ГЛАВА 2. ОБЩАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНОГО СОСТАВА БАЗОВОГО И РЕЗЕРВНОГО КОТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ И РАЗМЕРОВ ТЕПЛОВОЙ СЕТИ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ МИНИМУМ СТОИМОСТИ ОТПУЩЕННОЙ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ЗА ВРЕМЯ ОТОПИТЕЛЬНОГО ПЕРИОДА И МИНИМУМ СРОКА ОКУПАЕМОСТИ ПРОВЕДЕННОЙ РЕКОНСТРУКЦИИ
Цель исследований, результаты которых приведены в настоящей главе - поставить задачу выбора оптимального состава базового и резервного оборудования котельной и оптимальных размеров основных элементов тепловой сети.
2.1. Выбор схемы исследуемой СТ с учетом требований реконструкции
Схема СТ, выбранная в качестве объекта исследований, приведена на рисунке 2.1 и практически соответствует фрагменту системы одного из типичных тепловых районов города Харькова. Рассматривается зависимая СТ. Путем несложных преобразований разработанная для этой схемы математическая модель функционирования может быть легко адаптирована для любой другой схемы теплоснабжения, в том числе независимой - при условии, что группа выбранных котлов работает на один коллектор. Как будет показано далее, для оценки целевой функции в задаче выбора оптимального состава оборудования возникает необходимость оценки расходов теплоносителя на входах в ТРС в зависимости от общего расхода на выходе из отопительной котельной. Это необходимо для оценки потерь на транспорт
теплоносителя. Для этого расход на Gтр распределяется между m тепловыми районами пропорционально тепловым нагрузкам следующим образом
Gтр,1 = Gтр ? , Gтр,2 = Gтр ? ,.. Gтр,j = Gтр ? , (2.1)
где:
Gтр, кг/с - расход теплоносителя на выходе из котельной;
Qр, МВт - максимальная тепловая нагрузка на котельную;
Gтр,j, кг/с - расход теплоносителя на входе в ТРС j-го теплового района;
Qр,j, МВт - максимальная тепловая нагрузка на j-й тепловой район.
Эта информация заносится в файл исходных данных и в дальнейшем используется для решения оптимизационных задач. Таким образом, количество тепловых районов в исследуемой схеме ограничивается только оперативной памятью компьютера и на практике может быть реализовано для любой СТ.
Далее рассмотрим некоторые особенности, связанные с подмешиванием теплоносителя из обратного трубопровода в прямой. Необходимость этого связана с тем, что котлы заново проектируемых котельных обычно работают на общий коллектор. Поэтому расход теплоносителя на выходе (без учета расхода подмешивания - Gп) может быть рассчитан по формуле
Gтр = - , (2.2)
где
Gi, кг/с - расход теплоносителя через i-й котел;
Gрц,i - ,кг-с - расход рециркуляции через i-й котел.
Однако в процессе эксплуатации котельной состав (и количество) включенных котлов изменяется от 1 до nо и, соответственно, изменяется расход теплоносителя в коллекторе Gтр.
В свою очередь, расход теплоносителя на тепловые районы ТР (, j=) задан и зафиксирован, так как в нашей задаче схема трасс теплопроводов и тепловые нагрузки на них уже выбраны. Отметим, что при подмешивании теплоносителя на котельной (рисунок 2.2.) Gтр,j = = Gр. Поэтому в данном случае возможны два пути обеспечения заданного расхода на тепловые районы. Первый из них (вариант А, рисунок 2.2, состоит в том, что теплоноситель подмешивается на котельной и его расход Gп определяется соотношением
Gп = - - , (2.3)
где
nо - количество задействованных котлов.
Второй подход (вариант В на рисунке 2.2) состоит в том, что теплоноситель подмешивается на ТРС. Тогда расход теплоносителя в ТС будет переменным, но расход на входе в тепловые районы зафиксирован и равен заданному. При этом
величина расхода подмешивания на каждой ТРС определяется с помощью соотношений
Gп,1 = - Gтр ? ,.. Gп,j = - Gтр ? , j=. (2.4)
В результате анализа работ [17, 18] можно сделать вывод, что для различных величин общей текущей нагрузки на котельную Qк рациональнее и экономически выгоднее использовать различные варианты - А или В. Однако технологически это трудно реализовать. Поэтому вариант схемы подмешивания (А или В), который принимается при решении оптимизационной задачи управления СТ, выбирается исходя из следующих положений:
- с одной стороны, вариант А (подмешивание на котельной) легче осуществить технически;
- с другой стороны, в большинстве случаев (в течение большей части отопительного сезона) вариант В обеспечивает более высокие экономические характеристики СТ в целом. Однако возникают трудности при обеспечении гидравлических режимов для переменных расходов в сети.
Исходя из этих положений, в каждом конкретном случае выбирается одна из двух возможных схем подмешивания.
2.2. Формализация и математическая постановка задачи
оптимального выбора типов котлов, их количества и основных размеров тепловых сетей при их реконструкции
Примем в качестве основных исходных данных:
- банк предлагаемого к использованию базового и резервного оборудования СТ с известными экономическими и техническими характеристиками (сюда входят банки котельных установок, трубопроводов и теплообменников);
- конфигурация тепловых трасс и места расположения котельной и ТРС, пьезометрический график ТС;
- величина максимальной тепловой нагрузки Qр на отопительную котельную;
- суммарная характеристика отапливаемых районов
Qк = Qот + Qгв = f(tнв), где Qк - текущая нагрузка на котельную, Qот - отопительная нагрузка, Qгв - нагрузка горячего водоснабжения, tнв - температура наружного воздуха;
- Qр,j, МВт - максимальные тепловые нагрузки на j-й тепловой район,, кг/с - расходы теплоносителя в j-м тепловом районе, j=;
- характеристики топлива (теплотворная способность) , МДж/;
- таблица, позволяющая оценить количество часов в течение отопительного сезона, соответствующее каждой заданной температуре наружного воздуха (таблица 2.1);
- стоимость электроэнергии Сэ, гривен/(кВт?час) и природн