А.Р.Ексаев,
Вот уже более полувека на рабочем столе любого уважающего себя теплотехника, в числе постоянно востребованных материалов, неизменно лежит книга профессора Е.Я.Соколова, гуру теплоэнергетики – «Теплофикация и тепловые сети» [1]. Это настоящая «библия теплотехника». С 1956 года, когда она вышла впервые в ее нынешнем виде, и по сей день в нашей стране, как и во всем мире, кардинально изменилось многое, но причина актуальности этой книги не изменилась: Россия – холодная северная страна с огромной территорией и высокой степенью урбанизации, которая в принципе не может обойтись без централизованного теплоснабжения. А значит, этому фундаментальному труду предстоит еще очень долгая жизнь. Математический аппарат, сформулированный Е.Я.Соколовым, не претерпел никаких изменений по сей день и признан классическим.
Применив к этому аппарату современные средства компьютерного анализа и моделирования на платформе CityCom, специалисты ИВЦ «Поток» разработали и апробировали методику для оптимизации эксплуатационного температурного графика любого конкретного теплоисточника в увязке с фактическим состоянием теплосетей, присоединенных нагрузок и требованиями, предъявляемыми к качеству теплоснабжения как услуги.
О чем вообще эта статья и какова задача?
- Экономия котельного топлива. В структуре себестоимости теплоснабжения затраты на выработку тепла несопоставимо выше, чем затраты на перекачку теплоносителя по трубам. И если есть техническая возможность хоть на сколько-то снизить температуру теплоносителя, скомпенсировав это снижение увеличением расхода циркуляции, это позволило бы сэкономить немало денег.
- Правила эксплуатации и регламентирующие документы [2] предписывают не реже одного раза в 5 лет проводить испытания на максимальную температуру. И если система теплоснабжения работает по утвержденному графику 150/70, то это означает, что испытания надо проводить на температуру 150°С. При том, что в реальной эксплуатации фактические температуры намного ниже. Эксплуатирующие предприятия боятся этих испытаний как огня – на старых изношенных сетях они могут привести к физическому разрушению трубопроводов и опорных конструкций. А если и «пронесёт» — запас ресурса прочности трубопроводов после таких испытаний неизбежно уменьшится, и опасность аварий в течение отопительного сезона возрастет. Хорошо бы перейти на пониженный график, утвердив его в схеме теплоснабжения. Тогда и испытания можно будет проводить на более щадящие температуры.
Оказывается, перейти на «более низкий» температурный график или даже просто на несколько градусов снизить температуру теплоносителя без нанесения серьезного ущерба теплоснабжению – вовсе не так просто, как это может показаться. В следующей главе будет достаточно подробно объяснено, почему. Квалифицированным теплотехникам и тем, кому это скучно – можно ее пропустить, перейдя сразу от вопроса «кто виноват?» к вопросу «что делать?»
Что такое «температурный график» и почему это так важно?
Житейское: если вода из смесителя на кухне недостаточно горяча, мы прикрываем вентиль холодной воды и сильнее открываем вентиль горячей – вплоть до полного закрытия первого и полного открытия второго (при этом счетчик ГВС крутится быстрее).
Ровно то же самое в более широком смысле делает любой объект теплопотребления. Разница лишь в том, что сетевая вода является средством транспортировки тепла – она не расходуется физически (исключение — ГВС по «открытой» схеме), а отдает свою тепловую энергию, нагревая водопроводную воду или воздух в теплообменных приборах. И чем ниже температура сетевой воды, тем больше и с большей скоростью ее нужно «прокачать» через теплообменную установку для отбора одного и того же требуемого количества теплоты. Так, если у вас в доме холодно, то вы открываете регулятор на батарее отопления до отказа, а если слишком жарко – наоборот, «прикручиваете» этот регулятор, тем самым изменяя расход теплоносителя.
Отсюда очевидный вывод: добиться отбора требуемого количества тепловой энергии можно тремя способами: (а) изменяя расход теплоносителя – «количественное регулирование», (б) изменяя его температуру – «качественное регулирование», (в) комбинируя изменение температуры с изменением расхода – «качественно-количественное регулирование». Запомним это.
Давление в подающем трубопроводе всегда должно быть выше, чем в обратном трубопроводе (по которому охлажденный теплоноситель возвращается обратно к теплоисточнику). Этой разницей давлений обеспечивается «проталкивание» теплоносителя через тепловые приборы потребителей, где он остывает, отдавая свое тепло благодарным людям. Разница давлений в подающем и обратном трубопроводах в точках подключения потребителей называется «располагаемый напор». Чем он выше, тем больше возможности для регулирования потребляемой тепловой энергии есть у объекта теплопотребления. Нет располагаемого напора, или он слишком мал, чтобы преодолеть сопротивление внутренних систем потребителя – нет теплоснабжения (услуга не оказана). Это тоже запомним.
Казалось бы, чего проще – поставить на источнике такие сетевые насосы, чтобы они создавали располагаемый напор, которого заведомо хватит всем потребителям, а теплоноситель нагреть до достаточно высокой температуры. И пусть каждый возьмет себе столько тепла, сколько ему нужно, регулируя расход на своих теплообменных установках и в отопительных приборах. Но нет, так не работает. И вот почему.
Из законов физики следует, что располагаемый напор снижается пропорционально квадрату увеличения расхода. Это очень сильное влияние, и к тому же неравномерное: при увеличении расхода в магистрали располагаемый напор потребителей этой магистрали очень быстро снижается по мере удаления от источника, они могут вовсе лишиться возможности получать свое тепло и замерзнут. При этом потребители, расположенные ближе к источнику, почти ничего не заметят и могут спать зимой с открытыми окнами. Это классический случай «разрегулировки» сетей, приводящий к большому количеству жалоб, избыточным затратам на выработку тепла и даже к авариям. Вот главная причина, по которой количественное регулирование в системах централизованного теплоснабжения не применяется: при существенно переменных расходах практически невозможно обеспечить устойчивый гидравлический режим для равномерного обеспечения тепловой энергией всех потребителей.
Поэтому обычно используется качественное регулирование отпуска тепла, к которому в отдельные «тяжелые» по гидравлике слишком холодные или слишком теплые дни добавляется количественное регулирование в небольшом заранее рассчитанном диапазоне допустимых расходов. Для практического обеспечения такого регулирования и служит Его Величество Температурный График.
Температурный график – это точно рассчитанная зависимость абсолютной температуры теплоносителя на выходе из источника от температуры наружного воздуха. Каждой среднесуточной температуре воздуха соответствует строго определенная температура сетевой воды в подающей и (для контроля) обратной магистралях. Идея, закладываемая в расчет температурного графика, состоит в том, чтобы на всем диапазоне наружных температур в течение отопительного периода в системе трубопроводов, транспортирующих теплоноситель от источника к потребителям, расходы оставались постоянными (ну или почти постоянными). Заложенное в температурный график постоянство расходов позволяет при проектировании системы теплоснабжения и в процессе ее эксплуатации рассчитывать и осуществлять «наладочные мероприятия» – установку на абонентских вводах специальных простых гидравлических устройств (дроссельных шайб и сопел элеваторов), обеспечивающих ровный и устойчивый гидравлический режим во всей системе теплоснабжения. Существенное изменение расходов, как уже отмечалось выше, ведет к эффекту «разрегулировки» сети. Для новых значений установившихся расходов и давлений эти устройства необходимо рассчитывать и устанавливать заново (т.е. «осуществлять переналадку»).
Классические отопительные температурные графики качественного регулирования обычно именуются значениями расчетных температур. Так, обозначение графика «150/70» говорит о том, что при наружной температуре воздуха -26°С (для Москвы) температура в подающем трубопроводе должна быть 150°С, а в обратном 70°С. Эти графики являются предопределенными для наборов значений констант, используемых при проектировании. Существуют модификации классических графиков с так называемыми «верхней срезкой» и «нижней срезкой». Факторы, влияющие на необходимость срезок, описаны в литературе [3], нам же лишь важно знать, что они искажают линейный вид графика, и именно в зонах срезок к качественному регулированию добавляется количественная составляющая (качественно-количественное регулирование) (рис.1).
Рис.1. Классический температурный график 150/70 со срезками – «нижняя» 70°С и «верхняя» 115°С
Так в чем, собственно, проблема, и как ее решить?
- Просто так, волютнаристски, взять и снизить температуру на несколько градусов, увеличив расход циркуляции, не обеспечив это точным расчетом последствий – нельзя. Есть множество примеров, когда, поступив таким образом и сэкономив на выработке тепла, теплоснабжающее предприятие впоследствии сталкивается с вмененными штрафными санкциями по многочисленным судебным искам потребителей за не оказанную или некачественно оказанную услугу, и суммы этих штрафов в разы превышает экономию, полученную на выработке тепловой энергии. Причина – упомянутая в предыдущей главе «квадратичная зависимость» в гидравлике и, как следствие, разбалансировка режима. Надо аккуратно считать.
- Есть ли техническая возможность для понижения графика – зависит от резервов пропускной способности сетей. Их можно оценить только с помощью гидравлического расчета тепловой сети на электронной модели производственного назначения (ЭМПН) [4] (рис.2), хорошо откалиброванной и ежедневно эксплуатируемой. А она в большинстве случаев отсутствует. Та электронная модель, которая, возможно, есть в виде обосновывающих материалов к схеме теплоснабжения, с точки зрения эксплуатации сетей не выдерживает критики в силу ее «укрупненности» и «обобщенности». Если она вообще работоспособна.
Рис.2. Электронная модель производственного назначения (ЭМПН) на платформе «CityCom-ТеплоГраф»
- Всё фактически эксплуатируемое теплотехническое оборудование абонентских вводов спроектировано, смонтировано и налажено для того температурного графика, который был утвержден при проектировании всей системы теплоснабжения от данного источника. Это значит, что при проектных расчетах как существующих, так и вновь вводимых объектов теплопотребления используется набор технических параметров (констант), характерных именно для этого температурного графика. Поэтому просто взять и перейти, например, с графика «150/70 с верхней срезкой 130°С» на график «130/70» без переналадки и модернизации всех потребителей невозможно в принципе – гидравлику «перекосит», система теплоснабжения перестанет работать и выполнять свою функцию.
Подход к решению
При проектировании систем теплоснабжения всегда используется классический температурный график – со срезками или без. Это продиктовано самим «проектным» подходом, при котором известно гипотетическое (проектное) теплопотребление по видам тепловой нагрузки, а характеристики трубопроводной сети выбираются исходя из предполагаемой по расчету (проектной) гидравлики.
С течением времени в силу естественных причин изменяются гидравлические характеристики трубопроводов, абсолютные величины и соотношения видов тепловых нагрузок, характеристики оборудования абонентских вводов и т.д. Поэтому при фактической эксплуатации существующей системы теплоснабжения параметры режима в сетях всегда отличаются от проектных, и это совершенно нормально. В то же время диспетчерские службы имеют обратную связь в виде жалоб от потребителей в те моменты, когда режим фактического отпуска тепловой энергии с источника или гидравлический режим в сети не обеспечивают надлежащего качества теплоснабжения.
Как правило, на централизованных источниках тепла ведутся журналы, в которых ежесуточно фиксируются измеряемые значения расходов, давлений и температур в подающем, обратном и подпиточном трубопроводах, а также среднесуточная температура наружного воздуха. Оказалось, что, анализируя данные такого журнала на большом временном промежутке (желательно за несколько лет), можно статистически с большой степенью достоверности идентифицировать фактические абсолютные нагрузки по видам теплопотребления, а также тепловые потери, и их реальные соотношения на различных интервалах температур наружного воздуха. Последующий пересчет полученных ежедневных «мгновенных» нагрузок в так называемые «расчетные» (т.е. максимальные проектные на температуру наружного воздуха самой холодной пятидневки) дает основания для пересчета температурного графика. Интересное наблюдение: расчетные нагрузки, полученные на основании анализа фактических режимов, как правило, оказываются существенно ниже проектных, даже с учетом тепловых потерь, что позволяет предполагать возможность разработки и обоснования пониженного температурного графика для теплоисточника.
Далее, вместо использования «предопределенного» классического графика, мы задаемся лишь характерными для него расчетными константами (чтобы исключить необходимость переналадки сетей) и требуемой температурой в отапливаемых помещениях, и для каждой температуры наружного воздуха на всем диапазоне температур отопительного периода решается полная система уравнений «имени Е.Я.Соколова» [1] (рис.3). Если в качестве изменяемого параметра использовать расход и характер его изменений в допустимых пределах, то можно получить несколько вариантов новых температурных графиков, приемлемых для эксплуатации, из которых выбирается наиболее подходящий с точки зрения диспетчерской службы и/или экономических соображений (рис.4). Адекватность гидравлики для каждого из вариантов нового графика в обязательном порядке должна быть проверена на откалиброванной электронной модели – ЭМПН [4] (рис.2). Варианты, неприемлемые по «гидравлическим» соображениям, либо сразу отклоняются, либо сопровождаются необходимыми мероприятиями по модернизации (перекладке) критических участков сетей.
Рис.3. Система уравнений (классические соотношения предметной области) [1]
Рис.4. Пониженный график (условное название – «115/55 нелинейный»), рассчитанный на основании анализа фактических режимов и предложенный к применению вместо графика «150(115)/70» (Рис.1)
Для того, чтобы были основания для утверждения полученного графика в качестве эксплуатационного, необходимо временно принять его к исполнению в качестве «диспетчерского» внутренним распорядительным документом, и отработать на нем не менее одного полного отопительного сезона (Рис.5), тщательно фиксируя как параметры режима на источнике, так и (по возможности) температуры в отапливаемых помещениях хотя бы по нескольким характеристическим потребителям, а также отслеживая и фиксируя поступающие жалобы, если они будут.
Рис.5. Мониторинг и анализ фактических температур при работе по пониженному графику в течение отопительного сезона
В случае удовлетворительной отработки отопительного сезона по новому графику его можно утверждать в качестве эксплуатационного графика в схеме теплоснабжения. Заметим, что «проектный» график при этом никуда не девается, он остается в качестве такового для целей проектирования и новых присоединений.
Хотите попробовать?
Все, что написано выше – результат большой научно-исследовательской и практической работы на протяжении нескольких лет. На результаты получено положительное экспертное заключение ОАО «ВТИ», объект внедрения – реальная система теплоснабжения крупного российского города, запитанная от ТЭЦ, с населением территории покрытия в несколько сотен тысяч жителей. Получены хорошие результаты, приобретен необходимый опыт и отработаны инструментарий и методология, которыми наверняка заинтересуются многие теплоснабжающие предприятия, и которыми наша компания, ИВЦ «Поток», готова делиться к взаимной выгоде и на благо отрасли.
Литература:
- Соколов Е.Я.«Теплофикация и тепловые сети» — 7-е изд., стереот. — М.: Издательство МЭИ, 2001.
- РД 153-34.1-20.329-2001. Методические указания по испытанию водяных тепловых сетей на максимальную температуру теплоносителя (УДК 621.311)
- «Обоснованное снижение температуры теплоносителя (срезка)» – НП «Энергоэффективный город», http://www.energosovet.ru/entech.php?idd=38
- Ексаев А.Р., Шумяцкий М.Г. Электронные модели производственного назначения, журнал «Коммунальный комплекс России» № 1 (127), 2015 – М.: ИД «ККР», 2015.