В статье обобщается информация из учебников и справочников по теплоснабжению и приводятся основополагающие данные для расчетов графиков регулирования отпуска и потребления тепла.
Обобщая опыт работы теплоснабжающих организаций (ТСО) в более чем 50 крупных городах России, можно сделать вывод, что в среднестатистической ТСО технические специалисты и их руководители не знают как рассчитывается температурный график, почему он именно такой и на что и как влияет его изменение. Технические руководители некоторых ТСО своим решением изменяют температурные графики совершенно произвольным образом: изменяют угол наклона, выгибают дугой, вводят ступени на линии температур воды в подающем трубопроводе, поднимают линию температур воды в обратном трубопроводе приближая её к фактическим температурам.
Температурный график – это не эмпирическая зависимость температуры сетевой воды от температуры наружного воздуха. Температурные графики рассчитываются по формулам. В их основе лежат уравнения теплопередачи. Но обо всем по порядку, с начала нужно разобраться со способами регулирования тепловой нагрузки.
Способы регулирования тепловой нагрузки:
- качественный – изменением температуры сетевой воды при постоянном ее расходе;
- количественный – изменением расхода сетевой воды при постоянной ее температуре;
- качественно-количественный – одновременное изменение температуры и расхода сетевой воды.
В нашей стране для подавляющего большинства систем теплоснабжения принят качественный способ регулирования тепловой нагрузки. Для большинства источников тепловой энергии (а для некоторых и единственным) основным видом тепловой нагрузки является отопление. Доля других видов тепловой нагрузки, горячего водоснабжения (средняя) и вентиляции, в период отопительного периода, существенно ниже отопительной и, как правило, не превышает 30%. Поэтому в основу центрального регулирования закладывается закон изменения именно отопительной нагрузки от температуры наружного воздуха.
Полное наименование такого графика регулирования – температурный график центрального качественного регулирования по отопительной нагрузке, реже – по совмещенной нагрузке отопления и горячего водоснабжения.
При наличии нагрузки горячего водоснабжения в температурный график вводят ограничение минимального значения температуры воды в подающем трубопроводе для обеспечения необходимой температуры воды систем ГВС. Это ограничение называется «спрямление на ГВС» (ни «нижняя срезка», ни «полка»). При включении подогревателей ГВС по последовательной схеме, как правило, применяется график качественного регулирования по совмещенной нагрузке отопления и ГВС. В этом случае к значениям температур воды в подающем трубопроводе вводится надбавка, которая рассчитывается исходя из соотношения нагрузки ГВС и отопления. Но такие системы теплоснабжения встречаются не часто.
Расчет температурного графика качественного регулирования
Формулы расчета температурного графика выводятся из совместного решения трех уравнений теплопередачи для отапливаемого объекта (здания).
Выбор оптимального температурного графика
Сразу нужно сделать оговорку: далее не будет описания выбора температурного графика для вновь строящихся (проектируемых) систем теплоснабжения. Речь пойдет о выборе (пересмотре) оптимального температурного графика для существующих систем теплоснабжения.
В последние 10-15 лет на различных семинарах, конференциях, форумах, посвященных теплоснабжению, а также при обсуждении схем теплоснабжения перед их утверждением, РСО все чаще поднимают вопрос о «правильности» действующего температурного графика и регулярно высказываются предложения по его снижению вплоть до уровня 95/70°С. В качестве аргументов высказывается следующее:
– во-первых, «порвётся всё» – службы эксплуатации РСО не повышают температуру сетевой воды выше некого значения из-за опасений резкого роста интенсивности потока отказов (числа повреждений тепловых сетей).
Далее данный фактор не учитывается в расчетах, т.к. предполагается, что тепловые сети находятся в удовлетворительном состоянии и все регламентные работы, предусмотренные Правилами технической эксплуатации тепловых энергоустановок, выполняются своевременно, качественно и в полном объеме.
– во-вторых, «сейчас все по-другому» – большинство действующих систем теплоснабжения спроектировано и построено еще в 60-70-е годы прошлого века исходя из экономических особенностей того периода.
Проверим, а по-другому ли на примере среднестатистической системы теплоснабжения.
Оптимальный температурный график – это такой график, при котором обеспечивается минимум затрат РСО на «поставку» потребителям тепловой энергии, т.е. минимум совокупных затрат на производство и на транспорт тепловой энергии.
Затраты (удельные) на транспорт (передачу) тепловой энергии складываются из расхода тепла на компенсацию тепловых потерь и расхода электроэнергии на циркуляцию сетевой воды. Также в этой группе будем учитывать сетевые насосы источника теплоты. По этому показателю (удельно) очень удобно сравнивать эффективность работы систем теплоснабжения между собой. Помимо этого, его расчет входит в состав нормативных энергетических характеристик тепловых сетей, которые должны разрабатываться не реже чем 1 раз в 5 лет для каждой системы теплоснабжения с присоединенной нагрузкой 50 Гкал/ч и более.
Для целей определения оптимального температурного графика абсолютные значения расхода топлива (удельного) не имеют практического значения, важно лишь его изменение в зависимости от того по какому температурному графику производится отпуск тепла с источника. Для котельных удельный расход топлива практически не зависит от выбранного температурного графика, а вот для ТЭЦ всё индивидуально и определяются составом основного оборудования и схемой его включения.
В общем случае нагрев сетевой воды в теплофикационной установке ТЭЦ осуществляется в основных, пиковых подогревателях сетевой воды и пиковых водогрейных котлах. Основные подогреватели сетевой воды снабжаются паром от теплофикационных отборов турбин (паром с давлением до 3 кгс/см²). Следует различать основные подогреватели сетевой воды, снабжающиеся паром от общестанционных коллекторов пара (обычно давлением 1,2-2,5 кгс/см²) и подогреватели сетевой воды, подключенные непосредственно к теплофикационным отборам турбоагрегатов, давление в которых может регулироваться в широких диапазонах (например, для турбоагрегата Т-100-130 диапазон регулирования давления в нижнем теплофикационном отборе составляет от 0,5 до 2,0 кгс/см² и в верхнем – от 0,6 до 2,5 кгс/см²). Пиковые подогреватели сетевой воды снабжаются паром от общестанционных коллекторов пара производственных параметров (обычно давлением 10-16 кгс/см²).
Нагрев сетевой воды в основных сетевых подогревателях может осуществляться: до температуры около 95°С для общестанционных бойлеров, до температуры 115-120°С для сетевых подогревателей индивидуальных теплофикационных установок турбоагрегатов (при двухступенчатом подогреве сетевой воды). Нагрев сетевой воды в пиковых подогревателях и пиковых водогрейных котлах в нормальных режимах эксплуатации может осуществляться до температуры 150°С.
Удельный расход условного топлива на выработку тепловой энергии по мере увеличения температуры сетевой воды остается неизменным или незначительно увеличивается (в зависимости от типа основных подогревателей). При включении в работу пиковых подогревателей сетевой воды или пиковых водогрейных котлов удельный расход условного топлива несколько увеличивается. При этом необходимо учитывать продолжительность работы оборудования (пиковых подогревателей или котлов) в течении отопительного периода – повторяемость среднесуточных температур наружного воздухе. Так, в соответствии с климатическими циклами, среднесуточные температуры наружного воздуха близкие к расчетным повторяются каждые 12 лет.
Именно поэтому пункт 7.2 Свода правил СП 124.13330.2012 «Свод правил. Тепловые сети. Актуализированная редакция СНиП 41-02-2003» требует проведения технико-экономических расчетов для выбора температурного графика.
Общий порядок проведения такого расчета:
- Выбор нескольких (не менее трех) графиков регулирования отпуска для сравнения и определения наиболее оптимального. Определение ограничений температуры сетевой воды в подающем трубопроводе: срезок и спрямлений температурного графика производится уже после определения оптимального графика.
- Для каждого температурного графика выполняется расчет следующих показателей нормативных энергетических характеристик:
– отпуск тепловой энергии от источника теплоты в зависимости от температуры наружного воздуха, при этом потребление тепловой энергии (полезный отпуск) для всех сравниваемых температурных графиков должно оставаться одинаковым;
– расходов сетевой воды в подающем трубопроводе в зависимости от температуры наружного воздуха;
– расход электрической энергии на перекачку сетевой воды, в т.ч. расход электрической энергии сетевыми насосами источника теплоты;
– нормативные потери тепловой энергии и теплоносителя при передаче тепловой энергии по тепловым сетям от источников до конечного потребителя.
Отпуск тепловой энергии (мощности) должен учитывать перетоп потребителей обусловленный «спрямлением» температурного графика для обеспечения ГВС, степень (долю) автоматизации систем теплопотребления и другие факторы влияющие на объём теплопотребления или расход тепла в системе теплоснабжения.
- Для каждого температурного графика выполняется расчет пропускной способности тепловых сетей исходя из расчетных расходов сетевой воды с учетом требуемого уровня надежности и резервирования тепловых сетей.
- Для каждого температурного графика определяются капитальные затраты на проведение мероприятий по реконструкции теплопроводов, при их необходимости.
- Для каждого температурного графика и для каждого источника тепловой энергии определяются показатели энергетической эффективности, в т.ч. удельные расходы условного топлива (УРУТ) на отпуск тепловой и электрической энергии, удельные значения выработки электроэнергии по теплофикационному и конденсационному циклам с учетом:
– изменения давлений и расходов пара из регулируемых отборов и нерегулируемых отборов турбоагрегатов сверх нужд регенерации;
– возможного изменения состава и нагрузок работающего оборудования с учетом изменения регулировочных диапазонов их режимных показателей, изменения отпуска тепловой энергии от сетевых насосов, нагрузок РОУ и ПВК;
– изменений расходов тепловой и электрической энергии на собственные нужды источников тепловой энергии;
– сведенных теплового, электрического и топливного балансов для подгруппы/группы оборудования и источника тепловой энергии в целом.
- Для каждого температурного графика определяются капитальные затраты по проведению мероприятий по реконструкции на источниках тепловой энергии, при их необходимости.
- Для каждого температурного графика производится расчет стоимости мероприятий по наладке абонентских установок, связанных с пересмотром температурного графика;
Для варианта с сохранением утвержденного температурного графика также разрабатывается программа мероприятий по приведению фактических расходов сетевой воды к нормативным (расчетным) значениям, определенным в энергетических характеристиках (если фактические расходы превышают нормативные более чем на 5%).
Далее приведен расчет расходов на транспорт (передачу) тепловой энергии для среднестатистической системы теплоснабжения от котельной. В основу расчета приняты усредненные данные из утвержденных Схем теплоснабжения городов в Центре, Приволжье и на Урале.
Таблица 1 – Исходные данные для расчёта расходов на транспорт (передачу) тепловой энергии для среднестатистической системы теплоснабжения.
При расчете сделаны следующие допущения:
- Расчет тепловых потерь выполнен для подземной прокладки тепловых сетей в непроходных каналах по нормам плотности теплового потока для тепловой изоляции, спроектированной до 1989 года;
- При расчете расхода электроэнергии на транспорт теплоносителя учитываются только сетевые насосы источника теплоты. Принято отсутствие насосных станций на трубопроводах тепловой сети;
- Стоимость тепловых потерь определена по топливной составляющей тарифа;
- Средние за отопительный период температуры теплоносителя определены для каждого температурного графика по фактическим среднесуточным температурам наружного воздуха за 5 лет.
Результаты расчета стоимости транспорта тепловой энергии на 100 Гкал/ч присоединенной тепловой нагрузки в сумме за отопительный период при различных температурных графиках от 95/70 до 180/70°С представлены на рис. 1, где линия 1 – стоимость тепловых потерь (стоимость топлива, отнесенного на компенсацию тепловых потерь) с учетом изменения диаметров трубопроводов тепловых сетей эквивалентно изменению расхода сетевой воды; 1а – то же при условии постоянства для всех температурных графиков диаметров трубопроводов тепловых сетей, т.е. без учета реальной пропускной способности тепловых сетей; 2 – стоимость израсходованной электрической энергии на перекачку сетевой воды; 3 и 3а – суммарная стоимость энергоресурсов.
Рис. 1 – Себестоимость транспорта тепловой энергии на 100 Гкал/ч присоединенной тепловой нагрузки.
Как видно из приведенных данных стоимость тепловых потерь мало зависит от температурного графика вне зависимости от типа и года проектирования тепловой изоляции. Наибольшее же влияние оказывает расход электроэнергии на перекачку теплоносителя. Совокупная стоимость транспорта тепловой энергии с ростом температурного графика снижается. Как показывают практические расчеты для систем теплоснабжения от ТЭЦ в зависимости от состава основного оборудования оптимальным является температурный график с расчетной температурой от 130 до 150°С.
На рис. 2 представлена динамика относительных капитальных вложений в тепловые сети для различных температурных графиков. За единицу принят температурный график 150/70°С.
Рис. 2 – Относительные капитальные вложения в тепловые сети при различных температурных графиках.
При этом повышение температурного графика более 150/70°С снижает стоимость транспорта на 2% на каждые 5°С повышения температурного графика; более 160/70°С – на 1% на каждые 5°С. Возможно, именно по этим причинам для большинства крупных отечественных систем теплоснабжения принят проектный температурный график 150/70°С, а для систем дальнего транспорта тепловой энергии – 170/70°С.
Выводы
- Температурный график есть результат решения уравнений теплового баланса здания и не может без последствий для качественного теплоснабжения потребителей меняться в угоду «упрощения жизни» служб эксплуатации РСО.
- Оптимальный температурный график – это график, обеспечивающий минимальные конечные тарифы (цены) на тепловую энергию.
- Оптимальный температурный график устанавливается для каждой системы теплоснабжения при ее проектировании. Для существующих систем теплоснабжения изменение проектного температурного графика источника теплоты, тепловых сетей и/или приемников теплоты должно выполняться путем внесения изменений в проектную документацию источника теплоты, тепловых сетей и/или приемников теплоты на основе технико-экономических расчетов.
Литература
- Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети: Учебник для вузов. – 7-е изд., стереот. – М.: Издательство МЭИ, 2001. – 472 с.: ил.
- Манюк В.И. Наладка и эксплуатация водяных тепловых сетей. Справочник. – 3-е изд., М.: Стройиздат, 1988. – 432 с.: ил.
- В.Н. Папушкин, А.Ю. Желнов, А.П. Щербаков. Пересмотр температурных графиков с использованием модели предиктивного анализа работы оборудования в тепловой сети. «Электрические станции», №4 (2022). http://dx.doi.org/10.34831/EP.2022.1089.4.002
- Утвержденные схемы теплоснабжения городов Владимир, Воронеж, Екатеринбург, Иваново, Ижевск, Казань, Киров, Москва, Нижний Новгород, Орёл, Оренбург, Пенза, Пермь, Самара, Саранск, Саратов, Тамбов, Тюмень, Челябинск.
- Отчет о состоянии теплоэнергетики и централизованного теплоснабжения в Российской Федерации в 2022 году, ФГБУ «РЭА» Минэнерго России
