Партнерский проект с компанией Руспроектэксперт

Тел.: 8-495-771-14-07

Проектирование


ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ТЕПЛОСНАБЖАЮЩИХ СИСТЕМ

Тепловое хозяйство является крупнейшим потребителем энергетических ресурсов страны. Для производства теплоты низкой (до 150 °С) и средней (до 350—400 °С) температуры расходуется около трети энергоресурсов, что по данным [47] составляет ежегодно в пересчете на условное топливо около 600 млн. т. В сфере теплоснабжения занято до 4 млн. чел., а ежегодные капиталовложения в объекты теплоснабжения (источники теплоты, тепловые сети, тепловые пункты и абонентские установки) измеряются миллиардами рублей.

В то же время структура теплового хозяйства и уровень его эксплуатации в целом требуют совершенствования. В настоящее время около 60 % теплопотребности промышленности и жилищно-коммунального хозяйства обеспечивается от источника теплоты единичной мощностью не менее 60 МВт, относящихся к централизованному теплоснабжению (в том числе в городах около 70 %). Остальная часть теплопотребления покрывается многочисленными малоэкономичными мелкими котельными (их около 250 тыс.) и индивидуальными (главным образом, бытовыми) установками. Последнее обстоятельство является источником значительного перерасхода топлива, трудовых и капитальных затрат. Поэтому генеральным направлением развития теплового хозяйства СССР является как в настоящее время, так и в обозримой перспективе, централизация теплоснабжения, которая обеспечивает качественное решение важнейших социальных, экономических и экологических задач.

Расчеты показывают, что экономически оправданный уровень централизации теплоснабжения городов и поселков городского типа в ближайшее десятилетие целесообразно довести до 80 %. Однако с учетом ограничений материальных и трудовых ресурсов достижение этого показателя возможно лишь к началу следующего столетия и потребует капиталовложений только в источники централизованного теплоснабжения и магистральные тепловые сети, измеряющихся десятками миллиардов рублей [47]. Следовательно, экономия затрат в результате выбора оптимальных технических решений при проектировании, строительстве и эксплуатации систем теплоснабжения в размере всего 1 % по стране в целом может дать значительный экономический эффект.

Тепловое хозяйство страны тесно связано с другими отраслями топливно-энергетического комплекса (ТЭК). ТЭК является многоотраслевым комплексом и включает в себя шесть сложных отраслевых систем [311: угле-, газо-, нефтеснабжение, атомную энергетику, электроэнергетику и теплоснабжение.

В отличие от систем газо- и нефгеснабжения, а также электроэнергетики, которые уже в настоящее время формируются как единые в масштабе всей страны, системы теплоснабжения носят относительно локальный характер. Однако с одной стороны, существенность их совокупного влияния, а с другой,— рост единичных мощностей теплоснабжающих систем, включающих не только районы городов, но и города, промышленные узлы, агломерации населенных пунктов, а в будущем и групповые системы расселения, привели к тому, что необходимость учета теплоснабжения как отраслевой системы ТЭК при его оптимизации стала очевидной [67]. Схема взаимосвязей теплоснабжения показана на рис. 1.


Теплоснабжающие системы относятся к большим системам энергетики (БСЭ), теория управления которыми, основанная на системном подходе, положила начало системным исследованиям в энергетике. Поэтому данная работа является попыткой конкретизации применительно к теплоснабжению основополагающих концепций системных исследований в энергетике [31].

Системам теплоснабжения присущи свойства, общие для всех БСЭ, с некоторыми специфическими проявлениями.

Рассмотрим особенности этих свойств применительно к системам теплоснабжения. Известны три обобщенных комплекса свойств БСЭ: структурные, движения (функционирования и развития) и управляемости [30, 31].

Структурные свойства включают в себя иерархичность, централизацию и автономность; свойства движения — динамичность, гибкость (инерционность, стабильность, адаптацию, надежность) и экономичность; свойства управляемости — недостаточную определенность оптимальных решений (вследствие неполноты информации о будущем, текущем или прошлом состояниях системы), многокритериальность и самоорганизуемость.

Иерархичность предполагает наличие в системе подсистем разных уровней. Например, систему теплоснабжения страны можно представить в виде нескольких подсистем разных иерархических уровней (теплоснабжающая подсистема ТЭК — подотрасль «Теплоснабжение» отрасли «Электроэнергетика» — объединенная система теплоснабжения территориально-производственного комплекса (групповой системы населенных мест, агломерации, города, промышленного узла) — локальная система теплоснабжения района, города или группы потребителей от одного источника).

При организации управления функционированием системы теплоснабжения также соблюдается иерархический принцип: применяется многоступенчатое (многоуровневое) управление [72]: центральное (источник — магистральные тепловые сети), районное (контрольно-распределительный пункт — распределительные тепловые сети), групповое (центральный тепловой пункт — квартальные тепловые сети), местное и пофасадное (индивидуальный тепловой пункт — теплоснабжение здания или его секций), индивидуальное (отапливаемое помещение — отдельные отопительные приборы).

Важнейшими средствами систем теплоснабжения являются централизация и автономность. Централизация характеризует уровень централизованного распределения тепловой энергии (как отмечалось, к централизованному теплоснабжению относятся системы с тепловой мощностью не менее 60 МВт). Задача выбора оптимальной централизации теплоснабжения является одной из основных при комплексной оптимизации. Автономность характеризует относительную самостоятельность подсистем (например, децентрализованное теплоснабжение, изолированная работа источников теплоты на свои районы при наличии резервирующих связей по тепловым сетям). Динамичность характеризует взаимное влияние состояний системы теплоснабжения в различные моменты времени. Это свойство проявляется изменением во времени структуры и параметров теплоснабжающих систем через воздействие настоящего на будущее [31, 53]. Например, ввод оборудования источников теплоты влияет на последующее развитие тепловых сетей, а ввод источника централизованного теплоснабжения в ближайшем будущем влияет на принятие решений по использованию существующих мелких котельных.

Гибкость развития системы теплоснабжения характеризует ее способность достаточно быстро изменять свою структуру с целью обеспечения эффективного развития и функционирования в условиях внешних возмущений. Это свойство включает в себя инерционность, стабильность, адаптацию и надежность.

Инерционность системы теплоснабжения — устойчивость к внешним и внутренним воздействиям, нацеленным на изменение ее развития, определяется периодом времени от момента принятия технического решения до момента его реализации, а также размером затрат, необходимых для его осуществления (например, процесс разработки, создания и внедрения нового котельного и турбинного оборудования является инерционным, поскольку продолжается не менее 7—10 лет и требует значительных затрат).

Действие свойства динамичности в системах теплоснабжения ослабляется не только инерционностью, но и стабильностью. Различают структурную и экономическую стабильности [31].

Структурная стабильность относится к элементам и связям системы и делится на количественную (относительное постоянство числа элементов и связей системы) и качественную (относительное постоянство параметров системы). Процесс функционирования систем теплоснабжения характеризуется высокими количественной и качественной стабильностями, а процесс развития систем происходит, главным образом, за счет количественного роста при сохранении качественной стабильности. Это отрицательно сказывается на экономичности теплоснабжающих систем, количество которых за последние десятилетия очень существенно возросло, в то время как на практике применяются почти повсеместно устаревшие технические решения, обоснованные еще в довоенное время (например, температурный график 150— 70 °С, зависимая элеваторная схема присоединения отопительных систем, центральное качественное регулирование отпуска теплоты и др.).

Экономическая стабильность систем теплоснабжения заключается в том, что возможны существенно различные технические решения, незначительно отличающиеся денежными затратами. Это особенно важно для принятия решений в условиях неполноты исходной информации, а также для оценки необходимой точности оптимизационных расчетов.

Адаптация — это способность системы теплоснабжения приспосабливать свое функционирование и развитие к относительно кратковременным внешним и внутренним возмущающим воздействиям. Примером подобных внешних воздействий может служить стояние особо низких температур наружного воздуха, в внутренних — аварийный выход из строя какого-либо элемента системы теплоснабжения. Поэтому адаптация системы для ее успешного функционирования и развития в быстро изменившихся условиях требует дополнительных затрат на создание новых элементов и связей, которые называются затратами на адаптацию.

Надежность — свойство системы теплоснабжения выполнять функции снабжения потребителей тепловой энергией в необходимых количествах с заданными параметрами при различных условиях функционирования. Актуальность проблемы обеспечения надежности теплоснабжения определяется особой социальной и народнохозяйственной важностью бесперебойного и качественного снабжения потребителей тепловой энергией, возрастающей инерционностью развития теплоснабжающих систем и необходимостью принятия долгосрочных решений об их развитии при неполной информации. Понятие надежности относится не только к функционированию, но и к развитию систем теплоснабжения. Надежность развития — это способность системы иметь структуру, позволяющую обеспечить экономичное развитие системы с требуемой надежностью функционирования при воздействии ряда негативных возмущений (в первую очередь, аварийных ситуаций при максимуме энергопотребления в наиболее холодный период года).

Свойство экономичности систем теплоснабжения заключается в требовании их функционирования и развития с минимальными приведенными затратами, соизмеряющими во времени затраты живого и овеществленного труда при выполнении ряда ограничений (по материальным и трудовым ресурсам, надежности развития и функционирования, требованиям экологии и др.).

Свойство недостаточной определенности оптимальных решений о развитии систем теплоснабжения обусловлено неполнотой информации о состояниях системы (например, о перспективных тепловых нагрузках). Отсюда следует невозможность определения однозначных решений на перспективу по оптимальному развитию и функционированию систем теплоснабжения, растущая с удаленностью рассматриваемой перспективы.

Многокритериальность — это наличие нескольких критериев при оценке эффективности функционирования и развития систем теплоснабжения, причем, как правило, противоречивых (например, минимум затрат, максимум надежности, минимальное загрязнение окружающей среды и др.). Хотя все эти критерии необходимо учитывать при оптимизации, их количественное соизмерение и сопоставление затруднительно, а иногда и невозможно. Поэтому наряду с известным приемом — оптимизацией по критерию минимума приведенных затрат с учетом остальных критериев в виде ограничений имеются работы по применению методов многокритериальной (векторной) оптимизации в энергетике [24]. Правомочность применения методов векторной оптимизации в теплоснабжении требует дальнейшего изучения.

Самоорганизуемость — свойство системы теплоснабжения изменять структуру и параметры в зависимости от внешних условий (например, выбор будущей структуры системы в соответствии с ожидаемыми условиями ее функционирования; установление потокораспределения в тепловых сетях при аварийном выходе из строя участка сети в соответствии с действием двух законов Кирхгофа и др.).

Перечисленные свойства систем теплоснабжения в большей или меньшей мере являются взаимосвязанными и должны совместно учитываться при комплексной оптимизации.

Производственно- транспортные системы различного назначения широко распространены в народном хозяйстве [3, 20, 23, 36]. Они имеют сходство с электроэнергетическими системами (например, ТЭЦ являются элементами ОЭЭС, имеет место дискретность состава основного оборудования источников тепловой и электрической энергии и типоразмеров трубопроводов тепловых сетей и проводов ЛЭП и др.), системами газо- и водоснабжения (тепловые сети являются гидравлическими трубопроводными системами, так же как газовые и водопроводные сети, и изучаются в рамках общей научной дисциплины — теории гидравлических цепей [33]).

В то же время теплоснабжающие системы имеют особенности, присущие только им, которые усложняют их оптимизацию по сравнению с упомянутыми системами.

Во-первых, это двухлинейность тепловых сетей, включающих подающую и обратную линии (а в открытых системах теплоснабжения еще и с различными и переменными во времени расходами теплоносителя). Двухлинейность резко усложняет как собственно оптимизацию тепловых сетей, так и расчет их гидравлических режимов с применением ЭВМ (особенно аварийных).

Во-вторых, это физическая возможность регулирования отпуска теплоты путем изменения как расхода теплоносителя, так и его температуры — качественно-количественное регулирование (в электрических, газовых, водопроводных сетях применяется только количественное регулирование). В частности, это позволяет при авариях в тепловых сетях, приводящих к снижению расхода теплоносителя, циркулирующего в системе, передавать за счет повышения температуры теплоносителя дополнительное количество теплоты потребителям.

Кроме этого, имеется ряд технологических ограничений на скорость теплоносителя в тепловых сетях — не более 3,5 м/с по условиям отсутствия вибрации трубопроводов и износа арматуры, давления и температуры теплоносителя в различных элементах системы теплоснабжения [55]; на скорость изменения температуры теплоносителя (например, в тепловых сетях не более 30 °С/ч [55]) и др.

Юфа А. И., Носулько Д. Р./ Комплексная оптимизация теплоснабжения.— К.: Техника, 1988.

Экспертиза

на главную