55 УДК 697.34 ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕМПЕРАТУРНОГО ГРАФИКА ОТПУСКА ТЕПЛОТЫ В ТЕПЛОФИКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ Докт. техн. наук, доц. СЕДНИН В. А., канд. техн. наук, доц. СЕДНИН А. В., асп. БОГДАНОВИЧ М. Л. Белорусский национальный технический университет В числе проблем в области теплофикации и централизованного тепло- снабжения можно выделить группу задач, для которых трудно получить аналитическое решение. Одной из них является определение оптимальных параметров температурного графика отпуска тепловой энергии (графика центрального регулирования отпуска тепловой энергии) [1]. Общеизвестно, что выбор оптимального температурного графика водя- ной тепловой сети осуществляется при проектировании системы тепло- снабжения на основании технико-экономических расчетов. Основными факторами, влияющими на выбор температурного графика, являются за- траты на строительство теплоисточников, тепловых сетей и теплопотреб- ляющего оборудования, стоимость топлива, тепловые потери, затраты на транспорт теплоносителя. Так как любая система централизованного теп- лоснабжения (СЦТ) в период своего жизненного цикла эволюционно раз- вивается как количественно (расширяется зона теплоснабжения), так и ка- чественно (происходит модернизация, реконструкция и автоматизация от- дельных ее элементов), очевидно, что со временем возникает вопрос 56 о необходимости оптимизации температурного графика отпуска тепловой энергии. Для современных условий функционирования СЦТ в республике эта задача особенно актуальна. В связи с модернизацией систем автомати- ческого регулирования теплопотреблением де-факто произошел переход от качественного метода регулирования отпуска тепловой энергии к количе- ственно-качественному. В качестве примера на рис. 1 представлен темпе- ратурный график, характерный для работы центрального теплового пункта (ЦТП) в автоматическом режиме, после проведения комплексной наладки квартальных тепловых сетей. Вопросу оптимизации температурного графика систем теплоснабжения уделено достаточно большое внимание [1–10]. Однако в большинстве слу- чаев рассматривалась работа систем теплоснабжения при качественном режиме регулирования отпуска тепловой энергии. Ранее [6, 7] нами рас- сматривались особенности выбора оптимальных параметров температур- ного графика для СЦТ с котельными в качестве теплоисточника. В систе- мах теплоснабжения, в которых в качестве теплоисточника используется ТЭЦ, необходимо дополнительно учитывать факторы, определяющие эффективность работы генерирующих установок, например температуру обратного теплоносителя, поступающего на станцию из тепловой сети. Рассмотрим подходы оптимизации температурного графика для СЦТ для ТЭЦ с паровыми турбинами. Проблема поиска оптимальной температуры сетевой воды усложняется тем, что невозможно найти общее решение абсолютно для всех паротур- бинных ТЭЦ, что связано прежде всего с большим многообразием исполь- зуемых паровых турбин и их конструктивными особенностями. Поэтому в ходе исследования системы теплоснабжения были разделены на три условные группы подсистем в зависимости от параметров свежего пара: • СЦТ с ТЭЦ со средними параметрами пара (до 4,0 МПа); • СЦТ с ТЭЦ с высокими параметрами пара (от 9,0 до 13,0 МПа); • СЦТ с ТЭЦ с повышенными высокими и сверхкритическими парамет- рами пара с промежуточным перегревом (13,0 и 24,0 МПа). Отопительный температурный график для ЦТП № 5 г. Сургута 8 4 0 –4 –8 –12 –16 –20 –24 –28 –32 –36 –40 Температура наружного воздуха, °С Рис. 1. Температурный график работы ЦТП [10]: 1 – Т1 подающий, 150; 2 – Т4 обратный от систем отопления, 70; 3 – Т2ЦТП ночн. ГВС, 70; 4 – Т2ЦТП макс. ГВС, 70; 5 – Т1 подаю- щий, 150 с ветром; 6 – Т3 подающий на системы отопления, 150; 7 – Т2ЦТП ср. сут. ГВС, 70 1 2 3 4 5 6 7 150,0 140,0 130,0 120,0 110,0 100,0 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 Те м пе ра ту ра с ет ев ой в од ы , ° С 57 В данной статье рассматриваются СЦТ, относящиеся к первой группе. На ТЭЦ со средними параметрами пара в основном используются турбины с противодавлением, пар после которых поступает на покрытие тепловых нагрузок промышленных и коммунально-бытовых потребителей. В по- следние годы в Беларуси на ряде ТЭЦ со средними параметрами пара было установлено паротурбинное оборудование с теплофикационным противо- давлением 0,12 МПа. Отработавший пар при этом используется только для покрытия нагрузок коммунально-бытового сектора, что объясняется ин- тенсивным сокращением в последние годы теплового потребления про- мышленными предприятиями при наличии стабильного и возрастающего потребления на отопление и горячее водоснабжение [11]. Следовательно, группу СЦТ с ТЭЦ со средними параметрами пара можно, в свою очередь, подразделить на две подгруппы: • ЦТ с ТЭЦ со средними параметрами пара с паротурбинными установ- ками одного противодавления р11; • ЦТ с ТЭЦ со средними параметрами пара с паротурбинными установ- ками двух противодавлений р11, р12. Для исследования влияния температуры сетевой воды на потребление топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) в СЦТ была разработана матема- тическая модель виртуальной СЦТ, включающей в себя теплофикацион- ную систему: ТЭЦ, тепловую сеть, теплоиспользующие установки [1]. При составлении математической модели принят ряд допущений, ос- новными из которых являлись: • на покрытие тепловых нагрузок промышленного производства отпус- кается пар одного давления; • система теплоснабжения не обладает транспортным запаздыванием и мгновенно реагирует на изменение температуры прямой сетевой воды. Расчетная тепловая схема рассматриваемой ТЭЦ со средними парамет- рами пара с паротурбинными установками двух противодавлений р11, р21 представлена на рис. 2. В основу математической модели тепловых сетей положена двухтруб- ная сеть протяженностью 12 км, проложенная воздушным способом с пе- нополиуретановой тепловой изоляцией. Диаметр трубопровода принимал- ся неизменным по всей длине сети и равным 630 мм с толщиной стенки трубопровода 5 мм. Гидравлические характеристики трубопроводной си- стемы были приняты по аналогу сети Западной мини-ТЭЦ, входящей в со- став филиала «Пинские тепловые сети РУП “Брестэнерго”». Все потребители теплоты условно заменялись одним эквивалентным потребителем, подключенным к тепловой сети на наибольшем удалении от источника теплоснабжения. В качестве эквивалентного потребителя рас- сматривается автоматизированный центральный тепловой пункт с двумя видами тепловых нагрузок: горячего водоснабжения и отопления. При этом считалось, что отпуск теплоты на горячее водоснабжение осуществ- ляется через поверхностный теплообменник, подключенный по односту- пенчатой параллельной схеме. Отпуск теплоты от ЦТП на нужды отопле- ния осуществляется по зависимой схеме по заданному температурному графику (в расчетах принимался график 95/70 °С) и при известной рас- четной температуре наружного воздуха (в расчетах принята температура 58 –25 °С). Поддержание температурного графика систем отопления тепловых потребителей осуществляется с помощью корректирующих насосов, уста- новленных на ЦТП. Температура обратной сетевой воды формируется в результате смешения потоков сетевой воды после теплообменного аппа- рата горячего водоснабжения и отопительных приборов. 9 2а 32б 1 15 18а 18б 19а 7 10 14 5б 11б 12 176 13 16 11а 5а 19б 43 8 Исходная вода Рис. 2. Расчетная тепловая схема рассматриваемой ТЭЦ со средними параметрами пара с паротурбинными установками двух противодавлений р11, р12 : 1 – паровой котел, р = = 3,9 МПа, t = 440 °C; 2а – паровая турбина, р11= 0,5 МПа; 2б – паровая турбина, р12= = 0,12 МПа; 3 – генератор; 4 – РОУ; 5а – деаэратор питательной воды; 5б – деаэратор под- питочной воды; 6 – питательный насос; 7 – насос сетевой; 8 – насос конденсата подогрева- телей сетевой воды; 9 – насос сырой воды; 10 – насос подпитки тепловой сети; 11а – подо- греватель сетевой воды; 11б – охладитель конденсата подогревателя сетевой воды; 12 – пиковый подогреватель сетевой воды; 13 – ПВД; 14 – охладитель воды подпитки тепловой сети; 15 – подогреватель сырой воды; 16 – охладитель выпара деаэратора; 17 – расширитель непрерывной продувки; 18а – ХВО 1-й ступени умягчения; 18б – ХВО 2-й ступени умяг- чения; 19а – тепловой потребитель сетевой воды; 19б – тепловой потребитель пара При проведении численных исследований были приняты следующие исходные данные: 1) расчетная тепловая нагрузка системы горячего водоснабжения со- ставляет 10,5 Гкал/ч, независимо от температуры наружного воздуха и ха- рактеризуется тремя суточными состояниями: минимальное значение – 0, среднее значение – 50 % и максимальное значение – 100 %. Температура исходной воды для нужд горячего водоснабжения принимается равной 5 °С, а после теплообменника, поступающая к потребителю, составляет 60 °С; 2) расчетная тепловая нагрузка системы отопления – 40 Гкал/ч; 3) расчетная технологическая нагрузка независимо от температуры наружного воздуха составляет 35 т/ч (24,4 Гкал/ч) и характеризуется пятью состояниями: 0; 30; 50; 70 и 90 % от расчетной; 4) режимы теплоснабжения рассматривались при следующих темпера- турах наружного воздуха: +8; 0; –5; –10; –15; –20 и –25 °С. Расчет теплофикационной системы проводился в следующей последо- вательности: тепловые сети (подающая магистраль), потребитель (ЦТП), тепловые сети (обратная магистраль), ТЭЦ. В качестве базового варианта 59 для сравнения принимается вариант с температурой сетевой воды, соответ- ствующей фактическому температурному графику 130/70 °С. Задавался диапазон температур прямой сетевой воды, и при фиксиро- ванной температуре наружного воздуха определялись расходы топлива и выработка (отпуск) электроэнергии от ТЭЦ (потребление электроэнергии корректирующими насосами на ЦТП относились к затратам электроэнер- гии на собственные нужды теплоисточника). Нижнее значение диапазона температуры прямой сетевой воды определялось по минимально допусти- мой температуре у потребителя с учетом компенсации тепловых потерь; верхнее – техническими возможностями теплофикационного оборудования ТЭЦ. Сравниваемые варианты работы системы теплоснабжения уравнива- лись по количеству отпущенной электроэнергии в энергетическую систему с учетом замещения по замыкающей КЭС с удельным расходом топлива на отпуск электроэнергии 331 г у. т./(кВт⋅ч). В качестве критерия выбора оп- тимальной температуры прямой сетевой воды принимался минимум си- стемного расхода топлива. На основании полученных результатов численного исследования полу- чена зависимость оптимальной температуры сетевой воды от величины технологических тепловых потерь в тепловых сетях при различных темпе- ратурах наружного воздуха в виде поверхности. Проецирование данной поверхности на плоскость позволяет построить семейство функциональ- ных зависимостей оптимальной температуры сетевой воды от технологи- ческих тепловых потерь для различных температур наружного воздуха (рис. 3). Если принять технологические потери в тепловой сети равными нулю, то оптимальная температура составит 97 °С для всех режимов работы вир- туальной СЦТ и соответствует максимальному значению удельной выра- ботки электроэнергии на тепловом потреблении паротурбинного оборудо- вания рассматриваемой ТЭЦ. 60 67 74 81 88 95 102 5 7 9 11 13 15 Потери в тепловых сетях, % Те м пе ра ту ра п ря м ой с ет ев ой в од ы , ° С Рис. 3. Изменение оптимальной температуры сетевой воды в зависимости от технологиче- ских тепловых потерь и температуры наружного воздуха для ЦТ с ТЭЦ со средними пара- метрами пара с паротурбинными установками двух противодавлений: 1 – при –25 °С; 2 – при –20 °С; 3 – при –15 °С; 4 – при –10 °С; 5 – при –5 °С; 6 – при 0 °С; 7 – при 8 °С 1 2 3 4 5 6 7 60 Полученные результаты подтверждают необходимость корректировки температуры прямой сетевой воды в зависимости от тепловой нагрузки, времени суток, температуры наружного воздуха и величины технологиче- ских потерь [12], т. е. создания динамических температурных графиков. Если на практике отсутствует возможность отслеживать изменение тепло- вых потерь в режиме реального времени, то допускается их принимать условно-постоянными для конкретного отопительного сезона, определяе- мыми по результатам тепловых испытаний. В этом случае температурный график теплоснабжения можно представить в виде функциональной зави- симости от температуры наружного воздуха. Тепловая нагрузка производ- ственного потребителя оказывает влияние на изменение оптимума темпе- ратуры прямой сетевой воды при изменении состава функционирующего энергогенерирующего оборудования. На рис. 4 представлен температурный график систем теплоснабжения для покрытия коммунально-бытовой нагрузки при условии, когда техноло- гические потери энергии в тепловой сети постоянные в течение отопитель- ного периода и составляют 10 %. Аналогичные расчеты были выполнены для ТЭЦ со средними параметрами пара и турбинами с одним противодав- лением (вторая подгруппа), результаты которых представлены на рис. 5, 6. 60 69 78 87 96 105 114 Те м пе ра ту ра п ря м ой с ет ев ой в од ы , ° С Оптимальный температурный график Температурный график 130/70 °С 8 5 2 –1 –4 –7 –10 –13 –16 –19 –22 –25 Температура наружного воздуха Рис. 4. Оптимальный температурный график сетевой воды при фиксированном (постоян- ном) значении технологических тепловых потерь в тепловых сетях, равных 10 %, для ЦТ с ТЭЦ со средними параметрами пара с паротурбинными установками двух противодавлений Произведенные расчеты показали, что в рассмотренных условиях си- стемная экономия топлива за отопительный период составит около 50 т у. т. при относительном сокращении технологических потерь на транспорти- ровку теплоносителя на уровне 4–5 %. В дальнейшем планируется оценить возможности внедрения на систе- мах централизованного теплоснабжения Республики Беларусь динамиче- ских температурных графиков сетевой воды с учетом реального времени транспортного запаздывания. Подобные работы по оптимизации темпера- туры сетевой воды проводятся в настоящее время в системах централизо- ванного теплоснабжения Дании [12], которые имеют существенные струк- турные отличия. – – 61 60 70 80 90 100 110 120 5 7 9 11 13 15 Потери в тепловых сетях, % Те м пе ра ту ра п ря м ой с ет ев ой в од ы , ° С Рис. 5. Изменение оптимальной температуры сетевой воды в зависимости от технологических тепловых потерь и температуры наружного воздуха для ЦТ с ТЭЦ со средними параметрами пара с паротурбинными установками одно- го противодавления: 1 – при –25 °С; 2 – при –20 °С; 3 – при –15 °С; 4 – при –10 °С; 5 – при –5 °С; 6 – при 0 °С; 2 – при 8 °С 60 70 80 90 100 110 120 Те м пе ра ту ра п ря м ой с ет ев ой в од ы , ° С Оптимальный температурный график Температурный график 130/70 °С 8 5 2 –1 –4 –7 –10 –13 –16 –19 –22 –25 Температура наружного воздуха Рис. 6. Оптимальный температурный график сетевой воды при фиксированном (постоян- ном) значении технологических тепловых потерь в тепловых сетях, равных 10 %, для ЦТ с ТЭЦ со средними параметрами пара с паротурбинными установками одного противодавления В Ы В О Д Ы 1. Температурные графики теплоснабжения должны составляться инди- видуально для каждой теплофикационный системы, даже в случаях с теп- ловыми источниками одного типа. 2. Оптимизация температуры прямой сетевой воды в автоматизирован- ных системах теплоснабжения позволяет сократить технологические поте- ри при транспортировке теплоносителя и приводит к системной экономии топлива. Данное мероприятие можно расценивать как абсолютно эффек- тивное, так как практически не требует привлечения финансовых затрат и достигается изменением режима работы оборудования ТЭЦ. 1 2 7 3 4 5 6 – – 62 Л И Т Е Р А Т У Р А 1. С о к о л о в, Е. Я. Теплофикация и тепловые сети: учеб. для вузов. – 6-е изд., пере- раб. / Е. Я. Соколов. – М.: Изд-во МЭИ, 1999. – 472 с. 2. М е л е н т ь е в, Л. А. Основные вопросы промышленной теплоэнергетики / Л. А. Мелентьев. – М.; Л.: ГЭИ, 1954. – 428 с. 3. З и н г е р, Н. М. Гидравлические и тепловые решения теплофикационных систем. – 2-е изд., перераб. / Н. М. Зингер. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 320 с. 4. З и н г е р, Н. М. Повышение эффективности работы тепловых пунктов / Н. М. Зин- гер, В. Г. Бестолоченко, А. А. Жидков. – М.: Стройиздат, 1990. – 188 с. 5. Я к о в л е в, Б. В. Повышение эффективности систем теплофикации и теплоснабже- ния / Б. В. Яковлев. – Минск: Адукацыя i выхаванне, 2002. – 448 с. 6. С е д н и н, А. В. Анализ и структурно-параметрическая оптимизация энергоисточ- ников в централизованных системах теплоснабжения: дис. … канд. техн. наук: 05.14.14 / А. В. Седнин. – Минск, 2000. – 161 с. 7. С е д н и н, В. А. Теория и практика создания автоматизированных систем управле- ния теплоснабжением: монография / В. А. Седнин. – Минск: БНТУ, 2005. – С. 136. 8. М а л а я, Э. М. Теплоснабжение от тепловых сетей ТЭЦ и районных котельных с оптимизацией параметров / Э. М. Малая. – Саратов.: Политехн. ин-т, 1983. – 48 с. 9. И с с л е д о в а н и е системы теплоснабжения / Л. С. Попырин [и др.]. – М.: Наука, 1989. – 215 с. 10. Р а с п р е д е л е н н а я автоматизированная система управления и централизован- ным теплоснабжением города Сургута: отчет о НИР / ООО «Теплотехсервис» (Екатерин- бург). – 2005. – 252 с. 11. С е д н и н, А. В. Пути реконструкции теплофикационных источников малой и средней мощности Республики Беларусь / А. В. Седнин, М. Л. Богданович // Энергетика… (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). – 2007. – № 5. – С. 77–85. 12. L ø p p e n t h i e n, J. K. Temperature Optimization – Horning District Heating company has achieved remarkable results / J. K. Løppenthien, P Jensen. // HotІcool. – 2008. – № 1. – Р. 14–15. Представлена кафедрой ТЭС Поступила 20.02.2009 УДК 621.18-5 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КАЧЕСТВА РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПЕРЕГРЕТОГО ПАРА НА СРОК СЛУЖБЫ МЕТАЛЛА ПАРОПЕРЕГРЕВАТЕЛЯ КОТЛОВ Докт. техн. наук, проф. КУЛАКОВ Г. Т., асп. ГОРЕЛЫШЕВА М. Л. Белорусский национальный технический университет Государственная комплексная программа модернизации основных про- изводственных фондов Белорусской энергетической системы утверждена в 2005 г. Износ основных производственных фондов по системе в целом составил 60,7 % [1]. В связи с этим актуальной становится проблема сни- жения износа основных производственных фондов, в том числе за счет увеличения долговечности (срока службы) металла пароперегревателя кот-