Новый общий показатель эффективности работы теплосети

Новый общий показатель эффективности работы теплосети


Г.А. Рябцев, к.т.н. В. И. Рябцев, доцент Курского Государственного технического университета

Во время эксплуатации тепловых сетей по многим причинам происходит разрегулирование процесса теплоснабжения, и возникают так называемые переменные тепловые режимы (при отклонении от расчетных температур, при пуске и останове оборудования и др.). В технической литературе они практически не рассматривались. Нормативно-директивная документация также не содержит показателя, с помощью которого можно было бы в таких ситуациях определить, когда и на сколько эффективнее работает теплосеть, например, с параметрами t_п/t_о= 79/60 ОС или 91/69 ОС. Встречающиеся в технических отчетах предприятий некоторые величины можно отнести к дополнительным и вспомогательным (утечка сетевой воды, потеря теплоты при ее транспорте, расход электроэнергии на перекачивающие сетевые насосы и др.). К тому же все это в большей мере касается всего лишь одного звена теплофикации - транспортировки и перераспределения теплоты. А как реализуется основная задача теплосети и тепломагистрали - в полной мере отдать теплоту потребителю и там рационально использовать ее - не отражается ни одним показателем.

Упускается в общей деятельности тепловых сетей оценка и следующей очень важной заключительной фазы - отдачи тепла теплоприемникам и теплообменникам. Например, не будет достоверной и полной информация об эффективности работы всей ТЭЦ, взятая только по показателю одиночного, хотя и главного объекта электростанции, - по котлу или турбине. Их коэффициенты полезного действия каждый в отдельности не дают достаточной оценки в целом всему термодинамическому циклу ТЭЦ. Только совместное рассмотрение определяет общий единый КПД станции по выработке электроэнергии.
Совсем по-иному происходит с теплофикацией, когда она разделена на три звена - генерирование теплоты, передача (транспортировка, распределение) и конечное использование теплоприемником, -а рассматривают отдельно каждую из них и, часто, последнее звено остается без оценки. И в итоге, в целом не известен их единый общий (или хотя бы двух последних звеньев) коэффициент эффективности использования тепловой энергии сетевой воды. Хотя это важно для всего технологического процесса, потому что теплота как конечный продукт ТЭЦ через возвращаемую сетевую воду имеет жесткую обратную связь с первоначальным генерирующим источником - электростанцией или водогрейным котлом. И в большей мере отрицательно влияет на все три звена технологического процесса.
Количество переменных тепловых режимов, полученное как сочетание перестановок трех параметров теплосети с интервалами в 3 ОС, превышает 7 тыс. вариантов. В то время, как для расчетных режимов оно меньше десяти.
Также нет в директивно-технической документации норматива, относительно которого можно было бы сопоставить работу или эффективность индивидуальной теплосети в разных режимах.
Поэтому так необходимо появление такого однозначного показателя, оценивающего весь трехзвенный неразрывный процесс теплоиспользования.
Представляется, что в определенной степени отвечает такому требованию впервые предлагаемый, как один из вариантов, коэффициент эффективности работы теплосети k_эф, который одновременно соответствует и духу закона «Об энергосбережении». Этот коэффициент подобран исходя из принципа полноты охвата разных сторон рационального использования потенциала тепловой энергии всей циркулирующей сетевой воды: kэф⁼f(tо,tп,t_нв),
где: t₀ t_n t_HB - соответственно температуры обратной и подающей сетевой воды и наружного воздуха.
Д ля реальных температур конкретных теплосетей он приобретает дополнение к своему названию - фактический kф . С его помощью подсчитывается текущее значение коэффициента эффективности использования теплоты по результатам замеров параметров работающей сети. Сравнение полученных данных при одинаковых температурах наружного воздуха (t_нв) является главной оценкой экономичности работы конкретной тепловой сети. Такое сопоставление по kэф возможно и для произвольных тепловых сетей с различающимися параметрами, но при равных температурах tфн_в.
Теперь с помощью нового показателя к^ рассмотрим нормативный график температур сетевой воды известный как 150/70 ОС. Он получен теоретическим расчетным путем и как самый экономичный и рациональный был положен в основу российской теплофикации. Такая зависимость приводится впервые. И применение каких-либо производных от расчетного значения температуры сетевой воды 150/70 ОС в технической литературе также не встречалось. Хотя по такому графику сделаны все расчеты строительных ограждающих конструкций зданий и сооружений, требуемых поверхностей нагрева теплообменных аппаратов у потребителя и многое другое. Значения коэффициента эффективности работы теплосети kн_эф (150/70 ОС) представлены на рис.1.
Полученная кривая 1 изменения kф, в зависимости от температуры наружного воздуха и ее конкретные значения теперь могут использоваться как эталон, каким является сам график 150/70 ОC. Таким образом, kнэф в связи с этим принимает на себя новую и очень важную дополнительную функцию - нормативную. Это позволит сравнивать режимы теплосети на основе не только своих реальных значений kф , но также с теоретической кривой kнэф.
Ее характер четко демонстрирует уменьшение коэффициента эффективности работы теплосети с увеличением температуры наружного воздуха, т.е. запланировано ухудшение экономичности при потеплении. Впервые kнэф так наглядно показал несовершенство нашего много лет используемого расчетного графика температур сетевой воды 150/ 70 ОС. Кстати сказать, что для теплосети, работающей в Дании, k_эф практически постоянен (кривая 2, рис. 1). Это тоже служит подтверждением необходимости обновления графика температур 150/ 70 ОС с целью сохранения kнэф максимальным и постоянным.
Если продолжить анализ, то сопоставление кривой 1 рис. 1 с известными в теплофикации данными о продолжительности (т) температур наружного воздуха в отопительный сезон показывает, что большому количеству времени работы теплосети соответствует очень низкий коэффициент эффективности. Это также свидетельствует о не совсем правильно подобранном графике температуры сетевой воды 150/70 ОС. Для средней температуры наружного воздуха за весь относительный сезон для Курска - минус 3 ОС получается к^ф равным 82% от максимального значения (к^з^х =100%). Это наглядно представлено на рис. 2.
Определение kнв условиях переменных тепловых режимов, когда не соблюдается нормативный график температур, является совсем не простой задачей, поскольку в зависимость kэф=f(t_о,t_п,t_нв) вводится нормативная разность At_H = tфо-tон . Она определяется по своей методике.
На рис. 3 впервые показаны зависимости к^з^х для так называемого срезанного графика 130/70 ОС (кривая 1), для графика отклонения только температуры прямой сетевой воды на подающем трубопроводе (кривая 2) и только на обратном трубопроводе (кривая 3). К сожалению, все они отличаются в сторону ухудшения от теоретического графика 150/70 ОС. А по первой кривой (рис. 3.), в частности, когда k^н достигает максимального значения, происходит принудительное его ограничение (срезка) без коррекции температуры обратной сетевой воды.
Кривые 2 и 3 имеют резкий уклон, свидетельствующий об отсутствии должного контроля за экономичностью переменных режимов, т.к. ранее не
была известна зависимость k_эф = f(t_о,t_п). Теперь представляется их сравнение между собой и с нормативом, что наглядно видно из рис. 3.
На рис. 4 просматривается зависимость коэффициента эффективности использования теплоты от температуры на подающем трубопроводе. Кривые поднимаются влево круто вверх, в то время как при росте t_п они стремятся к горизонтали. Они подтверждают известный принцип - использование теплоты более низкого потенциала является самым выгодным процессом.
Наблюдается, например, одинаковый k_эф для различных t_п Отсюда вытекает самый главный вывод - можно достигнуть максимального значения
k_эф для различных t_п при любых переменных режимах. Как известно, низкая температура t_п, при необходимых At_H = t_п-t_о создает более экономичный режим для теплофикационных турбин за счет возрастания располагаемого теплоперепада и уменьшения давления пара в отборе 2,5 ата или повышает КПД водогрейного котла, если сетевая вода нагревается в котельной. Термодинамически выгоднее потребление низкопотенциального тепла. Таким образом, kэф дополняется еще другим положительным термодинамически важным качеством.
Для определения нормативного k^нэ_ф для любого возникающего в эксплуатации режима при различных температурах наружного воздуха и поступающей прямой сетевой воды tф применяется упрощенная математическая модель и возможно ее графическое решение.
Чтобы еще больше приблизить k_эф к понятию КПД (в том числе к единому общему показателю), можно применять:

где: rjy - относительная величина потерь тепловой энергии с утечками сетевой воды. Она колеблется в пределах 0,1%;

rjnt_пт - относительные потери теплоты через изоляцию трубопроводов (5-10%).
Существует ряд зависимостей, показывающих взаимодействие k_эф с другими показателями - с удельными величинами теплоты q и электроэнергии э, приходящихся на 1 м³ циркулирующей сетевой воды, и нормативной величины температуры обратной сетевой воды (рис. 5).
Для повышения эффективности тепловых сетей целесообразно несколько улучшить график 150/70 ОС и сохранить значение kн_эф достаточно высоким на всем диапазоне температурных режимов. Изменение касается температуры обратной сетевой воды (рис. 6).
Более подробные данные представлены в таблице.
Смена существующего графика на предложенный - очень сложная задача, требующая наряду с изменением СНиПов, методик расчетов и переход на количественно-качественное регулирование с применением другого оборудования на индивидуальных тепловых пунктах и на ЦТП. Уже подобный, но стихийный процесс начался с использованием отечественного оборудования и многочисленного зарубежного.
Введение k_эф и к^ф в показатели суточной ведомости работы тепловых сетей может существенно повлиять на повышение экономичности работы тепловых сетей за счет анализа любого режима. А рассмотрение в динамике К_эф всей теплосети (или ее отдельных элементов - ЦТП, лучей, ответвлений и т.д.) будет показывать тренд, по которому можно принимать меры.
Очень важной и наглядной является разность, которая в динамике за любой промежуток времени при произвольном сочетании t_о, t_п, t_нв дает представительную оценку уровню эффективности. К тому же она выполняет роль универсального показателя, позволяющего сравнивать между собой любые сети со своими конкретными несовпадающими параметрами сетевой воды и наружного воздуха. Такое
ранее невозможно было делать. Допускается сопоставление между собой различных элементов теплосети на тех же условиях.
Таким образом, впервые предложенный коэффициент эффективности работы теплосети со многих позиций освещает состояние режима теплосети по эффекту передачи теплоты и достаточно емко, объективно, просто, наглядно и представительно оценивает теплосети, особенно работающие в переменном режиме.
ЛИТЕРАТУРА

1. 
   Г.А. Рябцев, В.И. Рябцев. «Некоторые особенностиоценки работы теплосети». - Новости теплоснабжения.№6 2002 г.
   
2. 
   Г.А. Рябцев, В.И. Рябцев. «Определение значений нормативной температуры обратной сетевой воды в нерасчетном режиме». - Новости теплоснабжения. № 3 2001 г.
   

«Журнал «Новости теплоснабжения» №09, 2003 г., http://www.ntsn.ru»