WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

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

На правах рукописи

Стенников Николай Валерьевич

МЕТОДЫ КОМПЛЕКСНОЙ РЕКОНСТРУКЦИИ

ТЕПЛОСНАБЖАЮЩИХ СИСТЕМ ПРИ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЕ ИСТОЧНИКОВ НА ЕДИНЫЕ

ТЕПЛОВЫЕ СЕТИ

Специальность 05.14.01 «Энергетические системы и

комплексы»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Иркутск 2009

Работа выполнена в Институте систем энергетики им. Л.А. Мелентьева

Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЭМ),

в Институте ВНИИПромгаз ОАО «Газпром промгаз»

Научный руководитель: доктор технических наук

Сеннова Елена Викторовна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Чупин Виктор Романович

кандидат технических наук, доцент

Степанова Елена Леонидовна

Ведущая организация: Институт Теплофизики

им. С.С. Кутателадзе

Сибирского отделения РАН

Защита состоится 21 апреля 2009 г. в 900 часов на заседании Диссертационного совета Д003.017.01 при Институте систем энергетики СО РАН по адресу: 664033, Иркутск, ул. Лермонтова, д.130.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 664033, Иркутск, ул. Лермонтова, д.130, на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан 20 марта 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Клер А.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Важными условиями, определяющими развитие теплоснабжающих систем (ТСС) на современном этапе являются возрастающие требования к комфорту в помещениях, к технологической безопасности, надежности, эффективности и качеству теплоснабжения. Все более значимым становится влияние факторов, стимулирующих реальную экономию энергии, топлива и способствующих повышению эффективности функционирования ТСС, росту заинтересованности в энергосбережении и принятию оптимальных решений по развитию систем. В то же время, продолжающееся снижение тепловых нагрузок, работа в неэкономичных режимах, большие потери тепловой энергии негативно влияют на эффективность крупных теплоснабжающих систем. Хаотичная структура систем централизованного теплоснабжения в России, их практическая неуправляемость, несовершенные технологии эксплуатации не позволяют использовать значительную часть преимуществ централизации и во многом снижают реальную эффективность комбинированного производства тепловой и электрической энергии. Положительный опыт многих стран в сфере централизованного теплоснабжения показывает, какие огромные резервы повышения эффективности заложены в ТСС России.

Одной из перспективных задач инновационного развития ТСС является объединение нескольких источников тепла (ИТ) для работы на общие тепловые сети и оптимальное перераспределение тепловой нагрузки между ними в процессе эксплуатации. Это позволяет реализовать преимущества централизации теплоснабжения, концентрации мощностей и совместной выработки тепла и электроэнергии.

Объединение нескольких ТСС в единую систему позволит: снизить затраты на производство тепловой энергии путем распределения нагрузки в течение отопительного сезона между наиболее экономичными ИТ; использовать аккумулирующую способность тепловых сетей (ТС); повысить надежность теплоснабжения потребителей благодаря взаиморезервированию ИТ и ТС; уменьшить резервные мощности.

При этом возникает как новый аспект научных исследований по созданию методической базы, так и необходимость решения широкого комплекса технических вопросов по реконструкции и модернизации систем, что будет способствовать преодолению негативных тенденций в теплоснабжении и выводу этой социально значимой сферы на путь инновационного развития на основе применения энергоэффективных технологий и оборудования.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются теплоснабжающие системы (источники, тепловые сети и установки потребителей), структура их построения и перспективные технологии, обеспечивающие эффективное функционирование ТСС. Предметом исследования являются методы оптимизации, подходы и принципы формирования теплоснабжающих систем, обеспечивающие совместную работу теплоисточников на общие тепловые сети.

Цели работы состоят: в постановке, структуризации и разработке методического обеспечения для решения комплексной проблемы реконструкции теплоснабжающих систем при организации совместной работы источников на общие тепловые сети, а также в формировании энергоэффективных направлений технического преобразования теплоснабжающих систем для реализации такой работы, в проведении исследовательских и реальных расчетов и формировании практических рекомендаций по реконструкции конкретных систем, обеспечивающих переход на этот качественно новый, соответствующий передовым тенденциям уровень их функционирования.



Для достижения поставленных целей в работе решается следующий комплекс задач:

1. Анализ проблем, препятствующих организации совместной работы источников на единые тепловые сети и разработка возможных подходов к их решению.

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

3. Постановка и структуризация комплексной проблемы реконструкции теплоснабжающих систем при организации совместной работы источников на общие тепловые сети.

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

5. Формирование энергоэффективных направлений технического и технологического преобразования ТСС, обеспечивающих совместную работу источников.

6. Проведение исследований на реальных объектах с целью оценки эффективности предлагаемых подходов и методов, а также разработки практических рекомендаций по реконструкции теплоснабжающих систем, обеспечивающих технологически новый уровень их функционирования.

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

Научную новизну диссертационной работы составляют следующие положения, выносимые на защиту:

1. Постановка и структуризация проблемы комплексной реконструкции ТСС при организации совместной работы источников на единые тепловые сети с учетом современных требований и условий их развития.

2. Исследование зависимости системных технико-экономических показателей ТСС при переходе к совместной работе источников на общие тепловые сети.

3. Методический подход для решения общей задачи комплексной реконструкции ТСС при организации совместной работы ИТ, основанный на ее декомпозиции с выделением отдельных относительно самостоятельных подзадач и методов их решения.

4. Комплексная универсальная методика и экспресс методика решения задачи реконструкции ТСС с целью организации совместной работы источников на общие тепловые сети.

5. Методические принципы и требования, предъявляемые к структуре и техническому оснащению ТСС при организации совместной работы источников с использованием перспективных направлений технической политики в сфере теплоснабжения.

6. Практические результаты и рекомендации по развитию и реконструкции исследуемых реальных теплоснабжающих систем различных городов страны.

Практическая ценность работы. Внедрение в проектную и эксплуатационную практику предлагаемых методических разработок и практических результатов позволит существенно повысить экономическую эффективность и надежность ТСС, будет способствовать достижению высокого уровня комфорта у потребителей, и в целом будет стимулировать реализацию инновационных технологий в теплоснабжении.

Предложенные в диссертации методические и практические рекомендации по структурному преобразованию ТСС, их техническому переоснащению на основе 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.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались 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.

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 этих 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-Петербурга;

• 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-Кута», выполненной по заданию Администрации г. Усть-Кута.

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

Публикации. Результаты выполненных в диссертации исследований изложены в 11 печатных работах, в том числе в отдельных главах двух книг, в рецензируемых изданиях, в трудах всесоюзных симпозиумов, семинаров и конференций, а также в двух «Схемах теплоснабжения городов».

Личный вклад автора. Постановка исследуемой проблемы и анализ выводов, полученных в процессе выполнения работы, осуществлены с научным руководителем. Самостоятельно автором предложена структуризация проблемы, методические подходы и методы решения составляющих ее задач, разработана комплексная методика реконструкции ТСС при организации совместной работы теплоисточников на общие тепловые сети. Предложенные автором методические подходы апробированы на реальных системах и были использованы для разработки направлений реконструкции ряда ТСС городов страны. Все исследования по теме диссертации выполнены автором лично под руководством научного руководителя.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы (105 наименований). Общий объем диссертационной работы 137 стр., в том числе 11 рис. и 22 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Организация совместной работы источников на единые тепловые сети предполагает объединение локальных систем с одним (или несколькими) ИТ в единую теплоснабжающую систему с общей ТС, обеспечивающей параллельное включение в работу на эту сеть всех теплоисточников и распределение тепловой нагрузки между ними в соответствии с их технико-экономической эффективностью и наивыгоднейшим потокораспределением в сети.

Проблема совместной (параллельной) работы нескольких источников на единые тепловые сети была поставлена отечественными энергетиками еще в первые годы развития теплофикации в стране. Она широко обсуждалась и рассматривалась в генеральных схемах теплоснабжения Москвы и Ленинграда, разработанных в 30-е годы прошлого столетия. Однако они не были реализованы, поскольку организация такой работы предполагала иерархическое построение системы теплоснабжения и кольцевание основных магистралей, объединяющее в единой ТСС несколько источников тепла. Эти принципы построения систем на практике не получили развития. Проектирование ТСС методически к этому не было подготовлено, оно было направлено по пути упрощенных решений в виде тупиковых (древовидных) схем, как правило, с зависимым элеваторным (или непосредственным) присоединением отопительной нагрузки и нередко с открытой схемой горячего водоснабжения, без устройства автоматического регулирования отпуском и потреблением тепловой энергии.

Целесообразность и эффективность совместной работы теплоисточников по условиям надежности и экономичности функционирования системы обосновывается в работах Н.И. Дунаевского, Б.М. Кагановича, А.М. Клера, Л.А. Мелентьева, В.Б. Пакшвера, Е.Я. Соколова, М.Ф. Филиппова, В.Я. Хасилева и др.

В публикациях В.К. Аверьянова, В.П. Витальева, Л.Д. Германа, Н.К. Громова, Н.М. Зингера, С.Ф. Копьева, Т.Ф. Максимова, С.А. Чистовича, Е.П. Шубина, Б.М. Якуба и др. были предложены иерархическая структура построения тепловых сетей крупных ТСС, принципы их автоматизации и технологического управления, схемы тепловых и контрольно-распределительных пунктов, типы и схемы присоединения потребителей, необходимые для совместной работы ИТ.

Исследования по совместной работе источников ведутся во многих странах: в Германии, Дании, Польше, Швеции, Финляндии и др. В большинстве из них совместная работа теплоисточников уже реализуется на практике.

Комплексное развитие методов расчета и оптимизации ТСС для решения различных практических задач получило в рамках развиваемой в ИСЭМ теории гидравлических цепей. Настоящая работа опирается на разработки ТГЦ и является их естественным развитием.

Формирующиеся условия инновационного развития экономики России обеспечивают реальные возможности повышения эффективности ТСС путем организации совместной работы ИТ на единые тепловые сети.

Анализ ситуации, сложившейся в теплоснабжении страны позволяет сформулировать следующие направления исследований, развиваемые в работе:

  • Создание методической базы, позволяющей осуществлять постановку задач и реализацию решений, связанных с организацией совместной работы источников на единые тепловые сети и обеспечивающей их эффективное функционирование.
  • Разработка технических направлений преобразования структуры систем, технологического обновления источников, тепловых сетей и установок потребителей, их оснащения автоматизированными системами измерения, регулирования и управления производством, транспортом и потреблением тепловой энергии.
  • Проведение содержательных исследований по преобразованию теплоснабжающих систем для совместной работы теплоисточников и формирование на их основе практических рекомендаций по повышению эффективности ТСС.

Эффект, получаемый при переходе к совместной работе теплоисточников на общие тепловые сети, имеет множество проявлений, среди них: улучшение комфортных условий у потребителей, снижение удельного расхода топлива; увеличение выработки электроэнергии на тепловом потреблении; снижение расхода электроэнергии на перекачку теплоносителя; сокращение суммарного резерва котлотурбинного оборудования, уменьшение затрат на повышение надежности. Кроме того, существует множество косвенных эффектов, таких как повышение технического уровня систем, практическая реализация потенциала энергосбережения, снижение негативного воздействия на окружающую среду.

В современных крупных ТСС затраты в тепловые сети по величине сопоставимы с затратами в источники тепловой энергии. Кроме того, они фактически реализуют ту экономию, которая получается на источниках тепла. Это обуславливает значительное взаимовлияние всех элементов на принимаемые решения, что отмечается во всех крупных ТСС.

Исследования экономической эффективности совместной работы источников тепловой энергии на общие тепловые сети, проведенные по системе теплоснабжения микрорайона Ново-Ленино г. Иркутска, показали, что технология совместной работы ИТ эффективна в течение всего года. Вместе с тем максимальный эффект достигается при температурах наружного воздуха выше -20°С, при которых система работает наибольшее время в году. Суммарная экономическая эффективность такой работы ТСС достигает 22% ежегодных затрат.

Полученная по результатам серии оптимизационных расчетов зависимость затрат в систему в целом, источники и тепловые сети от вариантов распределения тепловых нагрузок между ИТ для данной ТСС приведена на рисунке 1. Из графика видно, что существующее распределение тепловых нагрузок и зон действия ИТ (т. В) по затратам в тепловые сети и теплоисточники не является оптимальным, хотя и не относится к наиболее дорогим решениям. При раздельном поиске оптимума по источникам решение соответствует т. А, по тепловым сетям - т. D на графике. Вместе с тем оптимальный вариант, полученный при совместном решении задачи находится в т. С. Эффективность такой оптимизации для данной ТСС может достигать более 120 млн. руб. Проведенные исследования показывают, что поиск оптимального решения по организации параллельной работы источников должен осуществляться в комплексе по источникам и тепловым сетям в едином вычислительном процессе.





Состав задач, представляющих проблему совместной работы источников на единые тепловые сети, подходы и методы их решения приведены на рисунке 2. Рассматриваемая проблема может быть сведена к задачам оптимальной загрузки источников, оптимизации схемы и параметров тепловых сетей. Эффективным способом, объединяющим решение этих задач, является методический подход, основанный на применении избыточной расчетной схемы системы и методов параметрической оптимизации.

Содержательная постановка проблемы

В объединенной системе, работающей с несколькими источниками тепла, необходимо определить мероприятия по ее реконструкции, а также параметры новых элементов, которые обеспечили бы организацию совместной работы источников на единые тепловые сети. При этом максимально должна учитываться существующая часть системы и режимы ее функционирования.

 Изменение эксплуатационных затрат в систему, источники и-0

Рисунок 1 – Изменение эксплуатационных затрат в систему, источники и тепловые сети

в зависимости от распределения тепловой нагрузки района между источниками

Заданными являются пространственное размещение теплоисточников, их типоразмеры и состав оборудования, схема тепловой сети, с выделением существующей и новой частей, дискретный набор диаметров труб и другого оборудования.

Задача заключается в поиске:

• оптимального распределения тепловой нагрузки между источниками (последовательности их включения в работу и графика загрузки оборудования) в зависимости от изменения температуры наружного воздуха;

• «узких» мест в тепловых сетях и рациональных способов их реконструкции (расширение, демонтаж, изменение типа источников тепла; замена, усиление участков теплопроводов, сооружение насосных станций (НС) и других элементов тепловых сетей), а также в оптимизации параметров новых элементов системы с целью реализации совместной работы теплоисточников;

• эффективных направлений реконструкции и построения ТСС в части включения в систему источников тепла, последовательности изменения их производительности и зон действия; прокладки новых трасс тепловых сетей их схемы и параметров; схем и типов присоединения потребителей тепла.

 Структуризация проблемы совместной работы теплоисточников -1

Рисунок 2 – Структуризация проблемы совместной работы теплоисточников

Решения должны удовлетворять предъявляемым техническим требованиям и минимальным затратам на развитие и эксплуатацию системы.

Математическая формулировка задачи

Найти минимум целевой функции в виде приведенных дисконтированных по времени затрат:

(1)

где , , – приведенные (дисконтированные) затраты в источники тепла, тепловые сети и на дополняющую электроэнергию (тыс. руб.).

Целевая функция (1) рассчитывается с учетом обслуживания капитала, полученного в виде кредита для реализации предлагаемых решений:

, (2)

где К – капитальные вложения (тыс. руб.); И – ежегодные издержки (тыс. руб.); а – коэффициент приведения, являющийся фактически коэффициентом ежегодного возврата капитала.

Затраты в источники тепла складываются из капитальной составляющей, дисконтированной по времени, условно-постоянных затрат на эксплуатацию и обслуживание ИТ и затрат на топливо (тыс. руб.):

, (3)

где – удельные капитальные вложения в -ый источник тепла (тыс. руб./Гкал/ч), определяемые в зависимости от типоразмера источника (); - производительность -ого источника (Гкал/ч); – условно-постоянные затраты на обслуживание и эксплуатацию -го источника тепла (тыс. руб./год); – нормативный коэффициент ежегодных отчислений; – стоимость топлива для -го ИТ (тыс. руб./т у.т.); – расход топлива на -ом ИТ в период времени (т у.т./ч); – производительность -го источника в период (Гкал/ч); - продолжительность периода (час).

Здесь – подмножество узлов-потребителей, узлов-источников, входящие в общее множество узлов ; – подмножества существующих и вновь проектируемых участков сети; – подмножество участков с существующими и новыми НС.

Затраты в тепловые сети (тыс. руб.) включают затраты на прокладку, реконструкцию, эксплуатацию и обслуживание тепловых сетей (,тыс. руб.), затраты на сооружение и эксплуатацию насосных станций (,тыс. руб.), затраты на электроэнергию (,тыс. руб.), используемую для перекачки теплоносителя и затраты на компенсацию тепловых потерь (,тыс. руб.).

. (4)

Постоянная составляющая затрат по тепловым сетям определяется в соответствии с выражением:

, (5)

где – удельные капитальные вложения в строительство и реконструкцию тепловых сетей (тыс. руб./м) в зависимости от диаметра трубопровода на -м участке ТС; li – длина i-го участка ТС (м); – условно-постоянные эксплуатационные затраты по тепловым сетям (тыс. руб./год); – нормативный коэффициент ежегодных отчислений.

Постоянная составляющая затрат по насосным станциям равна:

, (6)

где – коэффициент, зависящий от размерности величин; – удельные капитальные вложения в строительство и реконструкцию НС на -ом участке в зависимости от ее типоразмера (тыс. руб./МВт); – условно-постоянные эксплуатационные затраты в насосную станцию (тыс. руб./год); - нормативный коэффициент ежегодных отчислений.

Затраты на электроэнергию, затрачиваемую на перекачку теплоносителя по системе в каждый период , рассчитываются по следующей зависимости:

, , (7)

где – стоимость электрической энергии (руб./МВтч); – расход сетевой воды на -ом участке в период (т/ч); – действующий напор насосной станции на -ом участке в период (м вод. ст.); – число часов работы насосной станции на -ом участке в период (час в период ); – КПД насосной станции на -ом участке в период .

Затраты на тепловые потери по системе в каждый период определяются в соответствии с выражением:

, , (8)

где – стоимость тепловой энергии (руб./Гкал); – удельные теплопотери на -м участке, соответствующие типу изоляции трубопровода и способу его прокладки (Гкал/м).

Затраты на электроэнергию (), обеспечивающую приведение вариантов к равному энергетическому эффекту, равны произведению предельного уровня тарифа на электроэнергию (, руб./МВт·ч) на ее объем (, МВт·ч):

. (9)

Система условий и ограничений включает:

  • Уравнения материального (в узлах) и энергетического (в независимых контурах) баланса, а также замыкающие соотношения, которые описывают сетевую часть теплоснабжающих систем и представляются в следующем виде:

для подающего трубопровода

, (10)

для обратного трубопровода

, (11)

где – матрица соединений для линейно независимых узлов размерностью ; , – векторы расходов теплоносителя на участках сети в подающем и обратном трубопроводах в период (т/ч); – вектор расходов теплоносителя в узлах на отопление и вентиляцию в период (т/ч); – вектор расходов теплоносителя в узлах на ГВС в период (т/ч); , – векторы давлений теплоносителя в узлах тепловой сети подающего и обратного трубопроводов в период (м вод. ст.); , – векторы перепада давлений теплоносителя на ветви в подающем и обратном трубопроводе в период (м вод. ст.); , ; , – векторы действующих напоров НС на ветви в подающем и обратном трубопроводах в период (м вод. ст.); , – векторы потерь давления теплоносителя на ветви в подающем и обратном трубопроводах в период (м вод. ст.).

  • Зависимость потерь давления теплоносителя на -ой ветви от его расхода представляется следующим выражением:

, , (12)

, , , (13)

где – коэффициент, зависящий от эквивалентной шероховатости труб на -ом участке; – коэффициент местных потерь на -ом участке.

  • Условия выбора и дискретности:

диаметров труб для новых участков и способа реконструкции для существующих участков тепловой сети:

(14)

где , – дискретный набор диаметров труб для прокладки новых участков и способов реконструкции существующих участков ТС;

типоразмеров новых НС и способов реконструкции существующих НС:

(15)

где , – дискретный набор типоразмеров вновь сооружаемых НС и возможные способы реконструкции существующих насосных станций.

типоразмеров источников тепла:

(16)

где , – дискретный набор типоразмеров вновь сооружаемых ИТ и возможные способы реконструкции существующих источников тепла.

  • Удельные капитальные вложения:

на прокладку новых участков ТС:

, , , (17)

в реконструкцию существующих участков ТС:

, , , (18)

в сооружение новых насосных станций:

, , , (19)

в реконструкцию существующих насосных станций:

,,, (20)

в сооружение новых источников тепла:

,,, (21)

в реконструкцию существующих источников тепла:

,,,(22)

  • Технические условия и ограничения:

на давления теплоносителя в узлах:

, , , (23)

, , . (24)

на скорости течения теплоносителя по ветви (м/с):

, , , (25)

, , , (26)

где скорость течения теплоносителя в трубопроводе определяется зависимостью:

, , (27)

, . (28)

на перепад давления теплоносителя у потребителей (м вод. ст.):

, , (29)

, , (30)

на перепад температур теплоносителя у потребителя (оС):

, , (31)

, , (32)

где и– температура теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах.

на производительность источников тепловой энергии (Гкал/ч):

, , , (33)

где – производительность -го источника в период (Гкал/ч); – теплоемкость теплоносителя (); , – нижнее и верхнее ограничения на производительность -го источника, зависящие от типоразмера источника тепла (Гкал/ч).

Температура теплоносителя в подающем трубопроводе (,оС) зависит от температуры наружного воздуха (,оС), принятого способа регулирования отпуска и потребления тепловой энергии () и схемы подключения потребителей к тепловым сетям ():

, , . (34)

Температура теплоносителя в обратном трубопроводе (,оС) зависит от температуры наружного воздуха (,оС), температуры сетевой воды в подающем трубопроводе (), принятого способа регулирования отпуска и потребления тепловой энергии () и схемы подключения потребителей к тепловым сетям ():

, , . (35)

Условие выбора схемы подключения потребителей представляется в виде:

, , , . (36)

Условие выбора способа регулирования отпуска и потребления тепловой энергии записывается в следующем виде:

, , , , (37)

где , – множество вариантов схем включения потребителей в тепловую сеть и способов регулирования отпуска и потребления тепла.

Сформулированная выше общая математическая модель нелинейного программирования принципиально не может быть полностью формализована и решена с помощью одного универсального метода, поскольку содержит ряд неформализуемых положений и процедур. Анализ и исследование поставленной проблемы позволили заменить ее комплексом отдельных относительно самостоятельных задач с дальнейшей их увязкой в едином вычислительном процессе. Это позволяет разнести его по времени, вмешиваться в его ход и производить корректировку решения, учитывая индивидуальные особенности систем. Рассматриваемая проблема в результате декомпозиции может быть представлена следующими задачами.

Задача оптимального распределения тепловой нагрузки между источниками предполагает определение последовательности и уровня загрузки теплоисточников в зависимости от температуры наружного воздуха, изменяющейся в течение отопительного и неотопительного периодов.

Для каждого источника записывается экономическая характеристика, представляющая зависимость затрат (, тыс. руб.) от величины его производительности (, Гкал/ч) в каждый момент времени (). Она включает в себя условно-постоянные и условно-переменные затраты и может быть записана в следующем виде:

=, (38)

Формулируемая задача сводится к поиску решения соответствующего минимальному значению функции суммарных затрат по всем n источникам рассматриваемой системы:

(39)

при выполнении следующих условий и ограничений:

, , , (40)

где – суммарная тепловая нагрузка района теплоснабжения, зависящая от температуры наружного воздуха (Гкал/ч).

Для решения задачи применяется метод множителей Лагранжа, согласно которому целевая функция может быть представлена в следующем виде:

, (43)

где и - множители Лагранжа.

Задача (38)-(40) является задачей выпуклого программирования, поэтому система оптимальности записывается в следующем виде:

, (44)

, , (45)

, , (46)

С учетом выражений (38) величина предельных издержек будет иметь следующий вид:

, (48)

Поскольку для систем теплоснабжения является строго неотрицательной величиной, то из уравнения (45), получаем что . При этих условиях выражение (44) преобразуется к виду:

, (49)

В соответствии с выше описанным получаем, что предельные издержки равны:

, (50)

Выразив из (49) величину и подставив ее в уравнение (46) получаем выражение для предельных издержек системы в целом:

. (51)

Из изложенного следует, что оптимальным будет решение, для которого предельные издержки всех работающих станций равны между собой, а множитель Лагранжа (), являющийся двойственной переменной, соответствует значению оптимальных предельных издержек.

Задача оптимизации схемы и параметров системы предполагает определение оптимальной схемы и параметров (диаметров трубопроводов, насосных станций и т.п.) тепловой сети. Для решения этой задачи используется методический подход, основанный на предварительном задании «избыточной» схемы системы (рисунок 3а). «Избыточная» схема представляет собой совокупность всех допустимых вариантов конфигурации тепловой сети, размещения источников тепла и потребителей с учетом ограничений по прокладке трубопроводов и расположению источников на месте.

Развитие этого подхода позволило совместить решение задач оптимального распределения тепловой нагрузки между источниками тепловой энергии и оптимального развития и реконструкции тепловой сети, составляющих общую проблему организации совместной работы источников тепловой энергии на единые тепловые сети.

а) б)

Рисунок 3 – Избыточная схема теплоснабжающей системы

С этой целью «избыточная» схема дополняется фиктивным узлом и подмножеством фиктивных связей (рисунок 3б), соединяющих его с узлами, в которых расположены источники. Фиктивным связям ставятся в соответствие затраты по источникам, расположенным в инцидентных узлах. Затраты, представляющие зависимость от величины производительности, могут быть представлены как в виде функции , так и в табличном виде.

С учетом изложенного поставленная задача может быть сведена к задаче поиска наивыгоднейшего потокораспределения на заданной «избыточной» схеме. Ее решение позволяет найти уточненное распределение нагрузок между источниками тепла, учитывающее затраты в источники, тепловую сеть, схему тепловой сети, мероприятия по ее реконструкции и оптимальные параметры.

Для оптимизации параметров ТС древовидной структуры применяется метод динамического программирования (ДП), а кольцевых сетей – метод многоконтурной оптимизации (МКО), разработанные в ИСЭМ. Они позволяют учитывать индивидуальные особенности системы и ее элементов, существующее состояние, технические ограничения и логические условия. Расчет потокораспределения обеспечивает реализуемость принимаемых решений и работоспособность системы при эксплуатации.

Автор участвовал в отработке, развитии и адаптации алгоритма решения поставленной задачи, проведении содержательных исследований, в разработке методики практического применения вычислительного инструмента для расчета реальных ТСС.

Задача анализа режимов функционирования ТСС и оценки ее работоспособности решается на основе расчета потокораспределения, которое описывается системой линейных балансовых уравнений (аналогов I и II законов Кирхгофа) и нелинейных замыкающих соотношений (2-4). Разработанные в ИСЭМ методы решения данной задачи реализованы в виде информационно-вычислительной системы «АНГАРА», которая хорошо учитывает сетевую специфику, имеет развитый интерфейс и максимально отражает потребности практики расчета потокораспределения в ТСС.

Комплексная методика и алгоритм решения проблемы состоит из последовательности поэтапного решения перечисленных выше задач и взаимоувязки, получаемых на каждом этапе результатов. Укрупненно она может быть представлена следующими этапами:

1. Подготовка и формирование «избыточной» схемы системы.

2. Расширение «избыточной» схемы фиктивным узлом и фиктивными связями, число которых соответствует количеству источников тепла.

3. Определение последовательности распределения тепловой нагрузки между источниками и расчет их технико-экономических показателей путем оптимизации загрузки ИТ по интервалам отопительного периода в зависимости от температуры наружного воздуха.

4. Для каждого теплоисточника строится зависимость затрат от его производительности в соответствии с полученным графиком загрузки в виде таблицы или аналитического выражения.

5. Каждой фиктивной ветви «избыточной» схемы ставится в соответствие зависимость затрат от производительности источника, расположенного в инцидентном узле.

6. Для рассматриваемых интервалов отопительного и неотопительного периодов оптимизируется схема тепловой сети и ее параметры с учетом оптимальной загрузки источников.

7. По результатам оптимизационных расчетов формируется схема и параметры тепловой сети.

8. Выполняются поверочные расчеты на различные варианты загрузки источников и режимы функционирования системы (нормальные и аварийные).

9. При необходимости осуществляется корректировка схемы и параметров тепловой сети.

10. Рассчитываются критерии экономической эффективности и технические характеристики системы, анализируется финансовая реализуемость полученных решений.

Ввиду сложности решения рассматриваемой проблемы, связанной с переходом на количественные методы регулирования отпуска тепла и работой источников с плавающими зонами их обслуживания и необходимостью выполнения большого количества расчетов по приведенной методике возникает вопрос об ее упрощении.

Проведенные многочисленные исследования на реальных и стилизованных схемах ТСС показали, что в большинстве случаев достаточно провести две серии расчетов по определению параметров ТС – для режима начала (конца) отопительного периода и расчетных условий. При этом для новых ТСС выбор параметров тепловых сетей осуществляется при расчете режима с минимальными расходами теплоносителя для начала (окончания) отопительного периода. Они фиксируются, а затем производится их корректировка на расчетный (максимальный зимний) режим. В данном случае имеют место минимальные значения капитальных вложений в тепловые сети и минимальные дисконтированные ежегодные затраты.

В случае реконструкции существующей системы теплоснабжения с целью организации совместной работы источников мероприятия по реконструкции сетей определяются раздельно для режима начала отопительного периода и расчетных условий. По их результатам формируется итоговое решение, которое включает наибольшие значения диаметров теплопроводов и других параметров. Эти исследования позволили разработать экспресс-методику решения рассматриваемой проблемы, которая эффективна для большинства ТСС.

Предложенная методика решения рассматриваемой проблемы, реализуется в рамках развитой диалоговой вычислительной системы (ДВС). Она включает пять ПВК и имеет несколько уровней, построенных по иерархическому принципу. При переходе от одного уровня к другому осуществляется конкретизация задач и расширяется их перечень.

Переход к новым принципам построения систем предполагает иерархическую структуру систем на основе деления транзитных, магистральных и распределительных ТС с помощью узлов управления, создание структурной и параметрической избыточности ТС, обеспечивающей взаиморезервирование ИТ, тепловых сетей, их управляемость в нормальных и аварийных режимах, а также разделение источников тепла, тепловых сетей и теплопотребляющих установок потребителей на гидравлически независимые контуры с использованием теплообменников, автоматики и систем регулирования.

Перечисленные структурные преобразования ТСС создают необходимые условия для внедрения энергоэффективных технологий функционирования систем и осуществления системно-технологических преобразований. К их числу могут быть отнесены: переход от качественного к качественно-количественному и количественному регулированию с переменными расходами теплоносителя; снижение максимальной температуры теплоносителя при сохранении и даже увеличении фактически используемого перепада температур; понижение давления сетевой воды во всех звеньях системы.

Техническое переоснащение систем включает следующий комплекс мероприятий: реконструкция и сооружение ТС на базе современных конструкций и технологий прокладки теплопроводов с системой оперативного контроля, управления и диагностики их состояния, использование шаровой, дисковой и другой запорно-регулирующей арматуры с электроприводом и дистанционным управлением; внедрение системы автоматики и регулирования, приборов учета и измерения с созданием на их базе автоматизированной системы диспетчерского управления; широкое применение на источниках, в тепловых сетях и у потребителей автоматизированных тепловых пунктов с пластинчатыми теплообменниками, системами управления и регулирования.

Реализация данных направлений фактически означает переход на новые инновационные технологии эксплуатации отечественных теплоснабжающих систем, которые позволят повысить эффективность производства электрической и тепловой энергии, сократить потери тепла и теплоносителя, увеличить долговечность оборудования и трубопроводов, сделают возможным привлечение для совместной работы не только крупные, но также нетрадиционные и возобновляемые источники тепла. Так, снижение температуры подаваемой сетевой воды на 1С увеличивает выработку электрической энергии на ТЭЦ на 0,1-0,3%, а потери тепла в ТС при этом сокращаются примерно на 0,3% от его отпуска в сеть.

Выбор комплекса конкретных мероприятий может быть осуществлен с помощью предложенного в настоящей работе методического обеспечения. Они должны быть положены в основу перспективных планов развития теплоснабжения городов и населенных пунктов.

Практическая апробация методических и программных разработок проводилась в исследовании целого ряда реальных проектов. Одним из них является проект «Комплексной реконструкции теплоснабжающей системы Центрального и Адмиралтейского районов Санкт-Петербурга».

В отличие от традиционных работ основная направленность настоящего проекта связана с повышением эффективности, надежности и качества теплоснабжения потребителей на основе инновационных технологий и оборудования, обеспечивающих передовой уровень функционирования ТСС.

Рассматриваемый район обеспечивается теплом от 6 ТЭЦ, 8 крупных и 141 средних и мелких котельных. Все теплоисточники работают раздельно, каждый на свою зону. Системы имеют те же, что и большинство ТСС страны, недостатки, которые приводят к неудовлетворительному комфорту, низкой надежности и эффективности. Суммарная тепловая нагрузка района на уровне 2025 г. составит более 1830 Гкал/ч.

Все множество возможных вариантов развития системы было представлено в виде «избыточной» схемы (рисунок 4), исследование которой с помощью описанного выше методического и вычислительного инструментария позволило получить общесистемные рекомендации по совершенствованию ТСС. Предложенные мероприятия по реконструкции системы и зоны действия источников в расчетном режиме, выделенные жирными линиями, отражены на рисунке 4. Ряд полученных рекомендаций имеют универсальный характер и могут быть предложены для других систем. Согласно этим рекомендациям повышение эффективности, надежности и управляемости ТСС Центрального и Адмиралтейского районов г. Санкт-Петербурга возможно при выполнении конкретных мероприятий, среди которых выделяются следующие:

1. Рациональное построение структуры системы, включая число, тип и мощность источников, конфигурацию схемы сетей, схемы подключения источников и потребителей к ТС. Сооружение новой ТЭЦ и сохранение в эксплуатации 3-х существующих ТЭЦ, при этом два наиболее удаленных ИТ переключаются на тепловые нагрузки прилегающих к ним районов, одна ТЭЦ демонтируется, более 40 неэкономичных котельных закрываются.

2. Реализация предложенных мероприятий по реконструкции тепловых сетей (рисунок 4) с созданием минимальной избыточности, обеспечивающей резервирование и управление теплогидравлическими режимами в нормальных и аварийных ситуациях, а также позволяющей организовать совместную работу ИТ.

3. Оснащение ТСС автоматизированными узлами управления и средствами телемеханики, ориентированными на создание АСДУ ТП.

4. Совместная работа источников тепла на единые тепловые сети, обеспечивающая повышение эффективности ТСС, надежности и качества теплоснабжения.

5. Внедрение качественно-количественного регулирования отпуска тепла с независимой схемой подключения нагрузок отопления, вентиляции и закрытой системой горячего водоснабжения.

6. Организация эффективных теплогидравлических режимов работы системы, фактически реализующих инновационные технологии функционирования ТСС.

Рисунок 4 – Избыточная схема ТСС и рекомендации по ее реконструкции г. Санкт-Петербурга

В отличие от традиционного подхода был найден вариант развития системы, который отсутствовал среди намечаемых для расчета. Он фактически сочетает в себе наилучшие из предлагаемых решений, учитывает все технические и прочие условия и ограничения.

Экономическая эффективность от реализации предложенных мероприятий может составить более 500 млн. руб./год по сравнению с вариантом, полученным традиционными методами. Результаты проведенных исследований вошли в работу «Обоснование инвестиций по реконструкции системы энергоснабжения Центрального и Адмиралтейского районов г. Санкт-Петербурга».

Исследования перспективных направлений развития ТСС г. Иркутска также включали большой комплекс задач по ее реконструкции, расширению и совершенствованию. Они усложнялись тем, что необходимо было рассмотреть эффективность перехода тепловой магистрали через р. Ангара для объединения разрозненных ТСС, обосновать целесообразность дальнейшей эксплуатации электрокотельных и мелких угольных котельных, определить пути повышения надежности системы и наивыгоднейшие режимы ее эксплуатации. На основании выполненных исследований были предложены иерархические принципы построения системы, обоснованные мероприятия по реконструкции тепловых сетей, обеспечивающие аварийное резервирование и формирование единой системы на базе ТЭЦ и распределенных источников теплогенерации (электрокотельных и котельных на жидком топливе), мероприятия по техническому переоснащению ТСС, направленные на реализацию инновационных технологий ее функционирования. В результате в два раза сократился расход топлива, потребляемый котельными, практически полностью прекратилось применение электрической энергии на производство тепла, до минимума доведено потребление дорогого жидкого топлива. Многие из предложений уже внедрены или же находятся в процессе выполнения.

Вопросы реконструкции и развития ТСС г. Усть-Кута решались в рамках проекта газификации города. Одним из его условий было обеспечение качественного теплоснабжения потребителей при максимально эффективном использовании природного газа. Пересеченный рельеф местности, большая распределенность тепловых нагрузок значительно усложняли решение задачи. Предлагаемый методический подход (на базе избыточных схем) и вычислительные средства позволили в комплексе решить поставленную задачу выбора оптимального состава теплоисточников, реконструкции и развития тепловых сетей. Оказалось целесообразным вместо нескольких существующих котельных построить газотурбинную станцию с утилизацией тепла и с помощью развиваемых тепловых сетей соединить ее с сохраняемыми котельными для совместной работы. В работе была предложена дорожная карта поэтапного преобразования существующих низкоэкономичных ТСС до уровня современной системы, построенной на основе энергоэффективных технологий и оборудования. Ожидаемый экономический эффект по предварительным расчетам составил около 172 млн. руб./год.

Заключение. В диссертации рассмотрена одна из актуальных проблем общесистемных исследований – задача реконструкции и преобразования ТСС с целью повышения ее эффективности на основе организации совместной работы ИТ на единые тепловые сети. Основные результаты работы состоят в следующем:

  1. Выполнен анализ современного состояния в области теплоснабжения. Показано, что в условиях рыночно-ориентированной экономики необходимо существенное повышение эффективности и конкурентоспособности систем централизованного теплоснабжения путем перехода к инновационным технологиям развития и функционирования теплоснабжающих систем.

Показано, что одной из перспективных задач инновационного развития ТСС является объединение нескольких источников тепла для работы на общие тепловые сети и оптимальное перераспределение тепловой нагрузки между ними в процессе эксплуатации. Это требует решения комплекса научно-методических и технических вопросов.

  1. Сформулирована постановка комплексной проблемы организации совместной работы источников в единой теплоснабжающей системе, выполнена ее структуризация и предложены методические подходы к ее решению.
  2. Разработана общая математическая модель поставленной проблемы, на основе выполненных исследований предложена ее декомпозиция на отдельные относительно самостоятельные задачи, разработаны алгоритмы их взаимоувязки. Они прошли практическую апробацию и хорошо зарекомендовали себя в расчетах разнотипных, топологически сложных, реальных теплоснабжающих систем.
  3. Разработана математическая модель решения задачи оптимального распределения тепловой нагрузки между источниками в зависимости от ее изменения в течение отопительного периода и года в целом.
  4. 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.
  5. Предложенные модели реализованы в виде алгоритмов и программных комплексов, разработанных в ИСЭМ и предназначенных для проведения исследовательских, проектных и эксплуатационных расчетов ТСС.
  6. На основе развиваемых в работе моделей и программных комплексов разработаны методика и алгоритм комплексного решения задач реконструкции и развития теплоснабжающих систем при организации совместной работы источников. Они базируются на предложенных в работе принципах структуризации и декомпозиции, учитывают сетевую специфику решаемых задач и разнотипность источников тепла. Методическая и алгоритмическая базы обладают универсальностью, ориентированы на оптимальный учет существующей части системы и позволяют получать решения, удовлетворяющие нормативным требованиям теплоснабжения потребителей.

8. Предложены рекомендации по 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.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Ермаков Р.Л., Стенников Н.В. Выбор наладочного режима в открытых системах централизованного теплоснабжения //Теплоэнергетика. 2008, №11. С. 58-63.

2. Сеннова Е.В., Стенников Н.В. раздел 2.5 в монографии «Трубопроводные системы энергетики: развитие теории и методов математического моделирования и оптимизации» - Новосибирск: Наука, 2008. С. 127-139.

3. Ермаков Р.Л., Стенников Н.В. Выбор гидравлического режима наладки и регулировки тепловых сетей //Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири. – Иркутск: ИрГТУ, 2004. С. 199-204.

4. Стенников Н.В. Исследование режимов функционирования теплоснабжающих систем //Системные исследования в энергетике.– Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2004. С. 64-70.

5. Стенников Н.В. Определение параметров тепловой сети с учетом оптимальной загрузки тепловых источников // Системные исследования в энергетике. – Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2005. С. 109-116.

6. Стенников Н.В. Методика оптимизации параметров теплоснабжающих систем при совместной работе источников //Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири. – Иркутск: ИрГТУ, 2006. С. 208-214.

7. Стенников Н.В. Задача совместной работы теплоисточников и методика ее решения //Системные исследования в энергетике.– Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2006. С. 82-90.

8. Сеннова Е.В., Стенников Н.В. Технические и методические вопросы организации совместной работы источников на общие тепловые сети //Математические модели и методы анализа и оптимального синтеза развивающихся трубопроводных и гидравлических систем. – Санкт-Петербург: 2006. С. 45-47.

9. Стенников Н.В. Проблемы и задачи реконструкции теплоснабжающих систем //Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири. – Иркутск: ИрГТУ, 2007. С. 200-204.

10. Стенников Н.В. Методика реконструкции тепловых сетей при организации совместной работы источников на общие тепловые сети //Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири. – Иркутск: ИрГТУ, 2008. С. 305-310.

11. Сеннова Е.В., Сердюкова М.А., Стенников Н.В. Проблемы развития системы теплоснабжения центральной части Санкт-Петербурга и методы их решения/ Математическое моделирование трубопроводных систем энергетики. [Электронный ресурс], ISBN 978-5-93908-060-6 /1 электрон. опт. диск (CD-ROM):. – Иркутск.– ИСЭМ СО РАН. – 2008.



 





<


 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.