Сведение балансов тепловой энергии

Главная задача коммерческого учета энергоносителей состоит в определении баланса между отпущенным источником и полученным потребителями количеством энергоресурсов.

В ресурсоснабжении и, в частности, в теплоснабжении под сведением баланса понимают определение разности между количеством ресурса, отгруженного с источника, и количеством ресурса, полученного потребителями, подключенными к этому источнику. То есть сведение баланса тепловой энергии — это не что иное, как определение тепловых потерь.

Зачем сводить тепловой баланс?

Чем ниже потери тепла, тем выше КПД работы источника, то есть его энергетическая эффективность, которая непосредственно влияет на экономическую эффективность и размер полученной прибыли. Поэтому каждый источник заинтересован в снижении потерь.

Тепловой баланс источников тепловой энергии позволяет провести анализ расходных статей и разработать мероприятия по повышению энергетической эффективности.

Сведение баланса предполагает решение задач технологического и коммерческого характера.

• Балансовые задачи технологического характера состоят в выявлении участков сетей с наибольшими потерями энергоресурсов. Расчеты могут проводиться по произвольному набору источников и потребителей, не обязательно включающих в себя действительные источники и конечных потребителей. Интервал времени может быть любым. Но чем он меньше, тем выше требования к синхронности результатов измерений на всех объектах системы.
• Балансовые задачи коммерческого характера всегда решаются до конечного потребителя и нацелены на определение финансовых потерь теплоснабжающей организации. Здесь временной интервал равен расчетному периоду (месяцу), для аналитики используются суточные архивы ПУ.

Как сводить тепловой баланс?

Баланс рассчитывают для конкретной балансовой схемы, которая представляет собой перечень обобщенных источников и потребителей, связанных между собой в системе теплоснабжения для передачи энергоресурса от первых ко вторым.

Источник может иметь одну или несколько точек отгрузки, а потребитель — одну или несколько точек потребления, в которых измеряются параметры энергоресурса.

Уравнение теплового баланса следует из закона сохранения энергии. При этом в каждой балансовой схеме может быть несколько уравнений баланса, общий вид которых сводится к следующему:

∆Р = ∑Рист – ∑Рпотр, где

Р — это измеряемая или вычисляемая из измеренных параметров величина энергоресурса, в случае с теплоснабжением — величина тепловой энергии и теплоносителя;

∆Р — потери ресурса;

∑Рист — сумма ресурса, отгруженного со стороны источника;

∑Рпотр — сумма ресурса, полученного потребителями.

Важно понимать, что все приборы, выполняющие измерения, работают с определенной погрешностью. Принимая во внимание допустимую величину погрешности, можно определить так называемый коридор нулевого баланса (потерь) ±∆Р0.

Положительные и отрицательные отклонения в тепловом балансе системы теплоснабжения в рамках этого коридора могут быть получены только за счет допускаемой погрешности приборов.

В теплоснабжении наибольшее влияние на измерения оказывает погрешность расходомеров. Она, как правило, довольно большая (±2 %), из-за чего коридор нулевого баланса обычно получается очень широким.

Также есть несколько принципиальных моментов, связанных с учетом разных параметров для подстановки в уравнения теплового баланса.

1. Синхронность измерений, выполняемых разными вычислителями.

Максимальная разность показаний таймеров вычислителей, участвующих в одной балансовой схеме, не должна превышать 10 % продолжительности интервала времени усреднения для используемого типа архива, так:

• для часового архива разбежка таймеров не должна быть более 60/10 = 6 мин;
• для суточного архива разбежка таймеров не должна быть более 24/10 = 2,4 часа.

Чаще всего балансы приходится сводить по данным суточных архивов.

2. Учет температуры холодной воды.

Обычно в вычислителях устанавливается постоянная величина температуры холодной воды, равная среднему значению в течение года. Но она существенно отличается от фактических значений. Эта температура имеет минимальное значение в марте, а максимальное в августе, причем разница между максимальной и минимальной величиной может превышать 20⁰С. При решении балансовых задач коммерческого характера можно пользоваться уставками, заданными в вычислителе. Но в задачах технологического характера нужно стараться брать реальные значения температуры холодной воды.

Балансовые схемы и уравнения для ЦТП

Приведем разные варианты балансовых схем центральных тепловых пунктов и формулы теплового баланса.

Будем рассматривать сведение теплового баланса на примере ЦТП с открытой схемой ГВС и зависимым вторичным контуром отопления.

Приведем полный набор балансовых уравнений, в том числе с разделением по видам и трубопроводам.

Обозначения в формулах:

Q — количество теплоты, Ккал;

M — масса теплоносителя, кг;

h – энтальпия (Ккал/кг).

Индекс 1 характеризует прямую тепловую сеть; 2 — обратную тепловую сеть; 1.2 — подающий трубопровод отопления; 2.2 — обратный трубопровод отопления; 3 — подающий трубопровод ГВС; 4 — трубопровод циркуляции ГВС.

1. Баланс тепловой общий от входа до выхода ЦТП:

ΔQ = QцтпВх – (QцтпОтопл + QцтпГВС)

2. Баланс материальный общий от входа до выхода ЦТП:

ΔМ = (М1 – М2) – ((М1.2 – М2.2) + (М3 – М4))

3. Баланс тепловой общий от входа ЦТП до входов потребителей:

ΔQ = QцтпВх – (QпотрОтопл + QпотрГВС)

4. Баланс материальный общий от входа ЦТП до входов потребителей:

ΔМ = (М1 – М2) – ((М1потр – М2потр) + (М1ГвсПотр – М2ГвсПотр))

5. Баланс тепловой отопления от выхода ЦТП до входов потребителей:

ΔQ = QцтпОтоплВых – QпотрОтопл

6. Баланс материальный отопления от выхода ЦТП до входов потребителей:

ΔМ = (М1.2 – М2.2) – (М1потрОтопл – М2потрОтопл)

7. Баланс тепловой в подающих трубопроводах отопления от выхода ЦТП до входов потребителей (потери через изоляцию):

ΔQ = М1потр × (h1 – h1потр)

8. Баланс тепловой в подающих трубопроводах отопления от выхода ЦТП до входов потребителей (потери с утечкой теплоносителя):

ΔQ = (М1.2 – М1потр) × (h1 - hхв)

9. Баланс тепловой в обратных трубопроводах отопления от выхода ЦТП до входов потребителей (потери через изоляцию):

ΔQ = М2 × (h2потр – h2)

10. Баланс тепловой в обратных трубопроводах отопления от выхода ЦТП до входов потребителей (потери с утечкой теплоносителя):

ΔQ = (М2потр – М2.2) × (h2потр – hхв)

11. Баланс материальный в подающих трубопроводах отопления от выхода ЦТП до входов потребителей:

ΔМ = М1.2 – М1потрОтопл

12. Баланс материальный в подающих трубопроводах отопления от выхода ЦТП до входов потребителей:

ΔМ = М2потрОтопл – М2.2

13. Баланс тепловой ГВС от выхода ЦТП до входов потребителей:

ΔQ = QцтпГВСВых – QпотрГВС

14. Баланс материальный ГВС от выхода ЦТП до входов потребителей:

ΔМ = (М3 – М4) – (М1ГвсПотр – М2ГвсПотр)

15. Баланс тепловой в подающих трубопроводах ГВС от выхода ЦТП до входов потребителей (потери через изоляцию):

ΔQ = М1ГвсПотр × (h3 – h1ГвсПотр)

16. Баланс тепловой в подающих трубопроводах ГВС от выхода ЦТП до входов потребителей (потери с утечкой теплоносителя):

ΔQ = (М3 – М1ГвсПотр) × (h3 - hхв)

17. Баланс тепловой в обратных трубопроводах ГВС от выхода ЦТП до входов потребителей (потери через изоляцию):

ΔQ = М4 × (h2ГвсПотр – h4)

18. Баланс тепловой в обратных трубопроводах ГВС от выхода ЦТП до входов потребителей (потери с утечкой теплоносителя):

ΔQ = (М2ГвсПотр – М4) × (h2ГвсПотр – hхв)

19. Баланс материальный в подающих трубопроводах ГВС от выхода ЦТП до входов потребителей:

ΔМ = М3 – М1ГвсПотр

20. Баланс материальный в обратных трубопроводах ГВС от выхода ЦТП до входов потребителей:

ΔМ = М2ГвсПотр – М4

Методы анализа потерь

После сведения баланса тепловой энергии системы теплоснабжения проводят анализ потерь. Для этого используют следующие методы:

• сравнение фактического значения потерь с нормативным. По результатам сравнения проводят ранжирование объектов по величине отклонения, продумывают мероприятия по снижению потерь;
• анализ динамики в краткосрочном периоде — дифференциальный метод, позволяющий определить допустимую кратность скачков величины потерь. Метод предполагает проверку соблюдения неравенства для некоторого положительного коэффициента К:

Для проверки берут только значения потерь, которые выходят за пределы коридора нулевого баланса.

• Анализ динамики в долгосрочном периоде предполагает сравнение потерь за несколько отопительных периодов.

На графике, который показывает величину потерь в краткосрочном периоде, есть существенные вылеты из диапазона допустимых значений как в положительную, так и в отрицательную стороны.

Это может свидетельствовать о наличии паразитных перетоков теплоносителя — ситуации, когда происходит смешение горячей и охлажденной воды на перемычках между подающим и обратным трубопроводами.

Раздельный анализ потерь по трубопроводам помогает выявить паразитные перетоки.

На графике видно, что потери на подаче положительные, а на обратке — отрицательные. Причем это происходит синхронно. Синхронность подтверждает и график функциональной зависимости, отображенный ниже.

График наглядно демонстрирует почти линейную зависимость величины потерь в обратном трубопроводе от потерь в подающем трубопроводе. Такая синхронность свидетельствует о высокой вероятности наличия паразитных перетоков теплоносителя.

Причиной может быть недостаточно плотно закрытая или неисправная запорная арматура на перемычках между подачей и обраткой. Такая ситуация приводит к нарушению температурного режима работы и существенно снижает энергоэффективность теплоснабжения.

Замещающие методы расчета

Для решения уравнений теплового баланса, как правило, берут показания большого количества приборов учета на группе объектов, число которых может достигать нескольких десятков, сотен и тысяч. Добиться одновременной работоспособности всего этого парка ПУ очень сложно, а при отсутствии данных хотя бы одного из них решить балансовое уравнение не получится. Для компенсации отсутствующих данных применяют так называемые замещающие методы.

При временном отсутствии показаний ПУ на объекте, где производится измерение отопительной нагрузки (не менее 75 % в общем объеме), используют зависимость:

Q = F(Тнв), где

Q — количество теплоты, Гкал/сутки;

F — функция;

Тнв — температура наружного воздуха, °С.

Недостающие значения определяют по графику. Относительная погрешность этого метода в разрезе суточных архивов составляет 12-18 %, и это значительно лучше результатов других расчетных методик.

При отсутствии ПУ, а также каких-либо фактических данных об учете тепловой энергии и теплоносителя на объекте замещающий метод расчета предполагает использование фактических данных с группы объектов-аналогов. Аналоги определяют по определенному набору признаков, например: тип объекта (школа, детский сад, МКД, ТЦ и т. п.), год постройки, этажность, материал стен (кирпич, бетонные панели и т. п.) и так далее.

Для расчета теплопотребления на нужды отопления используют удельную величину, приведенную к отапливаемой площади.

Погрешность этого метода составляет примерно 25-27 % .

Иногда при сведении баланса тепловой энергии обойтись без замещающих методов невозможно, но все-таки они имеют массу недостатков:

• погрешность таких вычислений существенно больше погрешности приборных измерений;
• сложно применять для прогнозирования потребления ГВС: и тепловой энергии, и теплоносителя;
• нельзя построить материальный баланс в контурах теплоснабжения, где должен отсутствовать разбор теплоносителя;
• сокращение количества возможных уравнений теплового баланса для балансовой схемы;
• не получится использовать дифференциальный анализ для выявления внезапных потерь (порывов);
• метод аналогов возможен только при наличии довольно большой группы схожих объектов, а так бывает не всегда.

Все это объясняет, почему не стоит полагаться на замещающие методы расчетов, а важно обеспечивать наличие и работоспособность ПУ на объектах.

Сведение балансов тепловой энергии в Элдис

Использовании автоматизированной системы Элдис избавляет от необходимости производить сложные расчеты по формулам теплового баланса вручную. При корректной связке источников и всех потребителей в АИИС баланс сводится автоматически.

• В Элдис формируется детальный отчет в виде таблицы, где содержатся данные о посуточном потреблении тепловой энергии по каждому объекту, суммарном потреблении, количестве ресурса, который ежедневно отпускает источник, и разнице между потреблением и отпуском в процентах.

• На основании технологического отчета автоматически производится перерасчет по всем правилам коммерческого учета.
• Для удобства пользователей создан виджет «Баланс тепловой энергии», который можно вывести на Главный экран и мнемосхемы.

В системе учета энергетических ресурсов Элдис сведение тепловых балансов максимально упрощено. Данные о теплопотерях отображаются в табличном и графическом виде. Это позволяет наглядно увидеть любые отклонения и оперативно принять меры по устранению потерь, что благоприятно сказывается на энергетической и экономической эффективности источника.