Управление (алгоритм) системами теплоснабжения при снижении температуры теплоносителя

В настоящее время на многих промышленных предприятиях в системах теплоснабжения применяются низкотемпературные графики регулирования отпуска теплоты взамен традиционных высокотемпературных [1] . Считается, что низкотемпературные параметры теплоносителя являются более предпочтительными по причинам пониженного расхода топлива на производство тепловой энергии, низких тепловых потерь при выработке тепловой энергии и транспортировке теплоносителя, повышенного уровня комфортности у потребителей и т.п. Известно, что для грамотного перевода систем теплоснабжения с одних параметров на другие необходимо изменить диаметры тепловых сетей и сетевое оборудование, а также разработать подходящие методы регулирования теплоты при новых температурных графиках [2] .
Что касается последнего утверждения, то на сегодняшний день существует множество средств автоматизации, которые помогают осуществлять грамотную наладку систем теплоснабжения на предприятии . Изменение же диаметров теплопроводов и замена оборудования на тепловых сетях являются дорогостоящими и трудоемкими мероприятиями, не приносящими экономического эффекта, поэтому зачастую теплоснабжающие организации и предприятия, вырабатывающие тепловую энергию, стремятся их избегать. Аргументируется это тем, что тепловые сети проектируются с большим запасом, как по прочности, так и по диаметрам, поэтому при снижении температуры теплоносителя его количество увеличивается без каких-либо изменений в конфигурации тепловых сетей .
При этом, как правило, неизвестно, достаточно ли такого увеличения количества теплоносителя для того, чтобы обеспечить заданный тепловой поток при сниженных температурах, достаточен ли запас прочности теплопроводов и т.п. Поэтому определение зависимостей основных параметров теплоснабжения — расхода и температуры теплоносителя — друг от друга представляет интересную задачу с этой точки зрения. Зная, как меняется расход теплоносителя при изменении температурного графика и наоборот, можно судить о количестве тепловых потерь при транспортировке теплоносителя , оптимальных диаметрах теплопроводов, расходе электрической энергии на перекачку теплоносителя, допустимой толщине тепловой изоляции теплопроводов и т.п . Полученные данные можно использовать как для оценки состояния уже существующих систем теплоснабжения, так и на стадии их проектирования.

В качестве основной идеи при разработке зависимостей было принято, что температура и расход теплоносителя в подающем теплопроводе, диаметры теплопроводов и тепловые потери при первоначальном температурном графике равны соответственно t, G, D и q. После изменения температурного графика эти же параметры равны соответственно t+∆t, G+∆G, D+∆D, q+∆q. Количество переносимой системой тепловой энергии Q должно быть неизменно при любых температурных параметрах.

1. Изменение расхода теплоносителя при изменении его температуры.
Н а первоначальном этапе исследования была поставлена задача определения того, как снижение температуры теплоносителя должно повлиять на увеличение его расхода с тем, чтобы доставляемая тепловая мощность (доставляемый теплоносителем поток теплоты) была бы прежней. В результате решения этой задачи был разработан алгоритм управления расходом теплоносителя с учетом характеристик теплопотребляющего оборудования, который имеет вид:

где KF — произведение коэффициента теплопередачи на площадь поверхности эквивалентного отопительного прибора, Вт/ О С; G — расход теплоносителя для предыдущего (базового) режима теплоснабжения, кг/с; ∆G — необходимое изменение расхода теплоносителя для низкотемпературного режима, кг/с; t_вн, t,

∆t — температура внутреннего воздуха объекта теплоснабжения, температура теплоносителя в подающем теплопроводе в базовом режиме и изменение температуры теплоносителя при низкотемпературном теплоснабжении соответственно, О С; с — удельная теплоемкость теплоносителя, кДж/(кг О С); G+∆G — необходимый расход теплоносителя при новом режиме теплоснабжения.
Необходимо подчеркнуть, что произведение KF является теплотехническим показателем системы отопления объекта и показывает, какое количество теплоты способен принять объект от системы теплоснабжения. Для удобства в качестве эквивалентного отопительного прибора принимается вся система отопления здания.
Чаще всего произведение KF определяется при статистическом наборе фактических данных с тепловых счетчиков и последующем его расчете методом наименьших квадратов.
Для наглядности полученных результатов на рис. 1 приведен график зависимости изменения расхода теплоносителя от изменения температуры теплоносителя.

На данном графике представлено изменение расхода теплоносителя в зависимости от изменения его температуры с учетом свойств теплопотребляющего объекта для следующих условий: t=150 О С, KF=7000 Вт/ О С, t_вн=20 0 С. Показано, что при снижении температуры на 5, 10, 20, 30, 40, 50%, расход теплоносителя необходимо увеличивать на 6,2, 13,1, 30,2, 53,4, 86,7, 138,3% соответственно.

2. Изменение диаметров при изменении температуры теплоносителя.
Н а следующем этапе исследования было выявлено, как должны измениться диаметры теплопроводов, чтобы при прокачке другого (нерасчетного) расхода по тепловым сетям потери давления остались прежними.
Зависимость, позволяющая оценить изменение диаметров теплопроводов вследствие изменения температуры теплоносителя (теплопотребляющие характеристики объекта учтены), выглядит следующим образом:
Результаты решения данной задачи иллюстрируются на рис. 2 , в частности, для случая снижения температуры теплоносителя в подающем теплопроводе со 150 О С на 95 О С необходимо увеличить диаметр теплотрассы на 23%.
Необходимо отметить, что изменение диаметра на указанные величины происходит при условии неизменных удельных потерь давления на трение. В некоторых случаях, когда изначально диаметр тепловых сетей подобран с некоторым запасом прочности, и удельные потери давления не предельные, оптимальный диаметр тепловой сети при изменении температуры может отличаться от того, который получается по зависимости.

3. Изменение тепловых потерь при изменении температуры теплоносителя.

С ледующая задача заключалась в определении изменения тепловых потерь и расхода электроэнергии на перекачку теплоносителя при снижении его температуры и изменении диаметра изолированных теплопроводов.
Итоговая зависимость выглядит следующим образом:
где q — линейная плотность теплового потока, при тепловых потерях, Вт; Δq — изменение линейной плотности теплового потока, Вт; t_нар — температура наружного воздуха, О С.
Для упрощения функции (3) введены следующие обозначения: Δq/q=у; Δt/t=х;
1 — (t_нар /t)=а.
Тогда последняя зависимость перепишется в виде:
Пусть температура теплоносителя равна 150 О С, а температура наружного воздуха равна минус 34 О С, тогда а=1,23. Для данных условий график зависимости изменения линейной плотности теплового потока от изменения температуры теплоносителя представлен на рис. 3. Полученный в результате график показывает, что с уменьшением температуры теплоносителя значение тепловых потерь уменьшается. Теоретически, при значительном снижении температуры тепловые потери начинают возрастать из-за существенного увеличения площади поверхности теплопроводов, о чем свидетельствует экстремум графика.
Полученные соотношения позволяют определять изменение основных параметров тепловой сети — диаметра, расхода, линейной плотности теплового потока — от изменения температуры теплоносителя и как следствие, оценить затратность мероприятий по переводу систем на низкотемпературное теплоснабжение и могут быть использованы при формировании критериев для принятия решений.

Источник: http://www.rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=3508

Литература

1. Гершкович В.Ф. Сто пятьдесят.. Норма или перебор? (Размышления о параметрах теплоносителя) // Энергосбережение. 2005. № 5. С. 14-19.
2. Шарапов В.И., Ротов П.В. Регулирование нагрузки систем теплоснабжения //М.: Новости теплоснабжения, 2007. — 164 с.
3. Ротов П.В. Способы регулирования тепловой нагрузки систем теплоснабжения. Перспективы развития // Новости теплоснабжения. 2007. № 2. С. 30-35.

Управление (алгоритм) системами теплоснабжения при снижении температуры теплоносителя

В настоящее время на многих промышленных предприятиях в системах теплоснабжения применяются низкотемпературные графики регулирования отпуска теплоты взамен традиционных высокотемпературных [1] . Считается, что низкотемпературные параметры теплоносителя являются более предпочтительными по причинам пониженного расхода топлива на производство тепловой энергии, низких тепловых потерь при выработке тепловой энергии и транспортировке теплоносителя, повышенного уровня комфортности у потребителей и т.п. Известно, что для грамотного перевода систем теплоснабжения с одних параметров на другие необходимо изменить диаметры тепловых сетей и сетевое оборудование, а также разработать подходящие методы регулирования теплоты при новых температурных графиках [2] .
Что касается последнего утверждения, то на сегодняшний день существует множество средств автоматизации, которые помогают осуществлять грамотную наладку систем теплоснабжения на предприятии . Изменение же диаметров теплопроводов и замена оборудования на тепловых сетях являются дорогостоящими и трудоемкими мероприятиями, не приносящими экономического эффекта, поэтому зачастую теплоснабжающие организации и предприятия, вырабатывающие тепловую энергию, стремятся их избегать. Аргументируется это тем, что тепловые сети проектируются с большим запасом, как по прочности, так и по диаметрам, поэтому при снижении температуры теплоносителя его количество увеличивается без каких-либо изменений в конфигурации тепловых сетей .
При этом, как правило, неизвестно, достаточно ли такого увеличения количества теплоносителя для того, чтобы обеспечить заданный тепловой поток при сниженных температурах, достаточен ли запас прочности теплопроводов и т.п. Поэтому определение зависимостей основных параметров теплоснабжения — расхода и температуры теплоносителя — друг от друга представляет интересную задачу с этой точки зрения. Зная, как меняется расход теплоносителя при изменении температурного графика и наоборот, можно судить о количестве тепловых потерь при транспортировке теплоносителя , оптимальных диаметрах теплопроводов, расходе электрической энергии на перекачку теплоносителя, допустимой толщине тепловой изоляции теплопроводов и т.п . Полученные данные можно использовать как для оценки состояния уже существующих систем теплоснабжения, так и на стадии их проектирования.

В качестве основной идеи при разработке зависимостей было принято, что температура и расход теплоносителя в подающем теплопроводе, диаметры теплопроводов и тепловые потери при первоначальном температурном графике равны соответственно t, G, D и q. После изменения температурного графика эти же параметры равны соответственно t+∆t, G+∆G, D+∆D, q+∆q. Количество переносимой системой тепловой энергии Q должно быть неизменно при любых температурных параметрах.

1. Изменение расхода теплоносителя при изменении его температуры.
Н а первоначальном этапе исследования была поставлена задача определения того, как снижение температуры теплоносителя должно повлиять на увеличение его расхода с тем, чтобы доставляемая тепловая мощность (доставляемый теплоносителем поток теплоты) была бы прежней. В результате решения этой задачи был разработан алгоритм управления расходом теплоносителя с учетом характеристик теплопотребляющего оборудования, который имеет вид:

где KF — произведение коэффициента теплопередачи на площадь поверхности эквивалентного отопительного прибора, Вт/ О С; G — расход теплоносителя для предыдущего (базового) режима теплоснабжения, кг/с; ∆G — необходимое изменение расхода теплоносителя для низкотемпературного режима, кг/с; t_вн, t,

∆t — температура внутреннего воздуха объекта теплоснабжения, температура теплоносителя в подающем теплопроводе в базовом режиме и изменение температуры теплоносителя при низкотемпературном теплоснабжении соответственно, О С; с — удельная теплоемкость теплоносителя, кДж/(кг О С); G+∆G — необходимый расход теплоносителя при новом режиме теплоснабжения.
Необходимо подчеркнуть, что произведение KF является теплотехническим показателем системы отопления объекта и показывает, какое количество теплоты способен принять объект от системы теплоснабжения. Для удобства в качестве эквивалентного отопительного прибора принимается вся система отопления здания.
Чаще всего произведение KF определяется при статистическом наборе фактических данных с тепловых счетчиков и последующем его расчете методом наименьших квадратов.
Для наглядности полученных результатов на рис. 1 приведен график зависимости изменения расхода теплоносителя от изменения температуры теплоносителя.

На данном графике представлено изменение расхода теплоносителя в зависимости от изменения его температуры с учетом свойств теплопотребляющего объекта для следующих условий: t=150 О С, KF=7000 Вт/ О С, t_вн=20 0 С. Показано, что при снижении температуры на 5, 10, 20, 30, 40, 50%, расход теплоносителя необходимо увеличивать на 6,2, 13,1, 30,2, 53,4, 86,7, 138,3% соответственно.

2. Изменение диаметров при изменении температуры теплоносителя.
Н а следующем этапе исследования было выявлено, как должны измениться диаметры теплопроводов, чтобы при прокачке другого (нерасчетного) расхода по тепловым сетям потери давления остались прежними.
Зависимость, позволяющая оценить изменение диаметров теплопроводов вследствие изменения температуры теплоносителя (теплопотребляющие характеристики объекта учтены), выглядит следующим образом:
Результаты решения данной задачи иллюстрируются на рис. 2 , в частности, для случая снижения температуры теплоносителя в подающем теплопроводе со 150 О С на 95 О С необходимо увеличить диаметр теплотрассы на 23%.
Необходимо отметить, что изменение диаметра на указанные величины происходит при условии неизменных удельных потерь давления на трение. В некоторых случаях, когда изначально диаметр тепловых сетей подобран с некоторым запасом прочности, и удельные потери давления не предельные, оптимальный диаметр тепловой сети при изменении температуры может отличаться от того, который получается по зависимости.

3. Изменение тепловых потерь при изменении температуры теплоносителя.

С ледующая задача заключалась в определении изменения тепловых потерь и расхода электроэнергии на перекачку теплоносителя при снижении его температуры и изменении диаметра изолированных теплопроводов.
Итоговая зависимость выглядит следующим образом:
где q — линейная плотность теплового потока, при тепловых потерях, Вт; Δq — изменение линейной плотности теплового потока, Вт; t_нар — температура наружного воздуха, О С.
Для упрощения функции (3) введены следующие обозначения: Δq/q=у; Δt/t=х;
1 — (t_нар /t)=а.
Тогда последняя зависимость перепишется в виде:
Пусть температура теплоносителя равна 150 О С, а температура наружного воздуха равна минус 34 О С, тогда а=1,23. Для данных условий график зависимости изменения линейной плотности теплового потока от изменения температуры теплоносителя представлен на рис. 3. Полученный в результате график показывает, что с уменьшением температуры теплоносителя значение тепловых потерь уменьшается. Теоретически, при значительном снижении температуры тепловые потери начинают возрастать из-за существенного увеличения площади поверхности теплопроводов, о чем свидетельствует экстремум графика.
Полученные соотношения позволяют определять изменение основных параметров тепловой сети — диаметра, расхода, линейной плотности теплового потока — от изменения температуры теплоносителя и как следствие, оценить затратность мероприятий по переводу систем на низкотемпературное теплоснабжение и могут быть использованы при формировании критериев для принятия решений.

Источник: http://www.rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=3508

Литература

1. Гершкович В.Ф. Сто пятьдесят.. Норма или перебор? (Размышления о параметрах теплоносителя) // Энергосбережение. 2005. № 5. С. 14-19.
2. Шарапов В.И., Ротов П.В. Регулирование нагрузки систем теплоснабжения //М.: Новости теплоснабжения, 2007. — 164 с.
3. Ротов П.В. Способы регулирования тепловой нагрузки систем теплоснабжения. Перспективы развития // Новости теплоснабжения. 2007. № 2. С. 30-35.