Статья подготовлена на основе материалов сборника докладов VI Международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции» НИУ МГСУ.

В настоящее время в работе систем централизованного теплоснабжения на базе теплофикации возникли определённые сложности. Помимо разрегулированности сетей, колоссальной утечки теплоносителя и огромных тепловых потерь при транспортировке, актуальна проблема несоответствия фактических и проектных температурных параметров процесса теплоснабжения. Приведение фактического температурного графика регулирования систем теплоснабжения к их проектному значению является зачастую невыполнимой задачей ввиду отсутствия технической возможности на источниках выработки теплоты.

На сегодняшний день очевидно, что характерный для середины прошлого столетия высокотемпературный график регулирования 150/70 °С в современных условиях уже не является актуальным [1-3]. В настоящее время возрастает интерес к применению низкотемпературных графиков регулирования процесса теплоснабжения: 105/70, 95/70 и 70/50 °С.

Установлено, что такие параметры теплоносителя в системах управления процессом теплоснабжения могут быть применены в современных условиях, однако при этом необходимо разработать новые методы регулирования тепловой нагруз ки, обосновать выбор параметров про цесса теплоснабжения для каждого конкретного случая и провести адаптацию всех структурных частей системы тепло снабжения, спроектированной для высо ких параметров теплоносителя.

К настоящему времени известны наработки по регулированию систем тепло снабжения с низкотемпературными па раметрами теплоносителя, а также не которые исследования, показывающие их преимущество перед высокотемпера турными [1-3]. Однако данные наработки ориентированы в основном на новые тепловые сети, спроектированные для новых параметров теплоносителя.

Сейчас уже очевидно, что характерный для середины прошлого столетия высокотемпературный график регулирования 150/70°С в современных условиях уже неактуален. В настоящее время возрастает интерес к применению низкотемпературных графиков регулирования процесса теплоснабжения: 105/70, 95/70 и 70/50°С

Разработка алгоритма управления системами теплоснабжения при снижении температуры теплоносителя . 2/2016. Фото 1

Основные же рекомендации для старых тепловых сетей следующие: замена теплопроводов с увеличением их диаметров, установка автоматизированных тепловых пунктов для стабилизации температурного и гидравлического режима, повышение теплозащитных свойств ограждений объектов-потребителей.

На практике эти мероприятия зачастую не проводятся, так как являются либо весьма затратными, либо недостаточными для достижения запланированного эффекта.

В связи с этим возникает необходимость поиска таких параметров для регулирования теплоносителя, при которых было бы возможно осуществлять эффективное (как с точки зрения экономичности, так и с точки зрения обеспечения комфортных условий) управление теплоснабжением в условиях старых тепловых сетей и оборудования.

На первоначальном этапе исследования была поставлена задача определения того, как снижение температуры теплоносителя должно повлиять на увеличение его расхода с тем, чтобы доставляемая тепловая мощность (доставляемый теплоносителем поток теплоты) была бы прежней. В результате решения этой задачи был разработан алгоритм управления расходом теплоносителя, причём в двух вариантах — без учёта и с учётом характеристик теплопотребляющего оборудования. В частности, алгоритм управления расходом, учитывающий характеристики теплопотребляющего оборудования, имеет следующий вид:

Разработка алгоритма управления системами теплоснабжения при снижении температуры теплоносителя . 2/2016. Фото 2

где KF — произведение коэффициента теплопередачи на площадь поверхности эквивалентного отопительного прибора, Вт/°С; G — расход теплоносителя для предыдущего (базового) режима теплоснабжения, кг/с; ΔG — необходимое изменение расхода теплоносителя для низкотемпературного режима, кг/с; tвн, t и Δt — температура внутреннего воздуха объекта теплоснабжения, температура теплоносителя в подающем теплопроводе в базовом режиме и изменение температуры теплоносителя при низкотемпературном теплоснабжении, соответственно, °C; c — удельная теплоёмкость теплоносителя, кДж/(кг-К); G + ΔG — необходимый расход теплоносителя при новом режиме теплоснабжения.

Для наглядности полученных результатов на рис. 1 приведён график зависимости изменения расхода теплоносителя от изменения температуры теплоносителя. На данном графике представлено изменение расхода теплоносителя в зависимости от изменения его температуры с учётом свойств теплопотребляющего объекта для следующих условий: t = 150 °C, KG = 7000 Вт/°С, tвн = 20 °C.

Показано, что при снижении температуры на 5, 10, 20, 30, 40 и 50 % расход теплоносителя необходимо увеличивать на 6,2; 13,1; 30,2; 53,4; 86,7 и 138,3 <%, соответственно.

На следующем этапе исследования было выявлено, как должен измениться диаметр теплопроводов, чтобы при прокачке другого (нерасчётного) расхода по тепловым сетям потери давления остались

прежними. Зависимость, позволяющая оценить изменение диаметра теплопроводов вследствие изменения температуры теплоносителя (теплопотребляющие характеристики объекта учтены), выглядит следующим образом:

Разработка алгоритма управления системами теплоснабжения при снижении температуры теплоносителя . 2/2016. Фото 3

где D — диаметр теплопровода, м; ΔD — изменение диаметра теплопровода, м.

Результаты решения данной задачи иллюстрируются на рис. 2, в частности, для случая снижения температуры теплоносителя в подающем теплопроводе со 150 на 95 °С необходимо увеличить диаметр теплотрассы на 23 %.

Возникает необходимость поиска таких параметров для регулирования теплоносителя, при которых было бы возможно осуществлять эффективное (с точки зрения экономичности и обеспечения комфортных условий) управление теплоснабжением в условиях старых тепловых сетей и оборудования

Разработка алгоритма управления системами теплоснабжения при снижении температуры теплоносителя . 2/2016. Фото 4

Необходимо отметить, что изменение диаметра на указанные величины происходит при условии неизменной удельной потери давления на трение. В некоторых случаях, когда изначально диаметр тепловых сетей подобран с некоторым запасом прочности, и удельная потеря давления не предельная, оптимальный диаметр тепловой сети при изменении температуры может отличаться от того, который получается по зависимости.

Например, считается, что на «Магнитогорском металлургическом комбинате» диаметр теплопроводов на 10 % больше, чем было необходимо для параметров теплоносителя 150/70 °C, для которых системы теплоснабжения были спроектированы. Это означает, что, судя по полученному графику, можно было бы снизить температуру теплоносителя примерно на 20 %, то есть осуществить переход на температурный график теплоснабжения 120/70 °С без изменения диаметра тепловых сетей и без существенного увеличения мощности электрических сетевых насосов для перекачки теплоносителя.

Следующая задача заключалась в определении изменения тепловых потерь и расхода электроэнергии на перекачку теплоносителя при снижении его температуры и изменении диаметра изолированных теплопроводов.

Итоговая зависимость выглядит следующим образом:

Разработка алгоритма управления системами теплоснабжения при снижении температуры теплоносителя . 2/2016. Фото 5

где q — линейная плотность теплового потока, Вт/м; Δq — изменение линейной плотности теплового потока, Вт/м; tнар — температура наружного воздуха, °С.

Для упрощения функции (3) введены следующие обозначения:

Разработка алгоритма управления системами теплоснабжения при снижении температуры теплоносителя . 2/2016. Фото 6

Тогда последняя зависимость перепишется в виде:

Разработка алгоритма управления системами теплоснабжения при снижении температуры теплоносителя . 2/2016. Фото 7

Пусть температура теплоносителя составляет 150 °С, а температура наружного воздуха равна -34 °С, тогда a = 1,23. Для данных условий график зависимости изменения линейной плотности теплового потока от изменения температуры теплоносителя представлен на рис. 3.

График показывает, что с уменьшением температуры теплоносителя значение тепловых потерь уменьшается. Однако при значительном снижении температуры тепловые потери начинают возрастать из-за существенного увеличения площади поверхности теплопроводов.

Полученные соотношения позволяют определять изменение основных параметров тепловой сети — диаметра, расхода, линейной плотности теплового потока — от изменения температуры теплоносителя и, как следствие, оценить затратность мероприятий по переводу систем на низкотемпературное теплоснабжение, и могут быть использованы при формировании критериев для принятия решений.

Разработка алгоритма управления системами теплоснабжения при снижении температуры теплоносителя . 2/2016. Фото 8