ТЭО СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

1.         ТЭО СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ.

 

Определение оптимальной мощности центрального теплового пункта.

С увеличением мощности ЦТП снижаются удельные затраты в источник теплоснабжения, но вместе с тем возрастают аналогичные затраты на тепловые сети за счет увеличения их средних диаметров и протяженности. Оптимальная мощность ЦТП (количество ЦТП в жилом массиве) определяют технико-экономическим расчетом.

Задача сводится к минимизации приведенных затрат по комплексу ЦТП – тепловые сети.

, (1.1.1)

где i=1,2…n варианты проектных решений с различным количеством ЦТП;

К_ТС и И_ТС – капитальные вложения и эксплуатационные расходы по системе теплоснабжения.

Задача решается методом вариантам расчетом с разным количеством ЦТП. Условие З=min соответствует оптимальное количество ЦТП, nopt →Gцтп. Капитальные вложения в систему теплоснабжения включают в себя сметную стоимость магистраль км, и распределим Кс , а также сметную стоимость Кцтп. Расходы на эксплуатацию системы теплоснабжения включает в себя отчисления на инновацию, на капитальные и текущие ремонты. Рр, Рк, Рт, Зп, У – расходы на управления , стоимость электроэнергии затрачиваемую на перекачку теплоноситель, стоимость тепло потерь трубопроводами.

В качестве первого приближения к аналитическому решению задачи, примем ряд допущений. Изменение мощности ЦТП (количество ЦТП) мало сказывается на затраты по магистральному транспорту теплоносителя. Изменяются в основном количество и суммарная протяженность ответвлений ЦТП. Практически не изменяется диаметр, протяженность по этому затраты в магистральный транспорт примем постоянный и исключим из целевой функции.

З=Е_н(Кцтп+Кс)+Ицтп+Ис (1.1.2)

Анализ источников показывает, что в общем случаи удельные капитальные вложения на единицу тепло мощности ЦТП и сети зависят от многих факторов в том числе от мощности ЦТП Q, от плотности теплопотребления в жилом массиве q, схемы теплоснабжения, способа прокладки теплопровода, характера застройки жилого массива, географического климата и другим условиям. Однако определяющую роль играет параметр Q, поэтому можно записать

 , (1.1.3)

где α и β – коэффициенты пропорциональности, численные значения которых зависят от схемы тепло снабжения и способа прокладки тепло провода.

 Распишем эксплутационные расходы

Ицтп=φцтп*Кцтп +З_п^цтп , (1.1.4)

Ис= φсКс+Э+Итр+З_п^с, (1.1.5)

где φ_цтп, φс – доля годовых отчислений на эксплуатацию ЦТП и распределения сети.

З_п^цтп=З_п^с – удельная стоимость обслуживания ЦТП и распределительных сетей.

Э и Итр – зависят от мощности Q и от плотности тепло потребления q, однако в общем объеме затрат, эти компоненты составляют вторую величину в порядки малости, примем их постоянными, также исключим из целевой функции, тогда окончательно функция затрат следующий вид:

(1.1.6)

Для нахождения минимума затрат дифференцируем последнее равенство и приравниваем к нулю.

(1.1.7)

Перепишем полученное выражение.

(1.1.8)

Умножим обе части выражения (1.8) на

(1.1.9)

откуда

(1.1.10)

После возведения в степень –1,52 находим

(1.1.11)

Уравнение (1.11) в силу принятых допущений носит весьма приближенный характер.

Определим оптимальную мощность центрального теплового пункта для жилого массива города.

1.   Плотность тепло потребления q =72,5 ГДж/(ч га).

2.   Потребители подключены к тепловой сети по зависимой схеме α=7,3.

3.   Прокладка теплопроводов канальная β=3,47.

4.   Годовые отчисления от капитальных вложений на эксплуатацию φцтп=4,553 1/год , φс=2,088 1/год.

5.   Коэффициент эффективности кап вложений Е_н=0,12 1/год.

В результате имеем

Выбор оптимальной удельной потери давления в трубопроводах тепловой сети.

Методику расчета задачи рассмотрим на примере транзитной тепловой сети. С увеличением удельной потери давления уменьшаются капитальные вложения в тепловую сеть потери тепла за счет уменьшения диаметров трубопроводов. В месте с тем возрастает расход электроэнергии на работу сетевых насосов.

Задача сводится к минимизации функции вида

З=(φ+Е_н)Ктс+Э+Итп , (1.2.1)

где Е_н – нормативный коэффициент эффективности кап вложений, равный 0,12 1/год;

Э – стоимость электроэнергии, расходуемой сетевыми насосами, руб/год;

Итп – годовая стоимость теплопотерь трубопроводами, руб/год;

Кт.с. – капитальные вложения в тепловую сеть, руб.

φ – доля годовых отчислений на реновацию, ремонты и обслуживание тепловой сети.

Капитальные вложения в тепловую сеть

Кт.с = ( а +в·d )l=a·l+b·d·l , (1.2.2.)

где а,в – стоимостные параметры 1 м тепловой сети;

l – длина тепловой сети, м;

d – диаметр тепловой сети, м.

Обозначим :

М= d · l, (1.2.3.)

где М – материальная характеристика тепловой сети, м².

Тогда уравнение (1.2.2.) примет вид:

 Кт.с. = a·l+b·M (1.2.4.)

С изменением удельной потери давления изменяется диаметр трубопровода и ее материальная характеристика.

К´т.с = в ·М  (1.2.5.)

Диаметр тепловой сети находится по формуле:

, (1.2.6.)

где К – коэффициент пропорциональности, численные значения которого определяются величиной абсолютной шероховатости внутренней поверхности трубопроводов;

G – расход теплоносителя, кг/с;

ρ - плотность теплоносителя, кг/м³;

∆P – потери давления в тепловой сети, Па.

Выразим потери давления в сети ∆P через удельную линейную потерю давления R и длину трубопровода l:

∆P = R · l · (1+m), (1.2.7.)

где m – доля потери давления в местных сопротивлениях тепловой сети:

m = Z, (1.2.8.)

где Z – коэффициент пропорциональности:

·         для водяных сетей Z=0,02;

·         для паровых сетей Z=0,1.

Тогда уравнение (1.2.6) примет следующий вид:

 (1.2.9.)

А материальная характеристика примет вид:

(1.2.10.)

Обозначим через М₀ материальную характеристику сети при некотором фиксированном значении удельной линейной потери давления R₀.

Согласно (1.2.10) можно записать при ρ₀=ρ

(1.2.11.)

Откуда

М=Мо (1.2.12.)

С учетом (1.2.5.) и (1.2.12) переменная часть капитальных вложений в тепловую сеть будет

К´т.с =в·Мо (1.2.13.)

Стоимость электроэнергии, затрачиваемой на перекачку теплоносителя равна:

 , (1.2.14.)

где τ – годовая продолжительность эксплуатации тепловой сети, ч/год;

η – КПД сетевых насосов;

С_з – районные замыкающие затраты на электроэнергию, руб/(Вт ч).

Найдем стоимость тепла, теряемого трубопроводами :

Итп=Зт·τ·k·π·М₀·(1+β) , (1.2.15.)

где Зт – районные замыкающие затраты на тепловую энергию, руб/Втч;

k – коэффициент теплопередачи трубопроводов тепловой сети, Вт/м²к. Определяется тепло техническим расчетом;

t - среднегодовая температура теплоносителя в трубопроводах, ºС;

t - средняя за период эксплуатации тепловой сети температура окружающей среды, ºС;

β – коэффициент, учитывающий теплопотери через неизолированные участки трубопровода.

Используя (1.2.1), (1.2.13), (1.2.14) и (1.2.15), запишем следующее выражение для целевой функции:

(1.2.16)

Для нахождения оптимальной величины удельной линейной потери давления продифференцируем функцию (1.2.16) и приравняем полученное выражение к нулю:

(1.2.17)

откуда после некоторых преобразований

R (1.2.18.)

где

 (1.2.19)

Методика экономического обоснования транзитной тепловой сети сводится к следующим этапам расчета. При заданной величине R₀ на основании гидравлического расчета определяется диаметр сети d₀ и ее материальная характеристика М₀. Затем выявляется оптимальное значение удельной линейной потери давления R_opt и повторным расчетом находится оптимальный диаметр d_opt.

 Методика расчета транзитного теплопровода применима и для тупиковой распределительной сети.

Оптимальное значение линейной потери давления на головной магистрали тепловой сети R_opt находится по уравнениям (1.2.18) и (1.2.19) с помощью подстановки:

;

где - суммарная протяженность участков головной магистрали, считая подающую и обратную линию теплопровода, м;

n – общее количество участков магистрали;

d_i,0 – диаметр i-го участка, рассчитанный при заданной величине удельной линейной потери давления R₀, м;

l_i - длина i-го участка, м.

G=55кг/с

l₁=650м l₂=550м l₃=750м

G=30кг/с

G=70кг/с

Рис 1. Расчетная схема тепловой сети.

Исходные данные.

1.         Доля годовых отчислений на реновацию, ремонт и обслуживание тепловой сети =0,075 1/год.

2.         КПД сетевых насосов η=0,6.

3.         Плотность теплоносителя ρ=970 кг/м³.

4.         Разность температуры =40 ºС.

5.         Годовая продолжительность эксплуатации тепловой сети τ=6000 ч/год.

6.         Удельная стоимость электроэнергии Сэ=58·10 руб/(Вт ч).

7.         Районные замыкающие затраты на тепловую энергию Зт=76·10 руб/(Вт ч).

8.         Стоимостной коэффициент в=3990 руб/м².

9.         Коэффициент теплопередачи трубопроводов тепловой сети К=1,25 Вт/м²к.

10.      Коэффициент учитывающий теплопотери через неизолированные участки трубопровода, β=0,2.

11.      Коэффициент эффективности капитальных вложений Е=0,12 1/год.

Общая длина магистрали.

l=l₁+l₂+l₃=650+550+750=1950 м.

Гидравлическим расчетом Rо=80 кПа , получим следующие диаметры сети по участкам: d1,0=377×9 мм, d2,0=273×7 мм, d3,0=194×5мм.

Материальная характеристика сети.

Мо=0,377·650+0,273·550+0,194·750=540,7 м².

Определим долю потери давления в местных сопротивлениях: m=Z

Определим оптимальное значение удельной линейной потери давления

R

Определение оптимальной толщины тепловой изоляции трубопроводов тепловой сети.

 

С увеличением толщины изоляции возрастают затраты в сооружение и эксплуатацию теплоизолированного трубопровода. Вместе с тем, снижается теплопотери, а значит и годовая стоимость теряемой теплоты.

Задача сводится к минимизации функции следующего вида:

З=(Е_н+φ)Киз+Итп , (1.3.1)

где Е_н – коэффициент эффективности кап вложений 1/год;

φ – доля годовых отчислений на эксплуатацию тепловой изоляции 1/год;

Киз – капитальные вложения в теплоизоляцию 1/год;

Итп – стоимость теплопотерь, руб/год.

Решение задачи рассмотрим на примере двухтрубного подземного теплопровода при бесканальной прокладке.

Капитальные вложения в тепловую изоляцию 1м двухтрубного теплопровода определяется по формуле:

 , (1.3.2)

где Сиз – удельная стоимость тепловой изоляции «в деле» , руб/год;

V_из – объем тепловой изоляции, м;

d – диаметр трубопровода, м;

δ_из – толщина тепловой изоляции, м.

Годовая стоимость тепла, теряемого теплопроводом, определяется по формуле

Ит.п = (qп + qо) τ Ст (1+β) , (1.3.3)

где qп , qо - удельные потери тепла 1 м подающего и обратного трубопроводов тепловой сети, Вт/м;

Ст – районные замыкающие затраты на тепловую энергию, руб/(Вт ч);

τ – годовая продолжительность эксплуатации тепловой сети, ч/год;

β - коэффициент, учитывающий теплопотери через не изолированные участки трубопровода.

Удельные теплопотери трубопроводами находятся

 , (1.3.4)

 , (1.3.5)

где ,-среднегодовая температура теплоносителя в подающей и обратной магистрали, ˚С;

- средняя температура грунта на глубите заложения трубопроводов, принимаются по климатическим справочникам - 5ºС;

Rп, Rо, - термическое сопротивления подающего и обратного трубопроводов тепловой сети, м К/Вт;

Rинт - дополнительное термическое сопротивление, учитывающее тепловую интерференцию теплопроводов, м К/Вт.

Термические сопротивления трубопроводов определяются по формулам:

 , (1.3.6)

, (1.3.7)

где ,  - теплопроводность теплоизоляции и грунта, Вт/(м К);

h – глубина заложения трубопровода , м;

s – шаг между трубами, м.

Подставляя вышеприведенные выражения в целевую функцию получим  (1.3.8)

Задаваясь рядом значений ₁,₂, …_n вычислим затраты З1, З2, …З_n . Условию З=min соответствует оптимальная толщина тепловой изоляции .

Определим оптимальную толщину тепловой изоляции 2х трубного теплопровода водяной теплосети при исходных данных:

1.      Прокладка трубопровода – бескональная.

2.      Тип тепловой изоляции – битумоперлит.

3.      Наружный диаметр трубопровода, dн = 0,219м.

4.      Глубина заложения трубопровода , м.

5.      Шаг между трубами,  ,м.

6.      Теплопроводность изоляции, λиз= 0,12 Вт/мк.

7.      Теплопроводность грунта, λгр=1,7 Вт/мк.

8.      средне годовая температура грунта , = 5ºС.

9.      Среднегодовая температура теплоносителя, =90, =50ºС.

10.   Годовое число часов работы тепловой сети , τ= 6000 ч/год.

11.   Удельная стоимость тепловой изоляцию, Сиз=1330 руб/м³.

12.   Удельная стоимость тепловой энергии, СТ=348·руб/(Вт ч).