результаты выполненных в диссертации исследований изложены:

• в отдельных главах двух книг, вышедших в издательстве «Наука»;

• в статье, опубликованной в журнале «Теплоэнергетика»;

• в изданиях ИСЭМ, других институтов и организаций;

• в материалах Всесоюзных симпозиумов, конференций и семинаров;

• в двух «Схемах теплоснабжения городов».

Состав и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы. Общий объем 137 стр., из них: 123 стр. текста, 23 рисунка и 7 таблиц.

Список литературы

содержит 105 наименований.

Основные результаты диссертационной работы состоят в I следующем:

1. Выполнен анализ современного состояния в области теплоснабжения. Показано, что в условиях рыночно-ориентированной экономики появляются новые факторы, которые существенно влияют на дальнейшие направления развития теплоснабжающих систем. Это обуславливает необходимость перехода к инновационным технологиям функционирования теплоснабжающих систем, обеспечивающих повышение их эффективности и конкурентоспособности.

2. Сформулирована постановка комплексной проблемы организации совместной работы источников в единой теплоснабжающей системе, выполнена ее структуризация и предложены методические подходы ее решения.

3. Разработана общая математическая модель для решения поставленной задачи, решение которой одним универсальным методом не представляется возможным. Проведенные исследования позволили осуществить ее декомпозицию на отдельные относительно самостоятельные задачи. Их постановка и решение получили развитие в рамках разрабатываемой в ИСЭМ теории гидравлических цепей. Они прошли практическую апробацию и хорошо зарекомендовали себя в расчетах разнотипных, сколь угодно сложных, реальных теплоснабжающих систем.

4. Разработана математическая модель и методический подход решения задачи оптимального распределения тепловой нагрузки между источниками в зависимости от ее изменения в течение отопительного периода и года в целом.

5. Дальнейшее развитие получила методика «избыточных» расчетных схем в виде ее расширения фиктивными ветвями с описанием функциональных зависимостей затрат от производительности источников, расположенных в инцидентных узлах схемы. Это позволило осуществить комплексное (с учетом ИТ и ТС) решение задачи реконструкции ТСС с целью реализации совместной работы источников на единые тепловые сети.

6. Предложенные методические подходы и методы реализованы в виде алгоритмов и программных комплексов, разработанных в ИСЭМ СО РАН и предназначенных для проведения исследовательских, проектных и эксплуатационных расчетов ТСС.

7. На основе разработанных моделей и программных комплексов разработана методика и алгоритм комплексного решения задач реконструкции и развития теплоснабжающих систем с целью организации совместной работы источников. Они базируются на предложенных в работе принципах структуризации и декомпозиции, хорошо учитывают сетевую специфику решаемых задач и разнотипность источников тепла. Данная методическая и алгоритмическая база обладает универсальностью, ориентирована на оптимальный учет существующей части и позволяет получать решения, удовлетворяющие нормативным требованиям теплоснабжения потребителей.

8. Предложены рекомендации по оптимальной реконструкции и развитию теплоснабжающих систем городов Санкт-Петербурга, Иркутска, Усть-Кута и др. Они включают перераспределение зон действия существующих источников тепла, ограничение дальнейшего расширения тепловой мощности отдельных из них, реконструкцию тепловых сетей, прокладку в них дополнительных резервных связей, сооружение насосных станций и узлов управления режимами функционирования системы. Полученные результаты и предложения получили положительную оценку и рекомендованы к реализации в схеме теплоснабжения г. Санкт-Петербурга, в проекте реконструкции ТСС г. Иркутска, в схеме газификации г. Усть-Кута.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертационная работа посвящена разработке и исследованию вопросов организации совместной работы теплоисточников на единые тепловые сети, разработке методических подходов к их решению и практическому применению с целью повышения эффективности теплоснабжающих систем. Предложенная в работе методика для решения задач реконструкции и развития теплоснабжающих систем с учетом совместной работы источников базируется на развитии разработанных ранее в ИСЭМ СО РАН математических моделей и методов, алгоритмов и программно-вычислительных комплексов.