30 К вопросу определения эффективного радиуса теплоснабжения

ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ
Новости теплоснабжения № 8 (август), 2012 г.
30
К вопросу определения
эффективного радиуса теплоснабжения
Ю.В. Кожарин, директор, к.т.н. Д.А. Волков, заместитель начальника ПТО,
ОАО «Набережночелнинская теплосетевая компания», г. Набережные Челны
Ф
едеральный закон № 190 «О теплоснабжении» закрепил такое понятие, как «радиус эффективного теплоснабжения».
Эффективный радиус теплоснабжения – максимальное расстояние от теплопотребляющей
установки до ближайшего источника тепловой
энергии в системе теплоснабжения, при превышении которого подключение теплопотребляющей установки к данной системе теплоснабжения нецелесообразно по причине увеличения совокупных расходов в системе теплоснабжения.
Иными словами, эффективный радиус теплоснабжения определяет условия, при которых
подключение теплопотребляющих установок к
системе теплоснабжения нецелесообразно по
причинам роста совокупных расходов в указанной системе.
Учет данного показателя позволит избежать
высоких потерь в сетях, улучшит качество теплоснабжения и положительно скажется на снижении расходов.
Сложившаяся к середине 90-х годов прошлого века система теплового хозяйства страны характеризовалась тенденцией к централизации
теплоснабжения (до 80% производимой тепловой энергии). В крупных городах России сформировались и эксплуатируются тепловые сети с
радиусом теплоснабжения до 30 км, требующие
периодического ремонта и замены. Постоянная
тенденция к повышению стоимости отпускаемого тепла связана не только с повышением тарифов на газ и электроэнергию, но и с постоянно растущими потерями в теплосетях и затратами на их поддержание в рабочем состоянии.
Подключение новой нагрузки к централизованным системам теплоснабжения требует постоянной проработки вариантов их развития.
Оптимальный вариант должен характеризоваться экономически целесообразной зоной действия источника зоны теплоснабжения при соблюдении требований качества и надежности теплоснабжения, а также экологии.
Расчет оптимального радиуса теплоснабжения, применяемого в качестве характерного параметра, позволит определить границы действия централизованного теплоснабжения по целевой функции минимума себестоимости полезно отпущенного тепла. При этом также возможен
вариант убыточности дальнего транспорта тепла, принимая во внимание важность и сложность
проблемы.
Отсутствие разработанных, согласованных
на федеральном уровне и введенных в действие
методических рекомендаций по расчету экономически целесообразного радиуса централизованного теплоснабжения потребителей не позволяет формировать решения о реконструкции
действующей системы теплоснабжения в направлении централизации или децентрализации локальных зон теплоснабжения и принципе
организации вновь создаваемой системы теплоснабжения.
Определение эффективного радиуса теплоснабжения является актуальной задачей. Расчет
по целевой функции минимума себестоимости
полезно отпущенного тепла является затруднительным и не всегда оказывается достоверным,
как в случае комбинированной выработки тепла
на ТЭЦ, когда затраты на выработку электрической энергии и тепла определяются по устаревшим методикам, разработанным более 50 лет
назад.
Предлагаемая методика расчета эффективного радиуса теплоснабжения основывается на
определении допустимого расстояния от источника тепла двухтрубной теплотрассы с заданным уровнем потерь и состоит из следующих
задач.
1. Расчет годовых тепловых потерь через
изоляцию и с утечкой теплоносителя.
Расчет годовых тепловых потерь через изоляцию и с утечкой теплоносителя произведен в
программном комплексе РаТеН-325 в соответствии с методическими указаниями по составлению энергетических характеристик для систем транспорта тепловой энергии по показателям: тепловые потери и потери сетевой воды
СО 153-34.20.523 2003 г.
В качестве теплоизоляционного слоя выбран
пенополиуретан (ППУ). Время работы тепловой
сети в год – более 5000 ч. Предполагая, что ведется новое строительство теплотрассы, коэффициент старения принят равным 1,0. Длина
участка – 100 метров.
Расчет годовых тепловых потерь произведен
для трех типов прокладки тепловых сетей: канальная, бесканальная и надземная по диаметрам трубопроводов от 57 мм до 1020 мм раздельно по подающему и обратному трубопроводу.
Температурный график работы тепловых сетей
принят 150-70. Среднемесячные температуры
наружного воздуха и грунта – по СНиП 23-01-99
Рис. 1. Отношение годовых потерь тепловой энергии
тепловодов бесканальной прокладки к канальной.
ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ
Таблица 1. Годовые тепловые потери трубопроводов
с ППУ изоляцией, Гкал.
«Строительная климатология». Результаты представлены в таблице 1.
Анализ результатов позволяет сделать вывод
о том, что при реконструкции тепловых сетей с
заменой трубопроводов с традиционной изоляцией на трубопроводы с ППУ изоляцией необходимо, по возможности, укладывать новые трубопроводы на скользящие опоры в существующие каналы из железобетонных лотков без последующей засыпки песком последних.
2. Определение пропускной способности
трубопроводов водяных тепловых сетей.
Пропускная способность QDi определена по
[1] в Гкал/час при температурном графике
150/70 ОС при следующих условиях: kэ=0,5 мм,
γ=958,4 кгс/м2 и удельных потерях давления на
трение ∆h=5 кгс.м/м2. Результаты сведены в
таблицу 2.
3. Годовой отпуск тепловой энергии через
трубопровод.
Годовой отпуск тепловой энергии определим
по следующей формуле:
Di
Qгод
=QDi×kот×nзим×24×(tв–tср.от)/(tв–tн.от)+
+n×24×(QDi×(1–kот)/kгвс),
где kот – коэффициент, учитывающий долю нагрузки отопления и вентиляции; kот=0,6;
nзим – продолжительность отопительного сезона, дней; nзим=217;
tв – температура воздуха в помещении, ОС; tв =20;
Новости теплоснабжения № 8 (август), 2012 г.
Рис. 2. Годовые потери тепловой энергии трубопроводами
с ППУ изоляцией различной прокладки.
31
ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ
tср.от – средняя температура наружного воздуха
за отопительный период, ОС; tср.от =–5,7;
tн.от – расчетная температура наружного воздуха
за отопительный период, ОС; tн.от =–34;
n – продолжительность бесперебойного горячего водоснабжения, дней; n=344;
kГВС – коэффициент, учитывающий неравномерность нагрузки ГВС; kот=2,2.
Результаты расчетов годового отпуска тепловой энергии представлены в таблице 2.
4. Определение годовых тепловых потерь в
соответствии с заданным уровнем.
Примем заданный уровень тепловых потерь
равным 5% годового отпуска тепловой энергии.
Результаты сведены в таблицу 2.
5. Определение допустимого расстояния
двухтрубной теплотрассы постоянного сечения
с заданным уровнем потерь.
Учитывая, что годовые потери тепловой
энергии зависят от длины трубопровода линейно, определяем допустимую длину теплотрассы
постоянного сечения по следующей формуле:
Di
i =QDi ×100/Σ
LDдоп
пот
100Qпот,
Di
где Σ100Qпот – суммарные тепловые потери на
100 метрах трассы (табл. 1).
Результаты расчетов для всех типов прокладки сведены в таблицу 2.
Представленные результаты – частные решения более общего случая, когда тепловая
сеть представляет собой разветвленный граф,
в котором участки тепловой сети расположены
по телескопическому принципу. В этом случае,
при допущении, что длины графов определенной пропускной способности одинаковы, решение задачи представляет собой систему уравнений:
■ сумма произведений количества графов с
определенной пропускной способностью на
длину графа и допустимые годовые потери тепловой энергии на теплотрассе, приведенные на
один метр трассы определенного диаметра,
равняется заданным годовым потерям тепловой энергии на первом от источника участке телескопического графа (по таблице 2 столбец 4);
■ сумма длин графов должна стремиться к
максимуму,
1 /QD1+i – количество графов одинаковой
где QDгод
год
пропускной способности;
li – длина графа (участка тепловой сети) с пропу1+i , м;
скной способностью QDгод
D1+i
(Σ100Q пот )/100 – годовые потери тепловой энергии на теплотрассе, приведенные на один метр
трассы определенного диаметра, Гкал;
1 – годовые потери тепловой энергии заданQDпот
ного уровня на первом от источника участке телескопического графа, Гкал.
Алгоритм решения представлен в таблице 3.
Новости теплоснабжения № 8 (август), 2012 г.
Таблица 2. Результаты расчетов при определении радиуса теплоснабжения.
32
Преобразовываем уравнение к виду:
l0×44,71+2×l1×42,18+3×l2×35,32+5×l3×32,39+8×l4×
×29,9+19×l5×25,31=55282,0.
Решение этого уравнения с учетом ограничения, что сумма длин должна быть максимальной, возможно с помощью современного вычислительного оборудования. Приведем частные решения этого уравнения:
1) длины участков различной пропускной
способности – одинаковы, т.е. l0=l1=l2=l3=l4=l5.
Решение уравнения с одним неизвестным
даст результат: l0=l1=l2=l3=l4=l5=49,50 м. Σl=297 м.
Протяженность всей сети – 1881,06 м.
2) длина участка с максимальным диаметром
отличается в n-число раз по количеству слагаемых в уравнении, каждый следующий – в (n-1).
l0=6×l5; l1=5×l5; l2=4×l5; l3=3×l5; l4=2×l5; l5=l5.
Решение такого уравнения дает следующие
результаты:
l0=129,68; l1=108,06; l2=86,45;
l3=64,84; l4=43,23; l5=21,61.
Σl=453,87 м. Протяженность всей сети – 1685,8 м.
3) в случае теплотрассы постоянного сечения, т.е. отсутствуют участки пониженной пропускной способности:
l0=l1=l2=l3=l4=l5=0
уравнение преобразуется к виду:
(11056,3/11056,3)×l0×(44,71/100)=552,82,
решение которого (l0=1236,36) соответствует
значению, приведенному в таблице 2.
Практика. Описанная методика определения
эффективного радиуса теплоснабжения была
применена для оценки состояния схемы тепло-
снабжения г. Набережные Челны. Существующая схема теплоснабжения г. Набережные Челны представляет собой систему с двумя поставщиками тепловой энергии: ОАО «Генерирующая
компания» (Набережночелнинская ТЭЦ) и ОАО
«Набережночелнинское предприятие тепловых
сетей» (Тепловая станция), от которых тепловая
энергия транспортируется:
■ Набережночелнинская ТЭЦ – Новый город,
Промкомзона, п. ЗЯБ;
■ НчПТС – п. ГЭС, п. Сидоровка, БСИ, Нижний
бьеф.
Теплоисточники объединены перемычкой
2∆1000 мм (тепловод 410).
В межотопительный период теплоноситель
для нужд горячего водоснабжения транспортируется во все районы города от Набережночелнинской ТЭЦ.
Тепловая сеть представляет собой двухтрубную систему с различными вариантами прокладки: надземная, канальная – в непроходных,
полупроходных и проходных каналах (рис. 3).
Головные участки тепловой сети:
■ от Набережночелнинская ТЭЦ – 3 тепловода
2∆1000 мм;
■ от Тепловой станции – 1 тепловод 2∆1000 мм.
Для определения эффективного радиуса
теплоснабжения на начальном этапе были выполнены в ручную расчеты тепловой сети Нового города, Промкомзоны, тепловода на п. ЗЯБ с
учетом имеющихся результатов годовых тепловых потерь на трубопроводах различного диаметра, полученных в программном комплексе
«РаТеН-325» (табл. 1).
На каждый участок тепловода в соответствии
с типом прокладки, диаметром и длины были
определены годовые потери тепловой энергии.
Результаты ручного расчета хорошо согласовались с результатом расчета, выполненного в
«РаТеН-325» намного позже (после внесения
ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ
Таблица 3. Алгоритм решения.
Новости теплоснабжения № 8 (август), 2012 г.
Пример. Проектная нагрузка строящегося
объекта (множества объектов) – 3,6 Гкал/час,
которой соответствует трубопровод Ду159. ГоDi
довой отпуск тепловой энергии Qгод
через трубопровод Ду159 – 11056,3 Гкал (столбец 3). Задаемся уровнем потерь в 5%, которому соответствуют годовые потери через трубопровод
i =552,82 Гкал (столбец 4). Принимаем
Ду159 QDпот
канальную прокладку. Составляем уравнение:
33
ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ
Рис. 3. Схема тепловых сетей г. Набережные Челны.
Новости теплоснабжения № 8 (август), 2012 г.
всех изменений о типе изоляции, годе проектирования, коэффициенте старения в базу данных
программы на каждый участок теплотрассы).
Принимая допущение, что суммарные годовые тепловые потери не должны превышать определенного уровня от годового отпуска тепловой энергии (5%), можно сделать вывод о том,
что теплоснабжение в г. Набережные Челны от
источников осуществляется за пределы эффективного радиуса.
Описанная методика определения эффективного радиуса теплоснабжения может быть
использована специалистами при работе, связанной с подключением новых потребителей
34
тепловой энергии, в условиях сформировавшихся тепловых сетей. Результаты, полученные
при оценке схемы теплоснабжения, такие как:
годовые потери тепловой энергии трубопроводами в ППУ изоляции различного диаметра и типа прокладки могут быть использованы теплосетевыми компаниями для оценки работы тепловых сетей в аналогичных климатических условиях и условиях работы тепловой сети.
Литература
1. Справочник проектировщика. Проектирование тепловых сетей // А.А.Николаева. – М.: Стройиздат, 1965 г.