Содержание

• 1. Введение
• 2. История вопроса
• 3. Список литературы

1. Введение

За прошедшее с момента интенсивного развития теплофикации в России и странах СНГ время использовано много понятий, в основе которых лежало определение радиуса теплоснабжения. Упомянем лишь три из них, наиболее распространенных: оптимальный радиус теплоснабжения; оптимальный радиус теплофикации; радиус надежного теплоснабжения.

С момента введения в действие закона «О теплоснабжении» появилось еще одно определение: радиус эффективного теплоснабжения - максимальное расстояние от теплопотребляющей установки до ближайшего источника тепловой энергии в системе теплоснабжения, при превышении которого подключение теплопотребляющей установки к данной системе теплоснабжения нецелесообразно по причине увеличения совокупных расходов в системе теплоснабжения.

2. История вопроса

Впервые в 1935 г. для анализа эффективности централизованного теплоснабжения С.Ф. Копьевым были применены два симплекса: удельная материальная характеристика µ и удельная длина λ тепловой сети в зоне действия источника теплоты. В первом случае удельная материальная характеристика тепловой сети представляла собой отношение материальной характеристики тепловой сети, образующей зону действия источника теплоты, к присоединенной к этой тепловой сети тепловой нагрузке. Во втором случае, это отношение протяженности трассы тепловой сети к присоединенной к этой тепловой сети тепловой нагрузке (так как журнал «Новости теплоснабжения» является специализированным периодическим изданием, мы избавим себя от очевидных определений. - Прим. авт.).

где M - материальная характеристика тепловой сети, м²; Q^p_сумм - суммарная тепловая нагрузка в зоне действия источника теплоты (тепловой мощности), присоединенная к тепловым сетям этого источника, Гкал/ч; L - суммарная длина трубопроводов тепловой сети, образующей зону действия источника теплоты, м.

Связь между удельной материальной характеристикой µ и удельной протяженностью теплотрассы λ устанавливается при помощи среднего диаметра тепловой сети в зоне действия источника теплоты d_ср(м):

Эти два параметра довольно информативны, т.к. отражают основное правило построения системы централизованного теплоснабжения - удельная материальная характеристика всегда меньше там, где высока плотность тепловой нагрузки. А если принять во внимание, что сама материальная характеристика - это аналог затрат, а присоединенная тепловая нагрузка - аналог эффектов, то чем меньше удельная материальная характеристика, тем результативней процесс централизованного теплоснабжения. Именно этой аналогией пользовались наши предшественники.

Довольно интересно наблюдать изменения удельной материальной характеристики в процессе жизни (развития) системы теплоснабжения (рис. 1). Ее изменение во времени полностью отражает процесс очередей строительства магистральных тепловых сетей, постепенное наращивание внутриквартальных сетей и прирост тепловой нагрузки, полностью отражающей изменяющиеся темпы застройки. Только к концу 40-летнего периода (в данном примере) система теплоснабжения обретает вид с приемлемой удельной материальной характеристикой.

Из двух систем теплоснабжения всегда более эффективна та, которая обладает меньшей удельной материальной характеристикой (рис. 2). Именно относительная материальная характеристика позволяет нам в настоящее время построить непротиворечивый метод сравнения централизованных систем теплоснабжения.

Или по-другому: бессмысленно сравнивать системы теплоснабжения с разными относительными материальными характеристиками, их сначала нужно привести к сопоставимому виду.

Нелишнее также упомянуть, что относительная материальная характеристика дает возможность оценки и потерь тепловой энергии при ее передаче по тепловым сетям. Упрощенные асимптоты могут быть рассмотрены, например следующим образом. Представьте себе тепловую сеть, к которой присоединена тепловая нагрузка равная 1 Гкал/ч, а длина тепловой сети составляет 10 км с диаметром 1000 мм. Относительная материальная характеристика такой тепловой сети равна 10 тыс. м²/Гкал/ч. Нормативные потери тепловой энергии при ее передаче по такой сети (спроектированные после 2004 г) составят около 3000 Гкал за отопительный период, а общее количество полезно использованного тепла около 3600 Гкал. Из этого следует, что только нормативные потери при его передаче по такой тепловой сети составят 83% от полезно отпущенного. Не трудно также посчитать каковы нормативные тепловые потери тепловой сети длиной в 100 м и диаметром в 100 мм с присоединенной тепловой нагрузкой в 1 Гкал/ч. Это, конечно, не асимптоты, но с практической точки зрения близкие к асимптотам величины.

Относительная материальная характеристика тепловых сетей µ - это интегральный показатель эффективности тепловой сети в установленной зоне действия источника теплоты. И в основе вычисления этого показателя лежит гипотеза о равномерности теплового потока в зоне его действия (т.е. одинаковой плотности тепловой нагрузки).

Для учета неравномерности тепловой нагрузки, распределенной в зоне действия (уже функционирующей или планируемой), Е.П. Шубиным был в 1951 г. предложен другой показатель, основанный на рассмотрении тепловых нагрузок как сосредоточенных в точках их присоединения к тепловым сетям. Этот показатель был назван Е.П. Шубиным оборотом тепла.

Обосновывая введение этого показателя, автор принял, что с точки зрения транспорта тепловой энергии каждая точечная тепловая нагрузка характеризуется двумя величинами:

• расчетной тепловой нагрузкой Q_pⁱ;
• расстоянием от источника тепла до точки ее присоединения, принятой по трассе тепловой сети (по вектору расстояния от точки до точки) l_i.

Произведение этих величин Z_i= Q_i^p L_i (Гкал м/ч) названо моментом тепловой нагрузки относительно источника теплоснабжения. Чем больше величина этого момента, тем, очевидно, больше должна быть и материальная характеристика теплопровода, соединяющего источник теплоснабжения с точкой приложения тепловой нагрузки, причем материальная характеристика растет в зависимости от роста момента не прямо пропорционально, а в соответствии с известным степенным законом Z_i >Q_i ^0.38. Для тепловых сетей с количеством абонентов больше единицы характерной является величина суммы моментов тепловых нагрузок Z_T (Гкал м/ч):

Эта величина названа теоретическим оборотом тепла для заданного расположения абонентов относительно источника теплоснабжения.

Так как при расчете этого оборота значения I, измеряются по вектору, соединяющему источник тепла с точкой присоединения i-го абонента, то величина теоретического оборота не зависит от выбранной трассы и конфигурации тепловой сети. Вместе с тем, она отражает ту степень транзита тепла, которая является неизбежной при заданном расположении абонентов относительно источника теплоснабжения.

Связи величины оборота тепла с другими транспортными коэффициентами выражались, как правило, следующими соотношениями:

где R_cp - отношение оборота тепла к суммарной расчетной тепловой нагрузке всех абонентов, характеризующее собой среднюю удаленность абонентов от источника теплоснабжения или расстояние от этого источника до центра тяжести тепловых нагрузок всех абонентов сетей.

Пояснение процедур вычисления среднего радиуса теплоснабжения рассмотрим на базе утилитарной радиальной тепловой сети (рис. 3). Радиальная тепловая сеть образована на базе источника тепла 1, расположенного в промышленной зоне 2.

Тепловая энергия транспортируется по тепловой сети с выводами в трех направлениях. Одно направление - это промышленный район, с зонами действия промышленных предприятий 4. Два других направления сформированы на базе подачи тепла в селитебные части города 3, в городские кварталы 5, 6. Тепловая сеть состоит из транзитной части 7, магистральной части 8, распределительной части 9 и внутриквартальной части (не показана на схеме), присоединенной к центральным тепловым пунктам 10.

В зависимости от темпов застройки селитебной и промышленной частей города строительство тепловых сетей могло осуществляться очередями. Такие и другие схемы теплоснабжения любого города определялись в Генеральных схемах теплоснабжения, тесно связанными с генеральным планом развития города (промышленного центра).

Е.П. Шубиным был введен еще один удельный показатель: удельный оборот тепла на единицу длины тепловых сетей Z_cp (Гкал/ч), он определялся также просто:

По определению, удельный оборот тепла - отношение оборота тепла к суммарной длине всех векторов, соединяющих точки присоединения абонентов с источником системы теплоснабжения.

Все вышеприведенные величины характеризуют систему теплоснабжения без конкретно выбранной трассы тепловой сети и определяют только позицию источника теплоснабжения относительно планирующихся (или действующих абонентов). Если допустить, что выполнен выбор трассы тепловой сети и ее конфигурации, то можно также конкретизировать расчет оборота тепла, приняв в качестве длин, соединяющих источник теплоснабжения с конкретным потребителем, расстояние по трассе. Так как это расстояние всегда больше, чем вектор, то оборот тепла по конкретной трассе Z_c всегда больше теоретического оборота тепла Z_T. Безразмерное отношение этих двух значений оборотов тепла называется коэффициентом конфигурации тепловых сетей χ:

Значение этого коэффициента всегда больше единицы. Эта величина характеризует излишний транзит тепла в тепловых сетях, связанный с выбором трассы. Чем выше значение коэффициента конфигурации тепловой сети χ, тем в известных пределах, больше материальная характеристика тепловой сети по сравнению с теоретически необходимым минимумом. Таким образом, этот коэффициент, в известной мере, характеризует правильность выбора трассы для радиальной тепловой сети без ее резервирования, и показывает насколько экономно проектировщик (с учетом всех возможных ограничений по геологическим и урбанистическим требованиям) выбрал трассу.

Обработка проектных данных (прежде всего, по схемам теплоснабжения) показала, что значения коэффициента конфигурации χ для реальных проектов небольших нерезервированных сетей колеблется в пределах 1,25+2,3, а значения порядка 1,2+1,25 уже близки к оптимальным, т.е. соответствующим минимальному значению удельной материальной характеристики тепловой сети. С другой стороны (если не считать необходимого резервирования), значения χ=1,4+1,5 свидетельствуют об излишнем транзите тепла в сетях и завышенной материальной характеристике.

Для городских тепловых сетей среднего и малого масштаба величины оборотов тепла Z_c колеблются в пределах 10⁴+ 4.10⁵ Гкал м/ч, в крупных, например, таких как Москва, до 810⁶ Гкал м/ч.

При этом радиус теплоснабжения (или отношение оборота тепла к суммарной расчетной тепловой нагрузке всех абонентов) структурируется в рамках следующих диапазонов:

1. поселковые и внутриквартальные тепловые сети - до 250 м;
2. сети распределительные межквартальные от 250 до 1000 м;
3. сети магистральные (без значительного количества транзита) - от 1000 до 2500 м;
4. сети транзитные (стволы выводов) - от 2,5 до 5 км.

Попытка определить аналитическое выражение для оптимального, предельного и экономического радиуса передачи тепла впервые была сделана в «Нормах по проектированию тепловых сетей», изданных в 1938 г. В разделе этого документа под названием «Технико-экономический расчет тепловых сетей» (автор методики Е.Я. Соколов) приведены основные аналитические соотношения и требования для определения оптимального радиуса действия тепловых сетей. Так было предписано при тепловом районировании крупных городов для определения числа и местоположения теплоэлектроцентралей и крупных котельных: «учитывать оптимальный радиус действия тепловых сетей, при котором удельные затраты на выработку и транспорт тепла от одной теплоэлектроцентрали являются минимальными».

3. Список литературы

1. Журнал «Новости теплоснабжения»
2. Проблемы теплоснабжения депрессивных территорий, Д.Г. Закиров, В.П. Сорокин, В.В. Овечкин
3. Методические указания по определению тепловых потерь в водяных и паровых тепловых сетях.
4. Журнал «Диагностика и надежность энергооборудования»
5. Статья В.П. Папушкин Кризис «Схем теплоснабжения» или взлет «Энергетического планирования»
6. Статья И.П. Пульнер « Повышение эффективности эксплуатации городских систем теплоснабжения»