ПРЕДИСЛОВИЕ
В современных условиях непрерывного развития промышленного производства и жилищно-коммунального сектора городов и увеличения в связи с этим уровнен теплопотребления в горячей воде и в паре все большее распространение получают крупные системы централизованного теплоснабжения. Как известно, под этими системами понимается совокупность источников тепла (ТЭЦ, районные отопительные котельные), магистральных и распределительных сетей, связывающих эти источники с потребителями тепловой энергии, и абонентских установок.
В том случае, когда в качестве основных источников тепла рассматриваются теплофикационные электростанции, такие системы принято называть теплофикационными.
Системы теплоснабжения промышленных центров являются важной составной частью топливно-энергетического комплекса СССР. Расход топлива на цели теплоснабжения (включая прямое сжигание топлива в отопительных печах) превосходит потребление топлива на цели электроснабжения страны и в настоящее время составляет около 27% суммарного потребления топливно-энергетических ресурсов всеми видами потребителей топлива в народном хозяйстве СССР, из них около 9% относится на ТЭЦ, 10%—на котельные и 8%—на индивидуальные установки. Ввиду значительной доли теплового хозяйства в потреблении топлива вопросы его совершенствования приобретают большое значение, тем более, что имеются резервы снижения удельных расходов топлива на выработку теплоэиергии. Дальнейшее повышение эффективности теплоснабжения может быть достигнуто путем увеличения уровня его централизации и расширения масштабов развития теплофикации, т. е. создания крупных систем централизованного теплоснабжения. При этом особая роль отводится теплофикационным системам, позволяющим обеспечивать улучшение состояния воздушного бассейна городов, достижение существенной экономии топлива и повышение надежности тепло- и электроснабжения потребителей.
Применяемые в проектной практике методы решения задач по выбору оптимального развития источников тепла, тепловых сетей и в целом систем централизованного теплоснабжения основаны на ручном счете. При этом все больше вступают в противоречие статичность и однозначность рекомендуемых предложений о направлениях развития рассматриваемых систем и неизбежная изменчивость исходных данных, а поэтому и практическая реализация принимаемых решений. При учете же изменения основных исходных показателей по годам расчетного периода еще в большей мере возрастает многовариантность развития систем теплоснабжения. Это предопределяет необходимость разработки методов их многовариантного проектирования, что оказывается возможным только с применением математического моделирования и современных цифровых электронных вычислительных машин. В этом случае оказывается возможным в полной мере применить предложенный отечественными энергетиками еще в 30-х годах комплексно-энергетический метод, при котором система или объект должны рассматриваться при взаимосвязанном и всестороннем изучении внутренних и внешних связей. Так, системы теплоснабжения имеют не только внутренние связи, определяемые характером протекающих в них процессов производства и передачи тепловой и электрической энергии, но и внешние, а именно: участие в топливно-энергетическом балансе района (по видам и объемам топлива, поступающего для источников тепла), связь с объединенной электроэнергетической системой (по режимам использования в ней теплофикационных электростанций) и др.
Количественный рост мощностей ТЭЦ в отдельных экономических районах и стране в целом приводит к новому качеству, выражающемуся в том, что изменение уровня развития теплофикации может влиять на структуру топливно-энергетического комплекса и объединенных электроэнергетических систем (ОЭЭС). Таким образом, .системы теплоснабжения при совокупном их рассмотрении из относительно локальных систем превращаются в единую составную часть топливно-энергетического комплекса страны. Поэтому необходима разработка соответствующих методических подходов, которые учитывали бы разные иерархические уровни рассмотрения и изучения этих систем (город — ОЭЭС — страна). Наряду с территориальными также следует выделить и обосновать временные уровни оптимизации систем теплоснабжения, увязав их с существующей стадийностью проектирования этих систем. Поэтому комплексно-энергетический метод должен применяться с учетом иерархического принципа изучения систем теплоснабжения.
Вопросы выбора оптимальных направлений развития систем теплоснабжения городов, типов и концентрации мощностей источников теплоэнергии явились предметом широких исследований ряда авторов. Необходимость дальнейшего углубленного изучения этих вопросов в настоящее время вызывается рядом факторов, а именно:
1) изменениями в структуре топливно-энергетического комплекса страны, что повлияло на экономически целесообразные области применения комбинированной (ТЭЦ) и раздельной (КЭС+районные котельные) схем энергоснабжения городов и промышленных центров;
2) значительным ростом теплоиотребления крупных промышленных центров, позволяющим сооружать ТЭЦ, оборудованные высокоэкономичными теплофикационными турбинами единичной мощностью 100—250 МВт и выше. В то же время города с относительно небольшой тепловой нагрузкой занимают существенную долю в общем их числе, и для них особенно острой остается проблема выбора типа источников теплоснабжения;
3) развитием атомной энергетики и возможностью сооружения источников тепла на ядерном горючем, что приводит к необходимости рассмотрения вопроса как о выборе основного оборудования для них, тепловых схем и др., так и оптимальных областей применения, т. е. сравнения с обычными паротурбинными теплоэлектроцентралями;
4) все более усложняющимися условиями работы ТЭЦ в развивающихся электроэнергетических системах;
5) возрастающими масштабами теплопотребления городов и промышленных центров, приводящими к значительным затратам денежных, материальных и трудовых ресурсов. В этих условиях актуальной становится задача увязки оптимальных решений, найденных для отдельных городов й промышленных центров, Н определения глобального оптимума по структуре и масштабам применения источников централизованного теплоснабжения в целом по стране с учетом внешних условий и ограничений, влияющих на их выбор;
6)внедрение в практику расчетов новых средств вычислительной техники — современных цифровых ЭВМ и методов математического моделирования, основанных на их использовании.
Многообразие и сложность вопросов, связанных с оптимизацией систем централизованного теплоснабжения и теплофикации, не позволяют в полном объеме рассмотреть их в данной книге. В ней изложены: теоретические основы построения математических моделей источников тепла, тепловых сетей и систем теплоснабжения в целом, методические основы применения методов нелинейного и линейного программирования и цифровых ЭВМ для решения наиболее важных задач, рассматриваемых на стадии перспективного проектирования этих систем; практические приемы применения математического моделирования и ЭВМ для определения путей повышения экономической эффективности систем теплоснабжения. К числу вопросов, рассматриваемых в книге, относятся следующие:
1) определение оптимального состава, сроков ввода и эффективности укрупнения единичных мощностей основного оборудования источников теплоснабжения с учетом уровней, структуры и постепенности роста тепловых нагрузок и изменения других исходных показателей по годам расчетного периода;
2) выбор типа, оптимального числа, концентрации мощностей источников теплоснабжения промышленного центра и определение сравнительной эффективности их применения (ТЭЦ на органическом и ядерном топливе и районных котельных) с учетом постепенного роста тепловых нагрузок и разновременности капиталовложений на сооружение этих источников и тепловых сетей;
3) оптимизация параметров теплоносителя, диаметров тепловых сетей и определение приведенных затрат на их сооружение в зависимости от темпов роста тепловых нагрузок;
4) возможные методические подходы к оптимизации развивающихся систем теплоснабжения как при однозначных, так и неоднозначных исходных покзателях;
5)оценка достоверности Исходной информации И учет ее разных свойств. В книге приводятся методы: классификации, анализа свойств и подготовки исходной информации; выбора и анализа зоны экономической неопределенности оптимальных решений, наличие которой вызывается неоднозначным характером исходных технико-экономических показателей и тепловых нагрузок.
Материал книги сгруппирован в два раздела. В первом разделе обосновываются основные задачи оптимизации развития систем теплофикации и централизованного теплоснабжения с применением математического моделирования и современных цифровых ЭВМ, содержатся основные положения разработанных методов их решения. Во втором разделе приводятся результаты исследований по определению оптимальных типоразмеров, эффективности укрупнения и областей применения основного оборудования паротурбинных ТЭЦ на органическом и ядерном горючем, газотурбинных и парогазовых ТЭЦ и районных котельных, по выбору оптимальных параметров водяных тепловых сетей, а также в целом по развитию систем теплоснабжения. Эти результаты следует рассматривать в основном не в качестве окончательных рекомендаций для практических целей, а в виде иллюстраций применения разработанных методов и математических моделей. Результаты получены при определенных значениях исходных показателей, а поскольку их численные значения во времени изменяются, то соответственно изменяются и приведенные в книге результаты технико-экономических расчетов.
В книге большое внимание уделено вопросам комплексной оптимизации систем теплофикации (на стадии разработки схем теплоснабжения городов и промышленных центров), выбора типа, единичной мощности и структуры основного оборудования источников централизованного теплоснабжения и в определенной мере вопросам оптимизации развития тепловых сетей. Авторы считают, что большой комплекс вопросов, связанных с оптимизацией развития трубопроводного транспорта (конфигурации и гидравлических режимов работы тепловых сетей с учетом фактора надежности теплоснабжения и др.), является специальной областью исследования, выходящей за рамки настоящей книги. В СССР исследования в этой области широко и успешно проводят СЭИ СО АН СССР, ВТИ им. Ф. Э. Дзержинского ВНИПИэнергопром и другие научно-исследовательские организации.
Следует отметить, что в последние годы разработка методов оптимизации систем теплоснабжения на основе применений, математического моделирования и ЭВМ ведется в ряде зарубежных стран (Болгария, Польша, Чехословакия, ФРГ и др.). Однако ограниченный объем данной книги не позволил авторам охарактеризовать эти методы и сравнить их с методическими подходами, рассматриваемыми в последующих главах.
Настоящая книга, по-видимому, не лишена ряда недостатков. В то же время авторы надеются, что ее положения могут заинтересовать специалистов в области теплоснабжения в их практической и научной работе при постановке и решении сложных вопросов по определению оптимальных технических направлений развития теплофикации в СССР.
Авторы с благодарностью отмечают участие в разработке и реализации приведенных в книге методов и алгоритмов: Л. А. Деминой, О. А. Иванова. 3. А. Илькевич, Ю. Г. Мансурова, Л. П. Новиковой, К Ф. Рощиной, А. М. Рощина, В. Ю. Соколовой, О. Н. Федяевой.
Книга написана авторским коллективом под общим руководством проф. Е. Я. Соколова. В подготовке ее отдельных глав принимали участие: гл. 1,4, 5 — Л. С. Хрилев; гл. 2, 6 — И. А. Смирнов, Л. С. Хрилев; гл. 3 Р. Л. Ермаков, И. А. Смирнов, Л. С. Хрилев; гл. 7 — И. А. Смирнов, А. В. Федяев, Л. С. Хрилев, А. П. Шадрин; гл. В. Б. Грибов, Л. С. Хрилев; гл. 9 — В. Б. Грибов; гл. 10—Р. Л. Ермаков, И. А. Смирнов, Л. С. Хрилев.
Авторы выражают глубокую признательность акад. Л. А. Мелентьеву, проф. Г. Б. Левенталю, проф. Е. Я. Соколову за ценные советы и замечания, сделанные по рукописи, что существенным образом повлияло на состав и характер изложения представленного в ней материала. При подготовке рукописи к печати авторам оказали помощь И. Н. Горшенкова, Н. П. Крушлинская и Л. М. Новиков, за что авторы приносят им большую благодарность.
Авторы с благодарностью примут замечания и пожелания, которые следует направлять по адресу: 113114, Москва, Шлюзовая наб., д. 10, изд-во «Энергия».
