Анализ теплоэнергетических характеристик климата и их влияние на коэффициент теплофикации ТЭЦ

УДК 621.264

АНАЛИЗ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КЛИМАТА И ИХ ВЛИЯНИЕ НА КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОФИКАЦИИ ТЭЦ

В.М. Боровков, А.С. Хазиев

Представлена методика расчета универсальных теплоэнергетических характеристик климата (ТЭХК). Выполнен расчет ТЭХК для города Воронежа. Анализируются структура тепловой нагрузки района теплоснабжения данного города и влияние его климатических показателей на коэффициент теплофикации ТЭЦ

Ключевые слова: система теплоснабжения, климат, коэффициент теплофикации

Непрерывное развитие городов, рост потребности в тепловой и электрической энергии определяет необходимость строительства новых и модернизации старых энергоисточников, тепловых сетей и центральных тепловых пунктов. В крупных городах данная задача на сегодняшний день решается в рамках Генеральной схемы теплоснабжения, в основе которой лежат данные о росте потребностей города в тепловой мощности в перспективе через 5, 10 и 15 лет.

В настоящее время в крупных городах России теплообеспечение производственных помещений и жилого фонда (отопление, промвентиляция, горячее водоснабжение) организовано на традиционных средствах контроля и управления тепловыми сетями, в основном от ТЭЦ, в состав которых входят водогрейные котельные, обеспечивающих режимы работы по температурным графикам, выдаваемой диспетчерской службой города. Естественно, такая система не обеспечивает в полной мере

надлежащего качества регулирования

теплоносителя и оптимизации работы теплоэнергетического оборудования.

Решение вопросов качественных и

количественных показателей теплоснабжения и

экономически обоснованных топливных режимов теплоэнергетического оборудования на

современном уровне может решить создание автоматизированной системы управления

теплоснабжением (АСУ ТС). На ее основе ставится задача учета в реальном времени энергетических параметров энергоисточников, соотношения

тепловых нагрузок потребления с оптимальными тепловыми нагрузками энергоисточников с учетом требуемой выработкой электрической энергии в разрезе дня, недели, месяца и года. Комплексноэнергетический подход на стадии разработки

перспективной схемы теплоснабжения города определяет основу для создания эффективной АСУ ТС и одной из целей ставит расчет коэффициентов

теплофикации (расчетного ТЭЦ - аТ Р и расчетного климатического - аТ Р К), диапазона их

Боровков Валерий Михайлович - СПбГПУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (812) 297-48-28 Хазиев Александр Сергеевич - СПбГПУ, аспирант, тел. (812) 315-34-92

оптимальных величин, а также режимов работы основного оборудования ТЭЦ. Основное различие данных коэффициентов заключается в том, что

аПИК > 1 -аТ Р (где аПИК - доля пиковой нагрузки), поскольку при выборе мощности пиковой водогрейной котельной (ПВК) на ТЭЦ учитывается снижение тепловой нагрузки отборов низкого давления турбин на сетевые подогреватели при повышении температуры сетевой воды в обратном трубопроводе.

В настоящей работе, на примере полученных климатических данных для г.Воронежа (средняя полоса России) рассматривается одно из направлений комплексно-энергетического метода оценки эффективности системы теплофикации по ее соотношению с характеристиками коммунальнобытового теплопотребления. Данные

характеристики определяются через

теплоэнергетические параметры климата, предложенные Богдановым А.Б. [2], методика

расчета и применения которых представлена в данной статье. Ключевым положением настоящей работы является качественное различие коэффициентов теплофикации с точки зрения потребителя тепловой энергии в одном случае, и выработкой ее на ТЭЦ, включающей в своем составе ПВК, - в другом.

С этих позиций рассмотрены следующие характеристики:

- КНтах - безразмерный универсальный показатель, характеризующий использование тепловой энергии в течение года, условно равный количеству часов использования расчетного максимума нагрузок отопления и ГВС в единицах энергии 1Гкал/год с 1 Гкал/час расчетной тепловой мощности;

- КЭБП - климатический коэффициент эффективности использования базы и пика.

На основании обработанных статистических данных, предоставленных официальным сервером «Погода России», были получены данные в табл. 1 и построены графики на рис.1. Для оценки ТЭХК был построен универсальный интегральный годовой график мощности и энергии в относительных единицах.

Для построения данного графика были приняты следующие положения:

- для средней полосы России доля горячего водоснабжения (ГВС) составляет 0,22 [2];

- общее количество часов работы системы ГВС в году с учетом плановых и аварийных отключений принимается равным 8000;

- для упрощения методики расчета температура внутри всех помещений в районе теплоснабжения принимается равной +18оС;

Для расчета необходимой установленной тепловой мощности энергоисточника с коммунально-бытовой нагрузкой и расхода топлива по месяцам основой являются температура наружного воздуха и температура воды в водоеме, из которого осуществляется забор воды для горячего водоснабжения. На практике органами

планирования и регулирования тарифов в

энергетике применяются упрощенные расчеты, а именно используются показатели среднегодовых температур воды в холодном источнике летом -

г=+15 С , и зимой - гX 6 = +5 °С, и

среднемесячные температуры наружного воздуха. Однако усредненные значения температур не могут служить основой для адекватной оценки затрат на производство различных видов энергии и выбора состава оборудования теплоисточника. Наиболее точными показателями являются - среднемесячные температуры воды в холодном источнике, и график

часовых стояний температур для конкретного

климатического региона (табл.1, рис.1).

Таблица 1

Количество часов (п) стояния температуры наружного воздуха в 2009г. с периодичностью измерения раз в 3 часа, в заданном интервале ±2,5 С для Воронежа

"^н, в интервале ±2,5 оС  4 ^ 'л о • -40.. -35 -35. -30 -30.. -25 -25.. -20 -20.. -15 -15.. -10 -10.. -5 -5.. 0 0.. 5 5.. 10 10... 15 15.. 20 20.. 25 25.. 30 30.. 35 3 4 'Л о • 45. 40 всего часов

0 0 0 15 42 120 300 588 1191 1584 945 1315 1334 864 384 78 0 0 8760

Январь 0 0 0 0 18 51 102 150 273 150 0 0 0 0 0 0 0 0 744

Февраль 0 0 0 0 0 21 102 126 261 162 0 0 0 0 0 0 0 0 672

Март 0 0 0 0 0 0 18 90 249 324 42 21 0 0 0 0 0 0 744

Апрель 0 0 0 0 0 0 0 6 75 231 180 129 57 33 9 0 0 0 720

Май 0 0 0 0 0 0 0 0 0 9 126 289 197 120 3 0 0 0 744

Июнь 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 12 105 276 180 135 12 0 0 720

Июль 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 12 66 222 258 120 66 0 0 744

Август 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 15 246 276 156 51 0 0 0 744

Сентябрь 0 0 0 0 0 0 0 0 0 21 66 204 252 111 66 0 0 0 720

Октябрь 0 0 0 0 0 0 0 0 48 132 249 255 54 6 0 0 0 0 744

Ноябрь 0 0 0 0 0 0 0 0 138 372 210 0 0 0 0 0 0 0 720

Декабрь 0 0 0 15 24 48 78 216 147 183 33 0 0 0 0 0 0 0 744

-42.5-37,5-32,5-27.5-22.5-17,5-12,5 *7,5 -2,5 2.5 7.5 12.5 17.5 22,5 27,5 32.5 37.5 42.5

Температуры наружною воиуха в шперва.и* ±2,5 °С

“Среднее значение по годам

Рис. 1. Сводный график количеств часов стояния температуры наружного воздуха в заданном интервале ±2,5 °С для Воронежа (измерения с 1999 по 2009гг.).

Потребляемая тепловая мощность для нужд отопления, вентиляции жилых и производственных помещений по существу является функцией от наружной температуры воздуха /(гн), для нужд горячего водоснабжения - функцией от температуры воды в холодном источнике /(гхв) и

доли ГВС в суммарной коммунально-бытовой тепловой нагрузке. В этом случае интегральный график, построенный в относительных единицах (о. е) мощности теплоисточника может быть применен для расчета ТЭХК района теплоснабжения вне зависимости от характеристик его зданий, и системы теплоснабжения в целом. Это объясняется тем, что учет особенностей зданий, различного рода потери в тепловых сетях и их прокладки, и т. д. учитываются при определении тепловых нагрузок зданий по существующей на сегодняшний день методике [5].

На графике (рис.2) можно выделить 4 линии:

- линия 1 построена по значениям количеств часов/год стояния температуры наружного воздуха равной гн и ниже данной (табл.1);

- линия 2 - относительная мощность системы горячего водоснабжения («базовая» нагрузка) как функция от среднемесячной температуры воды в холодном источнике Ох.в.):

г — г

/

г 2.6. —гХВ.

где аГВ - доля ГВС от общей тепловой нагрузки,

для Воронежа равна 0,22. Для более точных расчетов данный коэффициент требует уточнения путем рассмотрения соотношения доли ГВС и нужд на отопление и вентиляцию с учетом рассматриваемого района теплоснабжения; г2.6. -температура горячей воды, принимаемая в расчете равной +65°С; г- среднегодовая расчетная температура воды в холодном источнике:

х = і X.,.- По • 24 + С.-

8000

где г х

іхв - значения средних температур воды

зимой и летом, общепринятые для расчета нагрузок ГВС, равные +5 и +15оС соответственно; п0 -продолжительность (сут.) периода со среднесуточной температурой наружного воздуха <+10оС, для Воронежа составляет 212 сут. [3]. гн =+10оС принимается как температура начала и

конца отопительного периода; 8000 часов -

продолжительность работы системы ГВС;

линия 3 - Интегральный годовой график суммарной тепловой нагрузки систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения как функции от температуры наружного воздуха (гн ) и среднемесячной

температуры воды в холодном источнике (гхв):

і — і

1(ін >1 х.в.) = (1 — аГВ ) -------р

+ а

ГВ

і — і

' г.в. х.в.

і — і сР

где (1 — аГВ) - доля отопления и вентиляции в суммарной тепловой нагрузке; гв - расчетная температура воздуха внутри помещения = +18°С; гр- расчетная температура наружного воздуха для проектирования отопления и вентиляции, для Воронежа принимается равной -26 °С [3];

— линия 4 - Интегральный график суммарной тепловой выработки энергии в относительных единицах строится через соотношение площади под линией 3 (при заданной доли установленной тепловой мощности энергоисточника) к общей площади под линией 3.

Рис. 2. График изменения тепловой мощности и выработанной на базе ее тепловой энергии в о.е. для Воронежа

Исходя из определений КНтах и КЭБП и на основании графика (рис. 2) получены значения этих показателей (табл. 2). Значения ТЭХК в табл. 2 были получены для значений аТ Р К =0,58.

КНтах количественно равен среднегодовому числу использования установленной мощности и определяется из графика по площади, ограниченной линией 3 и осями координат - 81 (рис. 3).

Аналогичным образом определяются доли «Базы», «Полубазы» и «Пика» при соответствующем значении аТ Р К. Площадь 82, определяющая нагрузку переходного периода при +10оС< гн <+15оС, в расчете не учитывалась.

Значение КНтах отражает не только климатические характеристики региона, но и обеспеченность энергоисточником тепловой

—'

отопительной нагрузки. Так при условно принятом

расчетном значении tр >-26оС, KHmax будет

снижаться. В этом случае в разрезе года появляется необеспеченная часть тепловой энергии,

количественно равная:

AKH max = KH max

Доля необеспечиваемой энергоисточником тепловой нагрузки может быть покрыта за счет саккумулированной теплоты. В случае использования для зарядки тепловых аккумуляторов части пара отборов высокого давления турбины в провальные часы графика электрических нагрузок значение годового коэффициента теплофикации ТЭЦ будет повышаться и приближаться к аТ РК .

Таблица 2

Вид нагрузки ТЭХК ВОРОНЕЖА

База П°лу- база Пик Всег° за г°д

Мощность необходимая потребителю Гкал/ час 0,22 0,36 0,42 1

% 22 36 42 100

КНтах 1579 1603 266 3449

Доля от годового отпуска тепловой энергии % 45,8 46,5 7,7 100

Число часов использования мощности Час/ год 8000 4453 636

Степень использования мощности % 91,3 50,8 7,3 39,4

КЭБП о.е. 91,3/7,3=12,5

По графику (рис.2) можно определить следующее:

— при аТ.Р.К =0,58 доля годовой выработки тепловой энергии пиковыми котлами составит 7,7%. Температура наружного воздуха га, при которой потребуется вводить в работу пиковые мощности, равна -2,5 оС. Среднегодовое число использования установленной тепловой мощности основного энергетического оборудования - (1579+1603)/0,58=5486 (рис. 4);

при

- =0,67 доля годовой выработки

тепловой энергии «Пика» снижается до 3%, при этом га снижается до -7,5 оС. Среднегодовое число использования основной тепловой мощности также снижается до 4975;

при снижении аТ.Р.К до 0,49, доля годовой выработки тепловой энергии «Пика» повышается до 16%, га повышается до +2,5оС, а число использования мощности - до 5922.

Для практического применения в техникоэкономических расчетах величина КНтах может отражать потери тепловой энергии в системе теплоснабжения с коммунально-бытовой нагрузкой применительно к любому теплоисточнику. Исходя из соотношения КНтах с фактическим отпуском теплоты, вынужденное увеличение отпущенной тепловой энергии с 1 Гкал/ч его установленной тепловой мощности для покрытия тепловой нагрузки ГВС и отопительно-вентиляционной, будут рассчитываться по формулам:

AQ?ed = Q Q

Qг

AQl°d = Qc

- KH max г

Q

р

°.в

- KH max°

где Qr°e , Q°°e - соответственно годовая выработка тепловой энергии на нужды ГВС и отопления, Гкал/год; QPb, Qpe - соответственно расчетная максимальная нагрузка ГВС и отопительновентиляционная, Гкал/ч; KH maxгв ,

KH max° в = KH max- KH maxr в - соответственно доля нагрузки ГВС и отопительно-вентиляционной в KH max, час/год;

Исследования часовых стояний наружных температур в г. Воронеже для разных лет показали, что по формулам (4) и (5) можно принимать KH maxr в + KH max° в = 3449 = const с

достоверным отклонением его годового значения ±5%.

Рис. 3. Определение КНтах методом равных

площадей

На рис.4 линия, отражающая число часов стояния заданной температуры наружного воздуха, является своего рода эксплуатационной

характеристикой. Т.е. при увеличении аТ.Р.К от 0,58 до 0,67 число часов, при котором требуется ввод пиковой мощности, уменьшается в 2 раза.

Следовательно, частота ввода пиковых мощностей будет также снижаться, что упрощает эксплуатацию пиковой котельной и может повлиять на

необходимый объем ее автоматизации в сторону его сокращения.

Для определения диапазона оптимальных величин аТ Р К необходимо рассмотреть

взаимосвязь изменения доли устанавливаемой теплофикационной мощности и доли вырабатываемой на базе ее энергии в разрезе года для заданного климатического региона. Эту зависимость характеризуют линии 3 и 4 (рис.2). Из графика можно определить, что для Воронежа при увеличении аТ.Р.К от 0,49 до 0,58, выработка тепловой энергии увеличивается на 9,5%, от 0,58 до

0,67 - на 5,4%, от 0,67 до 0,76 - на 2,1%. Таким образом, с увеличением аТ Р К, эффективность от дополнительно установленной теплофикационной мощности снижается по экспоненциальной зависимости.

Рис. 4. Графики зависимости числа часов использования полубазовой и пиковой мощностей, КЭБП от климатического коэффициента теплофикации аТ Р К Одно из противоречий в применении аТРК в качестве расчетного коэффициента теплофикации при проектировании ТЭЦ заключается в том, что основное теплофикационное оборудование имеет конечный типовой ряд единичных мощностей. При проектировании выбираемая суммарная мощность теплофикационной установки может не соответствовать величине подключенной тепловой нагрузке. Так же на величину аТ.Р существенное влияние оказывает наличие технологической

нагрузки. Исходя из выполненных расчетов, для района теплоснабжения города Воронежа данный диапазон оптимальных значений аТ Р К (при отопительно-бытовой нагрузке) составит 0,6...0,7.

Выводы:

1. График потребления энергии с 1 Гкал/час

установленной мощности, представленный на рис.2, является универсальным показателем,

характеризующим влияние ТЭХК на структуру и режимы работы теплофикационной установки в течение года.

2. Теплоэнергетический показатель климата

КНтах (при принятом аГВ = 0,22) для Воронежа равен 3449 Гкал/год с 1 Гкал/час расчетной мощности и является климатическим стандартом для энергоисточников города с указанным соотношением отопительно-вентиляционной

нагрузки и нагрузки ГВС, и определяющим годовое потребление тепла для любого жилого здания с заданной температурой внутри помещения +18оС.

3. При оценке технико-экономических показателей подсчитанные по формулам (5) и (6) значения будут полностью характеризовать экономическую эффективность работы системы теплоснабжения от теплоисточника, выраженную в разнице между величиной необходимого годового потребления и величиной фактического отпуска тепловой энергии.

Литература

1. Чистович С.А., Харитонов В.Б.

Автоматизированные системы теплофикации,

теплоснабжения и отопления. - СПб: АВОК Северо-Запад, 2008. -304 с.

2. Богданов А. Б. Влияние климата на формирование

топливосберегающей политики в России. -

Теплоэнергоэффективные технологии, 2007. N»3-4.- С. 2634.

3. СНиП 23-01-99*. Строительная климатология.-Госстрой России.: М.: ГУП ЦПП, 2005.- 70 с.

4. Родичев Л.В. Эффективность транспорта тепловой энергии: - СПб., 2006.- 448 с.

5. Методика определения потребности в топливе, электроэнергии и воде при производстве и передаче тепловой энергии и теплоносителей в системах коммунального теплоснабжения. М., 2003.

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет CALCULATION OF THE CLIMATIC HEAT-AND-POWER ENGINEERING PARAMETERS AND ANALYSIS OF THEIR INFLUENCE ON THE EXTRACTION RATIO OF CHP V.M. Borovkov, A.S. Khaziev

Method of calculation of the all-around climatic heat-and-power engineering parameters is presented. The calculation of climatic heat-and-power engineering parameters of Voronezh city is done. A structure of heat load of heat supply region for this city and the climatic parameters’ influence on the extraction ratio of CHP are decompose

Key words: heat supply system, climate, extraction ratio