Выбор оптимального перепада температур в тепловых сетях централизованного теплоснабжения г. Тюмени



В статье представлена методика расчета оптимального перепада температур в тепловых сетях. Рассмотрены методы регулирования теплоотдачи в системах теплоснабжения. Произведена оценка наиболее эффективного перепада температур в подающем и обратном трубопроводе на примере одного из районов города Тюмень.

Ключевые слова: энергоэффективность, централизованное теплоснабжение, методы регулирования тепловых нагрузок, перепад температур в тепловой сети

Россия относится к странам с высоким уровнем централизации теплоснабжения. Источниками теплоты в большинстве крупных городов выступают ТЭЦ или котельные, от которых тепловая энергия перемещается по водяным тепловым сетям.

Эффективность работы систем централизованного теплоснабжения зависит от режимов работы тепловых сетей и систем теплопотребления. Неэффективная работа систем теплоснабжения приводит к перерасходу ресурсов, поэтому задача оптимизации режимов и регулирования тепловых и гидравлических режимов работы систем является достаточно актуальной.

Система централизованного теплоснабжения представляет собой взаимосвязанный комплекс источника теплоты, тепловых сетей и потребителей тепловой энергии. К системам теплоснабжения, в основном, присоединены три вида тепловой нагрузки: отопление, горячее водоснабжение и вентиляция. На рис. 1 представлено примерное соотношение между данными нагрузками.

Эти нагрузки имеют различные сезонные и суточные графики потребления.

Расчетные тепловые нагрузки систем отопления жилых и общественных зданий, объемы которых известны, систем вентиляции и горячего водоснабжения определяются в соответствии с [1, стр.141].

Рис. 1. Соотношение между видами тепловой нагрузки

Тепловая нагрузка абонентов меняется в зависимости от множества факторов. Отопление и вентиляция относятся к сезонным нагрузкам и зависят, в основном, от температуры наружного воздуха, а также от направления и скорости ветра, солнечного излучения, влажности воздуха и т. п. Горячее водоснабжение относится к круглогодичной нагрузке и зависит от благоустройства жилых и общественных зданий, состава населения и распорядка рабочего дня, а также от режима работы коммунальных предприятий — бань, прачечных.

Для обеспечения высокого качества теплоснабжения и экономичной работы ТЭЦ или котельных выбирается наиболее эффективный метод регулирования.

Для исследования эффективности и определения оптимального перепада температур в подающей и обратной магистралях тепловой сети был выбран район по улицам Чаплина-Молодёжная-Депутатская в г. Тюмень в качестве примера.

Первым этапом при проектировании тепловых сетей и разработке схем теплоснабжения стало определение расходов теплоты, отпускаемых потребителям. Определение производится по каждому виду теплопотребления.

Для оптимизации расхода и температуры сетевой воды в тепловых сетях выбирается соответствующий метод регулирования.

В зависимости от места осуществления регулирования различают центральное, групповое, местное и индивидуальное регулирование. Центральное регулирование выполняется на источнике теплоты (ТЭЦ или котельная) по характерной тепловой нагрузке.

Групповое регулирование осуществляется в центральных тепловых пунктах для группы однородных потребителей. В ЦТП поддерживаются заданные параметры теплоносителя (расход и температура).

Местное регулирование производится на абонентском вводе для дополнительного изменения параметров теплоносителя с учетом местных факторов.

Индивидуальное регулирование предусматривается непосредственно у теплопотребляющих приборов.

Центральное регулирование теплоотдачи в системах теплоснабжения возможно несколькими методами.

Качественное регулирование осуществляется изменением температуры при постоянном расходе теплоносителя. Качественный метод является наиболее распространенным видом центрального регулирования водяных тепловых сетей.

При количественном регулировании теплоты изменяется расход теплоносителя при постоянной его температуре в подающем трубопроводе.

Качественно-количественное регулирование выполняется путем совместного изменения температуры и расхода теплоносителя.

Прерывистое регулирование достигается временным отключением систем, т. е. пропусками подачи теплоносителя. Сложность этого метода ограничивает возможность его широкого применения.

В нашей стране из-за климатических условий основной нагрузкой является отопление, поэтому регулирование производится изменением отопительной нагрузки в зависимости от температуры наружного воздуха. Для этого строятся графики центрального регулирования.

Для выбора оптимального перепада температур производится сравнение трех температурных режимов: 130/70°С, 140/70°С и 150/70°.

Определяем, как меняется температура теплоносителя в подающем трубопроводе, ˚C [2, стр. 261]:

(1)

Температура теплоносителя в обратном трубопроводе тепловой сети, ˚C:

(2)

Расчетный температурный напор нагревательного прибора, ˚C:

(3)

Расчетный перепад температур сетевой воды в местной системе, ˚C:

, (4)

где — средняя температура внутреннего воздуха, отапливаемых зданий, для жилых и общественных зданий, °С;

— расчетная температура наружного воздуха для проектирования системы отопления, °С;

— температура наружного воздуха в интервале от +8˚С до температуры расчетной для проектирования системы отопления, равной -35˚С;

— расчетные температуры сетевой воды в тепловой сети в подающем трубопроводе, обратном трубопроводе и на систему отопления, °С.

По вышеприведенным формулам строятся температурные графики, показывающие, как меняются температуры теплоносителя при изменении температуры наружного воздуха в интервале от расчетной температуры для отопления до температуры окончания отопительного периода (см. рис.2).

Рис. 2. Температурный график: - температура в подающем трубопроводе, равная 130°С; - температура в подающем трубопроводе, равная 140°С; - температура в подающем трубопроводе, равная 150°С; - температура в обратном трубопроводе

Далее осуществляется расчет расходов теплоносителя на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение согласно [1, стр. 180].

Следующим этапом производится гидравлический расчет для всех перепадов температур. На основании этих расчетов была определена удельная материальная характеристика тепловой сети для каждого варианта, м²:

(5)

где — наружный диаметр трубопровода, м;

l — длина расчетного участка, м.

Данные расчетов сведены в таблицу 1.

Таблица 1

Удельная материальная характеристика тепловой сети

Расчетный перепад температур,°С	Значение Муд, м2
130/70	389,19
140/70	382,14
150/70	381,97

Разница между удельными материальными характеристиками для перепадов 140/70 и 150/70 несущественна. Исходя из данных табл.1, наиболее эффективным перепадом температур в трубопроводах является 140/70°С.

Однако, данная оценка является предварительной.

Эффективность работы систем централизованного теплоснабжения, в основном, определяется правильным выбором расчетных параметров теплоносителя. Эта задача усложняется неоднозначным влиянием некоторых технических параметров на экономические показатели трубопроводов. На рисунке 3 представлен один из вариантов взаимосвязи между ними [3, стр. 57].

Определение наиболее эффективного расчетного перепада температур производим по минимуму суммарных годовых приведенных затрат, предварительно приняв ежегодные затраты на топливо одинаковыми во всех вариантах, руб./год [4, стр. 400]:

(6)

где И_топл — ежегодные расходы на топливо, руб./год;

З_т.с — годовые приведенные затраты по тепловой сети, руб./год;;

И_э — ежегодные затраты на перекачку воды, руб./год;

И_т.п — ежегодные расходы, связанные с тепловыми потерями, руб./год;.

Задача решается методом вариантных расчетов.

Капиталовложения в тепловую сеть зависят от материальной характеристики этой сети.

Капиталовложения в тепловую сеть находятся по формуле, руб./год:

(7)

где ∑l — суммарная длина всех трубопроводов сети, м;

а_т.с и b_{т.с —} постоянные стоимостные коэффициенты;

М — удельная тепловая нагрузка тепловой сети, м².

Рис. 3. Взаимосвязь технико-экономических параметров тепловой сети

Затраты на перекачку теплоносителя являются значительной статьей эксплуатационных расходов в водяных тепловых сетях. Они включаются, в основном, в себя стоимость электроэнергии, расходуемой на привод сетевых насосов.

Ежегодные затраты на перекачку воды по двухтрубной тепловой сети определяются по формуле, руб./год:

(8)

где z_э — стоимость электроэнергии, руб./кВт·ч;

l — длина тепловой сети, м;

α — коэффициент местных потерь давления;

n — количество часов работы насосных установок ТЭЦ, ч;

G_n — расход воды на головном участке, кг/ч;

R_n — удельное падение давления на головном участке, Па/м;

ρ — плотность воды, кг/м³.

— КПД насосной установки.

При проведении технико-экономических расчетов изоляционная конструкция теплопровода обычно неизвестна, так как рабочие чертежи разрабатываются на более поздних этапах проектирования. Поэтому расчет тепловых потерь в сети в начальной стадии проектирования и их стоимостная оценка производятся по укрупненным показателям.

Ежегодные расходы, связанные с тепловыми потерями, рассчитываются по формуле, руб./год:

, (9)

где z_m — стоимость теплоты, руб/ГДж;

Q_тп — годовые потери теплоты, кВт;

М_усл = М+0,15·∑l — условная материальная характеристика тепловой сети, рассчитанная по наружной поверхности изоляции.

(10)

где k — условный коэффициент теплопередачи теплопровода, отнесенный к наружной поверхности изоляции, Вт/(м²·град);

τ_ср, t₀ — среднегодовые температуры теплоносителя и окружающей среды, °С;

m — число часов работы тепловой сети, ч/год;

β — коэффициент местных потерь теплоты.

Результаты расчетов сведены в таблицу 2.

Таблица 2

Суммарные годовые приведенные затраты

	τ1=130°С	τ1=140°С	τ1=150°С
Приведенные затраты на эл.энергию, руб/год	11343,98	10027,01	7302,23
Годовой расход эл.энергии Qэ, кВт*ч	708998,53	626688,21	456389,35
Потребляемая насосами мощность, кВт	134,3	118,7	86,4
Затраты на потерю тепла, руб/год	2133,64	2186,05	2223,96
Годовые потери тепла, руб/год	1557,40	1595,66	1623,33
Годовые потери тепла на единицу условной матер. хар-ки	1,900	1,961	1,995
Затраты приведенные в тепловые сети, руб	33269,84	32912,2	32902,68
Кап.вложения в тепловые сети, руб/год	166349,2	164561	164513,4
Суммарные годовые приведенные затраты, руб/год	179826,82	176774,06	174039,59

Выбор оптимального варианта производится по минимуму годовых приведенных (расчетных) затрат З=min.

На основании результатов, полученных в ходе исследования, можно сделать вывод, что наиболее оптимальным перепадом температур теплоносителя в подающей и обратной магистралях является =150/70°С.

Литература:

1. Манюк В. И., Каплинский Я. И., Хиж Э. Б., Манюк А. И., Ильин В. К. Наладка и эксплуатация водяных тепловых сетей. Справочник — 3 изд., перераб. и доп.- М.: Строиздат, 1988- 432 с.;
2. Зингер Н. М. Гидравлические и тепловые режимы теплофикационных систем — издание второе, перераб. — М.: Энергоатомиздат, 1986–320 м.;
3. Кононова М. С. Определение оптимальных параметров транспортировки теплоносителя в тепловых сетях — Сибстрин «Известия вузов. Строительство» № 11–12, ноябрь-декабрь 2005 г., с. 56–61.
4. Соколов Е. Я. Теплофикация и тепловые сети: Учебник для вузов/Е. Я. Соколов, — 7 изд., стереотипное. — М.: Изд-во МЭИ, 2001. — 472 с.