О температурных графиках

А.И. Миргородский, ведущий инженер, ООО «Ивтеплоналадка», г. Иваново (приводится в сокращении. С полной версией статьи можно ознакомиться на сайте РосТепло.ру).

В статье обобщается информация из учебников и справочников по теплоснабжению и приводятся основополагающие данные для расчётов 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

Существует три основных способа регулирования тепловой нагрузки:

ü качественный – изменением температуры сетевой воды при постоянном её расходе;

ü количественный – изменением расхода сетевой воды при постоянной её температуре;

ü качественно-количественное – одновременное изменение температуры и расхода сетевой воды.

Для большинства источников тепловой энергии (а для некоторых и единственным) основным видом тепловой нагрузки является отопление. Доля других видов тепловой нагрузки, ГВС (средняя) и вентиляции в период отопительного сезона существенно ниже отопительной и, как правило, не превышает 30%. Поэтому, в основу центрального регулирования закладывается закон изменения отопительной нагрузки от температуры наружного воздуха – график качественного регулирования тепловой нагрузки по отоплению.

При наличии нагрузки ГВС 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». При включении подогревателей ГВС по последовательной схеме применяется график качественного регулирования по совмещённой 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.

Случаев применения количественного или качественно-количественного регулирования для теплоснабжения городов автору не известно.

Расчёт температурного графика качественного регулирования

Формулы расчёта температурного графика выводятся из совместного решения трёх уравнений теплопередачи.

Первое уравнение. Тепловой поток на компенсацию тепловых потерь зданием (теплопотери через ограждающие конструкции здания)

где t_вн – температура воздуха в отапливаемом здании, °С; t_н – температура наружного воздуха, °С; ∑(k_i ∙ F_i)_зд – сумма произведений коэффициентов теплопередачи отдельных ограждающих конструкций здания на их поверхности.

В безразмерном виде первое уравнение можно представить, как:

(2)

, (3)

где – относительная разность температур внутреннего и наружного воздуха.

Надстрочные индексы «р» здесь и далее обозначают значение при расчётной температуре наружного воздуха.

Второе уравнение. Тепловой поток, выделяемый нагревательными приборами

, (4)

где t₃ – температура теплоносителя на входе в отопительный прибор, °С; t₂ – то же на выходе, °С; ∑(k_i ∙ F_i)_пр – сумма произведений коэффициентов теплопередачи отдельных нагревательных приборов на их поверхности.

Коэффициент теплопередачи нагревательного прибора не является постоянной величиной и зависит от температурного напора отопительного прибора ∆t:

, (5)

, (6)

где А – постоянная, зависящая от типа прибора, места, способа установки и ряда других факторов; n – постоянная, также зависящая от типа нагревательного прибора. Для систем отопления, оборудованных наиболее распространёнными типами конвективно-излучающих нагревательных приборов, n = 0,25;

Комплекс ∑(k_i ∙ F_i)_пр также можно выразить через расчётные значения тепловой нагрузки и температурного напора:

, (7)

где ∆t р температурный напор отопительного прибора при расчётном режиме (при расчётной температуре наружного воздуха):

. (8)

В безразмерном виде второе уравнение теплового потока будет выглядеть следующим образом:

(9)

. (10)

Третье уравнение. Тепловой поток, сообщаемый теплоносителем нагревательным приборам:

где с – теплоёмкость теплоносителя, Вт/(м 3 ·°С); G – расход теплоносителя, м 3 ;
u – коэффициент смешения на тепловом узле; t₁ – температура теплоносителя до узла смешения, °С.

Коэффициент смешения рассчитывается по формуле:

. (13)

Расход теплоносителя G можно также выразить через расчетные значения тепловой нагрузки и разности температур теплоносителя:

(14)

, (15)

где g – относительный расход – параметр, характеризующий соответствие расхода теплоносителя при фактической температуре наружного воздуха расчётному значению. Для систем отопления с качественным регулированием значение параметра g = 1;
– расчётный перепад температур тепловой сети: ; – расчётный перепад температур теплоносителя в нагревательных приборах: .

В безразмерном виде третье уравнение теплового потока будет выглядеть следующим образом:

(16)

. (17)

Таким образом три уравнения теплового потока образуют систему уравнений:

. (18)

При решении системы уравнений относительно температур теплоносителя t₁, t₂ и t₃ получаются уравнения отопительного температурного графика качественного регулирования:

, (19)

, (20)

. (21)

Значения температур сетевой воды после смешения, t₃ ф , °С и обратной от систем отопления, t₂ ф , °С в диапазоне температур наружного воздуха, соответствующих спрямлению температурного графика на ГВС, а также «срезке» температурного графика:

, (22)

. (23)

Выбор температурного графика

Сразу нужно сделать оговорку: в данном разделе не будет описания выбора температурного графика для вновь строящихся (проектируемых) систем теплоснабжения. Речь пойдёт о выборе оптимального температурного графика.

В последние 5-7 лет на различных конференциях, форумах, посвящённых теплоснабжению, а также при обсуждении схем теплоснабжения перед их утверждением, РСО все чаще поднимают вопрос о «правильности» действующего в ТСО температурного графика и регулярно высказываются предложения по его снижению, вплоть до уровня 95/70°С. В качестве аргумента высказывается следующее: большинство действующих систем теплоснабжения спроектировано и построено еще в 60-70-е годы прошлого века, исходя из экономических особенностей того периода. Сейчас всё по-другому. Проверим, а по-другому ли на примере среднестатистической ТЭЦ.

Оптимальный температурный график – это такой график, при котором обеспечивается минимум затрат РСО на «доставку» 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. Также его расчёт входит в состав нормативных энергетических характеристик тепловых сетей, которые должны разрабатываться не реже чем 1 раз в 5 лет для каждой системы теплоснабжения с присоединённой 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 определяется составом основного оборудования.

Именно поэтому п. 7.2 Свода правил СП 124.13330.2012 «Тепловые сети. Актуализированная редакция СНиП 41-02-2003» требует проведения технико-экономических расчётов для выбора температурного графика.

Далее приведен расчёт расходов на транспорт (передачу) тепловой энергии для среднестатистической системы теплоснабжения от ТЭЦ. В основу расчёта приняты усреднённые данные из утверждённых 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 от ТЭЦ.

37 250

Показатель	Размерность	Значение
Расчётная температура наружного воздуха	°С	–32
Средняя продолжительность отопительного периода	час	5 222
Средняя протяжённость тепловых сетей на 100 Гкал/ч присоединённой тепловой нагрузки в 2-х трубном исчислении (без учёта сетей ГВС)	м
Средний по материальной характеристике диаметр трубопроводов тепловых сетей (без учёта сетей ГВС)	м	0,251
Напор сетевых насосов ТЭЦ / насосной станции	м. в.ст.	80/40
Величина расходов на топливо, отнесённых на 1 Гкал тепловой энергии, отпускаемой в виде воды от источника тепловой энергии	руб./Гкал без НДС	650
Тариф на электрическую энергию для собственных нужд ТЭЦ, без НДС	руб./кВт∙ч	1,2
Тариф на электрическую энергию при покупке из сети	руб./кВт∙ч без НДС	4,7

При расчёте сделаны следующие допущения:

1. Система теплоснабжения существующая: диаметры трубопроводов тепловых сетей приняты одинаковыми для всех температурных графиков;

2. Расчёт тепловых потерь выполнен по нормам плотности теплового потока для тепловой изоляции, спроектированной до 1989 г.;

3. При расчёте расхода электроэнергии на транспорт теплоносителя учтена одна насосная станция на одном из трубопроводов тепловой сети, через которую проходит половина от общего расхода сетевой воды;

4. Стоимость тепловых потерь определена по топливной составляющей тарифа;

5. Средние за отопительный период температуры теплоносителя определены для каждого температурного графика по фактическим среднесуточным температурам наружного воздуха за 2009-2017 гг.

Результаты расчёта стоимости транспорта тепловой энергии на 100 Гкал/ч присоединенной тепловой нагрузки для существующей системы теплоснабжения при различных температурных графиках представлены в табл. 2 и на рисунке.

Таблица 2. Расчёт стоимости транспорта тепловой энергии на 100 Гкал/ч присоединённой тепловой нагрузки для существующей системы теплоснабжения при различных температурных графиках

Составляющая расчёта	Температурный график
	95	105	115	125	130	135	140	145	150	155	160	170	180
Расход сетевой воды, т/ч	4 340	3 182	2 538	2 128	1 975	1 845	1 733	1 637	1 552	1 478	1 411	1 299	1 207
Средняя за ОЗП температура сетевой воды в подающем трубопроводе, °С	70,1	71,3	73,3	75,5	77,0	78,5	79,9	81,4	82,9	84,3	85,8	89,0	92,3
Средняя за ОЗП температура сетевой воды в обратном трубопроводе, °С	47,1	47,1	47,1	47,1	47,1	47,1	47,1	47,1	47,1	47,1	47,1	47,1	47,1
Потребление ЭЭ сетевыми насосами ТЭЦ, млн. кВт∙ч	8,61	6,31	5,04	4,22	3,92	3,66	3,44	3,25	3,08	2,93	2,80	2,58	2,39
Потребление ЭЭ насосами насосной станции, млн. кВт∙ч	2,15	1,58	1,26	1,06	0,98	0,92	0,86	0,81	0,77	0,73	0,70	0,64	0,60
Стоимость ЭЭ, млн руб. без НДС	20,5	15,0	12,0	10,0	9,3	8,7	8,2	7,7	7,3	7,0	6,7	6,1	5,7
Тепловые потери за ОЗП, тыс. Гкал	24,6	24,9	25,3	25,9	26,2	26,5	26,9	27,2	27,5	27,9	28,2	29,0	29,7
Стоимость ТП, млн руб. без НДС	16,0	16,2	16,5	16,8	17,0	17,2	17,5	17,7	17,9	18,1	18,3	18,8	19,3
Всего стоимость, млн руб. без НДС	36,46	31,18	28,43	26,84	26,33	25,94	25,63	25,40	25,22	25,08	24,99	24,94	25,00

Рисунок. Себестоимость транспорта тепловой энергии на 100 Гкал/ч присоединённой тепловой нагрузки.

Как видно из представленного графика совокупная стоимость транспорта тепловой энергии с ростом температурного графика снижается. При этом повышение температурного графика выше чем 150/70°С практически не влияет на стоимость транспорта.

Стоимость тепловых потерь (ТП) мало зависит от температурного графика вне зависимости от состояния и года проектирования тепловой изоляции. Наибольшее же влияние оказывает расход электроэнергии (ЭЭ) на перекачку теплоносителя.

Из результатов расчёта следует, что оптимальным температурным графиком регулирования тепловой нагрузки в большинстве случаев является график 150/70°С.

Литература

1. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети: Учебник для вузов. 7-е изд., стереот. М.: Издательство МЭИ, 2001. 472 с.: ил.

2. Манюк В.И. Наладка и эксплуатация водяных тепловых сетей. Справочник. 3-е изд., М.: Стройиздат, 1988. 432 с.: ил.

3. Утвержденные схемы теплоснабжения городов Владимир, Воронеж, Екатеринбург, Иваново, Ижевск, Казань, Киров, Москва, Нижний Новгород, Орёл, Оренбург, Пенза, Пермь, Самара, Саранск, Саратов, Тамбов, Тюмень, Челябинск.

4. Решения РСТ о утверждении тарифов на отпуск тепловой энергии с коллекторов источников тепловой энергии на 2018 год для ПАО «Квадра», ПАО «Мосэнерго», ПАО «Т Плюс», ПАО «Фортум».

А.И. Миргородский, О температурных графиках

Источник: Журнал «Новости теплоснабжения» №8 (216) 2018 г. , www.rosteplo.ru/nt/216

Коментарии

ВМС, РУП «Белнипиэнергопром» [ 15:12:51 / 26.12.2018]

1. А как же зависимость выработки электроэнергии на тепловом потреблении ТЭЦ от температурного графика? Выше температурный график меньше выработка электроэнергии на ТЭЦ.

Оставить комментарий

Тематические закладки (теги)

Тематические закладки — служат для сортировки и поиска материалов сайта по темам, которые задают пользователи сайта.