Компьютерное моделирование как инструмент для анализа гидравлических режимов в сложных тепловых сетях
В.П. Вершинский, к.т.н.
П.В.Стаханова
ООО "Газпромэнергосервис"
г. Москва
ноябрь 2005 г.
В настоящее время созданы многочисленные программы, позволяющие моделировать гидравлические режимы в тепловых сетях. Принципиально эти программы решают три взаимосвязанные задачи:
► во-первых, выполняют гидравлические расчёты сети в некотором расчётном режиме;
► во-вторых, рассчитывают на основании гидравлических расчётов в этом режиме диаметры отверстий в дроссельных устройствах, которые должны быть установлены на абонентских вводах;
► в-третьих, выполняют расчёты гидравлических режимов работы сети в текущем режиме, т.е. в условиях, отличающихся от расчётных.
Естественно, что в расчётном режиме каждый абонент должен получить расход воды в полном соответствии со своей тепловой нагрузкой. После выполнения наладочных расчётов предполагается, что дроссельные устройства «установлены» в соответствии с условиями работы сети в расчётном режиме, т.е. сеть виртуально налажена. Затем можно моделировать любой текущий режим работы сети, который отличается от расчётного режима положением запорной арматуры, количеством подключённых абонентов, новыми режимами работы сетевых насосов и др.
Для получения полностью достоверных результатов гидравлических расчётов необходимо создать такую компьютерную модель сети, реакция которой на любые изменения режимов работы точно соответствует реакции на эти же изменения моделируемой сети.
Полностью задача может быть решена только при выполнении ряда условий. Основных условий два. Первое и главное – соответствие фактических расходов тепла на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение каждого потребителя расходам, введённым в модель через его описание. Второе – наличие технических характеристик участков трубопроводов моделируемой сети (диаметров, толщины стенки и шероховатости внутренней поверхности трубопроводов), полученных на основании измерений расходов и давлений воды в характерных точках сети. На основании этих данных формируется описание этих участков в модели. Оба условия, чаще всего, трудно выполнимы: первое из-за отсутствия достоверной информации, второе из-за отсутствия стационарных средств измерения расходов и давлений и трудностей в использовании переносных средств измерений. Среди прочих достоверно неизвестных можно отметить данные о фактических характеристиках сетевых насосов.
Однако водяные системы теплоснабжения являются чрезвычайно гидравлически устойчивыми, что позволяет с успехом использовать результаты расчётов на модели, не полностью адекватной моделируемой системе, для наладочных расчётов. Верность этого положения доказана практикой.
С другой стороны, модель позволяет достаточно точно прогнозировать режим работы моделируемой сети при введённых исходных данных, с какими бы оговорками они не были получены. В этом случае появляется возможность провести теоретический анализ работы моделируемой сети, выявить её недостатки или преимущества, увидеть если не количественную, то, по крайней мере, качественную реакцию сети на изменение режимов работы.
Все имеющиеся программы моделирования гидравлических режимов тепловых сетей успешно справляются с расчётами сетей, в структуре которых имеются многочисленные кольца, несколько параллельно работающих источников тепла, в роли которых выступают, как правило, котельные. Такие сети, скорее всего, сегодня нельзя считать сложными. Для них выбор расчётного режима не вызывает трудностей, а результаты наладочных расчётов однозначны.
Однако на практике встречаются тепловые сети, для которых выбор расчётного режима далеко не однозначен, а, следовательно, и результаты наладочных расчётов могут быть разными. К таким сетям, в частности, относятся сети на компрессорных станциях (КС) магистральных газопроводов.
Ряд особенностей системы теплоснабжения компрессорных станций отличают их от большинства систем промышленных и гражданских объектов. Они являются следствием специфики технологии перекачки газа и, отчасти, определяются сложившейся годами практикой проектирования. К этим особенностям следует отнести следующие:
► наличие многочисленных (иногда десятки) источников теплоты, которыми являются как утилизационные теплообменники (УТО), так и котельные;
► неопределённость в использовании одного или одновременно нескольких УТО во времени из-за жёсткой связи между режимом работы газопроводов, количеством находящихся в работе газоперекачивающих агрегатов (ГПА) и, соответственно, количеством утилизированной теплоты;
► установка сетевых насосов в специальных насосных станциях, размещаемых на территории КС, без привязки к источникам теплоты;
► наличие нескольких групп сетевых насосов в составе насосных станций и котельных;
► использование сложной четырёхтрубной тепловой сети, включающей 2 утилизационных (подающих воду от насосных к УТО и от УТО в подающий трубопровод) и 2 отопительных (разводящих воду между абонентами) трубопровода.
Утилизационные теплообменники являются основными источниками теплоты на КС. Они установлены на каждом ГПА и являются звеньями общей системы теплоснабжения КС. Как правило, на КС имеется несколько компрессорных цехов, в составе каждого из которых работает не менее трёх ГПА, размещённых на достаточно больших расстояниях друг от друга. В силу этих причин тепловые сети оказываются достаточно протяжёнными. Перевод нагрузки по перекачке газа с одного ГПА на другой неизбежно влечёт за собой необходимость перевода тепловой нагрузки на УТО работающего ГПА. При этом путь движения воды от насосных станций к работающим УТО и в подающий трубопровод изменяется, а, следовательно, и потери давления в тепловой сети, могут существенно изменяться.
Очень существенно и то, как организован сбор воды, нагретой в УТО, перед подачей в подающий трубопровод. Эта процедура полностью определена проектным институтом. Чаще всего многие решения стандартные:
► диаметры утилизационного подающего и утилизационного обратного трубопроводов на участках между тепловыми камерами на магистральной сети и УТО одинаковы и не зависят от положения УТО относительно насосных станций;
► вдоль достаточно длинного фронта перед всеми ГПА прокладываются два отопительных трубопровода одинакового диаметра, являющиеся по существу аналогами коллекторов котельной.
Возможные варианты принципиальных схем тепловой сети КС показаны на рис. 1. Вода от сетевого насоса двумя параллельными потоками поступает на нагрев в 2 УТО первого цеха. Нагретая в УТО вода собирается в общий трубопровод и поступает в подающий трубопровод сети в одной точке. От этого же насоса вода может поступать также двумя параллельными потоками в 2 УТО второго цеха. Однако нагретая вода после каждого УТО поступает в подающий трубопровод по отдельным трубопроводам. Таким образом, на показанной схеме вода в подающий трубопровод может поступать в четырёх разных местах в зависимости от того какие УТО или котельная используются в данный момент времени.
Рис.1. Принципиальная схема теплоснабжения от утилизационных теплообменников.
В итоге, использование разных УТО и различие в схемах подачи воды в подающий трубопровод приводят к тому, что точка поступления нагретой воды в подающий трубопровод тепловой сети как бы «плавает» вдоль этого трубопровода. Эти процессы в принципе приводят к тем же последствиям, к которым привела бы подача воды от стандартной котельной в разные точки подающего трубопровода тепловой сети с разными напорами.
Поскольку, как было показано выше, в системе теплоснабжения возможны различные гидравлические режимы из-за «плавания» источников теплоты, наладочные расчёты и определение диаметров отверстий в дроссельных устройствах должны выполняться при наименее благоприятном гидравлическом режиме. Естественно, что предполагается использование во всех режимах одних и тех же насосов.
Отсюда следует, что первая задача сводится к нахождению наименее благоприятного гидравлического режима. Методически эта задача может быть решена многовариантным моделированием работы сети при использовании различных УТО, котельных и насосных. Путём «переключения» запорной арматуры должны быть созданы несколько схем тепловой сети с вариантами использования различных УТО. Для каждого варианта необходимо исследовать гидравлику системы в расчетном режиме, убедиться в наличии необходимых перепадов давлений на вводах всех абонентов, затем выполнить для каждого варианта наладочные расчёты. Последний шаг – выбрать из вариантов тот, в котором диаметры отверстий у одних и тех же абонентов самые большие, а располагаемые напоры самые маленькие. Этот режим является расчётным базовым для выполнения всех дальнейших действий. Программа «запомнит» сопротивления всех дроссельных устройств. Во всех прочих вариантах включения УТО у потребителей, конечно, будут наблюдаться неизбежные перетопы.
В процессе выбора расчётного режима выясняются некоторые особенности гидравлических режимов сети с «плавающими» источниками. Оказывается, что происходит существенное перераспределение расхода воды между подающим и обратным трубопроводами. Покажем пределы изменения расходов в трубопроводах на примере сети конкретной КС (Рис.2). Все расчёты выполнены с помощью программы «ТеплоГраф», разработанной ИВЦ «Поток».
Рис.2. Схема теплоснабжения территории КС.
На рис.2 показана принципиальная схема тепловой сети на участке вдоль фронта ГПА двухцеховой КС. В составе каждого цеха находится по 3 ГПА, но расчётная отопительная и вентиляционная нагрузки КС могут быть покрыты при работе УТО только на 2-х ГПА. Общая длина участка 300 м. Отопительные трубопроводы по всей длине имеют условный диаметр 200 мм. На участке находятся 10 тепловых камер, в каждой из них, за исключением камеры ТК-6, подключены по одному или несколько потребителей теплоты. Расход воды обеспечивается параллельной работой двух насосных станций, подающих воду в общий коллектор. Насосная группа в котельной не работает. Подогретая в УТО вода собирается в каждом цехе и подаётся в отопительный подающий трубопровод в двух точках. Расчётный расход воды в соответствии с заданной тепловой нагрузкой потребителей равен 235 т/ч.
В таблице 1 и рис.3; 4 показано изменение расходов в отопительных трубопроводах при работе только двух правых УТО в цехе 1 и только двух левых УТО в цехе 2.
В соответствии с описанной выше методикой для анализа влияния «плавания» источников тепла на работу системы теплоснабжения выбраны два варианта работы УТО. Первый вариант – работают утилизаторы № 5 и № 6, наиболее удаленные от насосных станций. Второй вариант – включены утилизаторы № 1 и № 2, расположенные в непосредственной близости к насосной станции № 1. С точки зрения гидравлического режима эти варианты являются наиболее показательными. Во всех остальных вариантах включения УТО гидравлические режимы будут промежуточными между режимами в первом и втором вариантах.
В таблице 1 показано распределение воды в подающем и обратном трубопроводах между УТО № 1 и УТО № 6 при двух указанных вариантах включения УТО. Следует отметить, то диаметр трубопроводов на участке от УТО № 1 до УТО № 6 одинаков и равен 200мм. Длина этого участка составляет 300м.
Таблица 1. Распределение воды в обратном и подающем трубопроводахпри работе различных УТО
Участки между камерами
Вариант 1
Вариант 2
Расход воды, т/ч
Расход воды, т/ч
в подающем
в обратном
в подающем
в обратном
№0-№1
38,3
38,3
38,3
38,3
№1-№2
81,4
18,7
153
61,4
№2-№3
94,8
5,3
139,2
48,1
№3-№4
98
2,1
136,4
44,9
№4-№5
111,3
11,3
123,1
31,5
№5-№6
131,2
31,1
103,2
11,7
№6-№7
132,3
32,2
102,1
10,6
№7-№8
138,8
97,9
97,6
97,6
№8-№9
38,9
38,9
38,9
38,9
Ниже представлена графическая интерпретация данных из Таблицы 1.
Рис. 3. Распределение воды в обратном трубопроводе
Рис. 4. Распределение воды в подающем трубопроводе
Данные таблицы 1 и рис. 2 и 3 показывают, что расходы воды в обоих трубопроводах изменяются в зависимости от варианта использования УТО. В подающем трубопроводе расходы меняются, но, скорее всего, выбор одинакового диаметра по всей длине участка является достаточно обоснованным. Особенно заметно изменение расходов в обратном трубопроводе. Если на участке между камерами 7 и 8 скорость воды составляет 1,15 м/с, то на участке 1-2 она только 0,4 м/с. Очевидно, что на этом и соседних участках диаметр трубопровода мог бы быть меньше 200мм, например, таким, как показано в таблице 2 (при скорости воды 1 м/с).
Таблица 2. Возможные варианты диаметра обратного трубопровода на отдельных участках
Участки между
камерами
Вариант 1
Вариант 2
№0-№1
150
150
№1-№2
80
150
№2-№3
50
150
№3-№4
32
150
№4-№5
100
100
№5-№6
100
100
№6-№7
100
100
№7-№8
200
200
№8-№9
150
150
Конечно, следовало бы отметить, что при работе котельной и отключённых УТО расходы воды в подающих и обратных трубопроводах на всех участках сети будут одинаковы. Сужение диаметра обратного трубопровода на отдельных участках неизбежно скажется на гидравлическом режиме сети. Однако надо принять во внимание несколько факторов. Как правило, в котельных и насосных станциях устанавливаются насосы с примерно одинаковыми техническими характеристиками, поэтому при включении насосов в котельных перепад давлений у всех потребителей резко возрастает: исключается тракт котельная – УТО – подающий трубопровод. Поэтому уменьшение диаметров на отдельных участках может и быть незаметным для гидравлического режима. Кроме того, котельные используются чрезвычайно редко и кратковременно. Возможные недотопы у потребителей останутся незамеченными из-за аккумулирующей способности самой сети.
Поскольку модель позволяет оценить влияние изменения диметра трубопровода на гидравлику всей системы в целом, можно без труда оценить влияние снижения диаметра обратного трубопровода на перепады давления у всех потребителей. В рассматриваемом конкретном случае уменьшении диаметра не приводит к каким-либо негативным последствиям, т. к. у потребителей имеется определённый запас напора.
Если модель создается для существующей тепловой сети, то сведения о перераспределении расходов воды важны только для правильного выбора расчётного режима и определения необходимых диаметров отверстий в дроссельных устройствах. Ситуация меняется, если создавать модель для вновь проектируемой или реконструируемой сети. В этом случае выяснение особенностей гидравлического режима сети до выполнения рабочих чертежей может оказать решающее влияние на экономические показатели проекта и снизить капитальные затраты на строительство самой сети.
Естественно, что выбранный конкретный пример только иллюстрирует возможности использования модели для изучения гидравлического режима в тепловой сети. Каждая тепловая сеть в соответствии со своими особенностями будет по-своему реагировать на «плавание» источников тепла. Для какой-то сети это окажется неважным, а для другой – чрезвычайно важной.
Представляется, что проблема учёта особенностей гидравлического режима окажется актуальной для многоагрегатных газотурбинных ТЭЦ. Принципиально схема тепловой сети газотурбинной ТЭЦ ничем не отличается от схем тепловых сетей КС. То же наличие нескольких источников, непредсказуемость работы отдельных энергоблоков по электрическому графику и, главное, необходимость держать перепад давления в сети на выходе из ТЭЦ постоянным для стабильного теплоснабжения потребителей.