Опыт создания компьютерных моделей систем теплоснабжения предприятий ОАО "Газпром"

В.П. Вершинский, к.т.н.
зам. генерального директора ООО "Газпромэнергосервис"

март 2005 г.

Предприятия ОАО «Газпром» уже в течение многих лет полностью обеспечиваются теплом на технологические и отопительные нужды, выработанным собственными источниками /1/. Этими источниками являются, в первую очередь, утилизационные теплообменники (УТО), использующие тепло выхлопных газов газоперекачивающих агрегатов для нагрева воды в системах теплоснабжения. Часть необходимого тепла вырабатывается в традиционных котельных.

В тепловом потреблении предприятий ОАО «Газпром» превалируют отопительные и вентиляционные нагрузки. Некоторая часть тепла используются в системах горячего водоснабжения, а совсем незначительная часть – для технологических нужд. Конечно, тепловые сети в обеспечении предприятий теплом играют далеко не последнюю роль.

Именно поэтому в утверждённой Руководством ОАО «Газпром» программе работ на 2003-2007 г.г. по созданию эффективного и устойчивого теплоснабжения на объектах Общества «Эффективное теплоснабжение Газпрома» есть специальный раздел «Тепловые сети». В нём по конкретным объектам перечислены все работы по реконструкции, ремонту, замене трубопроводов и тепловой изоляции, по замене устаревших УТО, определены необходимые денежные средства и исполнители. Не забыта и наладка тепловых сетей. Некоторая роль в реализации имеющихся в программе мероприятий по котельной технике и наладке тепловых сетей отведена ООО «Газпромэнергосервис».

Созданием компьютерных моделей систем теплоснабжения и выполнением с их помощью расчётов для наладочных работ ООО «Газпромэнергосервис» начал заниматься в 2002 году. Первой задачей был выбор программного продукта для создания моделей. Просмотрев демоверсии программных продуктов и пообщавшись с некоторыми из их разработчиков, пришли к выводу, что функционально все программные продукты, предназначенные для расчетов и моделирования сетей теплоснабжения, во многом похожи. С помощью любого из них можно нарисовать тепловую сеть и котельную, выполнить гидравлический расчёт сети, построить пьезометрические графики, рассчитать диаметры дроссельных шайб и сопел элеваторов. Остановили свой выбор на программном продукте «Теплограф», разработке ИВЦ «Поток». В нашем случае основными критериями выбора были предметная квалификация разработчиков и их доступность при освоении продукта и при его дальнейшем использовании. Надежды на простоту и эффективность контактов полностью оправдались: реакция разработчиков на наши запросы и просьбы была мгновенной и мы получали именно то, что было нужно.

За два с лишним года использования «Теплографа» накоплен определённый опыт создания на его базе компьютерных моделей для предприятий ОАО «Газпром». Это позволяет как подвести некоторые итоги собственной деятельности, так и дать хотя и субъективную оценку программному продукту.

В начале нашей деятельности было сделано, как оказывается, наивное предположение, что за полгода можно создать модель, выполнить с её помощью наладочные расчёты, передать заказчику результаты этих расчетов, дождаться установки в летний период дроссельных устройств, а с началом отопительного сезона довести процесс наладки до логического завершения. Увы, на практике реальные сроки получения адекватных результатов оказываются существенно больше. И программный продукт здесь ни в чём не виноват. И даже наоборот - он позволяет создавать модель одновременно на нескольких компьютерах, что при наличии у персонала определённого опыта использования возможностей продукта значительно сокращает время, затрачиваемое на создание модели. Дело в заказчике, точнее, в отсутствии его информационной готовности. Конечно, надо сделать скидки на загруженность эксплуатационного персонала текущими делами, недостаток кадров, отсутствие оргтехники и другие причины, но факт остаётся фактом – документация, нужная для создания модели, отсутствует. Сбор необходимой информации – самый трудоёмкий и продолжительный по времени этап создания модели. Как следствие, информация поступает отрывочно, часто датирована различными годами и не стыкуется друг с другом. В результате работу по созданию модели приходится временно приостанавливать, а часть работы переделывать по несколько раз. С подобными проблемами пришлось столкнуться при работе со всеми заказчиками.

За время, прошедшее с момента начала нашей работы по созданию компьютерных моделей тепловых сетей, пришлось выполнять заказы трёх предприятий. Хотя их выбор не был целенаправленным, но каждое из них может представлять целую группу предприятий ОАО «Газпром», имеющих тепловые сети и системы теплоснабжения с аналогичными особенностями.

Первую группу предприятий может представлять Южная часть г. Новый Уренгой. Особенностей у систем теплоснабжения подобных предприятий не очень много. Обычный город, в котором потребители тепла представлены, в основном, многоэтажными жилыми домами, но есть и микрорайоны с малоэтажной застройкой промышленного назначения. Характер нагрузки – отопление и вентиляция. Система горячего водоснабжения есть, но она имеет свою собственную сеть. Источниками тепла являются несколько различных по тепловой мощности котельных. Каждая из них снабжает теплом свой микрорайон, но тепловые сети закольцованы. Это позволяет, при необходимости, взаимно резервировать мощности котельных. Кроме наличия многочисленных колец, можно назвать ещё одну особенность тепловых сетей. От магистральных тепловых сетей, обслуживаемых, как правило, предприятиями ОАО «Газпром», имеются ответвления к сетям, стоящим на балансе других юридических лиц и обслуживаемым персоналом этих лиц. Вот для каждого из этих ответвлений потребовалось рассчитать дроссельную диафрагму, а также диафрагмы или сопла для всех объектов, снабжаемых теплом от каждого из этих ответвлений. Кстати, сбор информации о сетях на территории подобных организаций - самая большая проблема. Ещё одна особенность системы теплоснабжения – наличие многочисленных насосных станций, используемых для снижения температуры воды со 130 до 95 градусов. Их описание и наладка имеют некоторые сложности, о которых будет упомянуто ниже в связи с описанием насосных групп в источнике.

При подготовке компьютерной модели для Южной части г. Новый Уренгой не возникло никаких технических трудностей. «Теплограф» достойно справился с расчётом сетей со многими источниками и многочисленными кольцами. Нестандартно пришлось решить проблему расчёта «общих» диафрагм: они были смоделированы виртуально «прикрытой» арматурой (благо такая возможность предусмотрена «Теплографом»), после чего определенные по модели местные сопротивления прижатых дроссельных задвижек были пересчитаны вручную в эквивалентные диаметры отверстий диафрагм. Возможность моделировать «прикрытую» арматуру чрезвычайно важна. Она потребовалась ещё в одном случае. Котельные закольцованы между собой достаточно длинными тупиковыми участками трубопроводов большого диаметра без отбора тепла. Зимой, чтобы вода в этих трубопроводах не замёрзла, эксплуатационные службы на концевых участках трубопроводов открывают перемычки. В модели тоже обязательно надо иметь перемычку с «прикрытой» арматурой. Если арматуру нельзя «прикрыть», то, естественно, масса воды потечёт по пути наименьшего сопротивления и о наладке такой сети не может быть и речи. Модель тепловых сетей Южной части г. Новый Уренгой не завершена и постоянно уточняется по мере поступления данных.

Характерным представителем предприятий второго типа является посёлок Ямбург. В тепловых нагрузках превалируют отопительные нагрузки потребителей производственного назначения. Доля нагрузки коммунально-бытовых потребителей достаточно заметна. Все тепловые сети и другие инженерные коммуникации имеют надземную прокладку. К сожалению, это имеет не только плюсы, но и серьёзные минусы – появляется необходимость в многочисленных тепловых спутниках, сопровождающих водопроводные и канализационные трубопроводы. В качестве спутников используются либо отдельные участки тепловых сетей, либо подающие и обратные трубопроводы, имеющие начальные и конечные точки на значительном удалении друг от друга, либо петли, начало и конец которых врезаны рядом в подающий и обратный трубопроводы тепловой сети. Чтобы понять влияние спутников на гидравлический режим системы, достаточно отметить, что при полном открытии запорной арматуры на всех спутниках расход воды в системе относительно необходимого для покрытия отопительной и вентиляционной нагрузок в данном конкретном случае увеличивается в 2,5 раза! Как и для перемычек на тупиковых трубопроводах, здесь есть проблема адекватного расчета сужающих устройств на спутниках, поскольку для ответа на вопрос о степени прикрытия виртульной арматуры на спутниках (чтобы правильно рассчитать диаметры отверстий в диафрагмах) необходимо произвести многовариантное моделирование всей сети. Решение ищем, пытаясь выяснить, как режим работы систем отопления отдельных потребителей или их групп зависит от расхода воды через отдельные спутники. Многочисленность спутников делает эту работу длительной. Для выполнения этой работы «Теплограф» является блестящим партнёром. Возможность создания модельных баз, являющихся копией основной модели, внесения в модельную базу необходимых изменений в положениях арматуры и отслеживания результатов сокращает затраты времени на подобные расчёты. Есть надежда, что удастся разделить потребителей на группы по степени влияния спутников на работу их систем отопления. Для каждой из групп потребуется рассчитать диаметры отверстий при разных исходных данных.

Здесь можно было бы отметить ещё один полезный аспект применения модели. Уже выполнен проект реконструкции значительной части системы теплоснабжения посёлка Ямбург, но сроки его реализации не определены. В наши планы входит (если с этим согласится заказчик) дополнить модель существующей системы теми элементами, которые определены проектом реконструкции. Таким образом, ещё до начала строительства можно будет проверить правильность принятых в проекте решений и, если потребуется, внести в проект нужные коррективы. Работы такого характера на предприятиях ОАО «Газпром» до настоящего времени не проводились.

Компрессорная станция (КС) - наиболее характерный представитель предприятий ОАО «Газпром». Системы теплоснабжения сотен компрессорных станций спроектированы по одинаковым принципам. В состав оборудования каждого цеха КС входит от 3 до 5 газоперекачивающих агрегатов, каждый из которых имеет утилизационный теплообменник, в котором выхлопные газы газотурбинного двигателя нагревают воду из системы теплоснабжения. По нагреваемой воде все УТО включены параллельно, т.е. каждый из них способен отдать всю утилизированную теплоту в систему отопления. В составе КС может быть несколько цехов. Таким образом, оказывается, что на КС имеется не один или два источника тепла, а иногда десятки. Кроме того, на КС обязательно имеется небольшая резервная котельная, а иногда и две. Учтём некоторые факторы:

► газоперекачивающие агрегаты работают по графику, обеспечивающему перекачку необходимого количества газа, в течение суток иногда приходится некоторые агрегаты отключать или включать, при этом УТО на них соответственно выключаются или включаются;
► тепловая мощность каждого УТО, чаще всего, превосходит или составляет значительную долю потребности всех зданий и сооружений КС в тепле для отопления и вентиляции;
► тепловая мощность отдельного УТО зависит от режима работы газоперекачивающего агрегата и падает или растёт с увеличением нагрузки этого агрегата по перекачке газа;
► тепловая мощность отдельного УТО регулируется вручную шиберами, меняющими расход выхлопных газов через поверхность нагрева;
► шибера как средства регулирования расхода выхлопных газов не выдерживают никакой критики, весят десятки килограмм и требуют существенных физических усилий для изменения своего положения;
► никаких средств автоматизации процесса регулирования отпуска тепла не предусмотрено.

Оставим в стороне обсуждение вопроса о том, почему это так, а не иначе. Факт есть факт. Тем не менее, эти факты определяют особенности систем теплоснабжения эксплуатируемых КС. Эти особенности следует подчеркнуть:

► наличие многочисленных «плавающих» источников тепла, т.е. перемещающихся от одного газоперекачивающего агрегата к другому по непредсказуемым правилам, что эквивалентно подключению котельной в разных точках тепловой сети;
► возможность «перемещения» источника теплоты на расстояния в несколько десятков, а иногда и сотен метров, меняющее гидравлику сети;
► установка сетевых насосов только в котельных, которые, естественно, остаются на одном месте;
► нестабильность гидравлического режима, связанная с необходимостью перераспределения нагреваемой воды между работающими и отключёнными УТО;
► использование некоторых участков трубопроводов в разных режимах или в качестве подающих, либо в качестве обратных трубопроводов;
► параллельная прокладка трёх или четырёх трубопроводов системы отопления, проходящих через одни и те же камеры и являющихся по существу подающими и обратными коллекторами между сетевыми насосами, работающими УТО и потребителями.

Кажется вполне очевидным, что перемещение источника тепла и связанная с ним корректировка гидравлического режима не могут не сказаться в той или иной степени на распределении воды между отдельными потребителями.

Все перечисленные особенности не помешали создать модель тепловой сети КС. В «Теплографе» для этого оказалось достаточно возможностей. Первоначально возникли трудности с построением пьезометрических графиков на участках с тремя и четырьмя параллельно проложенными трубопроводами. Помогла имеющаяся возможность выбора пути между двумя точками по разным признакам, и проблема построения пьезометра была решена. «Заставить» отдельные участки трубопроводов работать в нужных случаях как подающие или как обратные оказалось легко с помощью включения в модель «виртуальной» (т.е. отсутствующей фактически) арматуры.

Созданная средствами «Теплографа» компьютерная модель наглядно показывает ошибки и неточности, допущенные при первоначальном проектировании системы теплоснабжения. Если бы система теплоснабжения проектировалась заново, то с помощью такой модели можно было бы исключить влияние «плавающих» источников теплоты. Для этого потребовалось бы уравнять потери давления по всем возможным контурам движения воды от нагнетания до всаса сетевых насосов.

Компьютерная модель КС закончена и сдана заказчику вместе с выработанными рекомендациями по установке дроссельных устройств.

Можно заметить, что особенности систем теплоснабжения КС окажутся во многом присущи газотурбинным теплоэлектроцентралям (ГТЭЦ), строительство которых в настоящее время набирает темпы, а перспективы их дальнейшего развития оцениваются очень высоко. На многоагрегатных ГТЭЦ также будут «плавать» источники тепла, представляющие из себя те же УТО. Потребуется решить проблему стабилизации перепада давлений между подающим и обратными трубопроводами на выходе с ГТЭЦ.

Хочется отметить несколько моментов, имеющих отношение ко всем построенным моделям и «Теплографу».

В «Теплографе» понятие «Источник» включает сведения о группах сетевых и подпиточных насосов. Ввод данных по описанию источника часто вызывает некоторые трудности, связанные с отсутствием у заказчиков паспортных данных насосов, формированием насосных станций из нескольких насосов, зачастую с разными характеристиками. В таких случаях приходится в процессе работы накапливать сведения о насосах, строить отдельно характеристики насосных станций и использовать эти сведения для описания источников. В принципе, можно пользоваться пополняемой базой данных насосов, имеющейся в «Теплографе», а совокупную характеристику насосной станции или источника строить автоматически в зависимости от комбинации включенных агрегатов, что также предусмотрено программой. Однако не все существующие и применяемые в практике насосы включены в поставляемый с программой справочник насосных агрегатов, а для добавления туда нового насоса надо как минимум иметь его паспортную характеристику, что не всегда возможно.

При построении и калибровке математической модели сети обычно большие трудности вызывает правильный выбор значения шероховатости внутренней поверхности трубопроводов. Трубопроводы, как правило, старые. Принять шероховатость по данным технической литературы? Может быть, измерить? Измерять пробовали. После обработки экспериментальных данных только каждый четвёртый результат кажется правдоподобным. Полезной оказывается заложенная в «Теплографе» возможность одновременного изменения шероховатости на всех участках сети. Достаточно быстро можно понять влияние шероховатости на результаты наладочных расчётов и сделать необходимые выводы. При маленьких скоростях воды (менее 1 м/с) влияние шероховатости обычно незначительно.

Очень важно иметь тесную связь с представителями служб заказчика, которые эксплуатируют систему теплоснабжения и знают её досконально. При создании модели, имеющей сотни потребителей и тысячи участков, ошибки практически неизбежны. «Теплограф» имеет развитые инструменты для нахождения ошибок, но никакой программный продукт не способен найти многие принципиальные ошибки, например, неточности в схемах, неверное расположение элементов сети. Поэтому окончательную наладку следует производить только после совместного просмотра заложенных в модель элементов представителями разработчика модели и заказчика и исключения возможных серьёзных ошибок.

Программный продукт «Теплограф» достаточно сложен, что вполне обусловлено сложностью моделируемых с его помощью технических объектов и процессов. Производственный персонал подразделений, эксплуатирующих тепловые сети, за редкими исключениями, не обладает минимальными навыками «компьютерной грамотности» и без должного объема обучения не в состоянии эксплуатировать компьютерную модель. В процессе эксплуатации модели обязательно должны участвовать представители подразделений, специализирующиеся на обслуживании компьютерной техники. В составе предприятий ОАО «Газпром» такие подразделения есть. Персонал, который занят обслуживанием тепловых сетей и будет эксплуатировать модель, обязательно должен обучаться навыкам работы с нею. Желательно, чтобы процесс обучения начинался не после готовности модели для данного заказчика, а шёл в процессе её подготовки через непосредственное участие в подготовке, вводе и выверке данных. У обучаемого появляется представление о возможностях модели, особенностях её создания. Цель – сделать обучаемого энтузиастом применения модели на своём предприятии.

Очень сложными представляются оценки экономической эффективности создания компьютерных моделей. За счёт разовых затрат, понесённых заказчиком, создаётся инструмент, позволяющий в течение многих последующих лет практически исключить затраты на выполнение наладочных расчётов, снабдить персонал, который на предприятиях ОАО «Газпром» часто меняется или работает вахтовым методом, абсолютно точной информацией об элементах системы теплоснабжения. Можно было бы написать очень много об облегчении работы по составлению различных статистических справок и отчётов. Единственное, что поддаётся расчёту в крупных системах теплоснабжения, это снижение расхода электроэнергии на перекачку воды. В мелких системах нельзя сделать даже этого, поскольку расход воды в сетях не измерялся до начала проведения наладочных работ и не измеряется после их завершения.

Одним словом, с созданием и последующей грамотной эксплуатацией компьютерных моделей систем теплоснабжения достигается принципиально новая организация эксплуатации. Оценить эффективность таких новаций в деньгах представляется практически невозможным.

Литература:

1. Винниченко Н.В., Вершинский В.П. Отраслевая теплоэнергетика сегодня и завтра //Газовая промышленность. - 2000, - № 5. – С. 9-10