16.2. Оптимальное использование метеорологической информации в теплоэнергетике

16.2.1. Теплоэнергетика. Зависимость расхода тепла от метеорологических условий.

Функция тепловых потерь

Особое место в ТЭК занимает теплоэнергетика. Значение ее в энергетическом балансе страны постоянно растет.

Система централизованного теплоснабжения состоит из трех ос­новных компонентов: теплоисточника (ТЭЦ, ГРЭС и др.), тепловой сети и потребителей (систем отопления, вентиляции, горячего водо­снабжения и технологических систем). Примерно 80 % вырабаты­ваемого тепла приходится на жилищно-коммунальный и общест­венный сектор, остальная часть используется в сфере материально­го производства.

Наиболее мощные ТЭЦ сосредоточены в Москве, Санкт- Петербурге, Новосибирске и других крупных промышленных цен­трах страны. Так, в Санкт-Петербурге тепловая мощность Северо- Западной ТЭЦ составляет 1460 Гкал/ч. Мощность современных ТЭЦ достигает 2—4 Ткал/ч.³⁹

В крупных городах страны постоянно растут внутренние энерге­тические потребности за счет роста промышленности и населения.

Теплоэнергетика в России является крупнейшим потребителем органического топлива. На его долю приходится 46 % от общего потребления всех видов топлива.

Значительная часть тепла в городах страны вырабатывается предприятиями, входящими в РАО „ЕЭС России". Другая часть те­плоснабжения приходится на организации, входящие в государст­венную систему ГУП ТЭК.

Масштабность проблемы теплоснабжения и огромная социаль­ная ответственность требуют разработки стратегии оптимального теплоснабжения в России в условиях рыночной экономики в целях перехода к экономически эффективному теплоснабжению.

Количество тепловой энергии, вырабатываемой на ТЭЦ в целях централизованного отопления, зависит от температуры наружного воздуха и скорости ветра. Чем ниже температура воздуха и выше скорость ветра, тем больше требуется количества тепла, подаваемо­го в теплосеть, чтобы обеспечить комфортные условия проживания и работы в коммунальных и общественных зданиях.

Наиболее полно метеорологические условия при выборе режима отопления учитываются комплексным показателем теплопотерь зданий, предложенным JI. Е. Анапольской и JI. С. Гандиным. Эф­фективная температура записывается в виде

t₃ =*-5₀^[А(7,и)-1](*_п-*) + 5₀е₀Д/ + Д_У) (16.1)

^но

где t — температура наружного воздуха, °С; t„ — температура воз­духа внутри помещения (принимается равной 18 °С); 5₀ — относи­тельная площадь окон; е₀ — коэффициент пропускания солнечной радиации, падающей на остекленные части поверхности огражде­ния; R — термическое сопротивление ограждений; R₀ — термиче­ское сопротивление окон; у — коэффициент воздухопроницаемости; I — суммарная радиация; v — коэффициент, характеризующий мощность отопительной системы на единицу площади ограждения; А — функция уи и.

Если исключить учет радиационного теплообмена, то можно по­лучить более простое выражение для эффективной температуры:

t₃=t-m(A-l)(t_a-t), (16.2)

где т(А - 1) есть функция скорости ветра (рис. 16.1).

Допускается приближенное выражение эффективной темпера­туры как температурно-ветрового фактора режима расхода тепла:

t₃=t-av(t_u-t), (16.3)

где а — коэффициент пропорциональности (а = 0,02 с/м); v — ско­рость ветра, м/с.

В качестве теплоносителя используется горячая вода. Темпера­тура прямой воды t', поступающей в систему теплоснабжения, мо­жет быть установлена в соответствии с температурным графикомо м/с 35-40 29—34 25-28 20-24 18-20 16—17 14—15 12—13 10—11 8-9 6-7 4—5 2—3

0,2 0.4 0.6 0.81.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 т(Л-1)

Рис. 16.1. Зависимость величи­ны т(А - 1) от скорости ветра v при т = 0,45, у = 0,24 с/м, t„ - 18 °С. По JI. Е. Анапольской и JI. С. Гандину.

(рис. 16.2) в пределах 95—150 °С. Температура обратной воды рав­на 50—70 °С. Регулирование температурного режима в системе отопления зависит от ожидаемой температуры наружного воздуха t. Каждый источник теплоснабжения (ТЭЦ, ГРЭС и др.) имеет свой температурный график. Дополнительно (графически) учитывается ожидаемая скорость ветра. Режим работы теплоисточника (ТЭЦ) задается один или два раза в сутки.

Рис. 16.2. Температурный график

отпуска тепла. 10 5 0 -5 -10 -15 -20 t„°

C

Для этого используются прогнозируемая (Ilj) среднесуточная температура воздуха (£„_р) в данном пункте или прогнозируемая

средняя температура воздуха на 12 ч.

Задача ТЭЦ заключается в том, чтобы обеспечить достаточным теплом не только ближайшие, но и окраинные жилые районы, не­редко удаленные от теплоисточника на 10 км и более. При любом изменении температуры теплоноситель обеспечивает потребителей теплом в зависимости от их удаленности. Чем больше расстояние трубопроводной передачи тепла, тем больше времени требуется для его „прокачки" в теплосети. Поэтому в крупных городах, а в мега­полисах в особенности, как правило, используются прогнозы сред­несуточной температуры воздуха. Наряду с этим учитываются и прогнозы ожидаемой скорости ветра.

Принципиальная основа задания теплового режима в теплосети состоит в том, что необходимое по прогнозу t_np количество тепла, которое фактически вырабатывается Q₍₎, на ТЭЦ, должно соответст­вовать расчетному значению тепла Q_p, точно отвечающему темпера­туре воздуха t, осуществившейся по истечении периода прогнози­рования.

Расход тепла Q_v в отопительной сети определяется в зависимо­сти от температуры наружного воздуха t = t^:

^Qp^=Qp^Trff' ⁽¹⁶-⁴⁾

^fn ^гр

где QJ — расчетная тепловая нагрузка ТЭЦ — тепловая мощность

(в Гкал/ч, допускается и в МВт); t_p — расчетная температура возду­ха — принимается как средняя из восьми самых холодных пяти­дневок за 50-летний ряд наблюдений в данном пункте.

Получаемое на ТЭЦ тепло Q₍₁, не является идеальной „подстрой­кой" к наступившей фактической температуре воздуха t. Следова­тельно, значения (Э_ф и Q_p будут различаться.

Это объясняется рядом причин.

1. ТЭЦ слабо внедряют эффективные методы „подстройки" к оп­тимальному заданию теплового режима, которое должно обеспечи­вать минимальные тепловые и стоимостные потери.

2. Прогнозы температуры воздуха, на что ориентируется дис­петчер ТЭЦ, не идеальны и могут наблюдаться заметные ошибки (At_np= t_nр - *_ф).

Обратим внимание еще на одно обстоятельство. В формуле (16.4) рассматриваются только входные температурные условия, определяющие задание режима тепла. Поступающее к потребителю количество тепла будет отличаться даже от Q_p по двум причинам.

1. Тепловые сети могут иметь очень большую протяженность. Так, в Санкт-Петербурге протяженность сетей составляет около 700 км, а в Москве более 2000 км. Это сказывается на обеспечении теплом периферийных зданий.

2. Тепловые сети устаревших конструкций и технологий тепло­защиты несут потери тепла. Такие потери называются технологиче­скими (AQo)-

Итак, вырабатываемое на ТЭЦ количество тепла (?_ф согласно прогнозу, будет отличаться от необходимого Q_p на величину:

A Q = Q^-Q_p. (16.5)

Естественно, величина AQ является функцией ошибки прогноза среднесуточной температуры воздуха.

При использовании прогнозов F_np возможны две ситуации. Будем

полагать, что потребитель (ТЭЦ) постоянно доверяет прогнозам.

1. В предстоящие сутки или на 12 ч вперед ТЭЦ, согласно про­гнозу, ориентируется на более низкую температуру воздуха. Зада­ются более высокие нагрузки на энергетические установки. В теп­ловую сеть подается вода с более высокой температурой. В действи­тельности оказалось, что температура воздуха выше прогнозируе­мой (?ф>?_пр). Ошибка прогноза составила Д£_пр = (F_np -Т_ф) < 0. В сеть

было подано лишнее тенло. Это ситуация перерасхода тепла — из­быточное теплоснабжение, т. е.

Q_n=AQ„=Q_np-Q_p>0, (16.6)

где Q_np= (?_ф.

Последствия этой ситуации — перерасход топлива (газа, мазута и др.)

2. ТЭЦ, согласно прогнозу, ориентируется на более высокую температуру, а фактически была более низкая (Т_ф < t_np). Теплосеть

получает меньше тепла, чем это было необходимо. Это ситуация недодачи тепла — недостаточное теплоснабжение. В этом случае

Q„ = AQ_n = Q - Q < 0.

Здесь также Q_np= Qф.

Последствия этой ситуации более сложные. Возможны следую­щие потери:

1. материальные потери в сфере производства: недодача продук­ции или иные издержки вследствие недостатка тепловой энергии;

2. перерасход электрической энергии на обогрев в коммуналь­ном и общественном секторе;

3. использование газа на обогрев с риском пожаров;

4. рост простудных заболеваний, потери рабочего времени. Изменения AQ по своей природе носят случайный характер и

могут анализироваться с позиции известных законов статистиче­ского распределения. Наиболее приемлемым здесь рассматривается закон нормального распределения.

(16.7)

Плотность вероятности отклонений AQ(Q_n, Q„) есть величина

(16.8)

<p(AQ) =

-ехр

\/27Шдд

4.-е,^Л2

где Q_np= (2_Ф, Сдд — среднее квадратическое отклонение расхода тепла.

(16.9)

Величина отклонения AQ_np = Q_np - Q_p = - Q_p находится по формуле

AQ^-^AV

П 'р

Здесь At_ap = t_np - — ошибка прогнозирования.

(16.10)

Соответственно функции интегрального распределения можно записать так:

^д<?мякс

Q_n = }AQ_n(p(AQ_n)d(AQ_n)

(16.11)

Л«0

и

Л<ЗЙ,

"«мпкс

Q_H= \AQ_n<p(AQ_n)d(AQ_u)

.

Интегрируя выражения (16.10) и (16.11) с учетом плотности ве­роятности и зависимости Q от ошибки прогнозирования, получим в итоге функции тепловых потерь:

\²

я:

AQ₀ +

-д L

t -t П Р

л/2тс

'AQ

Qn ⁼~7=^ехР

QI

"п "р

1-ф 2

(16.12)

t -t П 'р

и

q,;

AQ₀-

£ -f

П '•р

Од

Q„=^ex р л/2тс

Д*„

£ -t

n P

+ Q.I

(16.13)

t -f П ^lp

q:

AQo——A*,

I-ф 2

(1,5 + 3,0)0^

Дг =

пр

-(к-а.

(16.14)

^

V

На интервале малых значений ошибок (Д£„_р) (на рис. 16.3 это центральная область), т.е. при экспоненциальном распределении Q,, и Q_H, расчет их выполняется согласно промежуточным функциям вида:

Q„=-T==ex p -J2n

(16.16)

Q_K="7=exp л/2я

-I^-ejl+eJi-^-ej"

AQ«

Ql At.

где A, = ; ©_np = —

Значения Q_n и Q_u приведены в табл. 16.3

.

I I l,80._o

= 0_д<гДтС„ё_п(Х,0),

s:(At„_P)=

= о_адДхС„(Э(Х,0) Здесь берется сумма

Л*пр< ГГГ-V п"'р)

1.8с_ал

Ур

S„(Ai„_p) =

S„(A W - Q„^T

q:

■ С,,Ах ■

■ д<„

К+Л

Рис. 16.3. Функции тепловых (Q,„ Q„) и стоимостных (S„, S„) потерь.

Q	х	Относительная ошибка прогноза 0„р
		-3	-2	-1	-0,5	0	0,5	1,0	2,0	3,0
Qn	0,1	3,0	2,0082	1,0820	0,6960	0,3970	0,1622	0,0822	0,0082	0
	0,5	2,9989	1,9959	1,0436	0,6489	0,3521	0,1626	0,0627	0,0051	0
	1,0	2,9856	1,9246	0,8989	0,5063	0,2420	0,0961	0,0312	0,0016	0
	1,5	2,9291	1,7351	0,6606	0,3214	0,1295	0,0426	0,0113	0,0003	0
	2,0	2,7659	1,3989	0,4007	0,1629	0,0540	0,0144	0,0030	0	0
Qn	0,1	0	0,0082	0,0822	0,1622	0,3970	0,6960	1,0820	2,0082	3,0
	0,5	0	0,0051	0,0627	0,1626	0,3521	0,6489	1,0436	1,9959	2,9989
	1,0	0	0,0016	0,0312	0,0961	0,2420	0,5063	0,8989	1,9246	2,9856
	1,5	0	0,0003	0,0113	0,0426	0,1295	0,3214	0,6606	1,7351	2,9291
	2,0	0	0	0,0030	0,0144	0,0540	0,1629	0,4007	1,3989	2,7659

w

CD О

В случае больших ошибок (Л*_пр), т. е. при линейном распределе­нии Q„ и Q„, расчет их выполняется по формулам:

(16.17)

и

(16.18)

16.2.2. Функция стоимостных потерь. Матрица потерь

(16.19)

При известных значениях перерасхода Q„ или недодачи Q„ тепла функция, выражающая стоимостное измерение тепловых расходов, записывается в виде

S(Af_ap) = x(C_nQ_n+C_HQ_H)

где 1 — период, на который прогнозируется средняя температура воздуха (6, 12 или 24 ч) — период действия прогноза; С_п — стои­мость выработки единицы тепловой энергии (стоимость в рублях 1 Гкал); С_и — масштаб потерь при недодаче тепла — потери на про­изводстве, в коммунальном хозяйстве (перерасход электрической энергии и бытового газа на отопление), потери рабочего времени и другие.

Значения С„ колеблются в пределах 100-5-160 рублей за 1 Гкал.

Сложность расчета С„ заменяется условием С_и= 3+5С„.

Примерный расчет функции потерь S(At„_p) приведен в табл. 16.4, в которой дается последовательная оценка величин 0_пр, Q, S и S(At_np). Анализ функции потерь показывает, что минимум потерь приходится на Дt_np = -3 °С. Это значение ошибки принима­ется в качестве оптимизационной поправки к ожидаемой средней температуре воздуха на заданный период. В данном примере для ТЭЦ-9 города Перми использовалась среднесуточная температура воздуха.

					Ошибка прогноза Д{пр						1
Параметр		Перерасход тепла						Недодача тепла			1
	-15	-12	-9	-6	-3	0	3	6	9	12	15 |
0пр	—	—	-2,34	-1,56	-0,78	0	—	—	—	—	—
Q„ Гкал/ч	—	—	2,24	1,51	0,79	0,31	0,09	0,03	0	0	0
QnГкал/ч	477,0	381,6	269,0	181,4	94,9	37,2	10,8	3,60	0	0	0
S„ тыс. руб.	1774,4	1419,6	1000,7	674,8	353,0	138,4	40,2	13,4	0	0	0
0„Р	—	—	—	—	—	0	0,78	1,56	2,34	—	—
Q„ Гкал/ч	0	0	0	0,03	0,09	0,31	0,79	1,51	2,24	—	—
Q„ Гкал/ч	0	0	0	3,60	10,8	37,2	94,9	181,4	269,0	381,6	477,0
S„ тыс. руб.	0	0	0	40,2	120,5	415,2	1059,1	2024,4	3002,0	4258,7	5323,3
S(At„p) тыс. руб.	1774,4	1419,6	1000,7	715,0	473,5	553,6	1099,3	2037,8	3002,0	4258,7	5323,3

Фактиче­					Потребитель ориентируется на прогноз, П1
ски было, Ф,	-30, -28	-27, -25	-24, -22	-21, -19	-18, -16	-15, -13	-12, -10	-9,-7	-6,-4	-3, -1	0,2	3, 5	6, 8	>9—11
-30, -28	553,6	1099,3	2037,8	3002,0	4258,7	5323,3
-27, -25	473,5	553,6	1099,3	2037,8	3002,0	4258,7	5323,3
-24,-22	715,0	473,5	553,6	1099,3	2037,8	3002,0	4258,7	5323,3
-21,-19	1000,7	715,0	473,5	553,6	1099,3	2037,8	3002,0	4258,7	5323,3
-18,-16	1419,6	1000,7	715,0	473,5	553,6	1099,3	2037,8	3002,0	4258,7	5323,3
-15, -13	1774,4	1419,6	1000,7	715,0	473,5	553,6	1099,3	2037,8	3002,0	4258,7	5323,3
-12, -10		1774,4	1419,6	1000,7	715,0	473,5	553,6	1099,3	2037,8	3002,0	4258,7	5323,3
-9, -7			1774,4	1419,6	1000,7	715,0	473,5	553,6	1099,3	2037,8	3002,0	4258,7	5323,3
-6, -4				1774,4	1419,6	1000,7	715,0	473,5	553,6	1099,3	2037,8	3002,0	4258,7	5323,3
-3, -1					1774,4	1419,6	1000,7	715,0	473,5	553,6	1099,3	2037,8	3002,0	4258,7
0, 2						1774,4	1419,6	1000,7	715,0	473,5	553,6	1099,3	2037,8	3002,0
3, 5							1774,4	1419,6	1000,7	715,0	473,5	553,6	1099,3	2037,8
6, 8								1774,4	1419,6	1000,7	715,0	473,5	553,6	1099,3
>9—11									1774,4	1419,6	1000,7	715,0	473,5	553,6

со СО со

пользования прогнозов-пропусков (г_ф < f_np). Потери, представлен­ные слева от главной диагонали, вызваны перерасходом топлива вследствие ошибок-страховок (£_ф > £_пр). Величины 5(Д£_пр) являются

положительными — потребитель (ТЭЦ) несет потери по всей облас­ти реализации прогнозов. Однако здесь принципиальное значение имеет достижение области минимальных потерь.