Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури

Андрєєв Сергій Юрійович

УДК 697.34

РАЦІОНАЛЬНІ МЕТОДИ РЕКОНСТРУКЦІЇ МІСЬКИХ СИСТЕМ ТЕПЛОПОСТАЧАННЯ

05.23.03 - вентиляція, освітлення та теплогазопостачання

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Редько Олександр Федорович, Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, завідувач кафедри.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Іродов В’ячеслав Федорович, Дніпропетровський Національний університет, професор кафедри;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Роговий Михайло Іванович, Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного, Національна академія наук України.

Провідна установа: Національний технічний університет “ХПІ”, кафедра парогенераторобудування.

Міністерство освіти і науки України (м. Харків).

Захист дисертації відбудеться “ 10 ” березня 2004 р. о 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.056.03 у Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків., вул. Сумська, 40.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури.

Автореферат розісланий “ 5 ” лютого 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

к.т.н., професор М.І. Колотило

Актуальність роботи. Раціональне використання паливно-енергетичних ресурсів – один з найбільш важливих принципів економічної політики кожної держави, особливо в умовах нестачі власних енергоресурсів. Якщо врахувати, що багато елементів системи теплопостачання (СТ) знаходяться у стані, який вимагає термінової реконструкції, то надзвичайно актуальною стає вимога до забезпечення оптимальності цієї реконструкції, тобто до забезпечення максимального збільшення економічності за умов мінімальних капіталовкладень та умов зменшення терміну окупності.

Реконструкція відбувається при зафіксованих максимальному навантаженні на СТ, конфігурації трубопровідних систем, розташуванні опалювальних котелень (ОК) та ТРС (теплорозподільчих станцій). Оптимізуються: склад котельного обладнання, схеми насосного обладнання та установки теплообмінників на опалювальній котельній та на ТРС, діаметри трубопроводів та інше.

Розв’язанню саме цієї задачі присвячена дисертація, що визначає її актуальність. Розглядаються два варіанти реконструкції СТ, що найбільш часто зустрічаються. У першому варіанті (залежна система) потрібні зафіксовані витрати теплоносія у опалювальному районі (Gр, кг/с) підтримуються за рахунок установки відповідного насосного обладнання на ОК або на вході у тепловий район. У другому (незалежна система) – ця мета досягається шляхом створення двохконтурної незалежної системи теплопостачання з використанням теплообмінників. Витрати у зовнішньому контурі не змінюються, а у внутрішньому залежать від кількості ввімкнутих котлів.

Оскільки алгоритм обчислення цільової функції задачі оптимального проектування та реконструкції (економічна ефективність) достатньо складний, а кількість перемінних, що визначають схему та розміри СТ та оптимізуються, складає декілька десятків, задача оптимальної реконструкції СТ може бути реалізована тільки з використанням сучасних комп’ютерних технологій. Саме так задача розв’язується у цій дисертації.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана автором у 1997-2003 роках у відповідності з Держпрограмою Міністерства Освіти України “Енергоресурсозберігаючі технології раціонального використання палива у будівельному виробництві” д/б теми № 0045 і відповідає основним напрямкам наукової роботи кафедри ТГВ і ТВЕР ХДТУБіА.

Метою дослідження є зниження витрат на ОК та у теплових мережах (ТМ) шляхом вибору оптимального складу котлів, схем підмішування теплоносія у залежних СТ та схем підключення теплообмінників у незалежних СТ, а також оптимальних діаметрів трубопровідних мереж.

Задачі досліджень:

- вибір оптимального складу котлів, теплообмінників, трубопроводів та ін. з наявного банку даних, що забезпечить максимальне підвищення економічних характеристик СТ за умов мінімальних витрат на реконструкцію та визначення впливу різних факторів (геометричних та економічних) на вибір оптимальної конфігурації СТ при її реконструкції. Задача повинна розв’язуватись в умовах оптимального управління на протязі опалювального сезону;

- розробка експериментальних комплексів з метою натурних випробувань незалежних СТ с подальшою математичною обробкою отриманих результатів для використання їх у математичній моделі СТ;

- формалізація та математична постановка задачі раціонального проектування СТ різних типів, розробка математичних моделей об’єктів проектування та реконструкції (котельних, теплообмінників, ТМ та ін.), цільових функцій, систем обмежень та методів розшуку оптимальних рішень;

- розробка програмно-експериментальних обчислювальних комплексів (ПЕОК) з метою комп’ютерного забезпечення процесу проектування та реконструкції СТ.

Об’єкт дослідження: залежні та незалежні СТ міського типу.

Предмет дослідження: оптимальна реконструкція залежних та незалежних СТ.

Методи дослідження: методи системного аналізу, нелінійного математичного програмування, математичної обробки результатів натурного та чисельного експериментів.

Наукова новизна отриманих результатів роботи:

- розроблена методологія вибору раціонального шляху проектування і реконструкції СТ, що базується на забезпеченні мінімуму вартості відпущеної теплової енергії на протязі опалювального сезону і мінімуму строку окупності реконструкції, що була здійснена;

- на базі результатів чисельного і натурного експериментів розроблена єдина математична модель функціонування СТ, що дозволяє оцінити економічні характеристики СТ у залежності від її конфігурації і розмірів;

- формалізована і реалізована методами нелінійного математичного програмування (НМП) задача пошуку оптимальних розмірів теплової мережі і раціонального складу котельного устаткування, теплообмінників і інших елементів СТ, що забезпечують мінімум вартості відпущеної теплової енергії на протязі опалювального сезону і мінімум строку окупності реконструкції, що була здійснена;

- проведена структуризація загальної оптимізаційної задачі на базі основних положень системного аналізу. Створено структуру локальних взаємозалежних оптимізаційних задач, зв’язаних з оцінкою оптимальних розмірів різних елементів СТ, що дозволило різко скоротити час рішення загальної оптимізаційної задачі;

- результати теоретичних і практичних досліджень, отриманих у дисертаційній роботі, дозволили запропонувати методи і залежності для розв’язання задачі оптимальної реконструкції. З їхньою допомогою обраний раціональний склад СТ, тобто знайдені значення величини діаметрів трубопроводів, типи котлів і їхня кількість, типи теплообмінників і місце установки (на котельній чи ТРС), схеми підмішування теплоносія та ін.

Практичне значення отриманих результатів:

- на базі діючої котельної розроблено натурний експериментальний стенд та проведені експериментальні дослідження, що дали можливість розробити уточнену математичну модель СТ незалежного типу;

- розроблено та апробовано ПЕОК, адаптований до IBM PC/AT, який призначено для вибору оптимальних складу котельного обладнання, діаметрів трубопроводів та теплових схем СТ під час їх реконструкції.

Особистий внесок здобувача:

- розроблено ПЕОК для комп’ютерного забезпечення оптимального проектування та реконструкції СТ;

- розроблено та налагоджено натурний експериментальний стенд та проведено дослідження, які дозволили створити математичну модель функціонування незалежної СТ для розв’язання задачі її оптимальної реконструкції;

- проаналізовано результати дослідження впливу різних факторів на вибір рішення задачі оптимального проектування та реконструкції СТ.

На захист виносяться:

- інформаційні системи оптимального проектування та реконструкції СТ;

- результати оптимального проектування та реконструкції СТ за допомогою ПК.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідались на науково-технічних конференціях ХДТУБіА
(м. Харків, квітень 2000 р. - 2003 р.), та на міжнародній науково-технічній конференції “Удосконалення турбоустановок засобами математичного та фізичного моделювання” НАН України, 2003 р., Харків.

Публікації. За темою дисертаційної роботи надруковано 7 наукових робіт у фахових виданнях країни та два авторських свідоцтва.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох глав, висновків, списку використаних джерел з 118 найменувань та додатків на 2 сторінках. Робота вміщує 111 сторінок машинописного тексту, 50 рисунків, 26 таблиць, всього 161 сторінку.

Основний зміст роботи

У вступові обгрунтовано актуальність теми, доведені мета та основні завдання досліджень, охарактеризовані новизна, теоретична та практична цінність отриманих результатів, доведені дані про апробацію та публікацію основних наукових положень, які вміщує дисертація.

У першій главі розглянуті основні напрямки сучасних досліджень у галузі раціонального проектування СТ. Ці питання розглядались у роботах Хрильова Л.С., Смірнова І.Л.,
Соколова Є.Я., Федорова О. П., Чистовича С.А., Юфа Ф.І. та інші. Після огляду цих робіт та критичного аналізу сучасного стану проблеми було сформовано склад основних завдань, які необхідно розв’язати для розкриття теми дисертації.

Так, власно, було показано, що головною вимогою під час постановки завдання оптимального проектування та реконструкції СТ є забезпечення енергетичної порівнянності усіх варіантів, що порівнюються, тобто для кожного варіанту, що порівнюється, приймається, що СТ експлуатується на оптимальних режимах під час всього опалювального сезону. У такій постановці задача раціональної реконструкції СТ у повному обсязі була розв’язана вперше. З урахуванням цього формальна постановка задачі оптимального проектування СТ може бути представлена наступним чином.

За заданих загальної схеми СТ (рисунок 1), сумарного розходу теплоносія у всіх m теплових районах , максимального навантаження на котельну Qр, МВт, та на кожний тепловий район Qр,j, МВт, j = , m=6, знайти: оптимальний склад основних та резервних котлів i, діаметрів rк (з банку даних, який пропонується)
трубопроводів, а також оптимальну схему установки насосного обладнання і теплообмінників на ОК та ТРС при реконструкції СТ, що забезпечать мінімум цільової функції З, яка визначає вартість 1 МДж виробленої теплової енергії у СТ на протязі опалювального сезону або мінімум терміну окупності (Ток). Тут індекс “r” визначає номер типорозміру трубопроводу у банку даних, якому відповідають діаметри:

r = 1, d1 = 0,057 м; r = 2, d2 = 0,089 м; … r = 20, d20 = 1,22 м;

Зауважимо, що мережі, які обслуговують ТРС №1 не реконструювались, тому не входять до складу оптимізаційної задачі.

З метою прискорення пошуку оптимального рішення було проведено структуризацію загальної оптимізаційної задачі на низку локальних взаємопов’язаних задач на різних ієрархічних рівнях, що дозволило послідовно розшукувати оптимальні значення rк, Sк та i.

У другій главі загальна задача розглядається більш докладно. Так, власно, математичну постановку задачі сформульовано наступним чином. Знайти

, (2)

де

g – кількість типорозмірів труб у банку даних;

к – номер трубопроводу (схема на рисунку 1);

l – кількість ліній трубопроводу;

Sк – кількість ниток у к-й лінії трубопроводу;

i – номер котла з банку даних;

n – кількість котлів у банку даних.

У першу чергу необхідно розробити таку цільову функцію, що відповідала б оптимальним режимам експлуатації СТ на протязі опалювального сезону. У зв’язку з цим як цільові функції приймались , , де

= Н1/, =З/; (3)

Н1 = Ит+Иг+Ид, З = Н1 + Ио + К/Т; (4)

Ит, Иг, Ид, гривень/рік - річні витрати (теплові, гідравлічні та на роботу дуттьових вентиляторів) у коштовному вимірі;

Ио, гривень/рік- річні витрати на обслуговування СТ;

К, гривень – капіталовкладення;

Т, років – термін, на якому розглядається річна вартість одного виробленого МДж енергії;

, МДж/рік – кількість теплоти, що виробляється за рік.

Величина Ио визначається за допомогою нормативних залежностей як функція від потужності обладнання, що встановлено на котельній, та довжини мережі.

Під час обчислення сумарних втрат Н1 необхідно дотримуватись вимоги щодо забезпечення оптимальних режимів експлуатації за різних поточних значень теплового навантаження на котельню Qк, МВт. Для цього використовується статистична інформація, яка надана у таблиці 1. Там приведено часові інтервали z, що відповідають значенням температур навколишнього повітря tнв,z, C, тобто тепловому навантаженню на котельну Qк,z, МВт, z = . Значення Qк,z для кожної температури tнв,z обчислюється відповідно до заданого температурного графіка.

Таблиця 1

Залежність z, Qк,z та z,min від tнв,z, С

tнв,z, С | - 25 | - 20 | - 15 | - 10 | - 5 | 0 | 8

z,часов | 47 | 125 | 246 | 487 | 829 | 1299 | 1887

Qк,z, МВт | 347 | 307,9 | 267,8 | 228,3 | 188,7 | 149,1 | 70

1,min | 2,min | 3,min | 4,min | 5,min | 6,min | 7,min

Далі, для кожного Qк,z розв’язується задача оптимального управління, пов’язана з вибором оптимального розподілу загального навантаження на котельну Qк поміж окремими котлами, наприклад, чотирма (Q1, Q2, Q3, Q4). Її математична постановка виглядає наступним чином.

Знайти

, (5)

де область визначається співвідношенням

Q1 + Q2 + Q3 + Q4 = Qк,z, (6)

, гривень/МДж – ціна 1 МДж теплової енергії, що було вироблено за період z, z = . При розробці алгоритму розв’язання цієї задачі були використані роботи Федорова О.П.

Таким чином, для кожної величини поточного навантаження Qк,z, МВт обчислюються . Тоді втрати за опалювальний сезон складатимуть

Н1 = Qк,113600 + … + Qк,773600. (7)

Аналогічно обчислюється .

Тепер, коли визначено цільову функцію Н1, а далі і З, можна приступити до розв’язання задачі оптимального проектування СТ, для чого було розроблено спеціальний програмний комплекс.

У третій главі розв’язується саме ця задача. Розглядається залежна СТ (рисунок 1), витрати теплоносія на рециркуляцію регулюється або дроселюванням, або з використанням тиристорних систем. В останньому випадку витрати на перекачування теплоносія у системі зменшуються. В зв’язку з тим, що в роботі розглядаються в основному задачі оптимальної реконструкції, конфігурація трубопроводної системи залишається незмінною. Оптимізуються: склад котельного обладнання, схеми установки насосного обладнання на котельній та ТРС, діаметри труб теплової мережі та ін. Основні початкові дані для розв’язання цієї задачі:

- банки даних базового та резервного обладнання СТ (банки котельних установок, трубопроводів, теплообмінників та ін.), що пропонується до встановлення, для якого відомі економічні та технічні характеристики;

- конфігурація теплових трас, місця встановлення котельних та ТРС (схема на рисунку 1);

- максимальна величина теплового навантаження на котельну Qр та на i-й котел Qі,max, МВт;

- сумарна температурна характеристика теплових районів
Qк = Qк(tнв), МВт;

- Qр,j, МВт та Gтр,j, кг/с – максимальні теплове навантаження та витрати теплоносія у j-му тепловому районі, j =;

- статистична інформація щодо температури навколишнього середовища та теплового навантаження на протязі опалювального сезону (таблиця 1).

Як приклад, розглядається котельна, що складається з чотирьох котлів ПТВМ-100.

На першому рівні розв’язується задача вибору оптимальних значень rк, к = . Інші перемінні, що оптимізуються (Sк, i), задано та зафіксовано. Математична постановка цієї задачі виглядає наступним чином.

Знайти

min(rк), к = . (8)

Оптимальні значення rк = rк,опт розшукуються методом покоординатного спуску. Рішення цієї задачі за умов підмішування теплоносія на котельній, що забезпечує задані витрати теплоносія у теплових районах, надані у таблиці 2 для
к = 1,3,5,7,9. З цієї таблиці витікає, що річна економія від прийняття оптимальних значень rк,опт замість rкн, що обрані за нормативними положеннями, складає близько 540 тис.гривень/рік.

Треба підкреслити, що остаточно оптимальні значення
rк = rкопт обираються після аналізу величин втрат у системі Н1 у місцевості мінімуму цільової функції (графіки на рисунку 2 для трубопроводу к=2). При цьому, якщо у місцевості мінімуму спостерігається суттєве падіння з ростом rк, то слід приймати компромісне рішення, що допускає ріст або зменшення rк,опт у межах, що дозволені терміном окупності модернізації трубопровідної системи та вартістю капіталовкладень.

Велика кількість перемінних (к = 10) у оптимізаційній задачі, що розглядається, дуже подовжує час її розв’язання. Тому було проведено додаткові дослідження для різних схем СТ, метою яких було зниження розмірності оптимізаційної задачі. Ці дослідження визначили, що для оптимального варіанту середня швидкість теплоносія у всіх к трубопроводах , м/с, близька до постійної.

Таблиця 2

Залежності Н1 гривень/рік від rк

Підмішування | На котельній | На ТРС

1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8

к | rкн | Vкн | rк,опт | Vк,опт | r'к,опт | rк,опт | Vк,опт

1 | 16 | 2,7 | 20 | 1,22 | 21 | 17 | 1,62

3 | 11 | 2,1 | 14 | 0,99 | 14 | 11 | 1,58

5 | 9 | 1,8 | 12 | 0,8 | 11 | 9 | 1,37

7 | 14 | 2,4 | 17 | 1,14 | 17 | 15 | 1,4

9 | 12 | 1,9 | 14 | 1,11 | 14 | 12 | 1,56

H1, грн/рік | 2793901 | 2251101 | 2200397

Так, у випадку, що розглядався, ця швидкість була близька до 1 м/с (таблиця 2). З урахуванням цього оптимізаційна задача може бути поставлена наступним чином.

Знайти

min (). (9)

При розв’язанні цієї задачі для заданої величини знаходимо такі типорозміри величини діаметрів трубопроводів rк, к = , що забезпечать максимальне наближення швидкості теплоносія у них до . Далі обчислюємо величину цільової функції та шляхом варіювання знаходимо таке значення цієї величині, що забезпечить мінімум . Потім виявляємо r'к,опт, що відповідає цьому мінімуму (таблиця 2, стовпець 6). Вони практично співпадають з rк,опт, що отримані в результаті реалізації оптимізаційної задачі (2), але час розв’язання задачі суттєво зменшається.

Усі доведені вище дослідження стосуються СТ з підмішуванням теплоносія на котельній. Аналогічним чином досліджувались СТ з підмішуванням теплоносія на ТРС. У цьому випадку витрати теплоносія у тепловій мережі є змінною величиною та залежать від складу котлів, що ввімкнуті.

Порівняння результатів досліджень свідчить (таблиця 2), що величини оптимальних діаметрів трубопроводів для схеми з підмішуванням теплоносія на ТРС приблизно на 2 3 типорозміри менше, ніж для схеми з підмішуванням на котельній, а сумарні річні втрати у СТ відповідно менше на 50 тис. гривень/рік за рахунок зменшення витрат у тепловій мережі в умовах вибору оптимальних діаметрів трубопроводів під час реконструкції.

Таким чином є очевидним, що з точки зору економічності більш раціональною при реконструкції є схема з установкою насосного обладнання на ТРС.

На другому рівні розв’язується задача вибору оптимальної кількості ниток трубопровідної системи, тобто Sк, к = . Сумарні річні втрати , гривень/рік, для варіанта Sк = 2 нижче, ніж для Sк = 1. Однак, приймаючи до уваги істотне збільшення капіталовкладень за умов побудови другої нити трубопроводу, остаточний вибір варіанту схеми залежить від низки додаткових міркувань. Так, якщо існує необхідність уведення резервної нитки то варіант Sк = 2 є більш вигідним, якщо друга нитка буде експлуатуватися не тільки у аварійних умовах, але і за штатних режимах.

Та, наприкінці, на третьому рівні розв’язується задача вибору оптимального складу котлів на котельній з запропонованого банку даних, до якого включено котли ПТВМ-100, ПТВМ-50, КБН-Г-2,5 та ін. Оптимальний склад котлів обирається перебором за умов виконання наступних обмежень

> Qp, , (10)

де Gi, кг/с – витрати через i-й котел;

no – кількість встановлених котлів.

Оптимальнім є наступний склад котлів: ПТВМ-100 та 4 котли ПТВМ-50. Для цього варіанту сумарні річні втрати Н1 менше (у порівнянні з випадком встановлення на котельній чотирьох котлів ПТВМ-100) на 0,4 млн. гривень за рік. Такий ефект досягається шляхом більш плавного регулювання відпуску теплоти, що дозволяє забезпечити роботу котлів у більш ефективних режимах. Показано, що з цієї ж причини використання резервних котлів у режимі штатної (а не тільки аварійної) експлуатації також дає значний економічний ефект. Так, наприклад, використання резервного котла ПТВМ-100 за підвищених навантажень на котельну (на якій працюють 3 котли ПТВМ-100 та один резервний) дозволяє отримати річний економічний ефект 180 тис. гривень.

Також було досліджено аналогічні оптимізаційні задачі на трьох рівнях для цільової функції Ток – термін окупності.

У четвертій главі розв’язуються задачі оптимального проектування та реконструкції незалежної СТ, схема якої надана на рисунку 3. Було розглянуто два альтернативні варіанти схеми: варіант А – з теплообмінниками на котельній; варіант В – з теплообмінниками на ТРС. Для обох варіантів було розв’язано серію оптимізаційних задач, пов’язаних з реконструкцією СТ, що подібні до задач, описаних у главі 3 для залежної СТ, а їх розв’язання дозволило обрати оптимальну схему підключення теплообмінників, оптимальні діаметри труб теплової мережі та ін. З метою успішного розв’язання цих задач було проведено корекцію математичної моделі функціонування незалежної системи теплопостачання. Так, власно, для визначення теплових втрат у контурі I (рисунок 3) та втрат з вихідними газами було використано температуру t2к, t1к замість t2, t1, як раніше у випадку незалежної СТ. Величини t2к та t1к для різних значень навантаження на котельну (для варіанту А) визначались експериментально на натурному експериментальному стенді, схема якого надана на рисунку 3. Усі прилади цього стенду пройшли випробування на спеціальному стенді фірми Danfoss.

Результати експериментальних досліджень апроксимуються залежностями t2к = t2к(Qк) та t1к = t1к(Qк), які потрібні для формування математичної моделі незалежної СТ з метою обчислення теплових втрат у контурі I та втрат з вихідними газами. Аналогічні дослідження схеми з теплообмінниками на ТРС було проведено на спеціальному стенді [3].

Після корегування математичної моделі незалежної СТ були проведені дослідження, деякі результати яких надані нижче. Так, на рисунку 4 надано залежності оптимальних типорозмірів труб rк,опт для к трубопроводів від розходу Gк у кожному з них (теплообмінники установлені на котельній).

З’ясувалося, що незалежно від терміну експлуатації теплообмінників (початок або закінчення опалювального сезону) оптимальні типорозміри труб rк = rк,опт, к = , залишались незмінними. Але при цьому величини rк = rк,опт для схеми з теплообмінниками, що встановлені на котельній на один типорозмір більше, ніж для схеми з теплообмінниками на ТРС (таблиця 3).

Таблиця 3

Оптимальні типорозміри труб rк,опт

к | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9

котельна | rк,опт | 9 | 7 | 4 | 6 | 7 | 5 | 6 | 5 | 4

ТРС | rк,опт | 8 | 6 | 3 | 6 | 6 | 4 | 5 | 4 | 3

Тому капіталовкладення для варіанту В зменшуються на 20%. Економічна ефективність (за опалювальний сезон) при цьому незначно збільшується за рахунок вибору оптимальних діаметрів.

Як правило, поведінка цільової функції навколо точки оптимуму розмірів, що розшукуються, носить вкрай положистий характер. Тому остаточне рішення, звичайно, не строго оптимально, а квазіоптимально, і обирається в місцевості мінімуму цільової функції виходячи з різних додаткових факторів, таких, як економічна ефективність, технологічність, розміри разових капіталовкладень, спроможність забезпечити заданий гідравлічний режим та ін.

Висновки

1. Обгрунтовано актуальність і економічну ефективність і розроблена методика оптимального проектування під час реконструкції систем теплопостачання (СТ) залежного і незалежного типу, що містять у собі котельне устаткування, теплообмінники, трубопроводи, ТРС та ін. Помітна економія паливно-енергетичних ресурсів досягається за рахунок вибору оптимальної конфігурації СТ (котельного устаткування, теплових мереж та ін.)

2. Задача оптимального проектування СТ у процесі її реконструкції сформульована, поставлена і реалізована як задача нелінійного математичного програмування. Структуризація цієї задачі дозволила різко скоротити час її розв’язання.

3. Показано, що під час оптимальної реконструкції найбільш ефективно приймати як цільову функцію вартість одиниці теплової енергії, що була вироблена протягом опалювального сезону або за обраний період часу. Також показано, що при реконструкції повинна бути забезпечена енергетична порівнянність усіх порівнюваних варіантів, тобто кожен варіант проекту розглядається для ряду заданих навантажень на котельню, що відповідають різним температурам зовнішнього повітря на протязі опалювального сезону. Для кожного навантаження розв’язується задача оптимального управління котельною з цільовою функцією, яка визначає втрати в системі на даний момент часу, що відповідає температурі зовнішнього повітря. Потім усі втрати для різних температур зовнішнього повітря складаються і вибирається варіант проекту, при якому сумарні втрати мінімальні.

4. Експериментальні дослідження режимних параметрів на розробленому автором натурному стенді дозволили адаптувати загальну математичну модель системи теплопостачання до моделі незалежного типу шляхом обробки результатів випробувань з використанням методів планування експерименту.

5. Показано, що за значних навантажень на опалювальну котельню використання резервних котлів у штатних (не аварійних) ситуаціях приводить до істотного росту економічної ефективності СТ у цілому за час опалювального періоду.

6. Показано, що оптимальному питомому лінійному падінню тиску в кожному трубопроводі, що забезпечує мінімум сумарних втрат у СТ за період опалювального сезону, відповідають однакові швидкості в кожному трубопроводі. Це справедливо як для залежної, так і для незалежної схем СТ. Наприклад, для розглянутої залежної СТ із підмішуванням теплоносія на котельні 1 м/с, а для залежної СТ із підмішуванням на ТРС 1,5 м/с. Цей висновок дозволяє різко знизити розмірність задачі пошуку оптимальних значень діаметрів труб на різних ділянках (під час реконструкції) , звівши її до пошуку оптимальних значень .

7. Показано, що в СТ залежного типу, що реконструюється, при підмішуванні теплоносія на ТРС у порівнянні з підмішуванням на котельні сумарні втрати в СТ за час опалювального сезону зменшуються, як і разові капіталовкладення на будівництво трубопроводів. Аналогічні висновки стосуються також системи незалежного типу.

8. Показано, що використання при реконструкції двонитяних трубопроводів призводить до падіння втрат у СТ за період опалювального сезону в порівнянні з однонитяними трубопроводами. Однак при цьому при реконструкції зростають разові капіталовкладення і остаточне рішення про перевагу двонитяного трубопроводу приймається з урахуванням додаткових факторів, таких як надійність системи (у випадку пориву однієї з ниток), фінансовий стан підприємства, необхідність кільцювання мереж та ін..

9. Показано, що, як правило, поведінка цільової функції навколо точки оптимуму розмірів, що розшукуються, носить вкрай положистий характер. Тому остаточне рішення зазвичай не строго оптимально, а квазіоптимально, і обирається в околиці мінімуму цільової функції, виходячи з різних додаткових міркувань економічної ефективності, технологічності та ін.

10. Річний економічний ефект від впровадження системи оптимальної реконструкції проектування складає 250 тисяч гривень.

Основні праці по темі дисертації

1. Андреев С.Ю. Выбор оптимальных диаметров трубопроводов тепловых сетей при их реконструкции: Науковий вісник будівництва: Харків.- ХДТУБіА, ХОТВАБУ.- № 9, 2000.- С. 195-198.

2. Андреев С.Ю. Выбор оптимальных толщин изоляции трубопроводов тепловых сетей при их реконструкции.- Коммунальное хозяйство городов: Респ. межвед. научн.- тех. сб.- К.: Техніка. - № 23, 2000.- С. 150-153.

3. Федоров А.П., Андреев С.Ю. Оптимальное управление отопительной системой независимого типа // Науковий вісник будівництва.- Харків: ХДТУБіА, ХОТВАБУ. - № 10, 2000.-
С. 120- 123.

4. Андреев С.Ю. Рациональные методы реконструкции городских систем теплоснабжения.- Коммунальное хозяйство городов: Респ. межвед. научн.- тех. сб.- К.: Техніка. - № 27, 2001.- С. 216-222.

5. Стоянов Ф.А., Андреев С.Ю. Выбор оптимальной скорости теплоносителя в трубопроводах зависимой отопительной системы // Науковий вісник будівництва.- Харків: ХДТУБіА, ХОТВАБУ. - № 18, 2002.- С. 169- 175.

6. Стоянов Ф.А., Андреев С.Ю. Выбор оптимальных диаметров трубопроводов в отопительных системах различных типов.- Коммунальное хозяйство городов: Респ. межвед. научн.- тех. сб.- К.: Техніка. - № 42, 2002.- С. 121-126.

7. Андреев С.Ю., Редько А.Ф. Рациональный выбор оборудования систем теплоснабжения // Пробл. машиностроения.- 2003.- Вып. 2.- С 531-533.

8. Андреев С.Ю. и др. Авторское свидетельство СССР № 1125713, 1984.

9. Андреев С.Ю. и др. Авторское свидетельство СССР № 1309305, 1987.

Анотація

Андрєєв С.Ю. Раціональні методи реконструкції міських систем теплопостачання. Дисертація є рукописом на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.03 - Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання. Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, Харків, 2001.

Дисертація присвячена актуальній проблемі зниження витрат паливно-енергетичних ресурсів у залежних та незалежних системах теплопостачання (СТ) міського типу. Метою дисертаційних досліджень є вибір оптимального складу котлів, теплообмінників та трубопроводів з наявного банку даних, а також оптимальних схем підмішування теплоносія у залежних СТ та схем підключення теплообмінників у незалежних. Впроваджені дослідження свідчать, що для залежної схеми за умови підмішування теплоносія на теплорозподільчій станції діаметри труб теплової мережі на 23 типорозміри менше, ніж при підмішуванні на котельній, що на 3040 % скорочує разові капіталовкладення у реконструкцію. При цьому річні втрати в СТ для першого варіанту на 3% менше, ніж для другого.

Ключові слова: оптимальне проектування та реконструкція, опалювальна система, опалювальна котельна, теплорозподільча станція.

Аннотация

Андреев С.Ю. Рациональные методы реконструкции городских систем теплоснабжения. Диссертация является рукописью на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.03 - Вентиляция, освещение и теплогазоснабжение. Харьковский государственный технический университет строительства и архитектуры, Харьков, 2001.

Диссертация посвящена актуальной проблеме снижения затрат топливно-энергетических ресурсов в системах теплоснабжения (СТ) городского типа. Наиболее часто применяются два варианта схем СТ. В первом варианте схемы (зависимая система) необходимый зафиксированный расход теплоносителя в отапливаемых районах достигается путем подмешивания теплоносителя в прямую линию трубопровода из обратной на котельной или теплораспределительной станции (ТРС). Во втором варианте этот расход обеспечивается путем создания независимой двухконтурной системы теплоснабжения с применением теплообменников. Расход во внешнем контуре постоянен, а во внутреннем зависит от количества работающих котлов.

В результате проведенных исследований задача оптимальной реконструкции зависимых и независимых СТ была поставлена и реализована как задача нелинейного математического программирования. Математические модели процессов, протекающих в исследуемых СТ, были сформированы на базе математических методов обработки результатов числового и натурного экспериментов. При их создании соблюдалось основное положение системного подхода: обеспечивалась энергетическая сопоставимость сравниваемых вариантов, среди которых отыскивалось оптимальное решение, то есть оптимальные режимы эксплуатации СТ в течение отопительного сезона.

В результате проведенных исследований выбирается оптимальный состав котлов, теплообменников, трубопроводов и др. оборудования из имеющегося в наличии банка данных, обеспечивающего наилучшие экономические характеристики СТ при условии минимальных затрат на реконструкцию.

Для решения указанных выше задач оптимальной реконструкции был разработан программный экспериментально-вычислительный комплекс. Результаты решения показали, что оптимальные диаметры труб для рассматриваемых вариантов тепловой сети отвечают одинаковым величинам средней скорости теплоносителя , м/с. Для рассмотренных вариантов СТ =11,5 м/с.

Показано также, что для зависимой схемы при подмешивании теплоносителя на ТРС диаметры труб тепловой сети на
23 типоразмера меньше, чем при подмешивании на котельной, что позволяет существенно (на 3040 %) уменьшить разовые капиталовложения. При этом годовые затраты в СТ для первого варианта примерно на 3 % меньше, чем для второго.

В работе проанализированы различные варианты схем СТ зависимого и независимого типа и показано, что с точки зрения экономичности наиболее рационально применение следующих схем: для зависимой СТ – с подмешиванием на ТРС; для независимых – с подключением теплообменников на ТРС.

Ключевые слова: оптимальное проектирование и реконструкция, отопительная система, отопительная котельная, теплораспределительная станция.

Summary

Andreyev Sergey. Rational methods of urban heating systems reconstruction. The present thesis is a manuscript to complete for earning a candidate of technical science, the specialty 05.23.03 - Air-conditioning, lighting, heat and gas supply. The Kharkiv State Technical University of building and architecture, Kharkiv, 2001.

The thesis concerns as relevant problem as energy resources consumption reduction for dependent and independent urban heating schemes. The purposes of investigations are to compose optimal boiler, heat exchanger, pipe sets from available data bank and also to choose optimal shunt system for dependent heating scheme and the point of heat exchanger attachment for independent one. Obtained results demonstrate that for dependent heating scheme providing heat carrier re-entry point being at the heating transfer station the pipes diameters are 2-3 standard sizes down on the same scheme with re-entry point being at the boiler plant. It allows to reduce initial capital costs of reconstruction by 3040 % . For first case the capital costs per annum are 3 % down on the second one.

Keywords: optimum design and reconstruction, heating system, heating boiler plant, heating transfer station.