Анализ методов регулирования отпуска тепловой энергии потребителям

3. Мэк, Р. Импульсные источники питания. Теоретические основы проектирования и руководство по практическому применению [Текст]: пер. с англ. / Р. Мэк,- М.: ИД «Додэка XXI», 2008.— 272 е.: ил.

4. Erickson, R. Fundamentals of Power Electronics |Текст| / R. Erickson, D. Maksimovic, M.A. Norwell, Kluwer, 2000.

5. Morimoto, K. Next Generation High Efficiency High Power DC-DC Converter incorporating Active Switch and Snubbing Capacitor Assisted Full-Bridge Soft-Switching PWM inverter with High Frequency Transformer for Earge Current Output [Текст] /

К. Morimoto, Т. Doi, H. Manabe |и др.] // Proceedings of 1EEE-APEC. March, 2005. - P. 1549-1555.

6. Hui, S.Y.R. Analysis of a quasi-resonant circuit for soft-switched inverters [Текст] / S.Y.R. Hui, S. Gogani, J. Zhang, // IEEE Trans. Power Electron.— 1996,- № 11,- P. 106-114.

7. Drobnik, J. High frequency alternating current power distribution |Текст| / J. Drobnik // Proc. IEEE INTELEC'94. - Vancouver (ВС, Canada). - 1994. - P. 292-296.

8. Chen, S. A novel soft switched PWM inverter for AC motor drives |Текст] / S. Chen, T.A. Eipo // IEEE Trans. Power Electron.- 1996,- № 11,- P. 653-659.

УДК 697.34

В.В. Игнатёнок, В.М. Боровков

АНАЛИЗ МЕТОДОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ ОТПУСКА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ПОТРЕБИТЕЛЯМ

Для реализации программы повышения энергоэффективности российской экономики (что определяется эффективностью функционирования топливно-энергетического комплекса), а также рационального энергоснабжения потребителей особое значение имеет теплофикация на базе централизованного теплоснабжения.

Теплофикация — наиболее совершенный технологический способ производства электрической и тепловой энергии и один из основных путей снижения расхода топлива на выработку указанных видов энергии [1]. Ее термодинамической основой служит полезное использование отработавшей в тепловом двигателе и отводимой из теплосилового цикла теплоты.

Уровень централизации теплоснабжения зависит от ряда факторов: плотности тепловых нагрузок (их мощность на единицу площади снабжаемого района); вида топлива, на котором работают энергоустановки; экологических требований, диктуемых текущим состоянием воздушного бассейна; наличия избытков теплоты на промышленных предприятиях, которые расположены на рассматриваемых территориях.

В СССР в период планового регулирования экономики наибольшее развитие получили достаточно крупные городские и промышленные

теплофикационные системы, базирующиеся на централизованном теплоснабжении городов и промышленных зон. В результате чего при теплофикации в нашей стране были реализованы два основных принципа:

комбинированная выработка электроэнергии и теплоты, осуществляемая на ТЭЦ. Здесь необходимо отметить, что с целью выравнивания годового графика тепловой нагрузки ТЭЦ весьма целесообразно использовать в летний период отработавшую теплоту например, для выработки холода в эжекционных и абсорбционных холодильных установках кондиционирования воздуха в промышленных и общественных зданиях;

централизация теплоснабжения, т. е. передача теплоты от одного или нескольких источников, работающих на одну тепловую сеть, многочисленным тепловым потребителям.

Передача теплоты в конечные нагреваемые среды осуществляется нагревательными приборами местных систем теплопотребления, по теплоотдаче которых судят о качестве всего централизованного теплоснабжения. Совокупность мероприятий по изменению теплоотдачи приборов в соответствии с изменением потребности нагреваемых ими сред называется регулирова-

нием отпуска тепла. От правильной организации и надлежащего осуществления регулирования во многом зависит качество и экономичность всего теплоснабжения [2].

Сегодня теплофикация и централизованное теплоснабжение применяются во многих странах — в Австрии, Болгарии, Венгрии, Германии, Китае, США, Дании, Финляндии, Швеции и др.

Необходимо понимать, что развитие теплофикации способствует решению многих важных народнохозяйственных и социальных проблем, таких, как увеличение тепловой и общей экономичности энергетического производства, повышение качества и надежности тепло-и электроснабжения жилищно-коммунальных и промышленных комплексов, снижение трудозатрат в тепловом хозяйстве, обеспечение высоких экологических показателей работающего энергетического оборудования.

Существующие виды регулирования отпуска тепловой энергии

Известно, что тепловая нагрузка абонентов непостоянна. Она изменяется в зависимости от температуры наружного воздуха с соответствующими поправками на влияние ветра, солнца и изменения абсолютной влажности воздуха, режима расхода воды на горячее водоснабжение, режима работы технологического оборудования и ряда других факторов. Расход теплоты на отопление, вентиляцию и кондиционирование воздуха на промышленных предприятиях в значительном числе случаев составляет в среднем 60—70 % их суммарного расхода теплоты, в то время как затраты теплоты на отопление и вентиляцию жилых, административных и общественных зданий составляют 50—90 % суммарных максимальных часовых потреблений тепловой энергии. Таким образом, основным является расход теплоты на три перечисленных вида теплового потребления. А для обеспечения надежного и высокого качества теплоснабжения данных групп абонентов, а также экономичных режимов выработки теплоты на ТЭЦ или в котельных и транспортировки ее по тепловым сетям выбирается соответствующий метод регулирования теплоотпуска.

В зависимости от пункта осуществления регулирования различают центральное, групповое, местное и индивидуальное регулирование. Центральное регулирование выполняется на ТЭЦ или

в котельной; групповое — на групповых тепловых подстанциях; местное — на местных тепловых подстанциях, часто называемых абонентскими вводами, а индивидуальное — непосредственно на теплопотребляющих приборах. В большинстве случаев тепловая нагрузка в районе разнородна. В одном и том же районе, даже на одном и том же абонентском вводе к тепловой сети присоединяется разнородная тепловая нагрузка, например: отопление и горячее водоснабжение; отопление, вентиляция, кондиционирование и горячее водоснабжение и т. д. Кроме того, в крупных городах с протяженными тепловыми сетями абоненты, расположенные на разном расстоянии от ТЭЦ, из-за транспортного запаздывания теплоносителя находятся в неодинаковых условиях.

Для обеспечения высокой экономичности теплоснабжения следует приметать комбинированное регулирование, которое должно быть рациональным сочетанием по крайней мере трех ступеней регулирования — центрального, группового или местного и индивидуального. Что, собственно говоря, сегодня и применяется при теплоснабжении крупных городов: тепло, произведенное на ТЭЦ либо в котельной, подается по магистральным сетям в районы и кварталы, где расположены ЦТП, от которых по распределительным тепловым сетям отправляется в элеваторные узлы (или ИТП), расположенные непосредственно в зданиях абонентов [3].

Однако индивидуальное регулирование непосредственно на теплопотребляющих приборах требует применения большого количества индивидуальных регуляторов. На сегодняшний день это не всегда выполняется, так как требует довольно больших капиталовложений на реконструкцию действующих тепловых энергоустановок. Особенно затруднена реконструкция систем, которые выполнены по однотрубной схеме, когда работа одних нагревательных приборов жестко связана с работой других. В связи с этим регулирование систем теплоснабжения и режимов отпуска теплоты ограничивается только дву-мя-тремя ступенями — центральным, групповым и (или) местным, а в системах теплоснабжения малой мощности — одной ступенью на источнике соответствующих систем автоматического (а не ручного, как это имело место в начальный период развития централизованного теплоснабжения) регулирования.

Центральное регулирование

Центральное регулирование ведется по типовой тепловой нагрузке, характерной для большинства абонентов района. Ею может быть как один вид нагрузки, например отопление, так и два разных вида при определенном их количественном соотношении (например, отопление иГВС при заданном отношении расчетных значений этих нагрузок).

В 1970—1980 годах нашло широкое применение центральное регулирование по совмещенной нагрузке отопления и горячего водоснабжения, так как эти нагрузки — основные в современных городах. При рассматриваемом методе регулирования можно удовлетворять нагрузку горячего водоснабжения без дополнительного увеличения или с незначительным увеличением расчетного расхода воды в сети по сравнению с расчетным расходом воды на отопление. Снижение расчетного расхода воды в сети приводит к уменьшению диаметров трубопроводов тепловых сетей, что приводит к снижению затрат, необходимых при их сооружении.

Известно, что основное количество теплоты в абонентских системах расходуется на нагревание, поэтому тепловая нагрузка зависит в первую очередь от режима теплоотдачи установленных у потребителей нагревательных приборов. Несмотря на значительное конструктивное разнообразие применяемых нагревательных приборов, все они, как правило, являются теплообменниками поверхностного типа, теплоотдачу которых в переменных режимах наиболее целесообразно определять при помощи следующего уравнения:

0=кГА1п = Жп(т1-т2)п,

где 0 — количество теплоты, отданное за время п\ кГ— произведение коэффициента теплопередачи нагревательных приборов на их поверхность нагрева; А?— средняя разность температур между греющей и нагреваемой средой; \¥п — эквивалент расхода первичной (греющей) среды; т, и х2 — температуры первичной (греющей) среды на входе в нагревательный прибор и на выходе из него.

Средняя разность температур может быть представлена в первом приближении как разность между среднеарифметическими температурами греющей и нагреваемой среды:

Т!+Т2 Т!+Т2

2 2 " 2 ср' К' где / —средняя температура нагреваемой среды; /2,/, — температуры вторичной (нагреваемой) среды на входе в нагревательный прибор и на выходе из него.

Из уравнений (1) и (2) следует:

т2 =т,

о

п!¥п

0=кГ

т, + тч

--1

ср

п.

Из совместного решения находим (Т1-'ср)я

0=

_>_ м

кР+ ж,

Как видно из уравнения (3), тепловая нагрузка принципиально может регулироваться за счет изменения пяти параметров: коэффициента к теплопередачи нагревательных приборов, площади /'включенной поверхности нагрева, тем-т

в прибор, эквивалента расхода \¥п греющего теплоносителя и времени п работы прибора.

При практическом осуществлении центрального регулирования применение находят

т

стоит забывать, что возможный диапазон изме-т

рядом обстоятельств.

При разнородной тепловой нагрузке нижний т

горячего водоснабжения (65 °С). Верхний предел т

ющей линии тепловой сети из условия невскипания воды. Верхний предел \¥п (МПа) определяется располагаемым напором на групповых или местных тепловых подстанциях и гидравлическим сопротивлением абонентских установок [4].

В водяных системах централизованного теплоснабжения принципиально можно использовать три метода центрального регулирования: качественный, количественный и количественно-качественный. Здесь необходимо более подробно разобрать каждый из перечисленных методов, так как система теплоснабжения любого крупного мегаполиса построена именно на них.

Качественный, количественный и количественно-качественный методы.

Что же выбрать?

Для начала дадим краткую характеристику каждому из перечисленных методов. Итак, качественный метод заключается в регулировании отпуска теплоты за счет изменения температуры на входе в прибор при сохранении постоянного расхода теплоносителя, подаваемого в регулируемую установку; количественный — в регулировании отпуска теплоты путем изменения расхода теплоносителя при постоянной температуре его на входе в регулируемую установку; наконец, качественно-количественный метод предполагает регулирование отпуска теплоты посредством одновременного изменения расхода и температуры теплоносителя. В качестве наглядного примера приведем температурные графики регулирования отопительной нагрузки (рис. 1,2 и 3).

Теперь посмотрим на существующие системы теплоснабжения и попробуем разобраться, какой из перечисленных методов наиболее эффективен.

При автоматизации абонентских вводов основное применение в городах получило центральное качественное регулирование, дополняемое на групповых или местных тепловых подстанциях количественным регулированием.

Качественная работа отопительных установок жилых и общественных зданий при применении количественного регулирования возможна только в случае присоединения этих установок к тепловой сети по двум схемам. Одна из них — независимая, вторая — зависимая со смесительным насосом. Только при подобных схемах присоединения в местных отопительных установках может поддерживаться расчетный расход воды независимо от ее расхода из тепловой сети.

В случае присоединения отопительных установок к тепловой сети по зависимой схеме с элеватором без дополнительного смесительного насоса снижение расхода сетевой воды вызывает пропорциональное изменении ее расхода в местной системе. При уменьшении расхода воды в отопительной установке увеличивается перепад температур воды в отопительных приборах и возрастает гравитационный перепад, что приводит к вертикальной разрегулировке отопительных систем. Это обстоятельство ограничивает

использование количественного регулирования в двухтрубных отопительных установках жилых зданий, имеющих, как правило, значительную высоту и небольшую потерю напора при расчетном расходе воды.

Рис. 1. Температурные графики качественного регулирования отопительной нагрузки

0 = 0 /О -отноосительная отопительная нагрузка при наружной температуре t, °С; 8т( - — расчетный перепад температур в тепловой сети, °С; / — расчетная температура наружного воздуха для отопления, °С): 8т' 8т' 8т'

4 - 8т' 8т' 8т'

7- 8т' 8т' 8т'

8т' 8т' 8т'

При теплоснабжении от ТЭЦ комбинированная выработка электрической энергии в случае центрального качественного регулирования больше, чем при других методах центрального регулирования. Центральное количественное регулирование уступает качественному в плане стабильности теплового режима отопительных установок, присоединенных ктепловой сети по зависимой схеме с элеваторным смешением без установки дополнительного смесительного насоса. Вследствие переменного расхода воды в сети рас-

>3

о £

о -

О ;

Я ^

О. и

н 3

й о а. 3

80

60

40

>з 2 I -с

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

У

2 1

\ >з-

8 4

/

V

/ 1 \

Л

0,2 0,4 0,6

0,8 Расход теплоты, Q

Рис. 2. Графики количественного регулирования отопительной нагрузки (9 = 25 "С, / = 18 °С):

1 — т^ т^ т'о1

То1

ход электроэнергии на перекачку при количественном регулировании меньше, чем при качественном.

Как уже упоминалось, в отечественных системах теплоснабжения применяется центральное качественное регулирование нагрузки на теплоисточниках, которое предусматривает изменение температуры теплоносителя в пределах 70— 150 °С при постоянном его расходе в зависимости от температуры наружного воздуха. Центральное качественное регулирование тепловой нагрузки осуществляется на ТЭЦ, схема которых предусматривает последовательное включение основных и пиковых источников теплоты. Действующие системы спроектированы и построены несколько десятилетий назад. За прошедшее с тех пор время многие концептуальные технические и технологические решения, заложенные в основу проектов теплоисточников, систем транспорта тепловой энергии и теплоиспользу-ющих систем, просто устарели. Несмотря на

Я £

я з

- н

3 ¡>

Э

О >3

я §

я 8

а 2 §

Я X)

а н

X)

>3 2 I

л

0

1

а -я

а £

Е?

я 3 & §

=

Со

Рис. 3. Графики температур и расхода воды при качественно-количественном регулировании отопительной нагрузки

высокую эффективность комбинированного производства тепловой и электрической энергии на ТЭЦ, доля теплофикации в общей выработке тепловой энергии в России снижается. Связано это с тем, что отечественные системы теплоснабжения эксплуатируются на основе устаревших и малоэффективных технологий, разработанных еще в 50-е годы, прежде всего технологий регулирования отпуска теплоты. Подобное регулирование нагрузки с высокими температурами теплоносителя в периоды пиковых потреблений тепловой энергии приводит к существенным потерям теплоты в сетях и повышенным энергозатратам на транспорт теплоносителя.

А какой метод регулирования применяется в странах с похожими климатическими условия-

0,6 0,8 Расход теплоты,

ми, например в Дании, Германии, Финляндии и Швеции? Системы теплоснабжения этих стран работают на принципах количественного регулирования. Фактически температура в сетях у них либо фиксируется (около 110 °С), либо ступенчато изменяется в диапазоне 100— 120 °С. Даже в летний период поддерживается температура больше 100 °С, чтобы обеспечить работу абсорбционных холодильных машин, преобразующих теплоту сетевой воды в холод для систем кондиционирования зданий. При развитии системы теплоснабжения количественное регулирование позволило массово использовать схему совместной работы ТЭЦ и котельных. При похолодании сначала увеличивается расход теплоносителя от ТЭЦ, а по-

том запускаются котельные, обеспечивающие недостающее количество теплоносителя, закачивая его своими насосами в общую сеть.

Сегодня в связи с принятием ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности ...», вступившим в силу 27 ноября 2009 года, весьма уместно использовать зарубежный опыт по применению других методов регулирования теплоотпуска, в частности количественного. Нам даже не потребуется ничего изобретать и придумывать, ведь все уже построено и работает, системы теплоснабжения отвечают самым высоким требованиям по надежности, экономичности и экологической обстановке в местах работы энергетического оборудования.

Сравнение способов регулирования тепловой нагрузки

Способ регулирования

Качественный Количественный и качественно-количественный

Преимущество Стабильный гидравлический режим тепловых сетей. Недостатки 1. Низкая надежность источников пиковой тепловой мощности. 2. Необходимость применения дорогостоящих методов обработки подпиточной воды теплосети при высоких температурах теплоносителя. 3. Повышенный температурный график для компенсации отбора воды на горячее водоснабжение и связанное с этим снижение выработки электроэнергии на тепловом потреблении. 4. Большое транспортное запаздывание (тепловая инерционность) регулирования тепловой нагрузки системы теплоснабжения. 5. Высокая интенсивность коррозии трубопроводов из-за работы системы теплоснабжения в течение большей части отопительного периода с температурами теплоносителя 60—85 °С. 6. Колебания температуры внутреннего воздуха, обусловленные влиянием нагрузки горячего водоснабжения на работу систем отопления, а также различным соотношением нагрузок горячего водоснабжения и отопления у абонентов. 7. Снижение качества теплоснабжения при регулировании температуры теплоносителя по средней (за несколько часов) температуре наружного воздуха, что приводит к колебаниям температуры внутреннего воздуха. 8. При переменной температуре сетевой воды существенно осложняется эксплуатация компенсаторов Преимущества 1. Увеличение выработки электроэнергии на тепловом потреблении за счет понижения температуры обратной сетевой воды. 2. Возможность применения недорогих методов обработки подпиточной воды теплосети при ^ <110 °С. 3. Работа системы теплоснабжения большую часть отопительного периода с пониженными расходами сетевой воды и значительной экономией электроэнергии на транспорт теплоносителя. 4. Меньшая инерционность регулирования тепловой нагрузки, так как система теплоснабжения более быстро реагирует на изменение давления, чем на изменение температуры сетевой воды. 5. Постоянная температура теплоносителя в подающей магистрали теплосети, способствующая снижению коррозионных повреждений трубопроводов теплосети. 6. Возможность дополнительной экономии электроэнергии на привод циркуляционных насосов за счет увеличения естественного циркуляционного давления. 7. Возможность применения при (1 < 110 °С в местных системах и квартальных сетях долговечных трубопроводов из неметаллических материалов. 8. Поддержание температуры сетевой воды постоянной благоприятно сказывается на работе компенсаторов. 9. Отсутствие необходимости в смесительных устройствах абонентских вводов. Недостаток Переменный гидравлический режим работы тепловых сетей

В будущем в отечественных системах теплоснабжения все большее распространение должны получать способы количественного и качественно-количественного регулирования тепловой нагрузки. Достоинства и недостатки этих способов по сравнению с качественным регулированием тепловой нагрузки [5] приведены в таблице.

В завершение хотелось бы отметить, что в современной обстановке, при значительной нехватке в энергосистемах средств на капитальное строительство, трудно рассчитывать на ввод новых, более экономичных теплоэнергетических мощностей. Поэтому одним из основных путей повышения экономичности теплоснабжения является реконструкция тепловых схем ТЭЦ, существующих водогрейных котлов и другого основного и вспомогательного оборудования теплоисточников, осуществляемая при разумном минимуме капиталовложений.

Необходимо также учесть, что экономно произвести ресурсы — это половина дела, необходи-

мо научиться экономно их тратить. Поэтому сегодня нужно создать все условия для того, чтобы жители могли экономить энергоресурсы и, главное, чтобы им это было выгодно. Например, одним из способов стимулирования экономии может стать ряд специальных тарифных мероприятий, заключающихся в повышении тарифов на электроэнергию, потребляемую в часы максимума нагрузки, и в снижении их в часы минимумов. Не стоит забывать и о том, что в большинстве случаев энергосбережение — весьма дорогостоящий процесс, в развитых странах он не может осуществляться без значительного набора экономических стимулов. В нашей же стране есть весьма значительный набор управленческих решений, позволяющих получить заметный эффект без существенных инвестиционных затрат. Экономический кризис должен, наконец-то, отвлечь от эйфории гигантских инвестиций, заставить «посмотреть под ноги» и заметить, что существуют огромные резервы экономии нужно только «наклониться и взять их».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Теплоэнергоэффективные технологии [Текст] // Информационный бюллетень 2009 г. N° 3 (56). — 61 с.

2. Ионин, A.A. Теплоснабжение [Текст]: учебник для вузов / A.A. Ионин, Б.М. Хлыбов, В.Н. Братенков [и др. j; Под ред. A.A. Ионина. — М.: Стройиздат, 1982. — 336 е., ил.

3. Шираке, З.Э. Теплоснабжение [Текст]: пер. с латыш / З.Э. Шираке. — М.: Энергия, 1979. — 256 е., ил.

4. Соколов, Е.Я. Теплофикация и тепловые сети [Текст]: учебник для вузов / Е.Я. Соколов. — 7-е изд., стереот. — М.: Изд-во МЭИ, 2001. — 472 с.

5. Шарапов, В.И. Технологии обеспечения пиковой мощности систем теплоснабжения [Текст] / В.И. Шарапов, М.Е. Орлов, П.В. Ротов. — [Электрон. ресурс]. — http://www.rosteplo.ru

УДК 621.311.11

А.П. Васильев, И.И. Бандурин

ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ ОПЕРАТИВНОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ

Для обеспечения надежности, безопасности и экономичности энергоустановок на каждом энергообъекте должно быть организовано их оперативное обслуживание (00) [2]. Объемы 00 зависят от технического состояния оборудования и определяются задачей обеспечения надежности электрических сетей.

В систему 00 современных предприятий электрических сетей входят устройства автоматики и телемеханики. Поток требований на обслуживание распределяется между обслуживающими приборами, к которым относятся устройства автоматики и телемеханики (ТМиА), а также оперативным и ремонтным персоналом (рис. 1).