Использование программно-расчетного комплекса Zulu 5.2 в ОАО «ММК» для стабилизации гидравлических режимов теплоснабжения и равномерного распределения тепла между потребителями

Использование программно-расчетного комплекса Zulu 5.2 в ОАО «ММК» для стабилизации гидравлических режимов теплоснабжения и равномерного распределения тепла между потребителями

Арефьев Александр Викторович
ОАО «ММК»
Инженер I категории участка контроля и наладки систем паро-теплоснабжения ЦЭСТ
455002, г. Магнитогорск, ул. Кирова 93.
(3519) 25-46-69

Потребление тепловой энергии в мире постоянно растет, и в настоящее время приблизилось к 20 млрд. тонн условного топлива. Необходимо отметить, что стоимость добычи и транспортировки топлива непрерывно возрастает, поэтому все острее встает вопрос об экономном использовании энергии.

Предприятия черной металлургии являются наиболее энергоемкими, однако, коэффициент использования топлива в большинстве случаев не превышает 30%. То есть, вполне очевидно, что в современных условиях выживут те предприятия, которые наиболее полно будут использовать энергетический потенциал, уменьшая за счет этого себестоимость продукции.

В ОАО «Магнитогорский Металлургический Комбинат», как и в большинстве предприятий бывшего СССР, система теплоснабжения проектировалась в условиях дешевизны топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) и основывалась на принципах максимальной централизации теплоснабжения. Существующие тепловые сети промплощадки ОАО «ММК» построены в виде разветвленной древовидной структуры и включают в себя порядка 3 тысяч потребителей. Потребители присоединяются как к распределительным сетям, так и непосредственно к тепловым магистралям.

Характерной особенностью эксплуатации тепловых сетей ОАО «ММК» в настоящее время является то, что реальные режимы теплоснабжения и эксплуатации тепловых сетей значительно отличаются от проектных. Это связано с тем, что вместо проектного графика теплоснабжения 150-70 0С используется низкотемпературный график 95-70 0С, позволяющий повысить выработку электроэнергии на ТЭЦ и ЦЭС и снизить потребление газа. Негативным фактором введения низкотемпературного графика является повышение циркуляции теплоносителя в сети, снижение ее гидравлической устойчивости в целом, и как следствие к «недотопу» помещений. Так, при пониженной температуре теплоносителя потребители в целях компенсации дефицита тепла вынуждены принимать меры к увеличению расходов теплоносителя, что приводит к снижению располагаемых напоров у смежных потребителей и нарушению гидравлики, увеличению тепловых потерь при транспортировке теплоносителя.

Совокупность всех этих факторов ставит перед энергетиками ОАО «ММК» новые задачи по оптимизации режимов теплоснабжения промплощадки ОАО «ММК», в первую очередь удаленных от источников (ТЭЦ, ЦЭС) потребителей тепловой энергии.

Одним из путей экономии энергоресурсов является внедрение автоматизированных систем управления, которые базируются на современных научных достижениях в области теории управления. Значительным резервом экономии топлива является программное регулирование отпуска теплоты, которое предусматривает суточное изменение температуры воздуха внутри помещений промышленных и общественных объектов.

Автоматическое регулирование подачи теплоносителя обеспечивает реальную экономию тепловой энергии у потребителя до 30%. Специалисты Управления Главного Энергетика (УГЭ) ОАО «ММК» планомерно оптимизируют режимы теплоснабжения промышленной площадки предприятия.

При всем многообразии конструктивных решений энергосберегающих технологий необходимо умение специалистов находить оптимальные решения, поскольку любое внедрение энергосберегающих систем связанно со значительными материальными затратами.

Для обеспечения расчетных тепловых параметров удаленных потребителей и достижения гидравлической устойчивости системы ОАО «ММК» приобрело геоинформационную систему Zulu 5.2. Геоинформационная система (ГИС) Zulu 5.2 предназначена для разработки ГИС приложений, требующих визуализации пространственных данных в векторном и растровом виде, анализа их топологии и связи с семантическими базами данных. ГИС Zulu обеспечивает:

• Создание графических слоев с территориальной информацией в геодезических координатах или внемасштабных схем;
• Привязку семантической информации к территориальным объектам; ввод, редактирование и отображение информации о технических системах со сложной иерархической структурой;
• Поддержку растровых изображений различных форматов;
• Конвертацию в форматы DXF (AUTOCAD), MIF/MID (MapInfo).

Наряду с обычным для ГИС разделением объектов на контуры, ломаные, комбинированные контуры, комбинированные ломаные Zulu поддерживает линейно-узловую топологию, что позволяет вместе с прочими пространственными данными (улицы, дома, реки, районы, озера и проч.) моделировать и инженерные сети. Система позволяет создавать классифицируемые объекты, имеющие несколько режимов (состояний), каждое из которых (состояний) имеет свой стиль отображения на карте (схеме). При этом ввод сетей производится с автоматическим кодированием топологии. Нарисованная на экране сеть сразу готова для топологического анализа (информация о связях между объектами заносится автоматически).

За время своей долголетней работы комбинат претерпел ряд существенных изменений: появились новые цеха, переделы, увеличился объем и ассортимент выпускаемой продукции – а значит, видоизменились внутренние и внешние сети энергоносителей. При чем комбинат развивается так стремительно, что проектные организации не всегда успевают внести изменения в проекты строящихся объектов. Старая документация почти не сохранилась, новая не всегда соответствует действительности, а для внедрения в системы теплоснабжения диспетчерских и автоматизированных систем управления и энергосберегающих технологий необходимо наличие точной документации, в которой были бы отражены действительные конструкторские решения по компоновке тепловых сетей, энергетического оборудования, а также конструктивные элементы зданий и сооружений.

Наибольшей реконструкции подверглись объекты трассы ТЭЦ-К4, такие как Сортовой цех, ЛПЦ-4, ЛПЦ-5. Система теплоснабжения объектов ТЭЦ-К4 довольно сложная, представляет собой разветвлённую сеть теплопроводов. Теплоноситель используется для отопления, вентиляции, горячего водоснабжения, а также для технологических нужд. Подача теплоты на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение осуществляется через тепловые пункты.

Теплотрасса ТЭЦ-К4 является двухтрубной, ее длина вместе с распределительными сетями составляет около 40 км и от нее запитаны порядка 250 потребителей тепловой энергии.

Целью тепло-гидравлического расчета трассы ТЭЦ-К4 является создание оптимальных гидравлических и тепловых режимов в тепловых сетях и системах теплопотребления, распределения теплоносителя между потребителями в строгом соответствии с их тепловой нагрузкой.

В результате наладки выполняется расчет смесительных и дросселирующих устройств (подбор элеваторов, определение диаметра сопел и дроссельных шайб) для обеспечения расчетных расходов теплоносителя и расчетной температуры воздуха внутри зданий при заданном располагаемом напоре на источнике. Расчету подлежат тупиковые и кольцевые тепловые сети, в том числе с повысительными насосными станциями и дросселирующими устройствами, работающие от одного или нескольких источников.

При наладке систем централизованного теплоснабжения производится теплогидравлический расчет трубопроводов тепловой сети и абонентских вводов (с учетом схем присоединения потребителей к тепловой сети).

Наладочный расчет тепловых сетей можно проводить с учетом утечек из тепловой сети и систем теплопотребления, а также с учетом тепловых потерь в трубопроводах. Исходными данными для выполнения расчета являются:

1. расчетные тепловые нагрузки на отопление, вентиляцию, горячее водоснабжение, технологические нужды;
2. схема присоединения потребителя к тепловой сети;
3. расчетные температуры источника и потребителей;
4. наличие у потребителей, регулирующих устройств:
   • регулятора расхода;
   • регулятора температуры;
   • регулятора отопления;
5. геометрические характеристики трубопроводной сети (длина, диаметр, шероховатость, сумма коэффициентов местных сопротивлений и расчетные коэффициенты теплопередачи участков трубопроводов);
6. геодезические отметки узлов сети (источников, узлов разветвления, насосных станций и потребителей);
7. располагаемый напор на источнике и напор подпиточного насоса;
8. Вид тепловой изоляции;
9. Толщина изоляции, глубина заложения трубопровода, тип грунта, среднегодовые температуры теплоносителя и окружающей среды.

В результате расчета определяются:

1. расходы воды, скорости и потери напора в трубопроводах тепловой сети;
2. напоры в узлах сети, в том числе располагаемые напоры у потребителей;
3. расчетные расходы воды у потребителей и температура воздуха внутри зданий;
4. расчетные расходы теплоносителя на тепловых вводах потребителя по всем видам нагрузок (отопление, вентиляция, горячее водоснабжение);
5. номера элеваторов, диаметры сопел, диаметры шайб и места их установки;
6. температура теплоносителя в узлах сети;
7. нормативные тепловые потери в подающем и обратном трубопроводах тепловой сети;
8. фактические тепловые потери в подающем и обратном трубопроводах тепловой сети;
9. утечки воды из тепловой сети и систем теплопотребления;
10. потери тепловой энергии с утечками из тепловой сети и систем теплопотребления;
11. величина располагаемого напора у потребителей;
12. необходимый располагаемый напор на источнике.

Дросселирование избыточных напоров на абонентских вводах предусматривается с помощью сопел элеваторов и дроссельных шайб. Дроссельные шайбы перед абонентскими вводами устанавливаются автоматически на подающем, обратном или обоих трубопроводах в зависимости от необходимого для системы гидравлического режима.

В результате расчета должно быть достигнуто:

• распределение теплоносителя между всеми подключенными системами теплопотребления в соответствии с расчетной тепловой нагрузкой;
• расчетная циркуляция воды в тепловых сетях;
• расчетные температуры внутреннего воздуха в отапливаемых помещениях.

Для нанесения графической информации была проделана масштабная работа. Были обследованы главные магистрали и распределительные сети. Главное, на что было обращено внимание – это длина, перепад высот на участках, вид прокладки тепловой сети. Также были получены результаты топографической съемки местности этого района промышленной площадки ОАО «ММК». Для внесения семантической информации были проанализированы энергетические паспорта потребителей, данные бюро анализа, техническая документация тепловых сетей, получены расчетные параметры ТЭЦ. В результате были занесены данные: местные сопротивления, зарастание и шероховатость трубопровода; тип, толщина и состояние теплоизоляционного материала. Для потребителей: тепловая нагрузка на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение; расчетная температура внутреннего воздуха; схема подключения потребителя; расчетный располагаемый напор и т.д.

В результате расчета были рассчитаны дросселирующие шайбы, подобраны их места установки, количество и диаметр. Расчет показал, что без установки шайб температура воды в обратном трубопроводе на источнике равна 63°С, а расход сетевой воды 4649,375 т/ч.

При установке дросселирующих шайб температура воды в обратном трубопроводе уменьшилась до 58°С (delta = 5°С), а расход сетевой воды сократился до 3635,935 т/ч (delta = 1013,44 т/ч).

Если учесть, что на ТЭЦ работают насосы в течение отопительного периода (220 суток), производительностью 1200 т/ч и мощностью 600 кВт/ч, то при стоимости 1 кВт электроэнергии равной 36 копейкам получается экономия в денежном эквиваленте, равная 950 тысяч 400 рублей.

( 1000 * 24 * 220 / 1200 ) * 600 * 0.36 = 950 400 руб.

Рассмотрим один из наиболее удаленных и проблемных объектов теплотрассы ТЭЦ-К4 – «ЗАО «Южуралавтобан» УБУ Производственная база». Анализ пьезометрического графика до и после установки шайб показал, что располагаемый напор на этом объекте увеличился с 9,512 м до 15,611 м (delta = 6,099 м).

Таким образом, в настоящее время оптимизация режимов теплоснабжения промышленной площадки ОАО «ММК» является актуальной задачей. И ее решение носит комплексный характер, охватывая при этом всю систему централизованного теплоснабжения, начиная от источников тепла и тепловых сетей, и заканчивая тепловыми установками потребителей. Выполнение данных работ ведет к повышению надежности эксплуатации системы теплоснабжения и эффективности, т.к. позволяет осуществлять:

• управление гидравлическими режимами работы тепловых сетей ОАО «ММК» для снижения количества циркуляционной и подпиточной воды;
• проведение поверочных расчетов, позволяющих определить диаметры трубопроводов, обеспечивающих пропуск расчетных расходов воды;
• построение пьезометрического графика сети;
• решение коммутационных задач: анализ отключений, переключений, поиск ближайшей запорной арматуры;
• оценка соответствия расчетных и фактических режимов теплоснабжения и теплопотребления, анализ наиболее эффективного потокораспределения в сети;
• работа с АСУ «Энерго» и корпоративной сетью ОАО «ММК».