Потери электроэнергии в проектируемой сети в %

где -величина электроэнергии, полученная потребителями

Себестоимость передачи электроэнергии по сети:

Bn=39192,85/312700=11,8 коп/кВт*ч

Максимальный коэффициент полезного действия:

где -суммарная активная мощность нагрузок;

Суммарные потери активной мощности во всех элементах сети.

Средневзвешенный КПД сети:

Заключение

Выполнив курсовую работу по дисциплине “Электрические сети и системы”, считаю, что мною освоены вопросы расчета и проектирования электрических сетей. Первоначально были определены параметры участка электрической сети, выбрана экономически целесообразная схема, для данного варианта разомкнутая, нерезервированная, радиальная сеть, т.к здесь достаточно малая длина по трассе, следовательно, облегчается обслуживание сети и упрощенные схемы ПС. По технико-экономическим соображениям в зависимости от протяженности ВЛ и величин активных мощностей, которые будут по ним передаваться в режиме максимальных нагрузок, принято номинальное напряжение сети - 110 кВ. Затем, выбрав трансформаторы для каждой ПС (ПС1 - ТРДН -25000/110, ПС2 - ТДН -16000/110, ПС3 - ТДН -10000/110) и определив параметры линий (сечений проводов), были составлены балансы активных и реактивных мощностей района на шинах источника питания.

Был выполнен расчет уровней напряжения в сети для каждого участка по данным его начала, двигаясь от шин источника питания от начала к концу, от шин ВН к шинам НН каждой ПС. Таким образом, определено напряжения во всех точках электрической сети. На шинах 10 кВ подстанции, к которым присоединены распределительные сети, устройства регулирования должны обеспечивать поддержание режиме максимальных нагрузок - не ниже 1,05·U ном. У двухобмоточного трансформатора регулирование напряжения обычно осуществляется путем изменения числа витков регулировочной обмотки, включенной со стороны нейтрали обмотки высокого напряжения. Выбрав ответвление РПН на трансформаторах ПС1 (n = -7), ПС2 (n = -3) и ПС3 (n = -9), убедились, что напряжение на стороне НН в режиме максимальных нагрузок удовлетворяет требованиям ПУЭ.

В заключительной части работы были определены технико-экономические показатели электрической сети. Капитальные вложения на сооружение сети составили 1 148 200 тыс. руб. Ежегодные издержки на эксплуатацию сети тыс. руб. Себестоимость передачи и распределения электроэнергии 38,1 коп/кВт ч. Также были определены коэффициенты полезного действия сети в режиме максимальных нагрузок: з м = 96,51% и средневзвешенного по энергии за год з св = 97,09%. Так как КПД средневзвешенный по энергии за год составляет около 95%, то можно сделать вывод, что данная система экономична.

Максимальный КПД сети:

.

Средневзвешенный КПД сети:

,

Суммарная энергия, потребляемая потребителем за год.

Расчёт себестоимости передачи и распределения электроэнергии

Определение себестоимости передачи 1 кВт×ч электроэнергии:

где И – ежегодные эксплутационные издержки; Э Σ – суммарная энергия, потребляемая потребителем за год.

Потери энергии в сети за год составляют:

Результаты расчёта технико-экономических показателей сведены в таблицу 4.3.

Таблица 4.3.

К	И	b	DЭ%	h св	h max
тыс. руб.	тыс. руб./год	коп./кВт×ч	%	%	%
		3,9	1,8	98,2	97,7

Заключение

В результате выполнения курсового проекта в соответствии с заданием был разработан оптимальный вариант электрической сети района нагрузок.

Для сравнения из нескольких вариантов конфигурации сети на основании наименьшей стоимости, наибольшей надежности и удобства эксплуатации были выбраны два.

В ходе дальнейшей разработки вариантов и расчета их экономической эффективности методом дисконтированных затрат был выбран вариант радиальной схемы сети.

Проектируемая сеть относится к числу районных сетей напряжением 220 -110 кВ. Сеть питает четыре ПС, в составе потребителей которых имеются потребители I, II, III категорий по надежности электроснабжения.

Линии электропередач напряжением 110 кВ и 220 кВ выполнены на железобетонных опорах, в обоих случаях использованы сталеалюминевые провода.

Сечения проводов линий были приняты с учетом экономической плотности тока и ограничения потерь на корону и проверены по допустимому току в послеаварийном режиме работы. В проектируемой сети использованы провода марок: АС – 70/11; АС – 120/19; АС – 185/29; АС – 400/51.

Питание потребителей осуществляется через два трансформатора на каждой подстанции. Трансформаторы выбраны с учетом перегрузочной способности:

На ПС-1 - АТДЦТН - 250000/220/110/10;

На ПС-2, ПС-3 - ТРДН - 25000/110/10;

На ПС-4 – ТДН- 16000/110/10;

На следующем этапе проектирования были рассчитаны установившиеся режимы:

максимальный, минимальный и 4 послеаварийных режимов.

В результате технико-экономического расчета получили следующие показатели сети:

1. Суммарные капиталовложения в сеть: К СЕТИ = 1055543 тыс.руб.

2. Суммарные издержки на эксплуатацию сети: И ОБЩ = 36433,546 тыс.руб./год;

3. Себестоимость передачи электроэнергии по сети:

4. Максимальный коэффициент полезного действия сети =97,7%.

5. Средневзвешенный коэффициент полезного действия: =98,2%.

Проведенный технико-экономический расчет показал, что электрическая сеть района нагрузок отвечает требованиям экономичности, так как суммарные потери мощности и электроэнергии не превышают 5%.

Список литературы.

1. Справочник по проектированию электрических сетей. Под редакцией Д.Л. Файбисовича. – М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2005 – 320 с. ил.

2. Правило устройства электроустановок. – М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2002.

3. Бушуева О.А., Кулешов А.И. Электрическая сеть района нагрузок: Учебное пособие к курсовому проекту. – Иваново, 2006. – 72 с.

4. Выбор силовых трансформаторов подстанций энергосистем и промышленных предприятий с учетом допустимых нагрузок. Методические указания. Б.Я. Прахин. – Иваново; ИЭИ, 1999г.

5. Методические указания по курсовому проектированию электрических сетей. Б.Я. Прахин, О.И. Рыжов. – Иваново; ИЭИ, 1988г.

6. Методические указания по расчету установившихся режимов в курсовом проектировании электрических сетей. Бушуева О.А., Парфенычева Н.Н. - Иваново: ИГЭУ, 2004.

Содержание:

В процессе перемещения зарядов внутри замкнутой цепи, источником тока совершается определенная работа. Она может быть полезной и полной. В первом случае источник тока перемещает заряды во внешней цепи, совершая при этом работу, а во втором случае - заряды перемещаются во всей цепи. В этом процессе большое значение имеет КПД источника тока, определяемого, как соотношение внешнего и полного сопротивления цепи. При равенстве внутреннего сопротивления источника и внешнего сопротивления нагрузки, половина всей мощности будет потеряна в самом источнике, а другая половина выделится на нагрузке. В этом случае коэффициент полезного действия составит 0,5 или 50%.

КПД электрической цепи

Рассматриваемый коэффициент полезного действия в первую очередь связан с физическими величинами, характеризующими скорость преобразования или передачи электроэнергии. Среди них на первом месте находится мощность, измеряемая в ваттах. Для ее определения существует несколько формул: P = U x I = U2/R = I2 x R.

В электрических цепях может быть различное значение напряжения и величина заряда, соответственно и выполняемая работа тоже отличается в каждом случае. Очень часто возникает необходимость оценить, с какой скоростью передается или преобразуется электроэнергия. Эта скорость представляет собой электрическую мощность, соответствующую выполненной работе за определенную единицу времени. В виде формулы данный параметр будет выглядеть следующим образом: P=A/∆t. Следовательно, работа отображается как произведение мощности и времени: A=P∙∆t. В качестве единицы измерения работы используется .

Для того чтобы определить, насколько эффективно какое-либо устройство, машина электрическая цепь или другая аналогичная система, в отношении мощности и работы используется КПД - коэффициент полезного действия. Данная величина определяется как отношение полезно израсходованной энергии, к общему количеству энергии, поступившей в систему. Обозначается КПД символом η, а математически определяется в виде формулы: η = A/Q x 100% = [Дж]/[Дж] х 100% = [%], в которой А - работа выполненная потребителем, Q - энергия, отданная источником. В соответствии с законом сохранения энергии, значение КПД всегда равно или ниже единицы. Это означает, что полезная работа не может превышать количество энергии, затраченной на ее совершение.

Таким образом, определяются потери мощности в какой-либо системе или устройстве, а также степень их полезности. Например, в проводниках потери мощности образуются, когда электрический ток частично превращается в тепловую энергию. Количество этих потерь зависит от сопротивления проводника, они не являются составной частью полезной работы.

Существует разница, выраженная формулой ∆Q=A-Q, наглядно отображающей потери мощности. Здесь очень хорошо просматривается зависимость между ростом потерь мощности и сопротивлением проводника. Наиболее ярким примером служит лампа накаливания, КПД у которой не превышает 15%. Остальные 85% мощности превращаются в тепловое, то есть в инфракрасное излучение.

Что такое КПД источника тока

Рассмотренный коэффициент полезного действия всей электрической цепи, позволяет лучше понять физическую суть КПД источника тока, формула которого также состоит из различных величин.

В процессе перемещения электрических зарядов по замкнутой электрической цепи, источником тока выполняется определенная работа, которая различается как полезная и полная. Во время совершения полезной работы, источника тока перемещает заряды во внешней цепи. При полной работе, заряды, под действием источника тока, перемещаются уже по всей цепи.

В виде формул они отображаются следующим образом:

• Полезная работа - Аполез = qU = IUt = I2Rt.
• Полная работа - Аполн = qε = Iεt = I2(R +r)t.

На основании этого, можно вывести формулы полезной и полной мощности источника тока:

• Полезная мощность - Рполез = Аполез /t = IU = I2R.
• Полная мощность - Рполн = Аполн/t = Iε = I2(R + r).

В результате, формула КПД источника тока приобретает следующий вид:

• η = Аполез/ Аполн = Рполез/ Рполн = U/ε = R/(R + r).

Максимальная полезная мощность достигается при определенном значении сопротивления внешней цепи, в зависимости от характеристик источника тока и нагрузки. Однако, следует обратить внимание на несовместимость максимальной полезной мощности и максимального коэффициента полезного действия.

Исследование мощности и КПД источника тока

Коэффициент полезного действия источника тока зависит от многих факторов, которые следует рассматривать в определенной последовательности.

Для определения , в соответствии с законом Ома, существует следующее уравнение: i = E/(R + r), в котором Е является электродвижущей силой источника тока, а r - его внутренним сопротивлением. Это постоянные величины, которые не зависят от переменного сопротивления R. С их помощью можно определить полезную мощность, потребляемую электрической цепью:

• W1 = i x U = i2 x R. Здесь R является сопротивлением потребителя электроэнергии, i - ток в цепи, определяемый предыдущим уравнением.

Таким образом, значение мощности с использованием конечных переменных будет отображаться в следующем виде: W1 = (E2 x R)/(R + r).

Поскольку представляет собой промежуточную переменную, то в этом случае функция W1(R) может быть проанализирована на экстремум. С этой целью нужно определить значение R, при котором величина первой производной полезной мощности, связанная с переменным сопротивлением (R) будет равной нулю: dW1/dR = E2 x [(R + r)2 - 2 x R x (R + r)] = E2 x (Ri + r) x (R + r - 2 x R) = E2(r - R) = 0 (R + r)4 (R + r)4 (R + r)3

Из данной формулы можно сделать вывод, что значение производной может быть нулевым лишь при одном условии: сопротивление приемника электроэнергии (R) от источника тока должно достичь величины внутреннего сопротивления самого источника (R => r). В этих условиях значение коэффициента полезного действия η будет определяться как соотношение полезной и полной мощности источника тока - W1/W2. Поскольку в максимальной точке полезной мощности сопротивление потребителя энергии источника тока будет таким же, как и внутреннее сопротивление самого источника тока, в этом случае КПД составит 0,5 или 50%.

Задачи на мощность тока и КПД

Мотивы данной статьи навеяны неожиданной дискуссией на тему эффективности работы серверного оборудования ЦОД (см. комментарии в статье ). Вопрос о том, что действительно подразумевать под понятиями КПД и эффективности в отношении серверного оборудования в частности и всего ЦОД в целом требует дополнительных пояснений. Итак, …

Термины и определения

Наиболее логичным видится начало с определения используемых терминов.

Коэффициент Полезного Действия (КПД) – это отношение полезной совершаемой работы (энергии) к общей затраченной работе (энергии).

Совершенство – это отношение текущего (реального) значения параметра к теоретически максимально возможному при тех же условиях.

Различия в данных понятиях очень хорошо можно проиллюстрировать на примере систем кондиционирования. Так, например, КПД компрессора составляет порядка 85%. Оставшиеся 15% затрачиваются на трение, движение масла, перетечки, нагрев и др. КПД кондиционера в целом можно оценить примерно в 70% — здесь учитывается падения давления в трубопроводах, КПД дросселя, гидравлическое сопротивление теплообменников и т.д.

Однако, совершенство современного кондиционера лишь немного превышает 10%. Дело в том, что на 1кВт затраченной электроэнергии кондиционер должен генерировать почти 30кВт холода (27.5кВт для стандартных условий), а реальная холодопроизводительность составляет всего 3-4кВт. Отношение этих цифр в холодильной технике называется «степенью термодинамического совершенства цикла» или проще – «совершенство».

Итак, КПД и совершенство – это совершенно разные понятия и при КПД агрегата в 70% его совершенство может составлять всего 10%.

КПД ЦОД

Переходя к ЦОД, следует определиться в понятиях полезной и полной работы ЦОД и его максимально возможной работе при тех же условиях.

Ни для кого не секрет, что вычислительные мощности ЦОД генерируются ИТ-оборудованием и вся инженерная и архитектурная инфраструктура ЦОД направлена на размещение ИТ-оборудование и обеспечение его работоспособности. Как результат, за полезную работу принимают мощность ИТ-оборудования, а это ошибочно. ИТ-оборудование для вычислительных мощностей, является лишь методом их получения.

Действительно полезной работой ЦОД следует называть исключительно вычислительную мощность ЦОД, т.е. те электрические сигналы, которые были получены в ЦОД по запросу пользователей из вне и отправлены ему.

К сожалению, оценить мощность таких сигналов чрезвычайно трудно. Известно лишь то, что в большом ЦОД она измеряется ваттами, и она ничтожно мала по сравнению с затраченной на функционирование ЦОД мегаваттной мощностью. Разделив одно на другое, получаем, что КПД ЦОД пренебрежительно мало и, по сути, равно нулю.

КПД ЦОД ≈ 0%.

Ничтожно малый КПД объясняется несколькими факторами:

• Несовершенство технологии: пренебрежительно малый КПД серверного оборудования. Современные технологии позволяют создать потрясающие вычислительные мощности, но затраты энергии на них на несколько порядков превышают мощности получаемых сигналов. Основной проблемой является энергоёмкость p-n-переходов, на которых и построен весь вычислительный процесс. Проблему может решить применение других материалов (что сдерживается их несравненно более высокой стоимостью) или новых технологий (главная из них – использование эффекта высокотемпературной сверхпроводимости на основе новых материалов (интерметаллидов), но на сегодняшний день под словом «высокотемпературная» скрываются температуры около 150К (-120С), что опять-таки недостижимо мало для машинных залов). В итоге в ближайшие годы изменения ситуации ждать не приходится.
• Множество побочных процессов и необходимость задействовать несколько других единиц оборудования. Так, для формирования какого-либо вычисления необходимо обратиться к процессору (т.е. он должен быть включен), к базе данных на дисковом массиве (и он должен быть запитан), к оперативной памяти (а она также энергозависима) и т.д. В результате, для получения одного сигнала необходимо сгенерировать несколько вспомогательных, каждый из которых также требует обработки. В итоге круг «действующих лиц» очень широк и каждое такое «лицо» имеет свое энергопотребление. Конечно, современная миниатюризация всех элементов позитивно сказывается и на их энергопотреблении, поэтому прогресс в этой области налицо.

В целом же существенного отдаления КПД ЦОД от нулевой отметки ожидать не приходится.

Однако, для удобства КПД ЦОД есть смысл разбить на КПД инженерии и КПД ИТ.

КПД инженерии ЦОД = мощность ИТ / полная мощность ЦОД

КПД ИТ = вычислительная мощность / мощность ИТ

Тогда КПД ЦОД = КПД инженерии * КПД ИТ.

По вышеуказанным причинам КПД ИТ составляет около 0% и особого интереса не представляет ввиду отсутствия в ближайшее время путей её повышения.

В свою очередь КПД инженерии ЦОД вызывает самый живой интерес, является главным показателем эффективности работы ЦОД и, как правило, лежит в диапазоне от 35 до 95%. Столь широкий разброс объясняется режимом работы системы кондиционирования: при работе холодильного цикла диапазон сужается до 35-55%, а в случае режима фрикулинга получаем диапазон 75-95%.

Связь КПД с принятыми показателями

Стоит отметить, что эффективность ЦОД оценивается общепринятым коэффициентом PUE (Power Utilization Effectiveness, эффективность утилизации энергии) и коэффициентом DCiE (Data Cetner infrastructure Efficiency, эффективность инфраструктуры ЦОД). Обы они напрямую связаны с КПД инженерии:

DCiE = КПД инженерии ЦОД

PUE = 1 / КПД инженерии ЦОД

DCiE = 1 / PUE.

Итак, чем выше КПД, чем выше DCiE и чем ниже PUE, тем лучше.

Совершенство ЦОД

Как было сказано выше, совершенство представляет собой отношение практического полезного эффекта к максимально возможному теоретически. При этом учитывается конкретная технология получения полезного эффекта.

Так, для проведения вычислений другой технологии, кроме как использование полупроводников и p-n-переходов нет. Не касаясь области высокотемпературной сверхпроводимости совершенство сегодняшних серверов можно оценить в 60% (цифра неточная, неподтвержденная, взята у соответствующих специалистов). Это означает, что производя те же вычисления электропотребление ИТ-оборудования можно сократить на 40%.

Приведу два наглядных примера:

• Мощность процессоров растет медленнее их производительности:

Pentium II – максимум 450МГц при 30Вт

Pentium III – максимум 1.4ГГц при 40Вт

Pentium IV – максимум 3.8ГГц при 120Вт

Pentium Dual-Core – 3.1ГГц при 65Вт

• Энергопотребление жестких дисков заметно снизилось: если раньше потребляемый ток превышал 1А, то сейчас он составляет около 0.5А.

Совершенство инженерной инфраструктуры ЦОД резко снижается из-за систем кондиционирования (как было сказано в начале, их совершенство составляет около 10%, более точно – 12.2% при полной нагрузке).

В то же время совершенство систем распределения электропитания достаточно высоко (около 98%).

В итоге совершенство инженерии исчисляется 12%, а ЦОД в целом – 7.2%.

Получаем, что при гораздо более высоком КПД совершенство инженерии ЦОД проигрывает совершенству ИТ.

Ещё интереснее ситуация в случае свободного охлаждения. Совершенство фрикулинга оценивается примерно в 70%. Тогда совершенство инженерии составит 68.6%, а всего ЦОД – 41.1%.

Использование фрикулинга позволяет повысить как КПД ЦОД, так и его совершенство.

Д.т.н. Ф.А. Поливода, с.н.с., ОАО «ЭНИН им. Г.М. Кржижановского», г. Москва

Методика расчета. Примеры

По определению КПД теплосети соотносится как полезная мощность Qо, полученная потребителем, к мощности, отпущенной от источника Qи, кВт.

ηтс =Q0/Qи=(Qи-Ql)/Qи=1-Ql/Qи, (1) где QL - мощность тепловых потерь на тепловой сети, кВт.

Обозначим температуры теплоносителя подающей трубы как t1 и t1′, а обратной - t2 и t2′. Температуры t1 и t2 измеряются непосредственно на источнике теплоты, а t1′ и t2 у потребителя. Длину двухтрубной теплосети обозначим как l; температуру окружающей среды - как tос; расход теплоносителя (без учета утечек в сети) запишем как G. Вэтих обозначениях составляющие QL и Qи можно выразить через известные соотношения .

Отпущенная от источника теплота, кВт:

Qи=ср.G.(t1-t2). (2)

Тепловые потери на всей теплосети, кВт:

QL=qL.l.(1+β), (3)

где β=0,2 - нормативный коэффициент, учитывающий неизолированные участки сети, арматуру, и пр. ; qL- погонный поток тепловых потерь для изолированного трубопровода, Вт/м. Вдвухтруб-ной сети qL состоит из суммы потоков q1 и q2 для подающей и обратной трубы соответственно:

qL=q1+q2; (4)

q1 = (τ1-tос)/ΣR; q2=(τ2-tос)/ΣR, (5) где τ1 и τ2 - средние температуры подающего и обратного трубопровода теплосети, с учетом естественного остывания, ОС:

τ1 = (t1+t1′)/2;τ2=(t2+t2′)/2. (6)

Для однотрубной сети можно пользоваться выражением для q1.

Термическое сопротивление ΣR (м.ОС/Вт) состоит обычно из суммы элементарных составляющих:

ΣR = Rиз+R1 + R2+R3+...+Ri+...+Rn. U) где R1 - сопротивление трубы; R2 - пристеночное сопротивление внутреннего слоя воды; R3 -сопротивление окружающей среды или грунта и т.д. Все эти сопротивления обычно значительно меньше, чем сопротивление ППУ изоляции:

Rиз=(1/2πλиз).ln(D/d), (8)

где λиз=0,027-0,05 Вт/(м.ОС) - удельная теплопроводность пенополиуретана; D – наружный диаметр изолированной трубы, м; d - внутренний диаметр (ds$), м. Следовательно, можно приближенно положить ΣR = Rиз. Таким образом, для конкретного трубопровода ΣR является константой и зависит только от конструкции трубопровода.

Исходные уравнения (1-3) послужили фундаментальной основой для вывода базового уравнения КПД тепловой сети. Подставляем выражения для Qи и QL, а также qL в формулу КПД теплосети. Имеем:

riTc=1-[(Ti-tocH-(1W((ti-t2)-cp-G-2R)]. (9)

Данное выражение было получено при следующих допущениях:

1. постоянство средней температуры в трубе; на самом деле температура падает экспоненциально до отметки t1′;

2. не учитываются потери по обратному трубопроводу;

3. не учитывается сопротивление грунта, окружающего воздуха и др.

Поскольку ср, ΣR, l, β - константы, а среднечасовой расход G является медленно меняющейся функцией, то значение КПД теплосети можно записать в виде:

ηтс =1-[(τ1-tос)/(t1-t2)].(A/G)=1-A.∆t/G, (10) где А=l.(1+β)/(ср.ΣR) - константа, кг/с, зависящая только от свойств системы, или «системный фактор». Следовательно, скорость изменения значения КПДопределяется вариацией расхода жидкости G, т.к. длина l сети постоянна, а теплоемкость ср изменяется сравнительно слабо.

Величина ∆t=(τ1-tос)/(t1-t2) - «температурный фактор», он зависит только от свойств окружающей среды и температур воды в трубопроводах.

ηтс=f(∆t/G), (11)

если выполняется условие A≈const.

Допущения 1 и 3 дают отрицательную погрешность в формуле для КПД,а допущение 2 -положительную; они взаимно компенсируют друг друга.

Таким образом КПДтеплосети является функцией установленного температурного графика сети, например 130/70 ОC, и расходов G по сети, т.е. зависит от режима теплопотребляю-щих абонентов.

Оценим характер изменения функции ηтс, в зависимости от поведения температур t1, t2 и tос. Заметим, что в расчетном режиме г^»0,9^ и остывание мало. Для начала устремим t 1→∞, и условимся, что A, G≈const. Такая задача имеет место в системах качественного регулирования: ηтс=lim{1-[((t1+0,9t1)/2-tос)/(t1-t2)].(A/G)}. (12)

t1→∞ t1→∞

Раскрывая неопределенность вида ∞/∞ по правилу Лопиталя, имеем:

ηтсmax=1-0,95A/G. (13)

Данная величина является верхней границей КПДтеплосети. Вобщем случае температуру t 1 теплоносителя у абонента можно получить, вычисляя ее по формуле (если температура t1′ у потребителя неизвестна):

t^toc+^-toJ-e-IO+W"AV^)]. (14)

На практике случай, когда t1→∞ невозможен, поскольку максимальное значение температуры прямой воды не более 150 ОС (t1≤1 50 ОС). Поэтому более правильным будет расчет максимального КПДтеплосети по формуле (10), исходя из наивысшей температуры воды в данной системе теплоснабжения.

На разных участках разветвленной сети значения длин участков li и расходов Gi по ним существенно различны. В этом случае уже А≠соnst. Если интересоваться зависимостью КПДна различных участках сети со своими расходами, то КПДнадо отображать в виде трехмерной функции:

ηтс=f(l, G, ∆t). (15)

Зафиксируем какое-либо значение температурного фактора ∆t, например, для г. Москвы при tос=-26 ОC (при расчетном режиме tос=tно -

прим. авт.) и графике теплосети 130/70 ОC, и при остывании теплоносителя в подающей трубе на 10 ОC, величина ∆t составит:

∆t=[(130+120)/2+26]/(130-70)=2,517. Тогда КПД участка теплосети длиной l можно записать в виде:

ηтс=1-2,517k.l/G, (16)

где k=(1+β)/(cp.ΣR) - константа изоляции; она определена конструкцией теплопровода и количеством неизолированных участков (учтено в b). В расчетном режиме при фиксированном значении температурного фактора ∆t=2,517, все значения КПД можно отобразить в виде двумерной поверхности ηтс=f(l, G) (рисунок). Асимптотами будут являться линии η=1 и нулевая отметка η=0. При увеличении длины участка l КПД линейно падает, а при увеличении расхода G зависимость типа гиперболы ηтс~1-1/G. Очевидно, что существует некоторая предельная длина участка 1 = lпр, при которой КПД теплосети стремится к нулю, т.к. ηтсmin=lim(1-t→∞∆t.k.l/G)→0, из условия неотрицательности КПД. Предельной длине I пр соответствует некоторый расход G. Однако, при увеличении расхода жидкости G→∞ КПД будет уже отличен от нуля, т.к. получаем неопределенность вида ∞/∞. Поэтому целесообразно задать максимальный предельный расход воды Gпр по трубопроводу, исходя из его пропускной способности.

Очевидно также, что и при G→0 КПД теплосети стремится к нулю. Существует фиксированная точка минимального расхода Gmin, в которой ηтс=0. При малой подаче воды по трубе она просто остывает, не успев дойти до потребителя.

Анализируя выражения (10) и (16) приходим к выводу, что КПДсети очень сильно зависит от метода регулирования, и не может полагаться константой, рекомендованной стандартом СНиП, например 0,92. На величину КПДсильное влияние оказывает температурный фактор и соотношение l/G.

Попробуем решить обратную задачу. По заданному уровню КПД, например ηтс=0,92 и пропускной способности Gпр (определяется из соображений гидравлических потерь на трубопроводе) найти максимальную длину участка теплосети lmax, если задан типоразмер трубы.

lmax=(1-ηтс).Gпр/(∆t.k). (17)

Допустим, для трубопровода Ду=250 мм, изолированного ППУ, задано предельное падение напора Ндоп=100 м. Пропускная способность трубопровода согласно эмпирической формуле Е.Я.Соколова :

Gпр=8,62(rл.ρ)°,5.d2,625. (18)

Формула верна при относительной шероховатости трубы 0,5 мм.

Примем линейное падение давления на прямом участке rл=80 Па/м, что соответствует скорости воды в трубе v=1,3 м/с. Температурный режим полагаем известным из предыдущего примера. Параметры воды при средней температуре в подающей трубе 120 ОС равны: ρ=943 кг/м3, ср=4300 кДж/(кг.ОС). Получим пропускную способность:

Gпр=8,62.(80.943)0,5.0,252,625≈59кг/с.

Термическое сопротивление и константа изоляции k при ее толщине δ=0,07 м (70 мм) и λ=0,04 Вт/(м.ОС) равны:

Rиз=(1/2π0,04).ln[(0,25+2.0,02).0,25/d]=1,63 м.ОС/Вт; k=(1+0,2)/(4,3.103.1,63)=0,171.10–3кг/(м.ОС).

Максимальная длина трубопровода:

lmax=(1-0,92).59/(2,517.0,171.10–3)=10966м.

Заметим, что падение давления на трубопроводе не превышает заданной величины, т.к.:

∆р = rл.lmax=80.10966 = 877310 Па, или в единицах напора ∆Н<Ндоп (87,7 м < 100 м).

Если условие не выполняется, то необходимо уменьшить скорость воды в трубе до v<1 м/с (и соответственно линейные потери rл), и вновь произвести расчет.

Реальная длина трубопровода должна быть сокращена в 1,6-1,8 раза, т.к. здесь не учтены

местные сопротивления, возникающие вследствие поворотов, задвижек, арматуры и пр.

В межсезонье при методе количественно-качественного регулирования расход G в трубе существенно снижается. Уменьшается и температура в подающей трубе. Так, при 50% тепловой нагрузке Qо жилого района (при наружной температуре tос=-5 ОС) температуры в прямой и обратной трубе соответственно τ1 = 87 ОС, τ2=49 ОС . Вспомним, что при t ос=-26 ОС изначально они были 130 и 70 ОС! Причем расход теплоносителя G уменьшится на 20%. В нашем примере: G=0,8.59=47,2 кг/с. Значение КПД, определенное непосредственно по формуле (9), составит:

ηтс=1-[(87-(-5))/(87-49)]× ×=0,9, т.е. КПД сети уменьшилось на 2%; температурный фактор ∆t=2,421.

В конце отопительного периода, при температуре на улице tос=+8 ОС расход теплоносителя уменьшится почти в 5 раз, и составит G=0,2.59=11,8 кг/с. Температуры воды в трубах уменьшатся соответственно до значений τ1=51 ОС; τ2=30 ОС. КПД отопительной системы в конце сезона составит:

ηтс=1-[(51-8)/(51-30)]× ×=0,67.

Таким образом КПД сети снизилось на 25%!

В комбинированных системах теплоснабжения имеет место «излом» температурного графика. Это объясняется необходимостью согласно СНиП 2.04.01-85 иметь температуру горячей воды в местах водоразбора +60 ОС при открытой и +50 ОС при закрытой системах теплоснабжения. Иными словами, происходит «перетоп» жилых помещений. Температуру τ1 в подающем трубопроводе весь период этого времени поддерживают равной τ1 = 65 ОС. Температура в обратной трубе τ2=45 ОС. При этом температурный фактор ∆t возрастает до значения:

∆t=(65-8)/(65-45) = 2,85. КПД комбинированной системы уменьшается: η=1-2,85.10966.(1+0,2)/(4190.1 1,8.1,63)= =1-0,465=0,535.

Следовательно, совмещение горячего водоснабжения и отопления в одной системе обладает очень малым КПД, которое может опускаться почти до 50%.

Выводы

1. Получено базовое уравнение для расчета КПД теплосети. Оно может послужить основой

для инженерных расчетов эффективности конкретной сети.

2. Показано, что величина КПД сильно меняется. В течение отопительного сезона КПД снижается на 40-50% (к концу сезона) по сравнению с расчетным периодом. Даны примеры.

3. Установлено, что изменение КПД зависит от метода регулирования и характера теплопотребляющих абонентов. При недостаточной тепловой нагрузке КПДможет значительно снижаться, что ведет к перерасходу топлива на источнике.

Литература

1. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. - М.: Издательский дом МЭИ, 2000. - 472 с.

2. Теплоэнергетика и теплотехника. Общие вопросы. Справочник / Под ред. А. В. Клименко и В.М. Зорина. -М.: МЭИ, 1999.

3. Стерман Л.С., Лавыгин В.М., Тишин С.Г. Тепловые и атомные электростанции. - М.: Энергоатомиздат, 1995.