IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012

Известно, что энергетическая эффективность централизованного теплоснабжения оценивается значением удельного расхода топлива на выработку теплоты [1]. Определяющим элементом системы теплоснабжения, существенно влияющим на эффективность ее работы, является источник теплоты (котельная, ТЭЦ и т. п.). В свою очередь основу котельной или ТЭЦ составляют котлы. Чаще всего для покрытия нужд отопительно-вентиляционной нагрузки и нагрузки горячего водоснабжения в системах централизованного теплоснабжения используются водогрейные котлы (например, котлы марки КВ-ГМ или ПТВМ). С целью минимизации расхода топлива необходимо выполнить процедуру оптимального распределения котлоагрегатов, установленных на теплоисточнике.

Этим обусловлена необходимость моделирования источника теплоты.

Моделирование источника теплоты в общем случае позволяет решать следующие задачи [2]:

• определять необходимое количество теплоты для покрытия присоединенной нагрузки;
• определять выработку и отпуск теплоты от источника за отопительный период и по его месяцам;
• определять необходимое количество котлоагрегатов заданной мощности для обеспечения максимально-зимнего режима работы;
• определять оптимальное количество работающих котлоагрегатов для покрытия нагрузок в различных режимах работы и распределение нагрузки между котлами с целью минимизации расхода топлива на теплоисточнике в целом;
• определять параметры теплоносителя (расход, давление, температура) в характерных точках схемы котельной;
• производить корректировку графика отпуска теплоты от источника;
• определять КПД котельной в отопительном периоде и по месяцам.

Модель позволяет выбирать способ регулирования отпуска теплоты: каче­ственный и качественно-количественный способ. При качественном способе регулирования расход теплоносителя остается неизменным при любых измене­ниях нагрузок системы теплоснабжения. Регулирование отпуска теплоты от источника производится путем корректировки температуры теплоносителя в подающем трубопроводе. При качественно-количественном способе регулирования отпуска теплоты изменение нагрузки системы теплоснабжения производится корректировкой расхода теплоносителя и температуры сетевой воды в подающем трубопроводе.

Количество котлов, необходимых для покрытия нагрузки системы централизованного теплоснабжения при различных климатических параметрах может быть различным. Очевидно, что в этом случае стоит задача выбора числа и их загрузки такими, чтобы расход топлива по котельной был минимальным.

Для решения этой задачи в модель встраивается программа отыскания оптимального распределения нагрузок между двумя и более котлоагрегатами с целью минимизации расхода топлива в целом на источнике теплоты. Для отыскания оптимальной загрузки котельных агрегатов при определенной нагрузке системы теплоснабжения необходимо задать характерные точки кривых изменения удельного расхода в зависимости от степени загрузки котлоагрегата. Нами предлагается зависимость удельного расхода топлива от степени загрузки котлоагрегата, которая в общем виде описывается выражением: 

где х - коэффициент загрузки котла, %; a₀...a₆ - коэффициенты, индивидуальные для каждого котла, определенные в результате обработки данных режимных карт их эксплуатации (см.таблицу). Значения коэффициентов R²=0,9994÷0,9999.

Модель позволяет также вводить в диалоговом режиме значения удельного расхода топлива котлов при различных уровнях загрузки, например, по данным стационарных испытаний котла. При загрузке котла от 0 до 30-40 % наблюдается нестабильная работа котлоагрегата (фактически это нерабочая зона). Коэффициент полезного действия котла в этой зоне крайне низок, и котел практически работает на «холостом» ходу.

В зоне от 30-40 % до 50-60% наблюдается резкое снижение удельного расхода топлива, увеличение КПД. В зоне от 50-60% до 85-90 % наблюдается стабилизация удельного расхода топлива и КПД котла, а в зоне от 85-90 % и до 100 % наблюдается незначительное увеличение удельного расхода топлива и снижение коэффициента полезного действия. Исходя из этих величин, рабочая зона котлоагрегатов в модели по умолчанию принята от 30 % до 100% нагрузки котла.

 

Таблица Регрессионные уравнения для котлоагрегатов

Марка котло-агре-гата	Конкретный вид регрессионного уравнения (1)
КВ-ГМ-4-150	12y=-0,0384x3+0,2271x2+0,3146x+91,476´>
КВ-ГМ-6.5-150	12y=-0,0107x3+0,1084x2+0,1093x+91,759´>
КВ-ГМ-10-150	12y=-0,0021x3+0,0295x2+0,1608x+89,512´>
КВ-ГМ-20-150	12y=-0,0003x3+0,0112x2+0,0337x+86,669´>
КВ-ГМ-30-150	12y=-9E-05x3+0,0042x2+0,034x+86,621´>
КВ-ГМ-50-150	12y=-2E-05x3+0,0012x2+0,0281x+90,061´>
КВ-ГМ-100-150	12y=-2E-06x3+0,0003x2+0,0135x+90,561´>
ПТВМ-30М	12y=4E-07x6-4E-05x5+0,0016x4-0,032x3+0,3163x2-1,2394x+89,5´>

При необходимости в диалоговом режиме модель позволяет изменять границы рабочей зоны котлоагрегатов. Алгоритм отыскания оптимальной загрузки котлов построен на следующем принципе. Общая нагрузка системы централизованного теплоснабжения делится на номинальную мощность котолоагрегата источника [3]:

Получается величина k процентов нагрузки одного котла. Затем определяется максимально возможная загрузка котла, при условии принятия минимальной загрузки котлов (по умолчанию 30 % номинальной мощности котла). При этом имеет место инвариантность включения котлов в работу. При k > 130 % модель просчитывает вариант с работой двух котлов, а также вариант включения в работу третьего котлоагрегата.

Отыскание оптимального распределения нагрузки между котлами источника (двумя и более) производится моделью аналитически по нижеприведенным формулам. Для двух котлов (100%<k < 200 %) при нагрузке первого, равного q₁ (%), второго - q₂ (%) определяется минимальная нагрузка q_min (%).

По всем вариантам распределения нагрузок между котлами модель вычисляет суммарный удельный расход топлива  по всем котлам и находит его минимальное значение. По определенному оптимальному варианту распределения нагрузки с минимальным расходом топлива определяются соответствующие коэффициенты полезного действия работы котлов. При работе трех котлов для покрытия нагрузки определяется максимально возможная загрузка котла q_max (%). Далее расчет производится по следующим формулам:

После отыскания режима с минимальным расходом топлива производится сравнение суммарного расхода топлива при работе двух и трех котлов и выби­рается вариант с наименьшими затратами топлива. Режим работы с минималь­ным расходом топлива просчитывается для всех основных режимов работы, а также для всех месяцев отопительного периода. Для наглядности результатов расчета модель строит диаграммы удельных расходов топлива котлоагрегатов, работающих в котельной, и их коэффициента полезного действия.

 

Литература

1. Николаев, Ю.Е., Андрющенко А. И. Взаимосвязь тепловых потерь в системах теплоснабжения и влияние их на топливную экономичность / Ю.Е. Николаев, А.И. Андрющенко // Вестник СГТУ. - 2004, №3(4), с 80-85.
2. Михеева, А.П. Математическое моделирование функционирования и развития предприятия теплоснабжения / А.П. Михеева. - Новочеркасск, 2002. - 19 с.
3. Лукьянов, А.Г. Повышение эффективности использования теплоисточников в системе централизованного теплоснабжения / А.Г. Лукьянов. -  Омск. гос. ун-т путей сообщ., Омск, 2003. - 21 с.

Код для цитирования: Скопировать