Теплоэнергетика, 2021, № 5, стр. 89-96

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НОРМАТИВНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ

Для автоматизированного выявления ненормативных условий эксплуатации трубопроводов в онлайн-режиме необходимо задать соответствующий норме диапазон температур у потребителей с учетом времени прохождения температурной волны. Задача расчета – обеспечить возможность автоматизированного определения нормативной температуры теплоносителя у потребителя с учетом температуры теплоносителя на выходе из источника теплоснабжения и нормативных потерь тепловой энергии в тепловых сетях.

При прочих равных условиях (конструктивных характеристиках тепловой сети и неизменном в течение всего отопительного периода расходе теплоносителя в закрытой системе централизованного теплоснабжения) соблюдается следующая зависимость:

где ${{Q}_{{{\text{пот}}}}}$ – потери тепловой энергии на участке тепловой сети, Дж/ч; t_тн – температура теплоносителя, °С; t_н.в – фактическая температура наружного воздуха, °С.

В свою очередь

где ${{t}_{{{\text{тн}}{\text{.н}}}}}$ – температура теплоносителя в начале участка, °С.

В соответствии с [2] температуры теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах тепловой сети, а также после смесительного узла потребителя зависят от температуры наружного воздуха и определяются по формулам:

где t₁, t₂, t₃ – температуры теплоносителя в подающем, обратном трубопроводе тепловой сети и после узла смешения на вводе потребителя при соответствующей температуре наружного воздуха ${{t}_{{{\text{н}}{\text{.в}}}}},$ °С; ${{u}^{{\text{р}}}}$ – расчетный коэффициент смешения; $t_{{{\text{в}}{\text{.в}}}}^{{\text{р}}}$ – расчетная температура воздуха внутри помещений, °С; n – число часов работы участка теплосети, ч; индекс “р” относится к параметрам на расчетные условия.

В тепловых сетях АО “Татэнерго” (г. Казань) для теплоснабжения потребителей применяется таблица температур сетевой воды (табл. 1). Зависимость температур t₁, t₂, t₃ от температуры наружного воздуха рассчитана по формулам (1)–(3).

РАСЧЕТ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ

Методика расчета нормативных тепловых потерь при надлежащем состоянии тепловой изоляции и нормальных условиях эксплуатации тепловых сетей приведена в [5]. К нормативным технологическим потерям относятся потери и затраты энергетических ресурсов, обусловленные техническим состоянием теплопроводов и оборудования и техническими решениями по надежному обеспечению потребителей тепловой энергией и созданию безопасных условий эксплуатации тепловых сетей, а именно: потери и затраты теплоносителя (пар, конденсат, вода) в пределах установленных норм; потери тепловой энергии через теплоизоляционные конструкции теплопроводов вместе с потерями и затратами теплоносителя при передаче тепла.

Проанализировав формулы расчета нормативных потерь тепловой энергии в тепловых сетях, приведенные в [5], можно сделать вывод, что при неизменных условиях эксплуатации потери тепловой энергии, обусловленные потерями и затратами теплоносителя, находятся в прямой зависимости от его температуры. Таким образом, тепловые потери на конкретном участке тепловой сети в течение отопительного периода связаны только с изменением температуры теплоносителя из-за колебаний температуры наружного воздуха.

Температура теплоносителя в конце участка тепловой сети ${{t}_{{{\text{тн}}{\text{.к}}}}},$ °С, при нормативном значении тепловых потерь определяется по формуле

где $Q_{{{\text{пот}}}}^{{{\text{норм}}}}$ – значение нормативных тепловых потерь, пересчитанное на фактическую температуру теплоносителя в начале участка, Дж; ${{c}_{p}}\;$ – удельная теплоемкость теплоносителя, Дж/(кг · К); $G$ – расчетный расход теплоносителя на участке тепловой сети, т/ч.

Расчетный расход теплоносителя по каждому участку принимается по результатам гидравлического расчета.

Зависимость тепловых потерь $Q_{{{\text{пот}}}}^{{{\text{норм}}}}$ в формуле (4) от температуры теплоносителя определена по формулам из [5] методом наименьших квадратов

где $Q_{{{\text{пот}}}}^{{\max }}$ – максимальное значение тепловых потерь по участку тепловой сети при расчетной температуре наружного воздуха, рассчитанное в соответствии с [5], Дж/ч; $t_{{{\text{тн}}{\text{.н}}}}^{{\text{ф}}}$ – фактическая температура теплоносителя в начале участка в текущий момент времени, °С.

В течение отопительного сезона температура теплоносителя изменяется в зависимости от температуры наружного воздуха. Изменение температуры теплоносителя в конце участка происходит с запаздыванием по отношению к изменению температуры в начале участка на время прохождения температурной волны τ. Поэтому время прохождения температурной волны в период эксплуатации трубопроводов тепловых сетей необходимо обязательно учитывать в расчетах, и тогда формула (4) приобретает следующий вид:

где $\Delta t_{{{\text{тн}}{\text{.н}}}}^{{{\tau }}}$ – разница температур теплоносителя в начале участка, °С, с учетом времени прохождения температурной волны τ.

Время прохождения температурной волны, определенное по статистическим данным фактического распределения температур теплоносителя в различных точках исследуемой тепловой сети, приведено в табл. 2.

Исследуемый участок теплосети, показанный на рис. 1, представляет собой часть трубопроводов магистрального теплопровода № 11, присоединенного в отопительный период к теплопроводу № 14 от Казанской ТЭЦ-3, с распределительными тепловыми сетями в Московском районе г. Казань (кварталы Левченко, МРИК, 46, 47, 50, 51, 51Б).

СТРУКТУРА ЦИФРОВОГО ПРОДУКТА

Схематично цифровой продукт можно разделить на блоки (модули), каждый из которых будет выполнять определенную задачу.

Блок № 1. Входные параметры теплоносителя от источника тепловой энергии и в точках отпуска тепловой энергии потребителям: температура теплоносителя в подающем (t₁) и обратном (t₂) трубопроводах тепловой сети.

Под источником тепловой энергии понимается элемент системы централизованного теплоснабжения (ТЭЦ, котельная, тепловая камера и т.п.), являющийся точкой отсчета первоначальной температуры теплоносителя t₁, по отношению к которой производится программный анализ потерь тепловой энергии (отклонений температуры теплоносителя от нормируемого значения).

Точки сбора параметров теплоносителя: тепловые выводы ТЭЦ, тепловые выводы котельной; павильоны тепловых сетей; тепловые камеры; смотровые камеры; узловые точки теплосети; объекты потребителей.

Периодичность автоматизированного сбора параметров зависит от типа и масштаба системы теплоснабжения, но составляет не менее одного раза в сутки.

Массив входных параметров хранится на сервере системы дистанционного сбора показаний параметров тепловой энергии с привязкой к объекту теплоснабжения потребителя (с указанием адреса объекта).

Блок № 2. Сопряжение входных параметров с объектами теплоснабжения на карте района тепловых сетей.

В этом блоке предусматривается интерактивная карта объектов теплоснабжения района тепловых сетей с привязкой к ней источников тепловой энергии, контрольных приборов учета параметров теплоносителя в отдельных элементах тепловой сети, объектов потребителей.

Блок № 3. Анализ отклонения от нормы текущих входных параметров, оценка надежности теплоснабжения потребителей с построением математической модели параметров работы теплосети (рис. 2).

Анализ отклонения текущих входных параметров от нормы производится по каждому объекту теплоснабжения потребителей и основан на том, что в процессе транспортировки теплоносителя от источника тепловой энергии до объекта теплоснабжения потребителей неизбежно возникают технологические потери тепла, вследствие чего происходит снижение температуры теплоносителя. Темп падения температуры теплоносителя рассчитывается исходя из нормируемых значений потерь тепловой энергии в подающих линиях теплосети через изоляционные конструкции трубопроводов при неизменном режиме расхода теплоносителя в сети. Для обеспечения неизменного расхода теплоносителя анализ проводится в то время, когда фактически отсутствует влияние тепловых нагрузок горячего водоснабжения потребителей, т.е. между 23:00 и 05:00 часами суток.

На рис. 2 отражены контрольные точки измерения температуры теплоносителя в подающей линии теплосети, значения нормативной температуры теплоносителя на вводе объекта теплопотребления, а также фактические значения температуры теплоносителя. Потери тепловой энергии на участке теплосети между контрольными точками считаются сверхнормативными тогда, когда фактическая температура теплоносителя становится ниже нормируемого значения.

Для группировки множества полученных значений отклонений фактической температуры теплоносителя от ее нормируемого значения вводится безразмерный параметр φ, который показывает существенность отклонения температуры и определяется по формуле

где $t_{{{\text{тн}}{\text{.к}}}}^{{\text{ф}}}$ – фактическая температура теплоносителя в конце участка, °С; μ – коэффициент существенности отклонения, численно равный количеству градусов Цельсия, отклонение на которое принято считать существенным.

Коэффициент существенности отклонения – это нерасчетный параметр, он принимается опытным путем по результатам обследования рассматриваемых участков теплосети и исходя из рассчитанных значений отклонения температур теплоносителя $t_{{{\text{тн}}{\text{.к}}}}^{{\text{ф}}} - {{t}_{{{\text{тн}}{\text{.к}}}}}.$ С учетом принятого коэффициента существенности отклонения температуры теплоносителя от нормативного значения составлены группы состояний объекта (участка теплосети), представленные в табл. 3.

Блок № 4. Визуализация информации о точках образования сверхнормативных потерь тепловой энергии, показателей надежности теплоснабжения потребителей и проблемного участка теплосети.

Каждый объект в интерактивной карте должен отображаться в виде динамически изменяющегося цветного элемента, например:

для слоя t₁ по убыванию φ от черного до красного цвета;

для слоя t₂ по возрастанию φ от зеленого до желтого цвета.

Визуализация предусматривается на интерактивной карте района тепловых сетей с привязкой к объектам теплоснабжения.

Для персонала предприятия должна быть предусмотрена возможность работать в интерактивной карте г. Казань следующим образом: нажав курсором на необходимый элемент тепловой сети, получить необходимую информацию в текущем режиме как по нормативным, так и по фактическим параметрам теплоносителя на выбранных участках тепловой сети, собранным с контрольных приборов учета, которые установлены на коллекторах станций, на границах разделов теплопроводов, энергетических районов, кварталов и в тепловых камерах объектов.

Блок № 5. Архивирование данных и отчетность по участкам теплосети, где отслеживаются параметры теплоносителя во всех точках отпуска тепловой энергии потребителям.

Данный блок содержит статистику параметров теплоносителя, результаты их анализа и информацию о возникших состояниях в тепловых сетях и на объектах потребителей.

ВЫВОДЫ

1. Предлагаемый к внедрению программный продукт позволит на основании показаний приборов учета тепловой энергии у потребителей и на источнике тепловой энергии в режиме реального времени оперативно выявлять такие ненормативные условия эксплуатации, как увлажнение трубопроводов тепловой сети.

2. Разработанная методика дает возможность рассчитать нормативную температуру теплоносителя в трубопроводе участка тепловой сети для последующего ее сравнения с фактическим значением температуры теплоносителя по показаниям измерительных приборов.

3. Предлагаемый цифровой продукт позволяет своевременно выявлять места увлажнения тепловой изоляции и, соответственно, повышать надежность теплоснабжения потребителей. Также его можно использовать для подготовки предприятием тепловых сетей плана мероприятий по предотвращению нахождения трубопроводов в увлажненной среде и, как следствие, устранению факторов, провоцирующих внешнюю коррозию трубопроводов.