В настоящее время экономия энергоресурсов, таких как топливо, электроэнергия, питьевая вода и т.п., становится важной задачей любого производства во всем мире. Несмотря на большое количество природных запасов, проблема энергосбережения актуальна и для России, где большое количество топлива расходуется на системы теплоснабжения.
Традиционно сложилось так, что в нашей стране наиболее распространено централизованное теплоснабжение, а основным способом получения теплоты является теплофикация при совместном производстве тепловой и электрической энергии на тепловых электрических станциях (ТЭС) или теплоэлектроцентралях (ТЭЦ). На сегодняшний день в работе систем централизованного теплоснабжения существуют определенные сложности [1–3], которые ведут к невозможности соблюдения проектных тепловых и гидравлических режимов.
Возврат к проектным параметрам по разным причинам практически невозможен, поэтому многие специалисты решают данную проблему путем автоматизации систем, частичным переходом на децентрализованное теплоснабжение, либо на теплоснабжение с пониженными температурными параметрами теплоносителя.
Прежде всего, сегодня наблюдается тенденция к переходу на пониженный график температур прямой и обратной воды в 95/70 °C и даже ниже. Согласно данным исследований [3], фактическая температура сетевой воды, отпускаемой ТЭЦ, во многих городах не превышает 80–90 °С вместо расчетных 130–150 °C. Аналогичная ситуация сложилась, например, на промышленной площадке ОАО «ММК».
В настоящее время для большинства объектов промышленной площадки ОАО «ММК» принят низкотемпературный график теплоснабжения 95/70 °C. Ранее потребителям отпускался теплоноситель с более высокими параметрами. Однако для сегодняшних условий такой режим признан неэффективным, причем не только потому, что вырабатывать высокотемпературный теплоноситель и поддерживать столь высокую его температуру в подающих теплопроводах крайне сложно [3], но и вследствие введения ограничений на поставки природного газа.
При этом следует заметить, что до настоящего времени нет единого общепринятого подхода к выбору температурных графиков теплоснабжения. Между тем, в результате обоснованно принятого температурного графика, можно прийти к ощутимой экономии энергетических ресурсов, не снижая при этом качество теплоснабжения. Высокотемпературные графики теплоснабжения традиционно считаются наиболее экономичными.
Так, в результате работ исследователей С. Ф. Копьева и М. М. Пика [4, 5], проводившихся в 1970-х годах, была получена величина оптимальной температуры теплоносителя в подающих магистралях. Она должна составлять около 180–200 °C и даже 250 °C. При этом учитывались такие факторы, как тип источника теплоты, цена используемого топлива, взаимосвязи и взаимовлияния совместной выработки тепловой и электрической энергии, капитальные и эксплуатационные затраты, протяженность теплотрасс и т.д.
Вместе с тем, в современных условиях есть основания считать, что перспективным направлением развития является все-таки не высокотемпературное, а низкотемпературное теплоснабжение [3, 6, 7]. Несомненным достоинством пониженной температуры теплоносителя в теплопроводах являются низкие по сравнению с высокотемпературными режимами тепловые потери при транспортировке.
В частности, в наших исследованиях было установлено, что потери теплоты при транспортировке будут наименьшими, если температура теплоносителя в подающих магистралях будет составлять порядка 100 °C [8]. Кроме того, низкотемпературные параметры теплоносителя удобны с точки зрения эксплуатации систем отопления, так как для таких параметров характерны невысокие температуры поверхности радиаторов, увеличенные их площади поверхности, что обеспечивает более равномерное распределение тепловых потоков в помещении и т.п.
С другой стороны, для доставки потребителям требуемого количества теплоты при пониженных параметрах теплоносителя необходимо увеличить его расход. Все это потребует либо увеличения пропускной способности тепловых сетей и, соответственно, огромных затрат на прокладку и монтаж новых тепловых трасс, либо установки более мощных сетевых насосов, что неизбежно приведет к росту расхода электрической энергии на перекачку теплоносителя.
Поскольку прокладка и монтаж новых тепловых сетей является весьма трудным и весьма затратным мероприятием, часто случается так, что оборудование тепловых сетей при переходе на пониженные параметры не заменяют, что ведет к тому, что потребители не получают нужное количество теплоты. Помимо этого в данном случае затрудняется регулирование тепловых и гидравлических режимов.
Таким образом, проблема выбора температурного графика является весьма актуальной для современных условий. Эффективность того или иного температурного режима теплоснабжения определяется множеством факторов, например, особенностям совместной выработки электрической и тепловой энергии на тепловых станциях, способностью обеспечить необходимым количеством теплоты потребителей, удобством эксплуатации систем теплоснабжения и отопления, затратам на производство и транспортировку тепловой энергии и т.д.
На первоначальном этапе нашего исследования объектом изучения стали тепловые сети, поскольку они, согласно источникам [1, 2, 3], являются наиболее проблемным звеном в системе «источник теплоснабжения–потребитель». Как известно, при понижении параметров теплоносителя понижаются тепловые потери, но увеличивается расход теплоносителя и затраты на электрическую энергию для его перекачки, поэтому решалась задача определения такой температуры теплоносителя которая обеспечила бы минимум затрат указанных энергетических ресурсов.
Эта задача приобретает все большую актуальность, аналогичные работы сейчас проводятся на ОАО «ММК», где тепловые потери при транспортировке теплоносителя в летний период при графике 105/65 °C составляют порядка 50 % от отпущенного станциями количества теплоты. Известно, что электрическая мощность Wэ, необходимая для перекачки сетевой воды на расстояние 1 м, вычисляется по следующей формуле [9]:
где k — эквивалентная шероховатость внутренней поверхности теплопровода, м; D — его внутренний диаметр, м; ρ — плотность теплоносителя, кг/м3; Gм — его массовый расход, кг/с; ηн — КПД насоса; ηэ — КПД электродвигателя насоса; α — доля местных потерь давления. Выразив массовый расход теплоносителя Gм через переносимую тепловую мощность (количество теплоты, переносимое теплоносителем в единицу времени через поперечное сечение теплопровода), получим:
здесь c — удельная теплоемкость теплоносителя, кДж/(кг⋅К); а t — его температура, °C. С учетом этого формула (1) перепишется в следующем виде:
Из формулы (3) следует, что расход электрической энергии на перекачку зависит от температуры теплоносителя, переносимой тепловой мощности и диаметра теплопровода. Поскольку переносимая тепловая мощность и диаметр теплопровода на практике — это заданные величины, то особенный интерес представляет задача выбора температуры теплоносителя. Потеря теплоты одним погонным метром теплопровода в окружающую среду за единицу времени определяется линейной плотностью теплового потока ql :
где tн — температура наружного воздуха; Rl — линейное термическое сопротивление теплопередаче [10]. Следовательно, суммарные затраты энергии (тепловой и электрической) WΣ, приходящиеся на один погонный метр теплопровода, можно рассчитать по зависимости:
Для упрощения дальнейших выкладок введем следующие обозначения:
В этом случае формулу (5) можно переписать в следующем виде:
Поставим теперь следующую задачу: найти такое значение температуры теплоносителя, при котором сумма расхода электрической энергии на его перекачку и потери теплоты в окружающую среду, приходящиеся на один погонный метр теплопровода, будет минимальной. Формально данная задача оптимизации может быть записана так:
Решая задачу методом производной, найдем, что точка, «подозрительная на экстремум», имеет следующую координату по температуре теплоносителя:
Для выяснения характера экстремума вычислили вторую производную
и установили, что
следовательно, при
достигается минимум WΣ. С использованием данной методики были проведены расчеты для климатических условий города Магнитогорска Челябинской области для различных диаметров и различной тепловой нагрузки и гидравлических характеристик тепловых трасс. Было принято, что цена на электрическую энергию в четыре раза превышает цену на тепловую энергию.
Также соблюдалось условие, что удельные потери давления не должны превышать 80 Па/м в магистральных теплопроводах и 300 Па/м в ответвлениях. В результате расчетов было выявлено, что такие параметры, как тепловая нагрузка, диаметр теплотрассы, КПД насосной установки, соотношение тарифов на энергоресурсы, изношенность теплопроводов, свойства и состояние тепловой изоляции существенно влияют на значение наиболее эффективной температуры.
Причем соотношение тарифов на тепловую и электрическую энергию является основным фактором, влияющим на выбор температурного графика. Климатические параметры (скорость ветра, температура наружного воздуха), количество местных сопротивлений оказывают минимальное воздействие на значение оптимальной температуры теплоносителя.
Также в результате расчетов стало очевидно, что нельзя говорить о каком-то одном универсальном наиболее эффективном значении температуры теплоносителя для всех случаев. Значения оптимальной температуры колеблются в широких пределах в зависимости от параметров тепловой сети.
