Применение компьютерных моделей для мониторинга систем теплоснабжения больших городов

Городские теплосети, запитываемые от ТЭЦ и котельных, представляют сложные разветвленные гидравлические системы. В практике их эксплуатации основными проблемами являются недостаточный перепад давлений между прямым и обратным трубопроводами, повышенное давление в обратном трубопроводе, разрегулированность сети (несоответствие расчетных и действительных расходов) у потребителей теплоты и другие проблемы. Причинами указанных проблем могут быть повышенный расход теплоносителя, недостаточные диаметры трубопроводов, уменьшение диаметров труб из-за отложений на их внутренних поверхностях, перекрытие задвижек на участках сети с большими скоростями течения теплоносителя, "паразитные" циркуляции и проч. Решение вопроса о том, какая из этих причин является определяющей, представляется довольно сложной проблемой.

Эффективным средством для наиболее достоверного определения основных причин указанных выше проблем, имеющихся в любой конкретной теплосети, являются компьютерные модели, позволяющие практически полностью воспроизводить гидравлические и температурные режимы их работы, рассматривая теплосети как единые целые системы (с учетом любого количества внутренних кольцевых структур).

Ниже приведены примеры использования компьютерных моделей для расчетов гидравлических сетей. Рассмотренные в примерах задачи решались с использованием программы для ЭВМ "Программа для моделирования гидравлических и тепловых режимов теплосетей ТЭЦ и теплоснабжения", которая специально разрабатывалась для решения подобного класса задач [6]. Основой решения задач являлась задача потокораспределения в гидравлических сетях, которая представляет собой систему уравнений, составленных на основе первого и второго законов Кирхгофа с замыкающими соотношениями, в которых перепад давления может быть описан произвольной непрерывной возрастающей функцией от величины потока по участку сети. В зависимости от типа задач использовались поузловая и поконтурная увязки. Для решения остальных задач использовались различные методы теории графов и исследования операций, термодинамики, экономических расчетов. Это позволяет использовать данный программный продукт как для тактического, так и для стратегического управления сетями.

В качестве языка программирования использовался язык Паскаль. При работе в операционной системе DOS использовалась среда Турбо Паскаль. Для удобства использования разработан специальный графический редактор, который делает наглядным структуру сети, упрощает ее редактирование, изменение входных и анализ выходных данных. База данных позволяет реализовывать многорежимные расчеты сети, осуществлять хранение данных, получаемых от мониторинга гидравлических сетей.

Для работы в операционной системе WINDOWS использовалась среда программирования Delphi. В данной версии этого программного продукта остались неизменными прикладные задачи и изменен интерфейс ^[1].

Анализ результатов, полученных для ряда объектов, позволяет заключить, что существуют проблемы, которые являются общими для многих теплосетей. Поэтому практически идентичными будут и пути их решения. В этом смысле весьма показательной является теплосеть, представленная на рис. 9.12. Представляется целесообразным проведение анализа результатов, полученных на компьютерной модели данной теплосети, в целях разработки общих рекомендаций, применимых и для любых других теплосетей [4].

Рис. 9.12. Принципиальная схема тепловых сетей от ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2

Выполним анализ расчетов теплосетей от ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2, представленных на рис. 9.12. Важной особенностью рассматриваемых тепловых сетей является существенное различие в отметках высот расположения теплоисточников. В частности, отметка высоты ТЭЦ-1 составляет 80 м, а ТЭЦ-2 – 30 м. При этом тепловые сети, запитываемые от ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2, полностью разделены с помощью закрытых задвижек. Практически полностью разделены также один от другого все

выводы внутри теплосетей от ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2. Существенное значение имеет тот факт, что ТЭЦ-1, находящаяся на высоте 80 м, запитывает потребителей, расположенных вблизи ТЭЦ-2 на отметке высоты 30 м (см. первый вывод ТЭЦ-1 на рис. 9.12, 9.13) и находящихся от ТЭЦ-1 на расстоянии около 16 км. Кроме того, на расстоянии порядка 3–5 км от ТЭЦ-1 находится участок теплосети с отметкой высоты около 167 м. В связи с этим пьезометрическое давление в обратном трубопроводе по условиям обеспечения циркуляции воды должно поддерживаться на уровне не ниже 180 м, что обеспечивается соответствующими подпорными задвижками (В-24, В-26, см. рис. 9.13, 9.14).

Рис. 9.13. Первый вывод ТЭЦ-1:

– давление в прямом трубопроводе;– давление в обратном трубопроводе;– отметка высоты местности; Р – пьезометрическое давление, м вод. ст.; L – длина трубопроводов, км; НС-6 – понизительная насосная; К-2, К-4,... – тепловые камеры; В-23, В-24 – задвижки

Таким образом, перепад давлений в обратном трубопроводе (даже если исключить потерю напора но длине от трения) будет не менее 180–30 =150 м, и, следовательно, давление в обратном трубопроводе потребителей наиболее низкого участка составит 144 м при допустимом давлении не более 60 м. Для снижения давления в обратном трубопроводе воду из этого пониженного участка местности приходится выкачивать, используя мощную понизительную насосную, каковой является насосная НС-6. С ее помощью давление понижается почти на 120 м. Из этого можно заключить, что особенности рельефа местности (наличие возвышенности на пути теплоносителя к потребителю) создают ситуацию, когда источник теплоты в виде ТЭЦ-1 находится, по сути, не на высоте 80 м, а на высоте 162 м, и вследствие этого давление в обратном трубопроводе при прохождении теплоносителя через возвышенный участок местности по условиям безкавитационного течения жидкости должно поддерживаться на уровне не ниже 180 м (см. рис. 9.13). При этом давление в прямом трубопроводе должно быть таким, чтобы обеспечить у потребителей требуемый располагаемый перепад давлений, в частности на выводах ТЭЦ-1 оно поддерживается на уровне 240 м (пьезометрическое давление).

Рис. 9.14. Второй вывод ТЭЦ-1. НС-2, НС-3 – понизительные насосные

Вместе с тем ТЭЦ-2, находящаяся на высоте 30 м, запитывает потребителей, расположенных на отметках высоты, достигающих 113 м. Перепад высот составляет 113 – 30 = 83 м. Чтобы поднять воду на такую высоту и создать соответствующую разность давлений между прямой и обратной магистралями, приходится использовать повысительные насосные (в схеме ТЭЦ-2 три такие насосные), так как располагаемого перепада давления, создаваемого сетевыми насосами ТЭЦ-2 (около 50 м), для этих целей явно недостаточно.

С учетом сказанного можно отмстить нецелесообразность запитки потребителей, находящихся на высоте 113 м, от ТЭЦ-2, каскадно повышая при этом давление теплоносителя с помощью повысительных насосных НС-4, НС-5 и НС-7.

Если этих потребителей запитывать от ТЭЦ-1, то давления, создаваемого ее сетевыми насосами, будет вполне достаточно и без использования повысительных насосных.

Аналогично этому нецелесообразно потребителей, расположенных на отметках высот 30–50 м, запитывать от ТЭЦ-1, отметка высоты которой с учетом возвышенности составляет 167 м, а расстояние до этих потребителей 14–16 км (в то время как на расстоянии 3–4 км от них находится ТЭЦ-2, отметка высоты которой сопоставима с отметками высот этих потребителей). В данном случае вместо повысительных насосных для возврата теплоносителя на ТЭЦ-1 на обратной магистрали требуется устанавливать три понизительные насосные (НС-2, НС-3, НС-6). Из этого можно сделать вывод, что подобная запитка потребителей приводит к использованию значительного числа повысительных и понизительных насосных и, следовательно, имеет место существенный перерасход энергии на перемещение теплоносителя, а также затрат средств на обслуживание насосных.

В связи с этим можно предложить следующую схему запитки потребителей от ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2 (на рис. 9.12 схема деления отмечена волнистой линией). Передать всю нагрузку потребителей, находящихся на отметках высот от 30 до 50 м, теплоисточнику ТЭЦ-2, а нагрузку потребителей на отметках высот более 60 м – теплоисточнику ТЭЦ-1. Как показали исследования, такая рокировка нагрузки в схеме существующей теплосети возможна при условии реконструкции трубопроводов с изменением диаметра с 400 до 800 мм на участке теплосети общей протяженностью около 1,1 км. При этом отсутствует необходимость использования всех (трех) повысительных насосных и одной понизительной, а мощность оставшихся двух понизительных насосных может быть несколько снижена.

Анализ результатов расчетов пьезометрического давления для первого вывода ТЭЦ-2 (см. рис. 9.13) позволяет заключить, что в районе тепловой камеры К-55 располагаемый перепад давлений между прямой и обратной магистралями составляет менее 10 м вод. ст. (полученные в результате моделирования графики и, соответственно, числовые данные в тексте приведены с использованием данной единицы измерения; об ее использовании в гидравлике и соотношениях с системными единицами см. параграф 3.7) при минимально допустимом (паспортном) значении 10 м вод. ст. Казалось бы, основной причиной недостаточного располагаемого перепада давлений является значительная потеря напора (около 32 м вод. ст.) на участке прямого трубопровода между тепловыми камерами К-54 и К-55, и реконструкция этого участка с увеличением диаметра трубопроводов была бы решением данной проблемы. Однако эту проблему точно так же можно решить, уменьшив на соответствующую величину дросселирование (понижение) давления в прямом трубопроводе с помощью задвижки В-23.

Аналогичным путем можно решить проблему недостаточного располагаемого перепада давления в районе камеры К-19 второго вывода ТЭЦ-1 (см. рис. 9.14) – уменьшив дросселирование давления в прямом трубопроводе с помощью задвижки В-27.

Отсюда можно сделать следующий важный вывод: для потребителей, расположенных после понизительных насосных НС-2, НС-3 и НС-6, совершенно безразлично, каков располагаемый перепад давления на выходе ТЭЦ-1. Дело в том, что при столь высоком (240 м вод. ст.) давлении, создаваемом в прямых трубопроводах (что связано с необходимостью перемещения теплоносителя через участок местности высотой 162 м), для потребителей, находящихся ниже отметки высоты 120 м (основная часть потребителей теплоты от ТЭЦ-1), располагаемый перепад давления составляет 240 – 120 = 120 м вод. ст. Этого перепада вполне достаточно, чтобы без проблем запитать не только текущую, но и всю дополнительную нагрузку. Для этого необходимо лишь правильно отрегулировать совместную работу дросселирующих клапанов на прямых магистралях и понизительных насосных на обратных трубопроводах. Подобная настройка эффективно может быть выполнена на компьютерной модели.

Эпюры давления, характеризующие текущее состояние на тепловыводах от ТЭЦ-2, даны на рис. 9.15–9.18. Анализ полученных результатов позволяет заключить, что практически на всех выводах главной проблемой является недостаточный располагаемый перепад давления. Например, на первом пути третьего вывода (см. рис. 9.17) он составляет всего около 8 м вод. ст. (в районе тепловой камеры К-31), а в районе камеры К-16 второго пути третьего вывода (см. рис. 9.18) происходит пересечение пьезометрических линий прямого и обратного трубопроводов. Основные причины такого положения следующие.

Puc. 9.15. Первый вывод ТЭЦ-2

Рис. 9.16. Второй вывод ТЭЦ-2

Во многих теплосетях путем перекрытия задвижек в целях разделения тепловыводов (в теплосети на рис. 9.12 имеется 18 перекрытых задвижек) создается совершенно неоправданное искусственное сопротивление. В то же время в сложных тепловых сетях задвижки необходимо перекрывать для устранения кольцевых структур (но не разделения тепловыводов). Дело в том, что в кольцевых сетях могут возникать застойные зоны, паразитные циркуляции, а также ухудшается управляемость сети и усложняется поиск аварийных участков (обрывы трубопроводов, утечки теплоносителя и проч.). Поэтому во всех сложных тепловых сетях строится некоторое дерево, в котором жидкость может от его корня (начало тепловыводов у источников теплоты) достигать любого отдаленного потребителя, не проходя по кольцу.

Рис. 9.17. Третий вывод ТЭЦ-2 (первый путь)

Рис. 9.18. Третий вывод ТЭЦ – 2 (второй путь) (НС-4, НС-5 – повысительные насосные)

Результаты расчетов на компьютерных моделях ряда сложных тепловых сетей показывают, что практически во всех сетях построенные с помощью перекрытых задвижек деревья не являются оптимальными по их общему сопротивлению, оказываемому движущемуся теплоносителю. Разделение тепловыводов с помощью перекрытых задвижек в большинстве случаев выполнено на участках с высокой скоростью течения теплоносителя, что приводит к большим потерям напора, так как такие задвижки представляют существенное гидравлическое сопротивление. В результате повышенных потерь напора на отдельных тепловыводах могут возникать серьезные проблемы в виде пересечения линий пьезометрического давления прямого и обратного трубопроводов, а также повышенного давления в обратных трубопроводах. То, что дерево, построенное в теплосетях от ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2, не оптимально, показывают скачки давления в прямых и обратных трубопроводах в точках, где находятся перекрытые задвижки (см. рис. 9.15, 9.18).

Оптимальным является дерево, когда разделения в сети выполнены на участках с минимальной скоростью течения среды либо в застойных зонах (естественное разделение тепловыводов). Сеть с оптимальным разделением тепловых путей обладает всеми свойствами древовидных сетей при отсутствии закольцованных участков. Результаты расчетов показывают, что для сложных теплосетей, имеющих большое число перекрытых задвижек, создание оптимального дерева в ряде случаев позволяет на 15–20 м вод. ст. увеличить располагаемый перепад давления. На соответствующую величину уменьшается также давление в обратных трубопроводах.

По результатам исследования теплосети могут быть сделаны следующие выводы.

1. Применительно к любым сложным тепловым сетям, содержащим большое число внутренних кольцевых структур, необходимо строить оптимальное дерево путем перекрытия задвижек лишь на участках сети с минимальными скоростями течения теплоносителя либо в застойных зонах (зонах естественного разделения тепловыводов). Наиболее эффективным средством построения оптимального дерева теплосети является ее компьютерная модель, позволяющая определить количество задвижек и участки, на которых их наиболее целесообразно установить.

2. На тепловых сетях со сложным рельефом местности (с большими различиями в отметках высоты источника и потребителя), как правило, приходится применять повысительные и понизительные насосные (иногда целый каскад таких насосных). В данном случае проблемы могут возникать не по причине больших потерь напора на отдельных участках сети из-за недостаточного диаметра трубопроводов, а в результате неправильной настройки совместной работы понизительных (повысительных) насосных и дросселирующих задвижек на прямых (подпорных задвижек на обратных) трубопроводах. В случае применения каскада насосных наибольшая эффективность подобной настройки может быть достигнута путем применения насосов с регулируемым приводом (по числу оборотов электродвигателя). Отметим, что в компьютерной модели могут быть заложены характеристики насосов, позволяющие установить любое число оборотов привода.

3. Применительно к тепловым сетям, когда на пути теплоносителя к основному потребителю находится возвышенный участок местности (см. рис. 9.17), целесообразно для потребителей, находящихся до возвышенности, организовывать отдельный контур теплоснабжения с пониженными (но давлению) параметрами теплоносителя. В этом случае давление в прямом трубопроводе, питающем основную (по величине расхода) нагрузку, находящуюся за возвышенным участком местности (отметка высоты которой меньше, чем отметка высоты источника), может быть существенно снижено. Например, применительно к теплосети от ТЭЦ-1 давление в прямом трубопроводе может быть снижено на величину около 40 м вод. ст. Отметим, что данное мероприятие наиболее целесообразно применять в проектах вновь строящихся систем теплоснабжения, а также при основательных модернизациях существующих теплосистем. Схема с раздельными контурами отопления позволит получить значительную экономию средств, ввиду того что благодаря ей можно отказаться от двух взаимоисключающих процессов – давление вначале поднимается до больших величин 240 м вод. ст. а затем (после возвышенного участка местности) дросселируется на 80 м вод. ст. (см. рис. 9.13).