Введение

Внедрение государственной программы энергосбережения и повышения энергоэффективности на региональном и муниципальном уровне должно опираться на развитую систему коммерческого учёта тепловой энергии и теплоносителя [1–3].

Приборы коммерческого учёта тепловой энергии в основном используются для осуществления финансовых расчётов между продавцом и потребителем. Значительно реже они применяются для индикации функционирования теплоэнергетических систем, а также при оценке качества систем производства и потребления тепловой энергии.

Отсутствие утверждённых на республиканском или региональном уровне нормативных документов значительно снижает техническую эффективность установки узлов учёта тепловой энергии. В инициативном порядке были разработаны и внедрены подходы к более широкому использованию приборов коммерческого учёта. Так, проведение работ по энергетическому обследованию и составлению энергопаспорта предприятий и организаций неразрывно связано с организацией приборного учёта тепловой энергии и анализа результатов измерений [4]. Разработана методика мониторинга сетей отопительной котельной после их реконструкции по результатам коммерческого учёта тепловой энергии [5]. Результаты проектирования системы учёта тепловой энергии и методика мониторинга теплопотребления многоэтажного жилого здания с открытой схемой теплоснабжения проанализированы в работе [6].

Цель данной работы — повышение энергетической и экономической эффективности закрытой зависимой системы теплоснабжения промышленного предприятия с развитой системой внутренних тепловых сетей за счёт разработки и внедрения методики мониторинга параметров теплоснабжения и теплопотребления по данным коммерческого учёта тепловой энергии и теплоносителя.

Источник тепловой энергии — Самарская ТЭЦ, входящая в состав самарского филиала Группы «Т Плюс». Схема теплоснабжения — двухтрубная закрытая. Место подключения промпредприятия к магистральной тепловой сети — тепловая камера, через которую проходит граница балансовой принадлежности между теплоснабжающей организацией и потребителем. Расстояние от тепловой камеры до теплового пункта предприятия — 210 м. Диаметр подающего и обратного трубопроводов — ∅150×4,5 мм. Прокладка трубопроводов — надземная на опорах.

Тепловые сети предприятия обеспечивают теплом девять административных и производственных зданий. Суммарная тепловая отопительная нагрузка по проекту составляет 0,576 Гкал/ч или 13,824 Гкал/сут. при проектном температурном графике 150/70°C. В 2015 году для СамТЭЦ был утверждён температурный график 135/70°C, со срезкой при 115°C и спрямлением при 70°C, что вызвало увеличение максимального проектного расхода теплоносителя с 7,2 т/ч (172,8 т/ сут.) до 8,861 т/ч (212,66 т/сут.). 

Продолжительность отопительного периода (январь-апрель, октябрь-декабрь одного года) значительно отличается от норматива. Фактические продолжительности отопительных периодов для общественных зданий, средние температуры в 2007–2017 годах представлены в табл. 1.

Средняя температура наружного воздуха за отопительный период — октябрь, ноябрь, декабрь 2017 года и январь, февраль, март, апрель 2018 года — составила −4,01°C. Продолжительность отопительного периода — 198 суток.

Автоматизированная система коммерческого учёта тепловой энергии и теплоносителя промпредприятия спроектирована и внедрена в 2010 году. Размещение узла учёта тепловой энергии (УУТЭ) на границе балансовой принадлежности технически нецелесообразно, поэтому он расположен в помещении теплового пункта предприятия и выполнен в соответствии с «Правилами учёта тепловой энергии и теплоносителя» (1995 год) [7].

В измерительный комплект теплосчётчика входят: вычислитель количества теплоты ВКТ-7 НПФ «Теплоком», два электромагнитных преобразователя расхода ПРЭМ-80 Ду = 80 мм (максимальный расход — 180 т/ч), комплект платиновых технических разностных термометров КТПТР-01 и блок питания ИЭС18–126150. Преобразователи давления в подающем и обратном трубопроводах в соответствии с Правилами [7] не предусмотрены, так как подключённая нагрузка составляет менее 2 Гкал/ч.

Считывание ежемесячных отчётов осуществляется с использованием ноутбука, оборудованного спецкабелем, или накопителя данных НП-4. Архивы отчё- тов выводятся на ноутбук при помощи программного комплекса Vkt5Easy2.

Отчёты о суточных параметрах теплоснабжения производственной площадки за отопительный период 2017–2018 содержат следующую суточную информацию:

  • дата показаний;
  • Т1 — средняя температура воды в подающем трубопроводе;
  • Т2 — средняя температура воды в обратном трубопроводе;
  • ΔТ — разность температур воды в подающем и обратном трубопроводах;
  • V1 — количество воды, прошедшей по подающему трубопроводу (суточный объёмный расход воды);
  • M1 — масса воды, прошедшей по подающему трубопроводу (суточный массовый расход воды);
  • V2 — количество воды, прошедшей по обратному трубопроводу (суточный объёмный расход воды);
  • M2 — масса воды, прошедшей по подающему трубопроводу (суточный массовый расход воды);
  • Mг — утечка как разность (M1 — M2), то есть невязка показаний расходомеров;
  • P1 — среднее давление воды в подающем трубопроводе;
  • P2 — среднее давление воды в обратном трубопроводе
  • Q — количество тепловой энергии (суточная тепловая нагрузка);
  • Qг — количество тепловой энергии с утечкой;
  • ВНР — время нормальной работы;
  • ВОС — время отказа системы;
  • НС — отметка о нештатной ситуации;
  • а также информация о суммарных (месячных) значениях величин: ΣV1, ΣM1, ΣV2, ΣM2, ΣQ, ΣВНР и ΣВОС.

Мониторинг качества поставки и потребления тепловой энергии заключается в контроле параметров, характеризующих тепловой и гидравлический режимы в системе теплоснабжения [3].

СамТЭЦ как поставщик тепла обеспечивает параметры: давление в подающем трубопроводе P2 = 0,56 МПа; располагаемый напор ΔP = P1 — P2 = 0,56–0,52 = 0,04 МПа; соблюдение температуры теплоносителя в подающем трубопроводе Т1 ± 3% [8] в соответствии с температурным графиком 135/70°C, указанным в договоре теплоснабжения.

Потребитель обеспечивает: соблюдение температуры обратной воды Т2 +5°C в соответствии с температурным графиком 135/70°C, указанным в договоре теплоснабжения; соблюдение расхода теплоносителя, в том числе максимального часового, определённого договором теплоснабжения, — M1 = 8,861 т/ч (212,6 т/сут.).

Для мониторинга необходимо добавить значения температур по утверждённому температурному графику качественного регулирования нагрузки тепловой сети СамТЭЦ 135/70°C и значения средней суточной температуры наружного воздуха Тнв [9].

Алгоритм качественного регулирования тепловой нагрузки в зависимости от температуры наружного воздуха предполагает постоянное значение расхода теплоносителя. Поэтому на первом этапе системного анализа проводится мониторинг расхода теплоносителя.

 

Мониторинг расхода в воды в подающем и обратном трубопроводах

Известно, что в процессе эксплуатации возможно нарушение исправности отдельных составляющих теплосчётчика, которое выявляется только в процессе периодической поверки. Так, в работе [10] показано, что доля составляющих теплосчётчика, не прошедших поверку (негодных устройств), к общему числу приборов, представленных на поверку, достигает: тепловычислителей — 0,2287; преобразователей температуры — 0,1096; преобразователей расхода — 0,1848; преобразователей давления — 0,197; двухпоточного теплосчётчика — 0,4712.

Поэтому проводится оценка исправности расходомеров методом сравнения среднесуточных показаний расходомера на подающем трубопроводе М1 с показаниями расходомера на обратном трубопроводе М2 по величине относительной невязки показаний. Относительная невязка показаний определялась как Нормативное значение невязки показаний для исправных преобразователей расхода не должно превышать 4%, то есть ΔV < 4%.

Результаты оценки представлены на рис. 1. Как видно, за весь отопительный сезон 2017–2018 невязка не превышала нормативного значения, поэтому полученные в ходе измерений расходов результаты следует считать достоверными.

Среднемесячные проектные и фактические суточные расходы и максимальные суточные расходы в подающем трубопроводе представлены в табл. 2. Следует отметить значительное снижение расхода в марте-апреле 2018 года по сравнению с ноябрём-декабрём 2017 года. Отмечено четыре случая отключения теплоснабжения: три в октябре-ноябре 2017 года и одно в апреле 2018 года.

Сравнение проектных и фактических значений среднесуточных расходов теплоносителя показало, что фактические расходы на 30,1–6,6% превышают проектные и при 135/70°C — 212,6 т/сут.

Допустимая величина отклонения или несоответствия расхода теплоносителя договорному в нормативных документах не приводится [2, 3, 8].

 

Мониторинг температур прямой и обратной сетевой воды

Сравнение действующего температурного графика качественного регулирования с фактическими значениями температур представлено на рис. 3. Из рис. 2 видно, что при температурах наружного воздуха фактические температуры в подающем трубопроводе (Т1) значительно меньше проектных значений, что является «недотопом». Температура воды в обратном трубопроводе (Т2) в большинстве случаев соответствует нормативным значениям, что говорит о качественной режимной наладке внутриплощадочных тепловых сетей и систем теплопотребления.

Проведён мониторинг системы качественного регулирования теплоисточника по температуре в подающем трубопроводе Т1 и температуре наружного воздуха Тнв, а также температуре в обратном трубопроводе Т2 и температуре наружного воздуха Тнв. Качество поддержания оценивалось по интегральным квадратичным критериям, которые для дискретных значений имеют вид:

где T1i и T2i — среднесуточные температуры по температурному графику 135/70°C; T1факi и T2факi — фактические среднесуточные температуры; n — количество дней наблюдения.

Оценка отклонений фактической температуры от проектной по интегральным среднеквадратичным критериям представлена в табл. 3. Видно, что для Т1 наибольшие отклонения от допустимых ± 3% наблюдались в январе и марте, а для Т2 отклонения составили 1,71–2,59°C, что меньше допустимых +5°C. Поэтому температурный режим со стороны поставщика не соблюдается (в сторону занижения), температурный режим со стороны потребителя соответствует договорному.

 

Мониторинг тепловых нагрузок

Сравнение расчётной Qор и фактической Qо тепловых нагрузок в зависимости от температуры наружного воздуха показано на рис. 3. Видно достаточно хорошее совпадение результатов.

В MS Excel построена линия тренда фактической тепловой нагрузки с линейной зависимостью от температуры наружного воздуха и получено следующее уравнение регрессии для величины достоверности аппроксимации R2 = 0,7036:

Сравнение расчётной и фактических тепловых нагрузок при −30°C показало, что фактическая тепловая нагрузка величиной 12,495 Гкал/сут. (0,5206 Гкал/ч) соответствует расчётной по температурному графику со спрямлением и срезкой 12,14 Гкал/сут. при проектном значении 13,82 Гкал/сут. (0,576 Гкал/ч).

Рассмотрим, как несовпадение нагрузок повлияло на интегральные показатели теплопотребления.

Анализ годового потребления тепла проводится по приведённому и проектному значениям месячной нагрузки. Расчёт приведённого к нормативным условиям Qприв фактического месячного теплопотребления проводился по формуле:

где Qфак — фактическое месячное потребление тепла, Гкал/мес.; tпр — проектная среднемесячная температура воздуха [11], °C; tфак — фактическая среднемесячная температура воздуха, °C.

Расчёт нормативного месячного теплопотребления Qпр проводился по формуле для проектной часовой тепловая нагрузка qпр = 0,576 Гкал/ч; n — количество дней в месяце: Годовое потребление тепла осуществлялось суммированием данных по месячному потреблению. Невязка годовых тепловых нагрузок проектных и фактических определяется

Проектные, фактические и приведённые к нормативным условиям тепловые нагрузки в отопительный сезон 2017–2018 представлены в табл. 4. Видно, что приведённая годовая нагрузка на 25,857 Гкал превышает проектное значение, равное 1350,115 Гкал. В тоже время фактическая годовая тепловая нагрузка меньше проектной на 73,157 Гкал, и это значение ошибочно можно отнести на счёт экономии тепловой энергии.

Заключение

Разработана и внедрена методика мониторинга параметров теплоснабжения и теплопотребления для закрытой системы теплоснабжения промпредприятия по данным коммерческого учёта тепловой энергии и теплоносителя.

Рассмотрен алгоритм использования методики мониторинга параметров теплоснабжения и теплопотребления для анализа тепловой нагрузки, расхода и температуры теплоносителя.

Предложенная в данной работе методика позволяет эффективнее использовать результаты измерения параметров теплоснабжения.