О диагностике состояния систем отопления потребителей тепловой энергии.

Одной из важнейших технологических характеристик действующих систем отопления можно считать их способность к охлаждению теплоносителя, поступающего из внешней тепловой сети. Если система отопления обеспечивает перепад температур на тепловом вводе, предусмотренный графиком регулирования теплоснабжения, то это свидетельствует об эффективном использовании тепловой энергии; в таком случае принято считать, что система отопления правильно спроектирована и расход теплоносителя в такой системе соответствует расчетным значениям. Главным признаком неэффективной работы системы отопления служит прежде всего неспособность такой системы охлаждать теплоноситель должным образом: как правило, такие системы разрегулированы, завоздушены или загрязнены, расходы теплоносителя в них превышают расчетные (проектные) значения. Нередко на практике можно встретить случаи, когда неэффективная работа системы отопления связана с низким качеством ее проектирования. Очевидно, что работа таких неэффективных систем весьма убыточна для теплоснабжающей организации: неоправданное увеличение расхода теплоносителя в системах отопления отдельных потребителей приводит к соответствующему увеличению расходов в целом по магистрали, что, в свою очередь, увеличивает гидравлические потери и, как следствие, снижает эффективность работы систем отопления других потребителей, подключенных к этой магистрали; источники теплоты вынуждены нести дополнительные и никем не оплачиваемые расходы на транспортировку дополнительных объемов теплоносителя. Кроме того, завышение потребителями температуры обратной воды сверх установленных пределов приводит к неизбежному росту абсолютных (в Гкал) и относительных (в % от фактического температурного перепада) тепловых потерь, связанных с транспортировкой теплоносителя с повышенной температурой от потребителя к источнику теплоты. В этой связи представляется важным и экономически необходимым в целях повышения эффективности работы систем отопления потребителей и снижения издержек, связанных с выработкой и транспортировкой тепловой энергии, проводить систематический анализ результатов измерений, получаемых в узлах учета потребителей. При неблагополучных показателях работы систем отопления необходимо разрабатывать и внедрять соответствующие мероприятия, направленные на повышение эффективности работы систем отопления и, как следствие, снижение финансовых потерь теплоснабжающих организаций, связанных с неэффективной работой теплопотребляющих установок потребителей. Для проведения такого анализа необходимо и достаточно иметь результаты измерения часовых масс (среднечасовых расходов) теплоносителя в обратном трубопроводе (М2, т за час)1 и среднечасовых температур в подающем (t1, °C) и обратном (t2, °C) трубопроводах теплового ввода потребителя. Обычно эти сведения содержатся в часовых архивах теплосчетчиков, поэтому для анализа достаточно иметь часовой архив теплосчетчика потребителя требуемой длительности2. В качестве примера рассмотрим некоторые показатели работы системы отопления конкретного потребителя (школа №5) в сентябре-октябре 2002 г., для чего по данным часового архива теплосчетчика вначале построим графики изменения во времени среднечасовых значений М2, t1, t2 и dt = t1 – t2. Эти графики приведены на рис. 1. Как следует из рис. 1, в период времени с 26 сентября по 24 октября теплоснабжение данного потребителя осуществлялось устойчиво и непрерывно. Регулирование расхода М2 в основном не осуществлялось, расход теплоносителя в системе отопления поддерживался на уровне около 3 т/ч с незначительными отклонениями, вызванными небольшими колебаниями напора на тепловом вводе. И только в период времени с 7 по 10 октября имело место увеличение расхода теплоносителя в системе отопления до 3,5–3,8 т/ч, что привело к росту t2 на 3–4°С и соответствующему уменьшению температурного перепада dt. Таким образом, рис. 1 подтверждает известное технологическое правило: при неизменных значениях t1 увеличение расхода в системе отопления (М2) приводит к неизбежному росту t2 и, следовательно, к соответствующему уменьшению dt. Кроме того, из рис. 1 видно, что при неизменных М2 и росте t1 (имевшем место 14.10.02 г.) перепад температур на тепловом вводе также пропорционально увеличивается. Теперь по данным, накопленным в рассматриваемом периоде, построим точечную диаграмму, связывающую попарные значения dt и t1, имевшие место в течение рассматриваемых 695 часов непрерывной работы системы отопления. Эта диаграмма со статистической зависимостью dt = f(t1) приведена на рис. 2. Как это следует из рис. 2, у данного потребителя существует устойчивая и достаточно стройная статистическая связь между среднечасовыми значениями dt и t1: с ростом t1 на входе системы отопления температурный перепад dt также неуклонно возрастает. Математически эта средняя зависимость с вероятностью Р = 0,93 может быть представлена формулой (1): dt = 0,908 і t1 – 32,0, °C. (1) Из формулы (1) видно, что в данном случае наклон средней статистической зависимости dt = f(t1) равен 0,908. Это означает, что в школе №5 охлаждающая способность системы отопления весьма высока: в среднем при увеличении t1 на 1°С температурный перепад dt возрастает на 0,908°С. Однако среднее статистическое уравнение (1) нельзя считать окончательным: как это видно из рис. 2, в области значений t1, равных 62–65°С, имеется группа значений dt, отстоящих от средней тенденции зависимости dt = f(t1) на заметном удалении3. Очевидно, что эти нехарактерные «отставшие» значения dt несколько искажают среднюю зависимость dt = f(t1). Для повышения достоверности вида окончательной зависимости dt = f(t1) удалим из рассмотрения все пары значений dt и t1, которые имели место 7–10 октября в период увеличения расхода М2. Кроме того, с той же целью исключим из рассмотрения все часовые интервалы, на которых значения М2 отличались от среднего значения М2 на величину, превышающую ±4%4. После такой фильтрации исходных данных для оставшихся пар значений dt и t1 построим окончательную статистическую зависимость dt = f(t1) (см. рис. 3), которая на этот раз определяется уравнением (2): dt = 0,869 і t1 – 29,3, °C. (2) Видно, что после проведения вышеуказанных подготовительных процедур статистическая взаимосвязь dt и t1 несколько изменилась: наклон зависимости dt = f(t1) уменьшился с 0,908 до 0,869, постоянная составляющая этой зависимости изменилась с –32°С до –29,3°С и (что немаловажно!) достоверность аппроксимации статистической функции dt = f(t1) возросла с R2 = 0,928 до R2 = 0,980, т.е. в 3,6 раза. На рис. 3 для сравнения показано, каким образом изменяется зависимость теоретического температурного перепада, предусмотренного графиком регулирования (dtгр), от тех же самых значений t1, которые имели место на тепловом вводе потребителя в рассматриваемом периоде5. Сравнивая фактические значения dt с требуемыми значениями dtгр, находим, что фактические (статистические) значения dt систематически превышают температурные перепады, предусмотренные графиком регулирования. Это означает, что у данного потребителя охлаждающая способность системы отопления даже несколько выше, чем это предписано графиком регулирования, и система отопления работает весьма эффективно. Если рассчитывать эффективность (охлаждающую способность) системы отопления по выражению: Э = [(t1 – t2)/(t1гр – t2гр)] і 100% = = (dt/dtгр) і 100%, (3) то для школы №5 получим зависимость эффективности работы системы отопления от фактической t1, представленную на рис. 4. Рис. 4 показывает, что на любом из рассматриваемых часовых интервалов из-за того, что на тепловом вводе систематически dt > dtгр, эффективность данной системы отопления превышала 100%, причем с ростом t1 охлаждающая способность системы отопления повышалась. В среднем же эффективность работы системы отопления при росте t1 возрастала от 103% (при t1 = 60,5°С) до 112% (при t1 = 71,4°С), изменяясь при этом по закону, близкому к параболическому. Итак, в результате несложного анализа данных о среднечасовых значениях М2, t1 и t2, измеренных на тепловом вводе потребителя, установлено, что система отопления данного потребителя функционирует весьма эффективно, теплоноситель, отбираемый из внешней тепловой сети, расходуется экономно и в системе отопления подвергается охлаждению сверх установленных норм. Однако далеко не у всех потребителей тепловой энергии системы отопления функционируют столь эффективно. Например, в яслях-саду №11 охлаждающая способность системы отопления крайне мала, что хорошо видно из рис. 5. Как это следует из рис. 5, у этого потребителя фактический перепад температур на тепловом вводе значительно ниже уровня, предусмотренного графиком, что свидетельствует о неблагополучном состоянии системы отопления. Возможно, что здесь фактические расходы теплоносителя в системе отопления значительно превышают расчетные (проектные) значения. Очевидно, что в данном случае нельзя рассчитывать на высокую эффективность работы системы отопления. Рис. 6 показывает, что в яслях-саду №11 статистическая эффективность работы системы отопления крайне низка и не превышает уровня в 47–55%, а средняя эффективность Эсред. состави-ла всего 50–51%. При этом с ростом t1 вместо увеличения наблюдается даже некоторое снижение средней эффективности, что технологически труднообъяснимо. Очевидно, что столь неудовлетворительное состояние системы отопления этого потребителя наносит ущерб теплоснабжающей организации и нуждается в принятии соответствующих мер (промывке, наладке, регулировке и т.д.). Для оценки общего состояния систем отопления городских потребителей определим усредненные зависимости dt = f(t1) для расширенной группы потребителей. В состав этой группы включим потребителей различных категорий, расположенных в различных районах города: школы, больницы, поликлиники, дошкольные и культурные учреждения, промышленные предприятия, жилые дома и т.д. Затем из имеющихся часовых архивов теплосчетчиков 620 городских потребителей различных категорий методом случайной выборки отберем для дальнейшего анализа 15% архивов, накопленных в октябре 2002 г. у 93 потребителей. По часовых архивам ТС каждого из отобранных 93 потребителей описанным выше способом рассчитаем средние статистические зависимости dt = f(t1) и для большей наглядности построим все эти зависимости на одном графике. В результате получим 93 линеаризованные (средние) зависимости dt = f(t1), представленные на рис. 7. Из рис. 7 следует, что состояние систем отопления у различных потребителей весьма и весьма различно, эффективность работы этих систем изменяется в очень широком диапазоне. Например, при фактически поданном потребителям теплоносителе с температурой t1 = 70°C фактические перепады температур у контрольной группы потребителей изменялись от 11°С до 36°С. При этом у относительно небольшого числа потребителей фактический перепад температур превышает перепад, предусмотренный графиком регулирования. Однако у основной части потребителей охлаждающая способность систем отопления недостаточна, в связи с чем на тепловых вводах этих потребителей фактический перепад температур существенно меньше требуемых значений. Из рис. 7 также видно, что у рассматриваемых 93 потребителей средний статистический перепад температур определяется выражением: dtcф = 0,560 і t1ф – 15,2, °С, (4) из которого следует, что в среднем у 93 городских потребителей при увеличении t1 на 1°С средний фактический перепад температур dtсф возрастает на 0,560°С при требуемом значении dtгр = 0,614°С. Величина и характер изменения среднестатистической эффективности работы систем отопления 93 потребителей в зависимости от статистических значений t1 приведены на рис. 8. Из этого рисунка видно, что Эсред. в статистическом диапазоне изменения t1 (от 65 до 80°С) изменялась по строго параболическому закону и в октябре 2002 г. вместо требуемых 100% в среднем составила только 85%. Таким образом, если считать, что полученные показатели работы 93 потребителей достаточно полно характеризуют работу систем отопления всех городских потребителей и недостаточная средняя эффективность этой работы вызвана повышенными (против расчетных значений) расходами теплоносителя в системах отопления потребителей, то можно утверждать, что в октябре 2002 г. городские тепловые сети были перегружены циркуляционной нагрузкой примерно на 15%. Если же системы отопления всех потребителей будут работать в расчетных режимах, то при неизменном уровне отпуска (потребления) тепловой энергии на нужды отопления и вентиляции циркуляционный расход в городских тепломагистралях может быть сокращен на десятки миллионов тонн в месяц, что принесет значительную экономию средств, расходуемых ныне на перекачку этой «лишней» сетевой воды. Рис. 9 показывает сравнительное изменение фактических среднемесячных перепадов температур на тепловых вводах 93 потребителей, вошедших в контрольную группу. Здесь видно, что у 19 потребителей (20% из общего числа) фактический перепад температур превысил уровень, предусмотренный графиком регулирования теплоснабжения. У остальных 74 потребителей (80% из общего числа) системы отопления работали неэффективно, у этих потребителей степень охлаждения теплоносителя была недостаточной. Рассчитав среднемесячную эффективность работы систем отопления каждого из 93 потребителей по выражению (3), можно построить диаграмму, наглядно отражающую качество работы систем отопления этих потребителей. Эта диаграмма приведена на рис. 10. Из рис. 10 видно, что диапазон изменения среднемесячной эффективности у различных потребителей оказался весьма широк и изменялся от 39 до 125%. Дополнительные расчеты показывают, что у рассмотренных 93 потребителей только около 10% из общего количества энергии, отпущенной этим потребителям, потребляется эффективно работающими системами. Остальные 90% энергии потребляется системами, работающими в той или иной степени неэффективно. Рассчитав фактическую эффективность для каждого из потребителей, представляется интересным определить соотношение числа потребителей, имеющих тот или иной уровень эффективности. Плотность распределения вероятности попадания потребителей в тот или иной диапазон значений эффективности представлена на рис. 11. Из рис. 11 следует, что только у 17% потребителей степень охлаждения теплоносителя в системах отопления соответствует расчетным значениям. Еще у 12% потребителей эффективность превышает расчетную (достигает уровня 105–125%), а у 71% потребителей эффективность не превышает 95%. При этом наибольшее число потребителей (46% общего количества) эксплуатируют системы отопления, эффективность которых находится в пределах от 75 до 95%, а недопустимо низкая (менее 75%) эффективность систем отопления наблюдается у 25% потребителей. Очевидно, что тем подразделениям теплоснабжающих организаций, которые связаны с транспортировкой и распределением тепловой энергии и осуществляющим надзор за теплопотребляющими установками потребителей, необходимо в первую очередь обращать внимание на те теплопотребляющие системы, эффективность работы которых сегодня минимальна. Разработка и реализация мероприятий, направленных на повышение эффективности работы систем отопления и вентиляции потребителей, позволит существенно сократить издержки, связанные с выработкой и транспортировкой тепловой энергии. Представляется, что наиболее полезным, эффективным и быстро окупаемым мероприятием следует считать повсеместное внедрение современных систем автоматического регулирования теплопотребления.

1 Значения М2 применяются в том случае, когда в открытых системах теплоснабжения потребление тепловой энергии на нужды горячего водоснабжения (ГВС) осуществляется только из подающего трубопровода. В таких случаях измеренные значения М2 численно равны расходам теплоносителя в системах отопления и вентиляции. Если отбор теплоносителя на нужды ГВС осуществляется только из обратного трубопровода, то для анализа необходимо применять среднечасовые значения М1 (масса за час, измеренная в подающем трубопроводе теплового ввода). При смешанном потреблении теплоносителя на нужды ГВС, когда в систему ГВС подается вода как из подающего, так и из обратного трубопроводов в переменной пропорции, расчет расходов воды в системах отопления и вентиляции производится по специальной методике. 2 В большинстве случаев для получения достоверных численных характеристик эффективности работы системы отопления достаточно иметь часовой архив, содержащий данные за один месяц. Однако в некоторых случаях (например, при существенно переменных расходах теплоносителя в системе отопления) необходимо рассматривать среднечасовые параметры, накопленные за 2–3 месяца непрерывной работы системы отопления. 3 Эта группа нехарактерных значений dt на рис. 2 выделена замкнутой пунктирной линией. Очевидно, что эти «отставшие» от общего ряда значения dt получены в период времени 7–10 октября, когда имело место увеличение расхода теплоносителя в системе отопления, что и вызвало снижение среднечасовых значений dt. 4 Коль скоро величина расхода теплоносителя в системе отопления (М2) также влияет на значение dt, то необходимо стремиться к тому, чтобы при нахождении окончательной зависимости dt = f(t1) диапазон изменения соответствующих значений М2 был максимально узким. Обычно для практических целей достаточно исключить из рассмотрения только те часовые интервалы, в течение которых среднечасовые значения М2 отличались от среднего значения М2 на величину, превышающую 4–8%. 5 Теплоснабжение данного потребителя осуществляется по графику регулирования теплоснабжения 144/70. В соответствии с этим графиком требуемый перепад температур dtгр связан с t1 следующим уравнением: dtгр = 0,614 і t1 – 14,6, °С. Здесь же, на рис. 3, для сведения показан диапазон изменения значений М2, при которых была построена зависимость dt = f(t1).