XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Аннотация: описано влияние циркуляции и температур теплоносителя и наружного воздуха на отпуск тепла в отопительный период. Так же представлена математическая модель, разработаннаяООО «НТСК».

Abstracts: the influence of circulation and temperatures of the heat carrier and outdoor air on the heat release during the heating period is described. The mathematical model developed by NTSC LLC is also presented.

Ключевые слова: оценка эффективности работы, циркуляция, система теплоснабжения, отпуск и полезный отпуск тепла.

Keywords:performance evaluation, circulation, heat supply system, heat release and useful heat release.

Влияние циркуляции. Характерной особенностью отечественных систем горячего водоснабженияявляется наличие сильно выраженной циркуляционной составляющей. Циркуляция горячей воды предназначена для компенсации тепловых потерь при отсутствии водоразбора.

При недостаточности полного напора у удаленных и высоко расположенных потребителей происходит завоздушивание верхних точек местных систем. Попадание значительного количества кислорода в сетевую
воду может практически обесценить противокоррозионную обработку подпиточной воды на теплоисточниках и понизить надежность работы систем теплоснабжения в целом.

Увеличение циркуляционного расхода сетевой воды приводит к повышению давления в обратной магистрали сверх допустимых значений. Это создает угрозу, а часто является одной из причин возникновения аварий, со значительным материальным ущербом, прекращением теплоснабжения жилых зданий. С другой стороны, прекращение циркуляции воды приводит к существенному увеличению тепловых потерь, нарушению качества теплоснабжения и, как следствие, к снижению экономической эффективности работы всей системы теплоснабжения в целом.

Таким образом, опытным путем установлено, что без режима циркуляции не обеспечивается нормативная температура ГВС в местах водоразбора. Циркуляция воды в централизованных системах теплоснабжения является необходимой технологической составляющей, обеспечивающей санитарно-эпидемиологическую безопасность и качество ГВС.

Влияние температуры наружного воздуха и температуры теплоносителя. Режим отопительной нагрузки источника определяется заданными параметрами температуры и расхода воды, т.к. расход воды определяется перепадом давления, температура и давление подающего и обратного трубопроводов являются контрольными параметрами режима работы теплофикационной установки.

Температура обратной сетевой воды в нижнем пределе (не регламентируемый параметр) при сохранении диспетчерской дисциплины по остальным параметрам теоретически определяет превышения нормируемой отопительной тепловой нагрузки.

Основным способом повышения КПД, конечно же, является снижение температуры теплоносителя в обратном трубопроводе - t₂. Снижения можно добиться, используя тепловую энергию обратной сетевой воды для различных систем отопления. Дополнительными положительными эффектами от снижения t₂ можно считать: снижение потребления электроэнергии на транспортировку теплоносителя, увеличение располагаемых напоров пьезометрического графика.

Максимальное значение температуры воды подающего трубопровода для теплосети определяется источником и учитывает коэффициент полезного действия термодинамического цикла при оценке общей тепловой экономичности совместного производства электрической и тепловой энергии. Как правило, экономически обоснованной является температура t₁=150 ^оС. Данная температура и отопительная нагрузка определяют конфигурацию тепловой сети, капитальные вложения в строительство и эксплуатационные затраты тепловой сети.

Очевидно, что снижение температуры t₁ в отопительный сезон, даже на короткое время (авария), при постоянной или растущей отопительной нагрузке (при снижении температуры наружного воздуха), потребует увеличение расхода теплоносителя, увеличение гидравлического перепада. Как только снижение температуры подачи t₁ не позволит выполнить это условие, возникает гидравлическая разрегулировка тепловой сети и присоединенных потребителей. Потребитель, для обеспечения необходимой отопительной нагрузки его здания, увеличивает расход теплоносителя, забирает дополнительный гидравлический перепад. Начинается гидравлический хаос. Вернуть в исходное положение гидравлическую систему (авария ликвидирована) практически невозможно. Источник на повышенных расходах не может поднять температуру подачи t₁ до нормативной. Хаос будет, пока все потребители не приведут свои циркуляционные расходы в соответствие с расчетными значениями.

Температура наружного воздуха оказывает влияние на величину полезного отпуска по отоплению. Чем температура воздуха ниже, тем больше будет гигакалорий по отоплению. При расчетном методе объем отпущенной теплоэнергии потребителям определяется по формуле:

(3)

где Q_отчас  часовая нагрузка по отоплению; t_внФ  температура внутри помещения фактическая; t_{срмесНВ}  среднемесячная температура наружного воздуха; t_внД  температура внутри помещения договорная; t_расчНВ  расчетная температура наружного воздуха; n количество дней в отопительном периоде.

Исходя из представленной формулы, видно, что повышение отопительной нагрузки, а также уменьшение температуры наружного воздуха приведут к росту потребленного тепла.

Теплоснабжение населенных пунктов имеет огромное значение для жизнедеятельности человека. При проведении оценки эффективности работы теплового комплекса, актуальны оценки  влияния режимных факторов, в частности циркуляции теплоносителя, на величины отпуска, полезного отпуска в  отопительный период, с целью определения экономических эффектов от изменения варьируемых факторов.

Для решения подобных ООО «НТСК» разработала математическую модель, основанную на построении регрессионных уравнений для суточного отпуска тепловой энергии от источников и полезного отпуска потребителям на нужды отопления, ГВС и отопления, отопления и вентиляции в отопительный период, аргументами которых являются такие параметры тепловой сети как циркуляция, температура наружного воздуха и температура теплоносителя в подающем трубопроводе t₁ .

 Отпуск тепла рассчитывается посуточно в текущем месяце по балансу тепла:

     Q_отп = (24 ∙ G1∙∆t + G_подп∙(t1– ∆t – t_хвс))/1000                 (4)

      

где Q_отп – отпуск тепловой энергии в сеть, Гкал; G₁–циркуляции теплоносителя в подающем трубопроводе, т/ч; t₁ – температура теплоносителя в подающем трубопроводе, ^оС; G_подп – циркуляция теплоносителя в трубопроводе подпитки, т/сут; Δt – разница температур теплоносителя в прямом и обратном трубопроводе, ^оС; t_хвс- температура холодной воды, ^оС.

 Величина Δt в модели определяется как функция:

 

                   ∆t = K₀+K₁ ∙ G₁+K₂ ∙ t_пнв+ K₃ ∙ t₁+ К₄ ∙ Q_о.вен               (5)

 

где ∆t   – это перепад температуры между подающим и обратным трубопроводом, Q_о.в – полезный отпуск на отопление и вентиляцию, определяемый в свою очередь, как функция:

            Q_о.в  = M₀+M₁ ∙ G₁+M₂ ∙ t_пнв+ M₃ ∙ t₁        (6)

 

где t_пнв – приведенная температура наружного воздуха, определяемая, например,  как t_пнв= t_нв +37,  для того чтобы обеспечить в модели положительные значения приведенной температуры; K₀, K₁, K₂, K₃,K₄ и M₀, M₁, M₂, M₃ – регрессионные коэффициенты, вычисляемые методом наименьших квадратов, по  имеющимся ежесуточным технико-экономическими показателям текущего месяца, с использованием пакета программ «Анализ данных» в Excel [2,3], при выборе которых обеспечивается наилучшая аппроксимация фактических данных модельными.

 Таким образом в модели Q_отп зависит о температуры подачи теплоносителя t₁, температуры наружного воздуха t_нв, циркуляции теплоносителя G₁ и подпитки теплоносителя G_подп и t_хвс.

 Если в (4) подставить ∆t по формуле (5), в которой Q_о.в заменяется выражением (6),  то получим квадратичную    зависимость  отпуска тепла   Q_от от G₁:

 

                       Q_от = a ∙ G₁² +b ∙ G₁+ c                                             (7)

 

где:

а= 24 ∙ (K₁+ К₄ ∙ M₁)/1000 (8)

b= (t_пнв ∙ 24 ∙ (K₂+ К₄ ∙ M₂) + t₁ ∙ 24 ∙ (K₃+ К₄ ∙ M₃) +  24 ∙ (K₀+ К₄ ∙ M₀) –– G_подп ∙ (K₁+ К₄ ∙ M₁))/1000 (9)

c  = (G_подп ∙ (t₁–t_хвс) – G_подп ∙ ((K₂+ К₄*M₂) ∙ t_пнв + t₁ ∙ (K₃+ К₄ ∙ M3) +

+ (K₀+ К₄ ∙ M₀)))/1000 (10)

 Из (8–10) видно, что величины а, в, с зависят только от фактических ежесуточных значений t₁, t_нв , G_под , t_хвс  и рассчитанных регрессионных коэффициентов.

Анализ циркуляции на отпуск тепла сводится к исследованию зависимости (7) от G₁, поскольку она имеет квадратичную зависимость, то производная Q_от по G₁   определяется зависимостью

                               2а ∙ G1+b                                               (11).

 

Т.о., изменение отпуска тепла по отношению к циркуляции имеет переменный характер, и связано с различными режимами работы тепловой сети в отопительный период, конкретными параметрами работы источников и тепловой сети в каждом месяце.

Выясним также влияние циркуляции на полезный отпуск тепла.  В применяемой модели от циркуляции зависит еще одна, кроме Q_о.в,  составляющая полезного отпуска на нужды ГВС, отопления и вентиляции – Q_гвс.о.в  на смешанных линиях, определяемая аналогично (6)

 

                 Q_гвс.о.в  = L₀ + L₁ ∙ G₁ + L₂ ∙ t_пнв + L₃ ∙ t₁                          (12),

 

Другие составляющие Q_гвс и Q_бп – полезный отпуск на нужды ГВС и потребителям без приборов учета, от циркуляции не зависят и моделируются по алгоритмам сглаживания фактических данных.

Т.о. суммарный полезный отпуск Q_по,  в рамках  модели, оценивается  выражением:

Q_по =M₀ + L₀ + (M₁ + L₁) ∙ G₁ + (M₂ + L₂) ∙ t_пнв+

+ (M₃ + L₃) ∙ t₁ + Q_гвс + Q_бп      (13)

 

Функция (13) линейна относительно G₁  и её  производная по G₁   константа равная (M₁+L₁), которая описывает степень влияния  варьируемой величины G₁ на суммарный полезный отпуск.

Приведенный анализ показывает, что при изменении величины циркуляции, меняется не только сама циркуляция, но и составляющая величины Δt, зависимая от циркуляции (5). Полное влияние циркуляции на отпуск тепла в течении ОЗП связано с различными сезонами (месяцами) и посуточными режимами работы источников и тепловой.

Используя (13) и (11), ООО «НТСК» оценило влияние варьируемых факторов t_пнв, t₁, G_подп на отпуск тепла и суммарный полезный отпуск.

Таблица 1 – Влияние варьируемых факторов t_пнв, t₁, G_подп на отпуск тепла и суммарный полезный отпуск

	G1	tпнв	t1	Gподп
Влияние  на  Qпо	M1+L1	M2+L2	M3+L3	-
Влияние  на  Qот	2а ∙ G1+b	(G1 ∙ (24 ∙ (K2 + К4 ∙ M2) - Gподп ∙ (K2+ К4 ∙ M2)) /1000	(G1 ∙ (24 ∙ (K3+ К4 ∙ M3) - Gподп ∙ (K3+ К4 ∙ M3 - 1)) /1000	(-G ∙ (K1+ К4 ∙ M1) - (K2 + К ∙ M2) ∙ tпнв + t1 ∙ (K3+ К4 ∙ M3) + K0+ К4 ∙ M0)/1000

 

В качестве иллюстрации, представлен проведенный компанией анализ оценки влияния циркуляции, t₁, t_нв на отпуск тепла и суммарный полезный отпуск на тепловой сети ООО «НТСК» в ноябре 2017 г. 

Таблица 2 – Регрессионная таблица, вычисленная по суточным данным ТЭП.

	K0	K1 (G1)	K2  (Tпнв)	K 3 (Т1)	K4
Δt	-36,40083	0,0002	-0,13168	0,82328	-0,0006
Qо.в	-13945,58877	0,03858	-52,568	357,8567
Qпо	-5642,72	0,07093	-103,522	201,9548

 

Относительная точность аппроксимации фактических значений модельными по зависимостям  (2), (3) и (6) составляет  99% и демонстрируется на приведенных ниже рисунках:

Рисунок 1  - Сравнение фактических и расчетных значений Δt, ноябрь 2017 г.

Рисунок 2  - Сравнение фактических и расчетных значений отопления, ноябрь 2017 г.

Рисунок 2  - Сравнение фактических и расчетных значений отопления + ГВС на смешанных линиях, ноябрь 2017 г.

 

Данный метод позволяет: 

- Получить оценки «чувствительности» отпуска тепловой энергии и полезного отпуска  теплокомплекса,  в зависимости от изменения  циркуляции, подпитки, температуры наружного воздуха и температуры теплоносителя в подающем трубопроводе t₁; 

- Проводить углубленный анализ работы теплокомплекса в отчетном периоде и обоснование принятия поправочных корректив в управлении и регулировании работой теплокомплекса;

- Возможно проведение сценарных расчетов по схеме "что, если". 

Предложенный подход позволяет провести выбор наилучших сценарных условий (изменение t_нв, циркуляции, изменение срезки температурного графика и прочих режимных показателей), при которых имеет место максимальная маржинальная прибыль компании на тепловом рынке и ОРЭМ), при совместной выработке тепловой и электрической энергии.

Список используемой литературы:

1. В.А.Шпак. Модель оценки влияния циркуляции, температуры наружного воздуха и температуры теплоносителя на отпуск и полезный отпуск тепла в ОЗП / В.А.Шпак // РосТепло.ру.

2. Седин В. А. Оптимизация параметров температурного графика отпуска теплоты в теплофикационных системах/ Седин В. А., Седин А. В., Богднович М. Л.// Белорусский национальный технический университет. 20.02.2009

3. Ротов П. В. Совершенствование систем центрального теплоснабжения, подключонных к ТЭЦ, разработки энергоэффективных технологий обеспечения нарузок отопления и горячего водоснабжения [Текст]: дис. канд. техн. науки– Ульяновск, 2015. – 403 с.

Код для цитирования: Скопировать