Повышение эффективности использования теплоисточников в системе централизованного теплоснабжения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.04, кандидат технических наук Лукьянов, Андрей Геннадьевич

• Лукьянов, Андрей Геннадьевич
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Лукьянов, Андрей Геннадьевич

Введение.

1. К исследованию основных направлений в области оптимального использования теплоисточников в системе централизованного теплоснабжения крупных городов.

1.1. Краткая характеристика основных элементов системы теплоснабжения. ф 1.2. Технико-экономическая эффективность системы теплоснабжения.

1.3. Пути повышения эффективности работы системы централизованного теплоснабжения.

2. Теплоисточники, как элементы системы централизованного теплоснабжения крупного города. Оценка затрат на топливо при различных способах их загрузки. Зона эффективного действия ТЭЦ.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Математическая модель ТЭЦ для оценки технически достижимой экономичности ее работы (на примере Омской ТЭЦ-5).

2.2.1. Выбор параметров оптимизации.

2.2.2. Общий подход к формулировке математической модели

2.2.3. Методика решения предложенной математической модели.

2.2.4. Математическая модель ТЭЦ (на примере Омской ТЭЦ-5).

2.2.5. Экспериментальная проверка достоверности результатов, получаемых при расчете математической модели Омской ТЭЦ-5.

2.2.6. Исследование математической модели Омской ТЭЦ-5.

2.3. Математическая модель котельной для оценки достижимой экоф номичности работы.

2.4. Зона эффективного действия ТЭЦ.

2.4.1. Зона эффективного действия ТЭЦ (на примере Северного луча Омской ТЭЦ-5).

2.4.2. Определение влияния повышенных потерь тепла через изоляцию на размеры зоны эффективного действия ТЭЦ.

2.4.3. Влияние параметров цикла паротурбинной установки и температурного графика отпуска тепла на размеры зоны эффективного действия ТЭЦ.

2.4.4. Определение зависимости величины отпуска тепла по заданной тепловой сети на величину удельных тепловых затрат и потерь на 1 Гкал потребления.

3. Задача оптимального распределения тепловых и электрических нагрузок между энергоисточниками города. Определение оптимального взаимодействия системы энергоснабжения города х объединенной электроэнергетической системой.

3.1. Постановка задачи.

3.2. Модель системы энергоснабжения для определения минимально-возможных затрат на топливо при ограниченном объеме потребления продукции.

3.3. Модель системы энергоснабжения для определения максимума разницы между величиной выручки от продаж тепло- и электроэнергии и условно-переменными затратами.

3.4. Исследование математических моделей системы энергоснабжения (на примере некоторых теплоисточников энергосистемы

ОАО АК ЭиЭ «Омскэнерго»).

3.4.1. Определение оптимального годового распределения тепловых нагрузок.

3.4.2. Определение оптимального взаимодействия с объединенной электроэнергетической системой.

3.4.3. Определение экономического эффекта от помесячного перераспределения тепловых нагрузок между теплоисточниками, работающими на общие тепловые сети.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности использования теплоисточников в системе централизованного теплоснабжения»

Актуальность темы диссертации. Основными источниками теплоснабжения промышленных центров и городов в настоящее время являются паротурбинные теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) и районные котельные, работающие на органическом топливе. При централизованном теплоснабжении возникает вопрос об областях применения ТЭЦ и котельных.

Применяемые в практике методы решения задач по выбору оптимального управления источниками тепла, тепловых сетей и в целом систем централизованного теплоснабжения в основном базируются на ручном счете, при этом все больше вступают в противоречие различные рекомендуемые предложения. Системы энергоснабжения городов имеют не только внутренние связи, определяемые характером протекающих в них процессов производства и передачи тепловой и электрической энергии, но и внешние, а именно: участие в топливно-энергетическом балансе района, связь с объединенной электроэнергетической системой (ОЭЭС) и др.

Для повышения эффективности использования теплоисточников в существующей системе централизованного теплоснабжения необходимо учитывать, как внутреннюю структуру производства энергии, так и влияние внешних факторов, например, стоимость электроэнергии в ОЭЭС.

Поскольку система теплоснабжения представляет собой совокупность разных по своему характеру объектов, появляется целесообразность разработки «индивидуальных» математических моделей для каждого из них и специальной модели, которая учитывала бы в совокупности свойства этих объектов. В результате необходимо разрабатывать иерархию моделей, при помощи которых станет возможным снижение текущих затрат на обеспечение энергоснабжения. Таким образом, задача использования теплоисточников в существующей системе централизованного теплоснабжения носит оптимизационный характер и является актуальной.

В соответствии с Федеральным законом РФ от 03.04.96 № 28-ФЗ "Об энергосбережении" /67/ разработка теоретических аспектов и методов интенсивного энергосбережения является актуальной задачей для современных теплоэнергетических систем.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является исследование относительной экономической эффективности ТЭЦ и котельных в существующей системе централизованного теплоснабжения.

При проведении исследований были выбраны следующие направления: определение предельной дальности транспортировки тепла от ТЭЦ, соответствующее равенству экономии, получаемой на ТЭЦ от комбинированного производства тепловой и электрической энергии, и затрат на транспортировку теплоносителя до потребителя и обратно с учетом потерь тепла; определение взаимной эффективности работы ТЭЦ и котельных в существующих системах централизованного теплоснабжения и определение роли каждого из теплоисточников для заданного района энергоснабжения.

При разработке методов оценки должны быть учтены следующие факторы: виды топлива, используемого теплоисточником, и их стоимость; параметры отпуска тепловой энергии в сеть и характеристика тепловой сети; реальные характеристики оборудования, установленного на теплоисточниках; величина тепловой и электрической нагрузок для данного района энергоснабжения; стоимость покупки электроэнергии из ОЭЭС с учетом затрат на ее транспорт и технические ограничения существующих линий электропередач.

Методы исследований базируются на системном подходе к объекту и предмету исследований и включают: расчеты термодинамических циклов паросиловых установок; расчеты гидравлических сетей; математическое моделирование процесса расширения пара в проточной части турбин для расчета фактических энергетических характеристик в зависимости от заданных условий работы; методы математической оптимизации (симплекс-метод, метод ветвей и границ, адаптивные алгоритмы) для расчета фактически достижимой экономичности работы ТЭЦ и системы энергоснабжения.

При выполнении исследований использовалось специализированное программное обеспечение: Borland Delphi 6.0, iLog OPL Studio 2.1.2, Excel XP.

Достоверность научных положений и выводов подтверждена расчетами с использованием математических моделей при помощи программных средств на ЭВМ, а также сравнением фактических технико-экономических показателей с полученными результатами при расчете предложенных математических моделей.

Научная новизна:

1) разработаны математические модели, позволяющие производить планирование для достижения оптимальных технико-экономических показателей работы как конкретных энергетических предприятий - ТЭЦ и котельных, так и всей системы рассматриваемого района энергоснабжения;

2) разработана методика оценки эффекта от экономичного распределения тепловой нагрузки между теплоисточниками на основе предложенной математической модели;

3) предложена методика расчета зоны эффективного действия ТЭЦ в системе централизованного теплоснабжения, которая может быть использована для определения экономического эффекта при сопоставлении экономии топлива от комбинированной выработки энергии на ТЭЦ и затрат на передачу тепловой энергии с учетом необходимых затрат электроэнергии и потерь тепла с утечками и через изоляцию;

4) разработан алгоритм определения экономического эффекта от передачи тепловой нагрузки муниципальных и промышленно-отопительных котельных на ТЭЦ, а также от ликвидации неэкономичных котельных.

Практическая ценность. Разработанные математические модели позволяют оптимизировать режим работы промышленно-отопительной ТЭЦ, а также производить оптимальное распределение нагрузок между теплоисточниками в системе централизованного теплоснабжения. Разработанные модели в значительной степени носят универсальный характер и могут быть применены в различных теплоэнергетических системах регионов страны. На основе предложенных моделей разработан программный комплекс «Оптимизация режимов системы энергоснабжения».

Апробация работы. Основные положения, результаты и выводы диссертационной работы докладывались и обсуждались на III Всероссийской 1п1егпе1>конференции «Компьютерное и математическое моделирование в естественных и технических науках» (г. Тамбов, 2001 г.), научно-практической конференции «Современное состояние и перспективы развития энергетики Казахстана» (Экибастузский инженерно-технический институт им. акад. Сатпаева, 2001 г.), научно-технических семинарах кафедры «Теплоэнергетика» ОмГУПС (г. Омск, 2000-2002 г.), региональном семинаре «Омские экономические чтения» (Омская государственная общественная научная библиотека им. Пушкина - Центральная научная библиотека Омского научного центра СО РАН (г. Омск, 2002 г.), научно-техническом семинаре кафедры «Теплоэнергетика» ОмГТУ (г. Омск, 2003 г.).

Заключение диссертации по теме «Промышленная теплоэнергетика», Лукьянов, Андрей Геннадьевич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель, которую можно использовать для оптимизации текущего режима работы ТЭЦ с построением экономической характеристики.

2. Предложена методика по определению зоны эффективного действия ТЭЦ в системе централизованного теплоснабжения и сделан вывод, что передача тепловой энергии от ТЭЦ может осуществляться на значительные расстояния в связи с существенной получаемой экономией топлива от комбинированного способа производства электрической и тепловой энергии.

3. Дана оценка получаемого эффекта от влияния различных теплоисточников на экономику работы системы централизованного теплоснабжения на основе предложенной математической модели.

4. Разработан алгоритм определения экономического эффекта от передачи тепловой нагрузки муниципальных и промышленно-отопительных котельных на ТЭЦ, а также от ликвидации неэкономичных котельных.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Лукьянов, Андрей Геннадьевич, 2003 год

1. Александров A.A. Международное уравнение состояния воды и водяного пара / Теплоэнергетика 1997. № 10. С. 68-72.

2. Александров A.A. Система уравнений IAPWS-IF97 для вычисления термодинамических свойств воды и водяного пара в промышленных расчетах. Ч. 1. Основные уравнения / Теплоэнергетика. 1998. № 9. С. 69—77.

3. Александров A.A. Система уравнений IAPWS-IF97 для вычисления термодинамических свойств воды и водяного пара в промышленных расчетах. Ч. 2. Дополнительные уравнения / Теплоэнергетика. 1998. № 10. С. 64—72.

4. Александров A.A. Система уравнений IAPWS-IF97 для вычисления термодинамических свойств воды и водяного пара в промышленных расчетах. Ч. 3. Оценка точности величин. Сравнение с IFC-67 / Теплоэнергетика. 1999. № 1. С. 67—70.

5. Андрющенко А.И., Аминов Р.З. Оптимизация режимов работы и параметров тепловых электростанций: Учеб. пособие для студентов тепло-энергетических специальностей вузов. М.: Высш. школа, 1983. - 255 С.

6. Аттетков A.B., Галкин C.B., Зарубин B.C. Методы оптимизации: Учеб. для вузов / Под ред. B.C. Зарубина, А.П. Крищенко. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. - 440 С. (Сер. Математика в техническом университете; Вып. XIV).

7. Бененсон Е.И., Иоффе Л.С. Теплофикационные паровые турбины / Под ред. Д.П. Бузина. М.: Энергоатомиздат, 1986 - 272 С.

8. Богданов А.Б. Маргинальные тарифы на тепловую энергию. / Энергия. №5 1998г. С. 2-8

9. Богданов А.Б. Теплофикации нет альтернативы. Виноват метод анализа. / Электронный журнал РАО ЕЭС России. Адрес ссылки: http://www.rao-ees.ru/ru/energosber/teplo.htm

10. Ю.Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. М.: Наука, 1978. 400 С.11 .Бутаков И.Н. Коэффициент полезного действия тепловых установок и энергосистем. Томск: Изд-во Томского ун-та, 1961. 144 С.

11. Веников В.А., Идельчик В.И. Методы оптимизации управления планированием больших систем энергетики (оптимизация развития и функционирования). / Серия «Электрические станции, сети и системы». М.: ВИНИТИ, 1974. - 208 С.

12. Веников В.А., Журавлева В.Г., Филиппова Т.А. Оптимизация режимов электростанций и энергосистем: Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 352 С.

13. Вентцель Е.С. Исследование операций: задачи, принципы, методология. М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1980. - 208 С.

14. Вержбицкий В.М. Численные методы (линейная алгебра и нелинейные уравнения): Учеб. пособие для вузов. М.: Высш. шк., 2000. - 266 С.

15. Вопросы определения КПД теплоэлектроцентралей. Сборник статей. / Под общ. ред. A.B. Винтера-М.: Госэнергоиздат, 1953.

16. Выбор режима отопительной нагрузки на промышленной ТЭЦ. Плисецкий В.И., Шадрин E.H. Измельчение материалов и вопросы теплоэнергетики. Научные труды ОМИИТа, 1968, т.86.

17. Демидович Б.П., Марон И.А., Шувалова Э.З. Численные методы анализа: приближение функций, дифференциальные уравнения / Под ред. Б.П. Демидовича. -М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1962

18. Дискретная математика для программистов / Ф.А. Новиков. СПб.: Питер, 2001. -304 С.

19. Жихалкина Н.Ф., Логинов К.В., Семин С.Л., Файзулин Р.Т. Поиск оптимальных режимов работы больших гидросетей и нефтепроводов. Омск: Изд-во ОмГУ, 1999.

20. Зингер Н.М. Гидравлические и тепловые режимы теплофикационных систем. Изд. 2-е. -М.: Энергоатомиздат, 1986. 320 С.

21. Иванов В.А. Режимы мощных паротурбинных установок. Л.: Энергоатомиздат, 1986.-248 С.

22. Инструкция по эксплуатации паровой турбины ПТ-80/100-130/13. Ленинградский металлический завод.

23. Инструкция по эксплуатации паровой турбины Т-175/210-130. ЛМЗ.

24. Интрилигатор М. Математические методы оптимизации и экономическая теория. М.: Прогресс, 1975. - 607 С.

25. Информационный бюллетень Региональной энергетической комиссии Омской области №1, январь 2001 г.

26. Использование электроэнергии в Омской области: Стат. сб. / Омскоблкомстат. -Омск, 1999.-46 С.

27. Источники и системы теплоснабжения предприятий: Методические указания к курсовому проектированию для студентов 3-го и 4-го курсов специальности 10.07 «Промышленная теплоэнергетика» / П.Я. Блюденов. Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2001. - 66 С.

28. Климат Омска. / Под ред. Швер Ц.А. Л.: Гидрометеоиздат, 1980. - 212 С.

29. Лебедев В.М., Кириенков A.B., Лукьянов А.Г. Предпосылки к повышению эффективности региональной теплоэнергетики / Экотехнологии спрос и предложение в регионах России - М.: 2001, С. 14-16.

30. Лебедев В.М., Лукьянов А.Г., Кириенков A.B. Развитие энергетики. / Конценпция социально-экономического развития Омской области до 2015 года. Научный доклад. Омск. 2002. 159 С.

31. Лебедев В.М. Теплоэнергетика региона. Омск: Омская областная типография, 1998.102 С.

32. Лукьянов А.Г. Математическое моделирование ТЭЦ с целью определения техни-чески-достижимой экономичности / Ежегодный аспирантский сборник научных статей. Часть 3 // Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2002.

33. Медведев В.Ф. Гидравлика и гидравлические машины: Учеб. пособие. Мн.: Выс. шк., 1998.-311 С.

34. Мелентьев Л.А. Оптимизация развития и управления больших систем энергетики. Учеб. пособие для вузов. М.: Высш. школа, 1976. - 336 С.

35. Методика определения нормативных значений показателей функционирования водяных тепловых сетей систем коммунального теплоснабжения / Утверждена приказом Госстроя России от 01.01.01 № 225. М., 2001. 65 С.

36. Методика расчета размера платы за услуги по передаче тепловой энергии в системах централизованного теплоснабжения, утвержденная По-становлением Федеральной энергетической комиссии Российской Федерации от 30 июня 2000 г. №33/1.

37. Морозов С.Г. Тепловые расчеты паровой турбины при переменных режимах. -М.-Киев: Машгиз, 1962 297 С.

38. Новикова Н.М. Основы оптимизации (курс лекций). М.: МГУ, 1998. - 65 С.

39. Паршуков Н.П., Лебедев В.М. Источники и системы теплоснабжения города. -Омск: Омская областная типография, 1999. 168 С.

40. Паспорт турбины ПТ-80/100-130/130. Ленинградский металлический завод.

41. Правила учета тепловой энергии и теплоносителя / МЭИ. М., 1995. -68 С.

42. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы: Учеб. для тепло-технич. спец. энергетич. ин-тов. M.-JL: Госэнергоиздат, 1978 - 704 С.

43. Развитие теплоэнергетики основа жизнеобеспечения города: точка зрения специалиста / В.М. Лебедев. ОмГУПС. - Омск: Агенство «Курьер», 2001. - 18 С.

44. РД 344.20.501. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей РФ. М., 1996

45. Резников М.И., Липов Ю.М. Паровые котлы тепловых электростанций: Учебник для вузов. М.: Энергоиздат, 1981. - 240 С.

46. Рекомендации по нормированию труда работников энергетического хозяйства. 4.1. Нормативы численности рабочих котельных установок и тепловых сетей / Утверждено приказом Госстроя России от 22.03.99. № 65. М., 1999

47. Ривкин С.Л., Александров A.A. Теплофизические свойства воды и водяного пара. М.: Энергия, 1980. - 424 С.

48. Рыжкин В.Я. Тепловые электрические станции. -М.: Энергия, 1976. -445 С.

49. Сайт центра оптимизационных технологий Северо-Западного университета и Национальная лаборатория Аргон (США). Адрес ссылки: http://www-unix.mcs.anl.gov/otc/Guide/faq/linear-programming-faq.html;

50. Сеннова Е.В., Сидлер В.Г. Математическое моделирование и оптимизация развивающихся теплоснабжающих систем. Новосибирск: Наука, 1987. 222 С.

51. СНиП 2.04.07-86*. Тепловые сети / Минстрой России. М.: ГП ЦПП, 1994. - 48 С.

52. СНиП 23-01-99. Строительная климатология. М.: Минстрой России, 1999.

53. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. Изд. 5-е. М.: Энергоатомиздат, 1982.-360 С.

54. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: Справочник / Е.В. Аметистов, В.А. Григорьев, Б.Т. Емцев и др.; Под общ. ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. М.: Энергоиздат, 1982. - 512 С.

55. Теплотехнический справочник / Под общ. ред. С.Г. Герасимова, Я.А. Кагана, П.Д. Лебедева, В.В. Лукницкого, А.Е. Шейндлина. М.: Госэнергоиздат, 1957. - 728 С.

56. Технико-экономические основы развития теплофикации в энергосистемах / Под ред. Г.Б. Левенталя и Л.А. Мелентьева. Л.: Госэнергоиздат, 1961. - 320 С.

57. Типовая энергетическая характеристика турбоагрегата ПТ-60-90/13 (ВПТ-50-2) ЛМЗ. Служба передового опыта и информации СОЮЗТЕХЭНЕРГО, М., 1979.

58. Трембовля В.И., Фингер Е.Д., Авдеева A.A. Теплотехнические испытания котельных установок. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 416 С.

59. Трухний А.Д., Лосев С.М. Стационарные паровые турбины / Под ред. Б.М. Трояновского. -М.: Энергоатомиздат, 1981. 456 С.

60. ТХ-34-70-010-85. Типовая энергетическая характеристика турбоагрегата ПТ-80/100-130/13 ЛМЗ.

61. ТХ-34-70-025-87. Типовые энергетические характеристики турбоагрегата Т-175/210-130 ПО ТМЗ и конденсаторной группы КГ2-12000-1.

62. Угинчус A.A. Гидравлика и гидравлические машины: Учеб. пособие. Харьков: Изд-во Харковского университета, 1970. - 396 С.

63. Федеральный закон РФ от 03.04.96 № 28-ФЗ "Об энергосбережении".

64. Филиппова Т.А. Оптимизация энергетических режимов гидроагрегататов гидроэлектростанций. М.: Энергия, 1975. - 207 С.

65. Форд. Р., Лестер Р., Фалкерсон Д. Потоки в сетях. М.: Мир, 1966. - 276 С.

66. Хрилев Л.С. Теплофикационные системы. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 272 С.

67. Хрилев Л.С., Смирнов И.А. Оптимизация систем теплофикации и централизованного теплоснабжения / Под ред. Е.Я. Соколова. М.: Энергия, 1978. - 246 С.

68. Шляхин П.Н., Бершадский М.Л. Краткий справочник по паротурбинным установкам М.: Госэнергоиздат, 1970

69. Электробаланс Омской области: Стат. сб. / Омскоблкомстат. Омск, 1999. - 17 С.

70. Эфрос Е.И., Гуторов В.Ф., Симою Л.Л., Сущих В.М. Эффективность использования теплофикационных установок в переменной части графиков тепловых и электрических нагрузок / Теплоэнергетика. № 6, 2002 С. 2-8

71. IAPWS Industrial Formulation 1997 for the Thermodynamic Properties of Water and Steam. International Association for the Properties of Water and Steam, Executive Secretary R.B.Dooley, Electric Power Research Institute, Palo Alto, CA 94304, USA.218