Опыт разработки электронных моделей тепловых схем сетевых трубопроводов ТЭЦ в ПРК «Zulu»

Опыт разработки электронных моделей тепловых схем сетевых трубопроводов ТЭЦ в ПРК «Zulu»

Зав. группой моделирования ОСТ А.Л. Баубель

Техническая поддержка: Гл. специалист ПТО  В.А. Ганжин

 

Введение

Отдел схем теплоснабжения (ОСТ) занимается разработкой «Схем теплоснабжения» населенных пунктов, на базе которых создается гидравлическая модель тепловой сети, позволяющая решать множество инженерных задач для оценки перспективного планирования и разработки последующих инвестиционных программ.

С 2013 года, в период активной разработки Схем теплоснабжения населенных пунктов Российской Федерации, где в требованиях заказчиков указывалась разработка с использованием программно-расчетного комплекса «Zulu» (далее ПРК «Zulu») ООО «Политерм», специалистами ОСТ началось освоение данного программного обеспечения.

ПРК «Zulu» состоит из:

1) ГИС «Zulu»- географической информационной системы;

2) Программно-расчетных модулей для инженерных сетей:

• «ZuluThermo» — теплоснабжения;
• «ZuluHydro» – водоснабжения;
• «ZuluDrain» – водоотведения;
• «ZuluSteam» – пароснабжения;
• «ZuluGaz» – газоснабжения

3)  Системных утилит для работы:

• с сервером («ZuluServer»),
• Android- приложением («ZuluGisMobile»)
• В веб-браузере («ZuluGisOnline»)
• с контроллерами и приборами учета («ZuluOPC»)
• И прочее.

Инженеры прошли обучение по работе с ГИС и модулем «ZuluThermo», получили надлежащие сертификаты.

Несколько лет назад ПРК «Zulu» вошла в перечень доверенных программ ГПО «Белэнерго», на основе которых разрабатываются аналогичные информационные системы по электро- и газоснабжению сторонними подрядными организациями.

ПРК «Zulu» и ее модуль «ZuluThermo» позволяет моделировать режимы работы тепловой сети, анализировать аварийные ситуации, оценивать эффективность мероприятий по модернизации и перспективному развитию систем централизованного теплоснабжения.

Кроме теплогидравлических расчетов, в «ZuluThermo» имеется множество сопутствующих инженерных решений:

— оптимизация температурных графиков отпуска тепловой энергии;

— расчет нормативных тепловых потерь через изоляцию и с утечками (с 2021 г. в т.ч. по нормативным документам РБ);

— «OPC» модуль для получения данных от измерительных приборов, SCADA и систем автоматизации и телеметрии;

— анализ термограмм — предназначен для определения уровня тепловых потерь на участках тепловой сети с помощью анализа наложения схемы сети на тепловизионную съемку;

— прочие программные решения, разработанные преимущественно для организаций, эксплуатирующих сети.

Учитывая, что РУП «Белнипиэнергопром» является профильным институтом по проектированию крупных ТЭЦ, а также участвует в их дальнейшей модернизации, задача по моделированию технологических процессов на станциях стояла постоянно, а именно:

— расчетных схем сетевой воды;

— расчетных схем паропроводов;

— схем оборотного водоснабжения.

Для всех этих задач можно применять ПРК «Zulu», который отличается своей гибкостью и который можно адаптировать для самых разных инженерных решений с помощью расчетных модулей «ZuluThermo», «ZuluSteam», «ZuluHydro».

 

Процесс разработки электронной модели сетевых трубопроводов ТЭЦ

 

В качестве пилотного проекта в 2021 г. решили применить разработку электронной модели для схемы сетевых трубопроводов Минской ТЭЦ-4 в составе работы «Техническое сопровождение решений по возможности изменения схемы отпуска сетевой воды Минской ТЭЦ-4 для обеспечения перспективных тепловых нагрузок по ТМ-61».

Существующая схема сетевой воды МТЭЦ-4 является одной из самых сложных среди ТЭЦ энергосистемы.

Отпуск теплоты потребителям от МТЭЦ-4 осуществляется по двум ниткам транзитной тепломагистрали ТМ-41 и по двум ниткам тепломагистралей ТМ-61 и      ТМ-67 (далее ТМ-61).

На МТЭЦ-4 имеется четыре сетевых насосных группы. Две насосные группы, размещенные в отдельных теплофикационных насосных – ТФН-1 (первого подъема) и ТФН-2 (второго подъема), работают на транзитную тепломагистраль ТМ-41, к которой подключены все ПВК, расположенные в городе. В объединенной насосной группе блочной сетевой насосной (БСН), размещенной в отдельном пролете главного корпуса, расположены насосы первого подъема и второго подъема, работающие на распределительные тепломагистрали ТМ-61.

Все насосные группы связаны между собой через коллекторы прямой и обратной воды турбинных подогревателей сетевой воды – по три нитки к ТФН-1 и ТФН-2, по одной нитке к БСН, ТГ-6 и электробойлерной установке. Коллекторы имеют между собой ряд перемычек, а также секционную арматуру, позволяющую разделить или объединить контуры ТМ-61 и ТМ-41 (основной режим  –  параллельная работа  турбин ст. № 1-6  на обе тепломагистрали). Узел подпитки теплосети единый для всего комплекса и подает подпиточную воду во всасывающие трубопроводы насосов I-го подъема ТМ-41. Давление на всасе насосов первого подъема БСН поддерживается исключительно загрузкой этих насосов.

Разнотипное турбинное и насосное оборудование МТЭЦ-4 работает параллельно на две тепломагистрали (ТМ-41 и ТМ-61). Такая работа создает определенные сложности, которые обусловлены, прежде всего, различными температурными и гидравлическими режимами работы тепловых магистралей. Разные температуры прямой сетевой воды в магистралях требуют различного подогрева сетевой воды в подогревателях турбин.

Таким образом, обеспечение требуемых расходов, давлений и температур прямой сетевой воды в тепломагистралях превращается в сложную задачу потокораспределения, которая в настоящее время решается персоналом станции интуитивно. Причем, с учетом того, что температура обратной сетевой воды и ее расходы в тепломагистралях постоянно изменяются, требуется постоянное вмешательство персонала по распределению расходов сетевой воды между турбинами и ее нагрева в подогревателях турбин.

Для оперативного решения указанной задачи значительным облегчением было бы использование расчетной математической модели схемы сетевой воды МТЭЦ-4.

В разработанной в настоящее время электронной модели выполнено:

• графическое представление объектов схемы сетевой воды МТЭЦ-4;
• паспортизация объектов схемы;
• теплогидравлический расчет с указанием параметров теплоносителя (температура, расход, давление) во всех характерных точках;
• тепловой баланс станции в сетевой воде по итогам расчета.

Благодаря детальному обследованию схемы станции, удалось получить максимально паспортизированную схему МТЭЦ-4. В качестве исходных данных для ее разработки использовались:

• принципиальная схема и чертежи трубопроводов сетевой воды;
• паспортные данные и характеристики подогревателей сетевой воды (см. таблицу 1);
• характеристики насосных агрегатов (перечень насосных агрегатов приведен в таблице 2).

Таблица 1 – Характеристики подогревателей сетевой воды

Наименование подогревателя	Тип, марка оборудования	Расход воды, (ном./макс.), т/ч	Гидравли-ческие потери, м вод. ст.	Макс. давление в трубной системе, МПа	Макс. темпера-тура воды на выходе, ⁰С	Расчетная тепло-производи-тельность, (ном./макс. ), Гкал/ч
Подогреватели сетевой воды ТГ-1                  (ПТ-60-130/13)	ПСВ-500-3-23       (2шт.)	-/1150	-/5,5	2,26	120	55
Подогреватели сетевой воды ТГ-2, -3                 (Т-110/120-130)	ПСГ-2300-2-8-1	3500/4500	6,4/10,3	0,8	115	87,5/175
	ПСГ-2300-3-8-1	3500/4500	6,4/10,3	0,8	120	87,5/110
	Встроенный пучок кон-ра	-/6000	-/2,6	0,8	80	10
Подогреватели сетевой воды ТГ-4, -5, -6         (Т-250/300-240)	ПСГ-5000-2,5-8-1	6000/8000	10/16,9	0,8	105	175/350
	ПСГ-5000-3,5-8-1	6000/8000	10/16,9	0,8	118	175/230
Подогреватели сетевой воды электрокотлов (4х 40 МВт)	Пластинчатый        НН № 121                   4 шт.	760/1200	2/4,5	1,6	115	34,4

 

Таблица 2 – Характеристики насосных агрегатов

Наименование насосной группы	Станционные номера насосов	Тип, марка насоса	Номинальный расход, м3/ч	Номинальный напор, м вод. ст.
ТФН-1	СН-I-1 … СН-I-7              (7 шт.)                             в т.ч.  № 7  с ЧРЭП	CЭ 5000-70	5000	70
ТФН-2	СН-II-5	СЭ 2500-180	2500	180
	СН-II-6 … СН-II-11 (6 шт.)в т.ч.  № 7, 10 с ЧРЭП	СЭ 5000-160	5000	160
БСН-1	БСН-I-1 … БСН-I-3 (3 шт.) в т.ч.  № 3  с ЧРЭП	CЭ 5000-70	5000	70
БСН-2	БСН-II-1 … БСН-II-5 (5 шт.) в т.ч.  № 4  с ЧРЭП	СЭ 2500-180	2500	180

 

Диаметры, конфигурация и протяженности трубопроводов, их местные сопротивления приняты согласно проектной документации и по фактическим осмотрам по месту. Кроме того, учтены местные сопротивления в грязевиках перед насосами, в запорно-регулирующей арматуре, в измерительных диафрагмах.

На рисунках 1-3 приведены примеры паспортизации участков схемы

.

Рисунок 1 – Пример исходных данных «обвязки» насосных агрегатов для  паспортизации модели

Рисунок 2 – Пример паспортизации участка, внесения дополнительных местных сопротивлений

Рисунок 3 – Пример паспортизации насосного агрегата, добавления  расходно-напорных характеристик

 

Электронная модель была рассчитана и откалибрована по фактическим режимам работы МТЭЦ-4 на основании замеров параметров теплоносителя в контрольных точках, проведенных 18 января 2021 года при температуре наружного воздуха минус 18 ^оС. В этот день наблюдалась максимальная загрузка станции по циркуляционному расходу сетевой воды внутреннего контура 28500 т/ч.

Для отладки теплогидравлического режима использовались фактические данные по схеме сетевой воды в конкретный промежуток времени на основе информационной АСУ теплофикационного комплекса МТЭЦ-4, где отражены реальные параметры (расходы, температуры, давления) по тепломагистралям, на входе и выходе подогревателей сетевой воды, насосных агрегатов и прочих контрольных точках.

Калибровка электронной модели заключалась в корректировке расчетных гидравлических сопротивлений участков схемы при сравнении фактических и расчетных параметров в контрольных точках.

Изменение подачи насосов и соответственно регулирование давления в напорных коллекторах после насосов производится несколькими способами:

— напорными задвижками;

— ЧРЭПом сетевого насоса;

— комбинированно.

Результаты расчетов показали (приложение А), что расчетная модель сетевых трубопроводов МТЭЦ-4 имеет высокую сходимость, отклонение по величине давления в контрольных точках не превышает нескольких м вод.ст., температуры – не более        0,5-1 ⁰С.

 

Использование модели сетевых трубопроводов при проведении проектных работ

 

Как уже было сказано ранее, разработка модели сетевых трубопроводов производилась для выполнения проектных работ «Техническое сопровождение решений по возможности изменения схемы отпуска сетевой воды Минской ТЭЦ-4 для обеспечения перспективных тепловых нагрузок по ТМ-61».

При проведении гидравлического расчета с учетом перспективных тепловых нагрузок г. Минска до 2030 г. были внесены следующие изменения в тепловую схему, определяемые рекомендуемым вариантом:

— в БСН-1 устанавливаются два сетевых насоса СЭ-5000-70 (БСН-I-4, БСН-I-5), оснащенные ЧРЭП;

— в БСН-2 заменяется насос СЭ-2500-180 (БСН-II-5) на насос СЭ-5000-70, оснащенный ЧРЭП. Cетевой насос СЭ-5000-70 БСН-1 (БСН-I-3) с ЧРЭП переключается в сетевую группу БСН-2.

 

Рисунок 4 – Изменения тепловой схемы групп насосной станции БСН-1,  БСН-2 по   рекомендуемому варианту

 

Гидравлический расчет новой принципиальной схемы рассчитан для следующих параметров сетевой воды тепломагистралей:

а) суммарная циркуляция внутреннего контура сетевой воды – 31500 т/ч, в т.ч.:

• ТМ-41 – 17000 т/ч;
• ТМ-61(67) – 14500 т/ч;

б) давление на всасе сетевых насосов:

• БСН-1 – 0,12-0,18 МПа;
• ТФН-1 – 0,2 МПа;

в) давление в подающем трубопроводе на выходе из ТЭЦ:

— БСН–2 – 0,85 МПа;

— ТФН-2 – 1,15 МПа;

г) температурный режим соответствует режиму расчета существующей схемы сетевых трубопроводов МТЭЦ-4 (18.01.2021 г.):

— T₁ =98-100 ⁰C;

— T₂ =58 ⁰C.

При моделировании работы перспективного режима работы использовались следующие методы ограничения:

— напорные задвижки сетевой группы ТФН-1 «прижаты», исходя из уровня давления в напорном коллекторе после насосов 0,8 МПа (СН-I-7 с регулируемым приводом отключен, по аналогии с режимом расчета существующей схемы);

— давление в напорном коллекторе ТФН-2 регулирует ЧРЭП насоса СН-II-7, задвижки на других насосах прижаты;

— давление в напорном коллекторе БСН-2 регулирует ЧРЭП насоса БСН-II-4;

— напорные задвижки насосов БСН-1 полностью открыты, давление во всасывающем коллекторе поддерживает один из насосов с ЧРЭП;

— регулирование температуры прямой сетевой воды ТМ-61 производится регулирующим клапаном на линии Ду300  байпаса между напорным коллектором    БСН-1 и всасывающим коллектором БСН-2. Расход по этой линии обвода соcтавляет 800 т/ч;

— давление перед ПСГ турбин не должно превышать 0,8 МПа;

— давление на всасе высоконапорных сетевых насосов II подъема не должно быть ниже 0,3 МПа.

Результаты расчетов показали (приложение Б), что при среднем циркуляционном расходе 31500 т/ч:

— давление на входе в ПСГ не превышает 0,78-0,8 МПа;

— давление на всасе сетевых высоконапорных насосов 2-го подъема БСН-2 и  ТФН-2 не ниже 0,3 МПа;

— давление на всасе насосов СЭ-5000-70 БСН-2 менее 0,3 МПа, что допустимо, т.к. они имеют более низкий кавитационный запас (0,15 МПа).

Тепловой баланс по загрузке сетевых подогревателей представлен в таблице 3.

Таблица 3 – Тепловой баланс сетевых подогревателей МТЭЦ-4 при перспективном

режиме на 2030 год

Наименование источника	Расход сетевой воды, т/ч	Температура воды на выходе из источника, °C	Температура воды на входе в источник, °С	Тепловая нагрузка, Гкал/ч
ТГ — 1
БО-1А ТГ-1	945	87,7	58,0	28,0
БО-1Б ТГ-1	905	88,1	58,0	27,2
Итого	1850			55,2
ТГ — 2
ПСГ-2 ТГ-2	3816	99,9	79,0	80,0
ПСГ-1 ТГ-2	3816	79,0	58,0	80,0
Встроенный пучок ТГ-2	0			0,0
Итого	3816			160,0
ТГ — 3
Встроенный пучок ТГ-3	4331	58,5	56,2	10,0
ПСГ-1 ТГ-3	4331	76,9	58,5	80,0
ПСГ-2 ТГ-3	4331	96,6	76,9	85,0
Итого	4331			175,0
ТГ — 4
ПСГ-1 ТГ-4	7442	77,9	56,4	160,0
ПСГ-2 ТГ-4	7442	98,1	77,9	150,0
Итого	7442			309,9
ТГ — 5
ПСГ-2 ТГ-5	6346	83,2	58,0	160,0
ПСГ-1 ТГ-5	6346	105,3	83,2	140,0
Итого	6346			300,0
ТГ — 6
ПСГ-1 ТГ-6	7012	80,0	55,0	175,0
ПСГ-2 ТГ-6	7012	102,8	80,0	160,0
Итого	7012			335,0
ЭК
ПЭК-4	0	0,0	0,0	0,0
ПЭК-3	0	0,0	0,0	0,0
ПЭК-2	0	0,0	0,0	0,0
ПЭК-1	0	0,0	0,0	0,0
Итого	0
Сумма				1335,1

 

Модель принципиальной схемы сетевой воды МТЭЦ-4 позволяет:

— определить параметры теплоносителя (температуру, давление, расход) на каждом участке трубопровода и в каждом узловом объекте;

— оптимизировать загрузку оборудования, насосных агрегатов, их тепловые потоки.

 

Перспективные планы развития направления моделирования технологических процессов

Наряду с моделированием схем сетевых трубопроводов ТЭЦ, актуальна задача по моделированию паропроводов ТЭЦ, главным образом для схем станций с поперечными связями, а также взаимная интеграция двух задач воедино, для увязки балансов пара и преобразуемой им тепловой энергии. Кроме того, возможно моделирование схем трубопроводов циркуляционной воды для ТЭЦ с центральной насосной станцией, что позволит, в т.ч., решить задачу по оптимизации схемы технического водоснабжения ТЭЦ.

Программный комплекс Zulu позволяет работать со SСADA (система автоматического контроля и сбора информации) через протокол передачи данных OPC, что в дальнейшем позволит получать и обрабатывать данные в реальном времени и пересчитывать модель «на лету».

 

Ссылки для скачивания материалов: Приложение А, Приложение Б