Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Оптимизация источников теплоты и систем теплоснабжения. Учебное пособие для обучающихся направления подготовки 08.06.01 «Техника и технология строител
.pdf
31
2 КОНЦЕПЦИЯ КОМПЛЕКСНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ СИСТЕМ
ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ С
ИНДИВИДУАЛЬНЫМИ ТЕПЛОВЫМИ ПУНКТАМИ
Крупномасштабное строительство больших городов потребовало быстрого
развития систем теплоснабжения на базе крупных источников единичной
мощностью до 2500 МВт. Вместе с тем, теплоснабжение промышленных центров
и городов областного подчинения осуществляется от крупных районных
котельных тепловой мощностью от 50 до 500 МВт. Наибольшее распространение
получили районные котельные единичной мощностью от 20 до 50 МВт,
удовлетворяющие тепловые потоки на отопление, вентиляцию и горячее
водоснабжение с четырехтрубной внутриквартальной тепловой сетью и ЦТП.
Средняя тепловая мощность сооружаемых ЦТП по условиям застройки составила
3,5…7 МВт. Следует отметить основной недостаток ЦТП (помимо их большой
стоимости) – это коррозия внутриквартальных трубопроводов системы горячего
водоснабжения из-за отсутствия водоподготовки. Кроме того, при протяженных
сетях горячего водоснабжения имеет место неравномерная циркуляция, а
конечные потребители получают горячую воду с температурой на 5…20С ниже
расчетной tг =55С [27].
Целесообразность применения ИТП вместо ЦТП была доказана в работе
«Снижение пиков неравномерности теплопотребления в системах горячего
водоснабжения с помощью спецустановок». Сущность которой заключалась в
переходе от открытой системы теплоснабжения 763 квартала г. Макеевки,
Донецкой области на закрытую для 40 пятиэтажных зданий, двух детских садиков
и двух отдельностоящих магазинов (остальные общественные помещения
встроены в жилые здания) [26].
Внутри квартала была проложена двухтрубная тепловая сеть, так как
осуществлялся открытый водоразбор на горячее водоснабжение непосредственно
из тепловой сети. После двухгодичной эксплуатации домов все внутридомовые
трубопроводы полностью заросли, т.к. карбонатная жесткость воды составляла от
32
6 до 9 мг-экв/литр. Замена всех трубопроводов не дала должного эффекта, и
предыдущая картина снова повторилась.
Встал вопрос перевода на закрытую систему теплоснабжения этого
экспериментального 763 квартала, т.е. строительство ЦТП с дополнительной
прокладкой двух трубопроводов по кварталу к каждому зданию для системы
горячего водоснабжения, либо оставить двухтрубную внутриквартальную
тепловую сеть и в каждом здании соорудить ИТП с компактными
подогревательно-аккумуляторными установками для системы горячего
водоснабжения. По решению жилищного управления г. Макеевки был произведен
технико-экономический расчет сравнения индивидуальных тепловых пунктов для
40 зданий с ЦТП, т.к. в одном из домов успешно функционировала
опытнопромышленная ПАУ.
Расчеты показали, что применение ПАУ во всех зданиях по сравнению с
ЦТП позволит получить значительную годовую экономию. Однако, для
конкретизации теплоснабжающих систем с целью определения оптимальных
режимов их использования, необходимо оптимизировать их основные
управляемые параметры. Основная задача теплоснабжающих систем состоит в
надежном и безаварийном обеспечении потребителей теплотой. Эти системы
представляют собой целый технический комплекс сложных схем, узлов и
элементов. В них одновременно происходят разнообразные физические и
химические процессы, используются различные технологические схемы,
конструкции, типы и расположение основного и вспомогательного оборудования,
материалы и энергоносители с различными параметрами [28].
2.1 Выбор независимых параметров и целевой функции для различных
систем теплоснабжения
Систему теплоснабжения можно разбить на отдельные элементы и узлы,
такие как: источник (ТЭЦ, РК, МК, ИК); тепловые сети (1, 2, 3 и 4-х трубные);
тепловые пункты (ЦТП, КРП, ИТП); местные системы отопления, вентиляции и
33
горячего водоснабжения, которые могут быть выполнены по различным схемам в
зависимости от параметров теплоносителя.
Оптимальными считают параметры теплоносителя, при которых суммарные
приведенные затраты на систему теплоснабжения будут минимальными.
В свою очередь, перечисленные параметры можно разделить на две группы:
зависимые и независимые.
Если зависимые параметры определяются по законам термодинамики,
гидродинамики, теплопередачи, уравнений энергетического и расходного
балансов в зависимости от принятых величин независимых параметров, таких
как: температура, расход, давление и др., то независимые технологически не
связаны друг с другом и вследствие этого могут принимать множество значений,
при которых выполняются все условия нормальной работы систем
теплоснабжения.
Так, в системах теплоснабжения от районных котельных к независимым
параметрам можно отнести: расчетные значения температур воды в подающем
трубопроводе и после системы отопления, на выходе из водоподогревателей
системы горячего водоснабжения и отопления; текущие температуры сетевой
воды при наличии авторегуляторов на ЦТП или ИТП; конфигурация сети и
удельные потери давления в зависимости от диаметров труб; конструкция и
толщина изоляционного слоя; тип системы теплоснабжения; схема теплового
пункта; типы котлов, теплообменников, аккумуляторов холодной и горячей воды;
вид прокладки теплосети; число параллельно работающих трубопроводов;
наличие насосных подстанций; раздельную или комбинированную установку
бака-аккумулятора с теплообменником на ИТП при помощи ПАУ; тип насосного
оборудования на ЦТП или ИТП и др.
Неоднозначный выбор независимых параметров дает возможность
оптимизировать систему теплоснабжения, т.е. подобрать узлы и элементы с теми
значениями, при которых приведенные затраты будут минимальны [29].
Эту задачу математически можно сформулировать как определение функции
цели, приведенной в формуле (2)
34
ПЗ (Х, У, Z, …) К0 → min, (2)
при совокупности балансовых уравнений, приведенных в формуле (3)
F (X, Y, Z,… а, в, c,…) К0 = 0, (3)
и ограничений, приведенных в формуле (4)
(X/, У/, Z/, …а/, в/, с/) ( Х, У, ,…а, в, с,…) (Х//, У//,
//
,…а//, в//, с//,…), (4)
где Х, У, , и а, в, с – соответственно независимые и зависимые параметры
систем теплоснабжения;
К
0
– набор заданных, принятых постоянными или изменяющимся по
определенным законам условий (параметров, факторов, характеристик) и
ограничений (стандартных типоразмеров оборудования, типовых проектов,
инвестиционных возможностей потребителей и др.).
Индексы «и» относятся соответственно к минимальным и максимальным
значениям параметров.
Задача решается однозначно при условии, что число независимых
параметров превышает число балансовых уравнений для них.
Формула (2) отражает влияние набора К0 независимых параметров на
функцию цели, через которую проявляется экономическая взаимосвязь их друг с
другом. Различные параметры в меньшей или в большей степени влияют на
характер изменения функции цели, то эти зависимости могут быть вогнутыми
либо выпуклыми. Это определяет способ решения задачи и точность полученного
результата.
При множестве независимых параметров необходимо, в первую очередь,
изменять значение того параметра, который оказывает наибольшее влияние на
функцию цели, т.к. при этом получим более корректное решение. При других
заданных условиях могут изменяться степень, а иногда и характер влияния
различных независимых параметров на функцию цели [30].
Из вышесказанного следует, что точное решение задачи может быть только
при комплексной оптимизации всех независимых параметров. Локальная
оптимизация по отдельным независимым параметрам (при фиксированных
35
значениях остальных) не является корректной, т.к. частные оптимумы могут не
дать абсолютного оптимума вследствие несепарабельности целевой функции.
Комплексная оптимизация заключается не только в поиске всех независимых
параметров с учетом их технических, санитарно-гигиенических и других
ограничений, но и совокупном влиянии различных внутренних и внешних
факторов на выбор значений независимых параметров.
Следует отметить, что комплексная оптимизация системы теплоснабжения
представляет весьма сложную задачу как из-за большого числа независимых
параметров с неявным влиянием их на отдельные составляющие приведенных
затрат (целевую функцию), так и трудностей в выборе математических и
вычислительных методов решения. Трудности возникают в основном из-за того,
что различные параметры неодинаково влияют на степень и характер изменения
функции цели, т.к. одни изменяются непрерывно, другие – дискретно, часть
исходной информации носит неопределенный характер и др. [30].
2.2 Принципы комплексной оптимизации параметров водяных систем
теплоснабжения
В качестве функции цели были приняты полные приведенные затраты,
которые определяются по результатам комплексной оптимизации параметров в
системах теплоснабжения приведенной в формуле (5)
П = К
ист.(fист.+ЕН
) + К
т.с.(fт.с.
+ ЕН) + К
Т.П(fТ.П.
+ЕН) +
+ К
М.С.(fМ.С.
+ ЕН) + И
топл.
+ И
пер.
+ И
ХВО
+ И
обс.
+ У, руб., (5)
где К
ист.
, К
Т.С.
, К
Т.П.
, К
М.С.
– капиталовложения, соответственно, в источник
теплоты, тепловые сети, тепловые пункты и местные системы теплопотребления,
руб.;
f
ист
, f
т.с.
, f
Т.П.
, f
М.С.
– доли ежегодных отчислений на амортизацию, текущий и
капитальный ремонты, и в местные системы от соответствующих капитальных
вложений, год–1;
Е
Н
– нормативный коэффициент эффективности дополнительных
36
капитальных вложений, год –1;
И
топл.
, И
пер., ИХВО
, И
обс,.
У – ежегодные издержки, соответственно, на топливо
в источнике теплоты, электроэнергию на перекачку теплоносителя по теплосети,
циркуляционным трубопроводам на источнике и в местных системах
теплопотребления, на химводоочистку подпиточной воды, на обслуживание и
управление системы теплоснабжения, руб/год.
Все переменные составляющие функции цели определялись по
соответствующим зависимостям.
Капиталовложения в оборудование источника теплоты в зависимости от
степени централизации:
– при теплофикации приведено в формуле (6)
ист
акППНСНХВОПБОБ
ТЭЦ
ист
ККККККК +++++=
, руб., (6)
– от районной водогрейной котельной приведено в формуле (7)
СНРНХВО
ист
акК
РК
ист
КККККК ++++=
, руб., (7)
где
К
К
,
ОБ
К
,
ПБ
К
,
ХВО
К
,
СН
К
,
ППН
К
,
РН
К
,
ист
ак
К
– капитальные вложения
в котлы, основные и пиковые бойлеры, оборудование химводоподготовки,
сетевые подпиточные и рециркуляционные насосы и аккумуляторы горячей воды,
руб.;
Р
систкК
QкК =
, руб., (8)
ист
ак
ист
ак
ист
ак
VкК =
, руб., (9)
Р
ХВОХВОХВО
GкК =
, руб., (10)
Р
РННРН
NкК =
, руб., (11)
Р
СННСН
NкК =
, руб., (12)
Р
оснобОБ
QкК =
, руб., (13)
Р
пикпбПБ
QкК =
, руб., (14)
Р
ППННППН
NкК =
, руб., (15)
37
где
ПБОБНХВО
ист
акК
кккккк ,,,
,,
– удельные стоимости, соответственно, котлов,
руб/кВт, аккумуляторов горячей воды, руб/м3, оборудования химводоочистки,
руб/м3, насосов, руб/кВт, основных и пиковых бойлеров, руб/м2, на источнике
теплоты;
Р
осн
Q
,
Р
пи к
Q
,
Р
сист
Q
,
ист
ак
V
,
Р
ХВО
G
,
Р
РН
N
,
Р
СН
N
Р
ППН
N
– расчетные значения,
соответственно, тепловой нагрузки, кВт, емкости аккумуляторов горячей воды,
м3, расхода подпиточной воды, м3, мощности рециркуляционных, сетевых и
подпиточных насосов, кВт, в системе теплоснабжения.
Капиталовложения в наружные тепловые сети и тепловую изоляцию будут во
многом зависеть от способа прокладки:
– подземная в непроходных каналах или безканально приведена в формуле (16)
ИЗУТНОКАН
ТР
ТСТС
КККККК ++++=
, руб. (16)
– надземная приведена в формуле (17)
ИЗОПОР
ТР
ТСТС
КККК ++=
, руб., (17)
где
ТР
ТС
К
,
ИЗУТНОКАН
КККК ,,,
– капвложения в трубопроводы, каналы, опоры,
узлы трубопроводов с арматурой и оборудованием, изоляцию, руб.;
( )
+=
глгл
ТР
ТС
МвLаК
æ (1 - ), руб./м, (18)
ТС
из
канТСперТСканкан
LКLКLкК ++=
, руб./м, (19)
21
ZKZКК
CKНОопор
+=
, руб./шт., (20)
21
nknКК
УТ
обор
конс
стрУТ
+=
, руб., (21)
=
гл
изиз
ТС
из
VкК
æ, руб./м3, (22)
где а, в, к
кан
, К
пер
,
из
кан
К
,
из
К
,
НО
К
,
СК
К
,
конс
стр
К
,
УТ
обор
К
– удельные стоимости
элементов тепловой сети (руб./м и руб./м2), каналов, плит перекрытий и
гидроизоляции их, руб./м; тепловой изоляции трубопроводов, руб./м3;
неподвижных и подвижных опор, руб./шт.; строительных конструкций и
оборудования узлов трубопроводов, руб./шт.;
38
Lгл, Мгл,
гл
из
V
– соответственно, длина, м, материальная характеристика, м2 и
объем тепловой изоляции на трубопроводах, м3, главной магистрали тепловой
сети; – доля стоимости тепловой сети, приходящаяся на тепловую изоляцию
трубопроводов;
æ – коэффициент разветвленности теплосети;
Z1, Z2, n1, n2 – число опор, шт., и количество узлов трубопроводов с их
оборудованием.
Ежегодные доли отчислений на амортизацию, текущий и капитальный
ремонты, а также общесетевые расходы от стоимости наружных теплосетей
приведены в формуле (23)
( )
( )
пер
ТС
пост
ТСkpbТС
fffff +=+= 5,15,1
, год –1, (23)
( )
KP
P
B
пост
ТС
fff ++−=
32
1
, год –1, (24)
( )
доп
i
язв
i
рав
i
пер
ТС
S
n
f
+
=
8760
32
, год –1, (25)
где
р
в
f
, и
кр
f
– расчетная доля отчислений на реновацию и капитальный
ремонт тепловых сетей, год –1;
2
,
3
– доля тепловых сетей, подверженных равномерной и язвенной
наружной коррозии трубопроводов;
ра в
i
,
язв
i
– скорость равномерной и язвенной наружной коррозии тепловых
сетей на i диапазоне, мм/год; ni – длительность i-диапазона, ч;
доп
S
– допустимая глубина коррозийных повреждений трубопроводов
тепловой сети, м [31].
Капиталовложения в центральные или индивидуальные тепловые пункты
приведены в формулах (26, 27)
( )
1
mККККККК
ЦТП
стрЭМО
ГВ
ак
ГВ
Н
ОТ
Н
ГВ
ТО
ОТ
ТОЦТП
+++++=
, руб., (26)
( )
2
mКККК
ИТП
стр
ИТП
насЭМО
ПАУ
ГОИТП
++=
+
, руб., (27)
39
Р
ОТТ
ОТ
ТО
FкК =
;
Р
ГВТ
ГВ
ТО
FкК =
;
Р
ОТН
ОТ
Н
NкК =
, руб., (28)
Р
ГВН
ГВ
Н
NкК =
;
ГВ
акак
ГВ
ак
VкК =
;
ГВЭМОЭМО
GкК =
, руб., (29)
( )
ИТП
ГВ
ИТП
ОТПАУ
ПАУ
ГО
FFкК +=
+
;
( )
ИТП
ГВ
ИТП
ОТН
ИТП
нас
NNкК +=
, руб., (30)
где
,
Т
к
Н
к
,
ак
к
,
ЭМО
к
,
ПАУ
к
– удельные стоимости соответственно
теплообменников, руб/м2, насосов, руб/кВт, аккумуляторов горячей воды, руб/м3,
подогревательно-аккумуляторных установок на ИТП, руб/ПАУ;
Р
ОТ
F
,
Р
ГВ
F
,
Р
ОТ
N
,
Р
ГВ
N
,
ГВ
ак
V
,
ГВ
G
– расчетные значения соответственно
теплообменников, м2, мощности насосов, кВт, для систем отопления и горячего
водоснабжения, емкости в тепловом пункте аккумуляторов горячей воды, м3,
обработанной горячей воды, м3;
ЦТП
стр
,
ИТП
стр
– коэффициенты, учитывающие расходы в строительную часть
тепловых пунктов;
21
,mm
– количество тепловых пунктов в системе теплоснабжения.
Капиталовложения в местные системы теплопотребления приведены в
формуле (31)
абСКСМ
ККК +=
...
, руб., (31)
1...
mQкК
Р
СКСКСК
=
, руб., (32)
( )
2
mККК
ГВОВаб
+=
, руб., (33)
Р
ОВОТОВ
QкК =
;
Р
ГВГВГВ
QкК =
, руб., (34)
где К
К.С.
, КОВ, КГВ – капитальные вложения в квартальные тепловые сети при
наличии ЦТП и во внутридомовые абонентские системы отопления, вентиляции и
горячего водоснабжения, руб.;
КС
к
,
ОТ
к
,
ГВ
к
– удельные стоимости квартальных тепловых сетей и
внутридомовых систем теплопотребления, руб/кВт;
Р
СКQ.
,
Р
ОВ
Q
,
Р
ГВ
Q
–
расчетные значения тепловых потоков, покрываемых,
соответственно, квартальными тепловыми сетями и внутридомовыми системами
40
отопления, вентиляции и горячего водоснабжения, кВт;
m1, m2 – число ЦТП и ИТП в системе теплоснабжения [32].
Ежегодные издержки на топливо приведены в формуле (35)
( )
+=
i
i
ТП
i
систтоплктопл
nQQZвИ
1
1
, руб., (35)
ср
ГВ
i
В
i
ОТ
i
сист
QQQQ ++=
, кВт, (36)
( ) ( )
МС
Р
ТП
ТС
i
ТП
i
ТП
QQQ +=
, кВт, (37)
( ) ( )
=
МГЛ
ТС
i
ТП
ТС
i
ТП
QQ
.
æ, кВт, (38)
( )
Р
МС
МС
Р
ТП
QQ 05,0=
, кВт, (39)
( )
2
mQQQ
Р
ГВ
i
ОВ
Р
МС
+=
, кВт, (40)
где
i
сист
Q
,
i
ОТ
Q
,
i
В
Q
и
ср
ГВ
Q
– значения тепловых потоков, соответственно,
суммарной, отопления и вентиляции на i-диапазоне и средняя нагрузка горячего
водоснабжения в системе теплоснабжения, кВт;
( )
ТС
i
ТП
Q
,
( )
МГЛ
ТС
i
ТП
Q
.
,
( )
МС
Р
ТП
Q
– значения тепловых потерь в теплосети и
главной магистрали на i-диапазоне и расчетные в местных системах
теплопотребления, кВт;
к
в
– удельный расход топлива в котельной, г/кДж;
Z
топл
– замыкающие затраты на топливо руб/т.у.т.
Ежегодные издержки на перекачку теплоносителя приведены в формуле (41)
ГВ
ЦИР
ОТ
ЦИР
ОТ
СМРНСНпер
ИИИИИИ ++++=
, руб., (41)
=
i
i
i
СН
ЭЛ
Р
СНСН
nNZNИ
1
, руб., (42)
=
i
i
i
РНЭЛ
Р
РНРН
nNZNИ
1
, руб., (43)
=
i
i
i
МСЭЛ
Р
СМ
ОТ
СМ
nNmZNИ
1
.1
, руб., (44)
ОТЭЛ
Р
ОТ
ОТ
ЦИР
nmZNИ =
1
, руб., (45)
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]