ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ

СОСТАВЛЕНИЕ И РЕШЕНИЕ УРАВНЕНИЙ ПРИ ОПТИМИЗАЦИИ И СРАВНЕНИИ ВАРИАНТОВ

Каждый технико-экономический расчет по определению рациональ­ного (оптимального) решения начинается с анализа условий поста­новки задачи и определения переменных составляющих, т. е. статей рас­ходов, изменяющихся в зависимости от искомых параметров или ва­риантов. По переменным составляющим и составляется расчетное уравнение (целевая функция) Постоянные составляющие, которые не зависят от искомых параметров или вариантов, в расчетные уравне­ния не включаются, так как не влияют на оптимальное решение.

В зависимости от вида задачи оптимизация рассматриваемых ре­шений, т. е. параметров в них, является или основной целью или предварительным этапом, необходимым для правильного сравнения вариантов. Во всех случаях целевая функция должна быть состав­лена таким образом, чтобы поиск оптимальных параметров произво­дился комплексно, т е. совместно и с учетом технических, техноло­гических, санитарно-гигиенических и других условий и ограничений по каждому из них. При этом учитывается взаимное влияние их друг на друга, т. е. находится общий «глобальный» оптимум (мини­мальные приведенные затраты) в системе. Раздельное определение - оптимальных параметров (при фиксированных значениях остальных) не является, как правило, корректным, так как частные оптимумы мо­гут не дать «глобального» оптимума.

Если все составляющие, входящие в целевую функцию, выража­ются аналитически через искомые параметры, то задача может быть решена чисто математически, путем дифференцирования по оптими­зируемым, параметрам и приравнивания производных нулю.

Если влияние искомых параметров на составляющие трудно или невозможно выразить аналитически, то задача решается обычно ме­тодом вариантов. При этом результаты расчетов представляются в виде графиков (или таблиц), характеризующих зависимости приве­денных затрат от искомых параметров, из которых и находятся оп­тимальные решения.

При числе искомых параметров более трех-четырех и неявном влиянии их на отдельные составляющие задача решается, как пра­вило, на ЭВМ с применением специальных методов математическогэ программирования. Ниже рассмотрены условия постановки и прин­ципы решения двух характерных задач.

Определение оптимальной расчетной температуры воды в подаю­щей магистрали теплосети. Данная задача так же, как и другие по определению оптимальных параметров, может быть поставлена для общего случая, когда известен только объект теплоснабжения, т. е. расположение и нагрузки потребителей, и для множества частных случаев, когда известны (заданы) дополнительные факторы. В каж­дом конкретном случае решение задачи должно производиться с уче­том всех факторов.

К неизвестным факторам в общем случае могут относиться: тип системы теплоснабжения (открытая, закрытая, однотрубная, двух­трубная и т. п.); конфигурация теплосети; число и расположение источников тепла; типы, схемы, оборудование и режимы работы эле­ментов системы (источника тепла, тепловых сетей и абонентских ус­тановок и др.), так как при изменении каждого из отмеченных фак­торов решение задачи может быть различное.

Чем больше факторов одновременно рассматривается (варьирует­ся), тем более правильно определяется оптимальное решение для рассматриваемого конкретного объекта теплоснабжения. Однако при этом возрастает сложность решения задачи, поэтому на практике задачи обычно упрощаются, т. е. решаются для частных случаев, когда известны (заданы) дополнительные факторы.

Так, при теплоснабжении от ТЭЦ, когда известны типы установ­ленных турбин и система теплоснабжения, целевая функция по оп­тимизации температуры может быть представлена в виде:

3 = (/п к + Е„) Кп к - f - (/т. с + £„) Кт. с + (fTб + £„) КТ6 + (/с н t £"н) Кс н + + Итопл + #пер + Ит п min.

При повышении расчетной температуры подаваемой в теплосеть воды снижается доля годовой тепловой нагрузки, покрываемая из отборов турбин ТЭЦ, и возрастает доля, покрываемая от пиковых котлов. Это приводит к росту величины конденсационной вы­работки электроэнергии, что увеличивает расход топлива на выра­ботку электроэнергии на ТЭЦ, и к росту расхода топлива в пиковых котлах, т. е. возрастанию составляющей ИТ0Пл. Вследствие увеличения требуемой мощности пиковых котлов, т. е. капитальных затрат на них, растет и составляющая (/п. к+£н) Кп к.

В тепловых сетях при повышении расчетной температуры пода­ваемой воды снижается расход воды, что приводит к уменьшению ежегодных издержек на перекачку теплоносителя Япер, требуемой установленной мощности сетевых насосов, т. е. составляющей (/с. н+ +Е„)Кс. ю и требуемого диаметра трубопроводов теплосети, т. е. со­ставляющей (їт. с+£н)/Ст. с. 'При этом возрастают тепловые потери #т:п и снижается величина наружной коррозии трубопроводов, при учете которой уменьшается величина fT, с-

В абонентских установках жилых и общественных зданий повыше­ние расчетной температуры подаваемой воды приводит в основном к уменьшению требуемой площади поверхности нагрева теплообменных аппаратов, производящих подогрев теплоносителя для местных або­нентских систем, т. е. составляющей С/тб+^н) - Ктб - На местные же системы в большинстве практических случаев это не влияет, так как максимальные значения температур теплоносителя в них ог­раничены санитарно-гигиеническими требованиями и ниже, чем в теп­ловой сети. Таким образом, при повышении расчетной температуры по­даваемой В теплосеть ВОДЫ составляющие (/пк + £н)Л'пк, Итопл и Итп возрастают, а (/т. с+£'н)/(т. с, (/с. н+£н) Дс. н, (/тв+£н)/(тб и Япер умень­шаются, и наоборот, следовательно, при каком-то оптимальном зна­чении расчетной температуры подаваемой в теплосеть воды сумма их будет минимальная.

При теплоснабжении от котельных, когда известные типы установ­ленных котлов и система теплоснабжения, целевая функция по опти­мизации параметров имеет вид:

3 = (fT C + FH) Kr с + (fc н + Еа) KCmH + (fTб - f Ян) ^Тб + япер + - min.

При повышении расчетной температуры подаваемой сетевой воды •возрастает только величина Ити, остальные составляющие уменьша­ются. Влияние последних, как правило, превалирует, поэтому повы­шение температуры подаваемой сетевой воды до технически допусти­мых значений всегда выгодно.

Следует отметить, что помимо расчетной температуры подаваемой в теплосеть воды на значения /Ст. с, /Сс. н, #т. п, #лер оказывает влия­ние принятая величина удельных падений давления в теплосети, на Кт-с и #т. п — толщина изоляции трубопроводов, на Ктб — температу­ра греющей сетевой воды на выходе из теплообменников (от нее за­висит требуемая площадь поверхности нагрева и расход греющей сетевой воды). Отмеченные параметры также относятся к независимым, так как для каждой из расчетных температур подаваемой сетевой воды их значения могут выбираться оптимальными. Поэтому в рассматривае­мой задаче наиболее правильно осуществлять совместный поиск оптимальных значений всех независимых параметров.

Такой поиск наиболее точно, т. е. с учетом взаимного влияния независимых параметров и варьированием неизвестных факторов, может быть произведен на электронно-вычислительных машинах (ЭВМ). Простейшая блок-схема алгоритма программы по выбору оптимального решения на ЭВМ представлена на рис. 15.1. ' •

Сравнение систем теплоснабжения. Сравнение различных реше­ний, и в частности, систем теплоснабжения, должно производиться, как указывалось выше, по приведенным затратам, составленным при оптимальных условиях для каждого из вариантов в рассматриваемых конкретных условиях постановки задачи. Оптимальным является ва­риант, для которого 3=min.

Между тем на практике выбор рационального решения часто производят путем сравнения его с заменяемым базисным вариантом, в качестве которого берется применяемое или типовое решение, без предварительной его оптимизации для рассматриваемых конкретных условий и учета достигнутого уровня технического прогресса. Такое сравнение в общем случае не является корректным и может быть при­менено только при ориентировочных технико-экономических расчетах и одновременном рассмотрении нескольких возможных вариантов.

Так, для одной из часто встречающихся задач — выбора способа энергоснабжения: комбинированного от ТЭЦ или раздельного (электро­снабжение от КЭС и теплоснабжение от районной котельной) — приме­няются два метода сравнения.

Первый метод «замещаемых установок» состоит в том, что приве­денные затраты в конкурирующем с ТЭЦ раздельном варианте оп­ределяются суммой затрат на КЭС и РК, эквивалентных соответст­венно электрической и тепловой мощностям замещаемой ТЭЦ и вы­полненных при оптимальных как для КЭС, так и для РК условиях:

Зр = ^кэс + Зрк • где Зкэс и 3РК — приведенные затраты на КЭС и РК.

Оптимальные условия для КЭС отмечаются при применении агре­гатов на максимальные для данной энергосистемы единичные мощно­сти с оптимальными (как правило, сверхвысокими и закритическими) начальными параметрами пара; для РК — наиболее совершенных ти­пов современного оборудования при оптимальной концентрации вы­работки тепла и централизации теплоснабжения от них.

Второй метод «замыкающих затрат» на энергию состоит в том, что приведенные затраты в конкурирующем с ТЭЦ раздельном ва­рианте определяются по средним удельным приведенным (замыкаю­щим) затратам на отпуск электрической и тепловой энергии в рас­сматриваемом районе:

Зр = 2Э Зкэс + zT QpK,

Где гэ и zT—удельные замыкающие затраты на электрическую, руб/(кВт-ч), и тепло­вую, руб/ГДж (или руб/Гкал), энергию; Э кэс и QPK—годовой отпуск эквивалент­ных количеств электроэнергии, кВт - ч/год, и тепла ГДж/год (Гкал/год).

Рис 15 1 Простейшая блок-схема алго­ритма программы по выбору оптималь­ного решения

В удельных замыкающих за­тратах на энергию учитываются вид и стоимость замыкающего топлива, а также структура гене­рирующих мощностей в данном районе. В частности, значения г» определяются с учетом выработ­ки электроэнергии как в базис­ных, так и пиковых электростан­циях всех типов (КЭС, ГЭС, ТЭЦ, АЭС и др.), работающих в дан­ной энергосистеме.

В результате получается, что- при втором методе показатели раздельного варианта определя­ются при сложившейся в силу различных причин структуре энер­госнабжения и, следовательно, результаты расчетов по рассмотренным методам будут различные

Так как результаты расчетов зависят от применяемого метода сравнения, то выбор метода должен быть предварительно обоснован для каждой задачи.

Результаты сравнения и как следствие области рационального применения различных решений в значительной степени зависят от принятых в расчете исходных данных: технических, экономических и др. При изменении исходных данных в каждом из вариантов изме­няются оптимальные условия и значения отдельных составляющих приведенных затрат. Поэтому результаты, полученные для одних исходных данных, нельзя, как правило, использовать для других ус­ловий.

Пример 15.1. Определить целесообразность сооружения ТЭЦ с турбинами Т-100-130 для жилого района с расчетной тепловой нагрузкой QP = 4000 ГДж/ч при значениях замыкающих затрат, на топливо 2ТОпл = 50 руб/т, электроэнергию гэ = 28 руб/МВт и тепло zT=2,5 руб/ГДж. Годовой график отпуска тепла в районе соответствует показанному на рис. 113.6, а число часов использования максимумов: тепловой нагруз* ки Лд =3400 ч/год, электрической нагрузки /^=6000 ч/год

При расчете варианта ТЭЦ приняты следующие исходные данные: удельная выра-- ботка электроэнергии на тепловом потреблении (с учетом регенерации) Зт = 120 кВтХ Хч/ГДж (500( кВт*ч/Гкал); удельные расходы топлива на выработку электроэнер­гии по теплофикационному циклу б^^^О кг/(МВт-ч), и по конденсационному циклу 360 кг/(МВт-ч); на выработку тепла, отпускаемого из отборов турбин

И пиковых водогрейных котлов bl = &п. к = 40 кг/ГДж, удельные капиталовложения - в ТЭЦ *таЦ = 210 руб/кВт; общая доля годовых отчислений от капиталовложений1 fотч — 0,1 1/год; штатный коэффициент П—0,7 чел/МВт, средняя заработная плата обслуживающего персонала 6=1500 руб/год; отчисления от заработной платы ф=г ='Q,27. Доля годового теплового графика, покрываемая из отборов турбин |3 = 0,85. Коэффициенты увеличения эквивалентной мощности КЭС сэ = 0,08 и уменьшения РК Ст = 0,03.

Длительность строительства ТЭЦ составляет 3 года, капиталовложения распре­деляются по годам равномерно, пуск в работу производится после полного окончания - строительства.

Решение. Для покрытия тепловой нагрузки устанавливаем три турбины Т-100- 130 с суммарной расчетной тепловой мощностью теплофикационных отборов примерно <2отб=2000 ГДж/ч и пиковые водогрейные котлы на <2пк = 2000 ГДж/ч При этом коэффициент теплофикации составит а ТЭц =0,5, что соответствует оптимальным значениям для коммунальных ТЭЦ

[1] ЦСУ СССР. Народное хозяйство СССР в 1975 г. Статистический ежегодник. М., Статистика, 1976

[2] Скоров Б. М. Технико-экономические основы проектирования жилых, общест­венных, промышленных зданий и населенных мест. М., Высш. школа, 1972, 328 с.

[3] Единицей коэффициента теплоотдачи в системе СИ является Вт/(м2-°С). Здесь и в дальнейшем изложении единица кДж/ч не переведена в Вт в связи с необходи­мостью рассмотрения не тепловой мощности, а расхода тепла.

[4] Дворецков н. Г. Системы горячего водоснабжения. — В кн.: Теплофикация СССР/Под ред. С. Я. Белинского, Н. К. Громова. —М., Энергия, 2977, с. 206—213.

[5] Нижние пределы соответствуют первой очереди строительства, верхние — расчетному сроку по ге­неральному плану. '

[6] Универмаги до 80 ООО м®.

Горячее водоснабжение. Потребление горячей воды в общественных зданиях различно по величине и зависит в основном от назначения здания. Например, средний за отопительный сезон суточный расход горячей воды в зданиях административных учреждений составляет 7 кг/сут на одного работающего, а в гостиницах с ваннами во всех номерах — 200 кг/сут на одного проживающего. В связи с этим необходимо раз - сдельное по каждому из общественных зданий определение расходов тепла на горячее водоснабжение по методике, изложенной' в СНиП П-34-76. В среднем для всех общественных зданий города нор­мы предписывают принимать расход горячей воды 25 кг/сут на одно­го жителя. Зная этот удельный расход горячей воды, среднечасовой рас­ход тепла на горячее водоснабжение общественными зданиями города в сутки отопительного сезона Qqfcp определяют по формуле (1.22).

Годовой расход тепла общественными зданиями Q £бщ> ГДж/год, определяют по выражению

QoZ = СДобЩ + СДобЩ + <№1о6щ> О-33)

Где <2о? Аобщ> Фв°2бщ' ^г°в. общ ~~ годовые расходы тепла соответственно на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение, ГДж/год.

Годовой расход тепла на отопление

^общ__ ^

Сдобщ=ебщ *от-ю-6, (і.34)

Вн от

Где Qq®14 — расчетный часовой расход тепла на отопление, кДж/ч; icp — средняя на­ружная температура за отопительный период, °С; z0T — продолжительность отопитель­ного периода, ч/год.

Годовой расход тепла на вентиляцию:

А) для зданий с tl=t%T

1977* Тепло*икация ссср/ Под ред С Я Белинского, Н К Громова М, Энергия,

[8] Проектирование систем теплоснабжения промышленных узлов/ М Я Розкин, И Э Козуля, Г В Русланов и др Киев, Будівельник, 1978, 128 с

[9] Чаплин В. М. Технические и экономические требования к отопительным и венти­ляционным системам. — В кн : Труды первого Всесоюзного съезда по теплофикации М, ВЭК, 1931, с 231—238. '

[10] Грудзинский М. М., Прохоров Е. И. Разработка рациональных схем систем го­рячего водоснабжения с непосредственным водоразбором из тецловой сети. Отчет по теме. 1975.

[11] Ионин А. А. Горелки для сжигания газа М, Минкомхоз, 1951, 108 с

[12]

[13] Р

[14] Соколов Е. Я. Теплофикация и тепловые сети. М, Энергия, 1975.

[15]А Зал 435

[16] Барановский Н. В., Коваленко JI. М., Ястребенцкий А. Р. Пластинчатые и спи­ральные теплообменники М, Машиностроение, 1973, 288 с.

[17] Здесь и далее знаком точки отмечены величины в расчетном режиме.

[17] 1 (і—qp) :

W, 1-8РЄР (3-43)

Ln 1 — 8р

Следует помнить, однако, что применение приближенных формул для определения коэффициента теплопередачи в теплообменнике, в том числе и формулы (3.35), всегда приводит к погрешностям в результа­тах расчета. Уменьшить эти погрешности и добиться нужной точности

[18] Хлыбов Б. М. Поэтажная разрегулировка абонентских систем отопления и ее влияние на режим работы водяных тепловых сетей — В кн: Вопросы эксплуатации тепловых сетей/ Под ред. С. Ф. Копьева. М. — JT, Госэнергоиздат, 1950, 51—74 с. Бе - линький Е. А. Рациональные системы водяного отопления. Л., Госстройиздат, 1963. 207 с.

[19] Зингер Н. М., Миркина А. Н. Выбор расчетных параметров и сопоставление па­раллельной и смешанной схем горячего водоснабжения —Теплоэнергетика, 1966, № 2, 18—20 с.

[20] (1+И)

[21] Копьев С. Ф. Теплоснабжение М, Стройиздат, 1953, 496 с Громов Н. К. Город­ские теплофикационные системы М, Энергия, 1974. Секолов Е. Я. Теплофикация и тепловые сети. Изд. 4-е. М, Энергия, 1975, 376 с.

[22] Громов Н. К. Городские теплофикационные системы М, Энергия, 1974.

[23] Рудолина Б. В., Ремжин Ю. Н. Проектирование трубопроводов тепловых элек­тростанций. Л., Энергия, 1970.

[24] См сноску на с 167

[25] Лямин А. А., Скворцов А. А. Проектирование и расчет конструкций тепловых сетей М, Стройиздат. J 465.

[26] Громов Н. К. Городские теплофикационные системы М., Энергия, 1974.

[27] Соколов Е. Я. Теплофикация и тепловые сети. М., Энергия, 1975.

[28] Справочник проектировщика. Проектирование тепловых сетей/Под ред. А. А. Николаева М ■ Стройиздат, 1965

[29] Справочник проектировщика. Проектирование тепловых сетей / Под ред. А. А. Николаева М, Стройиздат, 1965.

[30] Чистович С. А. Гидравлический режим открытых тепловых сетей с переменный расходом воды. М., Минкомхоз РСФСР, 1955, 96 с.

8* Зак 435 997

[31] Шубин Е. П. Основные вопросы проектирования систем теплоснабжения горо­дов. М., Энергия. 1979.

[32] Ананичев К. В. Проблемы окружающей среды, энергии и природных ресурсов Международный аспект. М., 1975.

[33] Гончаров С. П., Троицкий А. А. Основные итоги развития советской энергетики за девятое пятилетие.—Теплоэнергетика, 1976, № 1.

J 0 Зак 435

[34] Маргулова Т. X. Атомная энергетика в десятой пятилетке. — Теплоэнергетика, 1976, № 3.

[35] Локшин Б. А. Использование геотермальных вод для теплоснабжения М, Строй - издат, 1974.

[36] Борщев Д. Я. Чугунные секционные котлы в коммунальном хозяйстве. М., Стройиздат, 1977.

[37] Нормы амортизационных отчислений по основным фондам народного хозяйства СССР М Экономика, 1974.

[38] Методические рекомендации по экономической оценке способов прокладки инже­нерных коммуникаций в городах (открытый способ прокладки). М., Стройиздат 1977.