Разработка математических и компьютерных моделей переноса тепла, массы, импульса для систем тепло- и водоснабжения Бранфилева Анастасия Николаевна

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Обзор работ по направлению исследований диссертации .8

Глава 2. Компьютерные модели трубопроводных систем 15

2.1. Математическое моделирование течения жидкости в трубопроводных системах .15

2.2. Разработка компьютерных моделей для гидравлических систем .19

2.3. Гидравлические режимы цирксистемы ТЭЦ ВАЗ 23

2.4. Модель цирксистемы Тольяттинской ТЭЦ .35

2.5. Использование компьютерной модели для исследования совместной работы насосов с регулируемым и нерегулируемым приводом 44

Глава 3. Математическая и компьютерная модель объединенной теплосети централизованного теплоснабжения г. Самары .54

3.1. Компьютерная модель теплосети от Самарской ТЭЦ 56

3.2. Компьютерная модель теплосети от Безымянской ТЭЦ 61

3.3. Компьютерная модель теплосети от Центральной отопительной котельной 65

3.4. Компьютерная модель теплосети от Привокзальной отопительной котельной 69

3.5. Компьютерная модель теплосети от Самарской ГРЭС 76

3.6. Объединенная компьютерная модель теплосети г. Самара .80

Глава 4. Математическое моделирование тепловых и гидравлических процессов в движущихся жидкостях 84

4.1. Нахождение точного аналитического решения волнового уравнения при гидравлическом ударе в круглой трубе .84

4.2. Теплообмен в турбулентном пограничном слое на основе полуэмпирической теории турбулентности 99

4.3. Теплообмен в цилиндрическом канале при ламинарном течении жидкости 112

Выводы .131

Список публикаций .134

Список используемой литературы .

• Разработка компьютерных моделей для гидравлических систем
• Использование компьютерной модели для исследования совместной работы насосов с регулируемым и нерегулируемым приводом
• Компьютерная модель теплосети от Безымянской ТЭЦ
• Теплообмен в турбулентном пограничном слое на основе полуэмпирической теории турбулентности

Введение к работе

Актуальность работы. Математическое и компьютерное моделирование процессов переноса тепла, массы и импульса является неотъемлемым компонентом многих научных и прикладных исследований, охватывающих широкие области использования во многих отраслях промышленности. В связи с интенсификацией производства возникает необходимость их исследования для сверхмалых значений времени, а так же для быстропротекающих процессов. Математические модели, основанные на параболических уравнениях переноса, выведенных из условия бесконечной скорости распространения потенциалов исследуемых полей, в указанных временных интервалах оказываются несостоятельными. В связи с чем, разработка новых моделей переноса, учитывающих их нелокальность, является актуальной проблемой.

Математические модели переноса массы, импульса, а также конвективного теплопереноса, основанные на дифференциальных уравнениях Навье – Стокса и конвективного теплообмена, несмотря на многочисленные допущения, крайне сложны и могут быть исследованы лишь численными методами при использовании высокопроизводительной компьютерной техники. В этой связи весьма перспективным является направление исследований, связанное с применением теории подобия, когда исследование каких – либо процессов выполняется на объектах (явлениях) другой природы, которые описываются одинаковыми с исследуемыми процессами уравнениями. Например, уравнения двух законов Кирхгофа, описывающих распределение потенциалов в электрических сетях, могут быть использованы для нахождения давлений и скоростей (расходов) в движущихся жидкостях.

Тему работы, связанной с решением указанных проблем, следует признать актуальной.

Цель работы заключается в разработке новых математических моделей переноса тепла, массы и импульса с учетом конечных скоростей распределения потенциалов исследуемых полей, а также моделей, основанных на использовании теории подобия, когда исследование требуемых явлений выполняется на объектах другой физической природы, аналогичных исследуемым.

Задачи, решаемые в диссертации

1. Создание математических и компьютерных моделей переноса импульса в жидкостях, движущихся в сложных трубопроводных системах.

2. Нахождение аналитического решения краевой задачи колебаний упругой жидкости при гидроударе в трубопроводе, с учётом конечной скорости распространения потенциалов исследуемых полей.

3. Получение математической модели температурного пограничного слоя, формирующегося в турбулентном динамическом пограничном слое.

4. Разработка компьютерной модели объединенной теплосети г. Самара.

5. Разработка компьютерных моделей циркуляционных систем ТЭЦ "ВАЗа" и Тольяттинской ТЭЦ.

Новые научные результаты

6. Применительно к сложным трубопроводным сетям разработаны математические и компьютерные модели распределения давления в движущейся жидкости, основанные на аналогии исследуемых гидравлических процессов с распределением напряжения в электрических сетях.

7. Для гиперболического уравнения, описывающего распределение давления при гидроударе в трубе, учитывая конечную скорость распространения потенциалов, найдено точное аналитическое решение.

8. Используя понятие фронта теплового возмущения и дополнительных граничных условий, найдено аналитическое решение краевой задачи теплообмена для теплового турбулентного пограничного слоя.

9. Создана компьютерная модель объединенной тепловой сети г. Самара, основанная на аналогии течения жидкости в трубопроводах и распределения электрического тока в проводниках.

10. Разработаны компьютерные модели цирксистем Тольяттинской ТЭЦ и ТЭЦ "ВАЗа", позволяющие выполнять мониторинг их текущего состояния, а также составлять планы реконструкции и построения новых участков.

На защиту выносятся:

11. Математические и компьютерные модели переноса импульса в движущихся жидкостях для сложных трубопроводных систем, основанные на аналогии распределения давления в трубопроводах и электрического тока в проводниках.

12. Аналитическое решение задачи теплообмена для турбулентного пограничного слоя, основанное на использовании фронта теплового возмущения и дополнительных условий, задаваемых на границе фронта и на поверхности стенки.

13. Математическая модель колебаний упругой несжимаемой жидкости, позволяющая выполнять анализ распределения скорости и давления при гидроударе, учитывая конечную скорость распространения импульса.

14. Компьютерная модель тепловой сети города Самара, позволяющая выполнять анализ её текущего состояния, а также разрабатывать планы реконструкции и построения новых участков

15. Компьютерные модели цирксистем Тольяттинской ТЭЦ и ТЭЦ "ВАЗа", позволяющие определять причины их малой эффективности, а также разрабатывать мероприятия по реконструкции.

16. Комплекс программ, реализующих разработанные в диссертации модели (математические и компьютерные).

Достоверность результатов подтверждается соответствием разработанных автором диссертации теоретических моделей физическим процессам, протекающих в конкретных технических устройствах, сравнением с известными точными решениями, а так же с результатами численных расчетов и натурных экспериментов.

Практическая значимость

1. Разработанные модели теплосети города Самара представлены в виде комплекса программ, позволяющих в режиме реального времени выполнять мо-

ниторинг тепловой сети с расчетом давлений, скоростей, расходов, потерь напора, затрат электроэнергии на привод насосов и прочего.

2. Построенные в диссертации модели цирксистем Тольяттинской ТЭЦ и ТЭЦ "ВАЗа" позволяют определять основные причины их малой эффективности, а также разрабатывать рекомендации по увеличению расходных характеристик.

Связь диссертации с государственными программами планами научных исследований. Исследования выполнялись в соответствии с Аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы» по тематическому плану НИР №551/02 «Разработка нового направления получения аналитических решений краевых задач математической физики на основе определения фронта температурного возмущения и дополнительных граничных условий», а также при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках базовой части государственного задания ФГБОУ ВПО «СамГТУ» (код проекта: 1273).

Внедрение работы. Результаты диссертации были использованы при выполнении энергоаудита объектов Самарского государственного технического университета в период с 01.02.2011 по 31.12.2012 гг., а также при проведении хоздоговорных работ с ВоТГК, связанных с разработкой и внедрением компьютерных моделей перечисленных выше тепловых сетей и циркуляционных систем. Экономический эффект внедрения составляет 1 млн. 800 тыс. руб.

Апробация диссертации. Наиболее важные положения диссертации были апробированы на:

IX Всероссийской научной конференции с международным участием "Математическое моделирование и краевые задачи" (г. Самара, 2013 г.).

Международной научно - технич. конф."Математические методы и модели: теория, применение и роль в образовании" (28 - 30 апреля 2014 г.).

г. Ульяновск.

Четвертой международной научно - технич. конф."Математическая физика и ее приложения" (г. Самара, 25 августа - 1 сентября 2014 г.)

Объединённом научном семинаре Теплоэнергетического факультета Самарского государственного технического университета. Самара, 2015 г..

Публикации. Содержание работы опубликовано в 15 печатных работах, из них 8 статей в рецензируемых журналах из перечня ВАК.

Личный вклад автора. В работах [1 - 8, 15] автор принимал участие в постановке задач, выполнял расчетные работы. В работах [9 - 14] автору в равной степени с соавторами принадлежит выполнение математических постановок задач, нахождение решений и анализ полученных данных.

Структура и объем диссертации. Работа включает введение, четыре главы, выводы, список используемых литературных источников, приложения; изложена на 143 страницах основного текста (не считая приложений), содержит 69 рисунков. Список литературы содержит 96 наименований.

Разработка компьютерных моделей для гидравлических систем

Существуют различные модификации данного интегрального метода -Гудмена [11] , Швеца [88] , Вейника [4, 9] , Постольника [63] , Био [5] и др. Основной их проблемой является недостаточная точность. Причина в том, что при точном выполнении интегрального уравнения и граничных условий, основное дифференциальное уравнение в данном случае удовлетворяется лишь в среднем. Следовательно, повышение точности связанно с улучшением выполнения исходного уравнения. Для этого в работах [27, 28, 32 - 34, 39, 43, 44, 68] избрано направление апроксимации искомой функции полиномами с высокими степенями, при определении неизвестных коэффициентов которых используются некоторые дополнительные условия. Такой подход позволяет находить решения практически для всего времени процесса.

Данный метод особенно эффективен для задач динамического и теплового пограничного слоя, где в качестве временной переменой принимается продольная пространственная координата [30, 34, 39]. В настоящей диссертации этот метод развит применительно к решению задачи для турбулентного теплового пограничного слоя.

Так как решению подлежит параболическое уравнение теплопроводности при выводе которого ( в формуле Фурье для теплового потока) закладывается бесконечная скорость переноса теплоты, то введение фронта теплового возмущения является условным и используется лишь для получения простого вида приближенных решений. Однако в работах [30, 33, 32, 39, 68] показано, что увеличение числа приближений приводит к увеличению скорости движения фронта теплового возмущения и в пределе при п -со величина скорости также стремиться к бесконечности. Этот факт свидетельствует о том, что данный метод при увеличении числа приближений позволяет получать решения, эквивалентные точным.

Результаты исследования распределения температур, давлений и скоростей в движущихся жидкостях приведены в работах Б.С. Петухова, Г. Шлихтинга, Л.Г. Лойцянского, П.В. Цоя, И.А. Чарного и др. [45, 62, 84, 85, 86, 89, 91]. И, в частности, при определении давлений и скоростей интегрированию подлежит система нелинейных уравнений движения. Путём соответствующей линеаризации эта система в ряде случаев может быть сведена к двум независимым гиперболическим уравнениям для давления и скорости. Метод их решения, изложенный в [62], является сложным и трудоёмким, а полученные решения, имеющие вид бесконечных рядов, затруднительно использовать в инженерных приложениях. В настоящей диссертации приведена методика построения точного решения гиперболического уравнения, описывающего гидравлический удар в трубопроводе.

Определение температуры движущейся жидкости связано с решением задачи Гретца – Нуссельта [62, 84, 85]. Исходная краевая задача является нестационарной задачей конвективно – кондуктивного теплообмена, которая в процессе нахождения решения физически обоснованно сводится к решению двух задач – нестационарной и квазистационарной. Первая задача применяется для участков теплообменника, которых не достигает возмущение, связанное с температурой, задаваемой на входе в канал. В этих областях процесс теплообмена протекает как бы в неподвижной жидкости, то есть без учёта конвективного теплопереноса по продольной переменной. Применительно к этим областям краевая задача теплообмена сводится к задаче теплопроводности для цилиндра, точные решения которой приведены в известной литературе.

Наибольший интерес в данном случае представляет получение решения квазистационарной задачи (задачи Гретца – Нуссельта). Она ставится для участков теплообменника, которых достигает возмущение, связанное с температурой жидкости, задаваемой на входе в трубу. Теплообмен в этих областях не зависит от начальной температуры всей жидкости и определяется лишь температурой, задаваемой на входе в трубу. Данная задача является нелинейной – её решение впервые получил Л. Гретц (1885 г.) и, независимо от него, В. Нуссельт (1910 г.). П.П. Шумиловым и В.С. Яблонским было получено решение, отличное от решений Л. Гретца и В. Нуссельта . Детальный анализ всех этих решений выполнен в работе Б.С. Петухова [62], где приводятся два различных решения этой краевой задачи. Первое из них представляет бесконечный ряд, собственные числа которого опре 14 деляются из решения степенного алгебраического уравнения. Учитывая трудности получения решений таких уравнений, число членов бесконечного ряда будет небольшим, а это значит, что получение решений для малых величин продольной переменной не представляется возможным.

Второе решение, приведённое в [62], состоит из трёх различных формул, каждая из которых может быть применена лишь в определённом диапазоне поперечной пространственной переменной. К тому же, разделение границ, в которых справедливо каждое из решений, не приводится. В связи с чем, использование таких решений для выполнения практических расчётов весьма затруднительно. В настоящей работе решение данной задачи получено путём введения фронта теплового возмущения и некоторых дополнительных условий, задаваемых на границе области.

Использование компьютерной модели для исследования совместной работы насосов с регулируемым и нерегулируемым приводом

Математическая модель включает следующую систему уравнений: 1 – балансовые соотношения по каждому узлу системы; 2 – соотношения по каждому участку системы, связывающие напоры в начале и в конце участка; 3 – граничные условия, задаваемые для всех узлов системы (либо требуемый отбор, или требуемый напор).

В данной системе уравнений неизвестными являются давления и расходы воды. Заданием указанных соотношений и краевых условий однозначно определяются расходы и напоры, в виду равенства числа уравнений числу неизвестных. При идентификации гидравлических сетей неизвестными являются коэффициенты гидравлических сопротивлений участков. Для однозначной идентификации системы необходимо привлекать данные экспериментов по определению параметров (расходов и давлений) в различных точках сети

В схеме цирксистемы ТОТЭЦ число узлов составляет 255, число участков – 289. Для идентификации модели были привлечены экспериментальные данные, полученные в 69 точках цирксистемы. Точность идентификации при указанном числе экспериментальных точек составляет не более 3 %.

Выполненные на модели расчеты позволили заключить о больших перекосах в распределении циркводы в правой (ГР - 1,2) и левой (ГР - 3,4,5,6) частях цирксистемы. И, в частности, для цирксистемы с паспортными данными поступление воды на ГР - 1,2 на 8000 т/час меньше отбора, тогда как поступление воды на ГР - 3,4, 5,6 на ту же величину больше отбора. Общее количество воды, прокачиваемой насосами, составляет 70000 т/час. При этом, на ГР - 1,2 наблюдается значительное понижение уровня в чашах, а в ГР - 3,4,5,6 - перелив.

Для того чтобы прикрытие отдельных задвижек. В связи с чем, расход воды в модели уменьшился до 45000 т/час. В реальной цирксистеме при этом же составе оборудования общий расход равен 42000 т/час. Данный расход устанавливается пу 38 тем прикрытия установить равновесие в чашах градирен, на модели было проведено тех же, что и в модели, задвижек с целью недопущения перекосов уровней воды в чашах. Следовательно, осуществляя одинаковые операции на реальной системе и в модели, получаем практически одинаковый результат, чем подтверждается указанная выше точность идентификции.

По результатам исследований были сформулированны следующие выводы. Ввиду прикрытия задвижек для недопущения перекосов расхода на правой и левой частях цирксистемы ее расход уменьшается почти на 1/3 (с 70000 т/час до 42000 т/час). В связи с чем наблюдается перерасход электроэнергии, в виду того, что работа насосов связана с преодолением искусственно созданных сопротивлений.

Такое состояние объясняется значительным различием проектных расходов ГР - 1,2 и 3,4,5,6. Число сопел на ГР - 1,2 составляет 1472 шт., а на ГР -3,4,5,6 - 10242 шт. Отсюда следует, что ГР - 1,2 представляют существенно большие сопротивления течению жидкости, чем ГР - 3,4,5,6. Отметим, что на всасе насосов условия для градирен практически одинаковы. Поэтому, более мощные насосы ЦН - 5а,б (см. рис. 2.13), расход которых составляет около 10000 т/час, выкачивая воду из чаш ГР - 1,2, сбрасывают её в ГР - 3,4,5,6 (то есть туда, где сопротивление меньше), создавая таким путем отмеченные выше перекосы расходов в цирксистеме.

Прикрытие задвижек 1, 2, 3, 4 с целью устранения перекосов создает существенные проблемы в работе насосов ЦН-2, ЦН-5, ЦН-7 по причине того, что затруднены условия поступления воды от ГР - 1,2, а также ввиду малого диаметра труб ( 800) в районе этих насосов. В связи с чем, давление на входе насосов ЦН - 2,5,7 приближается к – 4 м, как по расчетам на модели, так и согласно экспериментальным данным. Такое давление является критическим, и может приводить к срыву в работе насосов из-за кавитационных явлений (что и наблюдается в реальной цирксистеме).

Для цирксистемы ТОТЭЦ на компьютерной модели просчитаны различные варианты реконструкции для увеличения расхода и охлаждающей способности. Главные проблемы данной цирксистемы заключаются в перекосах потока цир-кводы правой и левой ее половин. Эти перекосы связаны несимметрией сопротивлений правой и левой частей цирксистемы (по градирням), существенно отличающейся мощностью насосов, различием в сечениях напорных и сбросных трубопроводов, например, зауженное сечение 800 мм в районе насосов ЦН - 5, имеющих наибольшую мощность. Эти проблемы были заложены уже на этапе проектирования и (или) строительства и они не являются следствием неправильной эксплуатации оборудования. Целью реконструкции является разработка такого варианта цирксистемы, который позволил бы повысить расход воды до 60 - 65 т/час. Причем, при использовании существующего оборудования перестроения схемы должны быть минимальными.

В результате анализа множества вариантов реконструкции был рассмотрен вариант, в котором достигается максимальный эффект. То есть, это идеальный вариант, к которому можно приближаться, уменьшая объем реконструкции и определяя в итоге оптимальный вариант. Таким вариантом был следующий (рис. 2.14). Все четыре ветки имеющихся трубопроводов применять как всасывающие (трубопроводы I, II, III, IV), а как сбросной применить новый трубопровод V ( 2200 мм). Расчёт производился для системы с паспортными данными оборудования.

Расчётные данные позволяют заключить, что расход в цирксистеме будет составлять 64498 т/час. Данный расход практически совпадает с расчетным для цирксистем с паспортным оборудованием. Причем расход на ГР - 1,2 составляет 14916 т/час. Этот расход данные градирни не смогут обеспечить ввиду недоста-точнного количества сопел - по 738 штук на градирню. В результате будет происходить перелив жидкости через их стояки градирен, и она будет недоохлаж-даться. Устранить данный недостаток, как будет указано далее, можно если разделить цирксистему на две независимые системы, используя задвижки между ТГ - 1 и ТГ - 2. В данном варианте работы расход через ГР - 3,4,5,6 будет 50082 т/час. На рисунке 2.15 приведён вариант цирксистемы для трёх трубопроводов (I, II, III) и одного сбросного (IV). Здесь используется лишь трубопроводы, имеющиеся в цирксистеме.

Компьютерная модель теплосети от Безымянской ТЭЦ

Для создания компьютерной модели используется следующая информация о тепловой сети – длины и диаметры труб, их шероховатость, состояние задвижек, отметки высот расположения оборудования, стоки и притоки среды, характеристики насосов и прочее. Таким образом создается модель, имеющая паспортные характеристики. Но реальные характеристики системы могут значительно отличаться от паспортных. Чтобы максимально приблизить модель к реальной сети выполняется её идентификация. Для чего используются экспериментально полученные расходы и давления в различных точках сети. В результате идентификации сопротивления участков модели изменяют так, чтобы определяемые из расчета результаты наименее отличались от экспериментальных данных. Процесс идентификации модели автоматизирован.

После завершения идентификации компьютерная модель оказывается наиболее приближенной к реальной теплосети. Она позволяет выполнять расчеты любого числа вариантов работы – определять её текущее состояние, находить причины малого располагаемого перепада, высоких давлений в обратных магистралях, находить участки, где происходят максимальные потери напора, определять затраты электроэнергии на перемещение и прочее. Преимущество модели состоит в возможности выполнения изменений в сети для устранения существующих проблем (изменение диаметров труб, закрытие задвижек, смена характеристик насосов и др.), что позволяет принять меры связанные с изменением текущего режима, а также принимать оптимальные варианты реконструкции. Модель позволяет проводить проектирование новых участков сети или тепловыводов.

Теплосети, питаемые от ТЭЦ и котельных, являются сложными гидравлическими системами. При их эксплуатации главными проблемами являются: малый располагаемый перепад давления, высокое давление в обратной трубе, неотрегу-лированность сети и прочее. Их причинами являются: повышенный расход воды, малые диаметры труб, уменьшение диаметров, связанное с отложениями на внутренних поверхностях, перекрытие задвижек в точках сети, где большие скорости течения среды, «паразитные» циркуляции и прочее. Эффективным инструментом для достоверного определения этих причин являются компьютерные модели, позволяющие воспроизводить гидравлические режимы работы, рассматривая их как единые системы (учитывая любое количество кольцевых структур).

Прежде чем переходить к рассмотрению компьютерной модели объединенной теплосети г. Самара, рассмотрим сначала модели каждого из перечисленных выше источников теплоты (СамТЭЦ, БТЭЦ, СамГРЭС, ЦОК, ПОК), проведем анализ текущего состояния теплосети с указанием причин имеющихся проблем и путей их решения, а также выполним оценку возможностей принятия дополнительной перспективной нагрузки по каждому отдельному теплоисточнику.

Принципиальная схема части теплосети г. Самара, запитываемой от Самарской ТЭЦ, дана на рис. 3.1. Три вывода СамТЭЦ имеют общую нагрузку около 17040 т/час (первый вывод - 7760 т/час, второй - 4600 т/час, третий 4640 т/час). Отметка высоты станции 75 м. Установленная тепловая мощность составляет 1500 Гкал/час. Большая длина трубопроводов (около 10 км - первый и третий выводы и около 6 км - второй) и недостаточный их диаметр, приводит на отдельных участках тепловыводов к недостаточному располагаемому перепаду давлений, в связи с чем, необходимо использовать повысительные насосные НС - 12 на первом и НС - 11 на третьем выводах. Повышенные давления в обратных трубопроводах (60 м и более) имеют место на пониженных участках Приволжского микрорайона, в районе Самарского государственного университета, и загородной больницы.

На рис 3.1 - 3.6 приведены эпюры, полученных на модели давлений для различных путей (ответвлений) тепловыводов. Из их анализа следует что:

1. Относительно первого и третьего выводов (рис. 3.2, 3.5, 3.6) можно заключить, что здесь практически исчерпаны резервы по мощности повыситель-ных насосов НС - 11 и НС - 12, т. к. они работают на пределе величин по пьезометрическому давлению в прямом трубопроводе (около 240 м). Выход здесь мо 57 жет быть следующий - реконструкция трубопровода на участке первого вывода от НС - 12 до К - 30 длиной 1,5 км с 800 до 1200 (либо установка дополнительного трубопровода 800). Это мероприятие позволит поднять располагаемый перепад на 30 м. Кроме того необходимо реконструировать участок трубопроводов третьего вывода от НС - 11 до К - 45 длиной 3 км с 800 до 1200, что позволит повысить располагаемый перепад на 50 м. Только после проведения указанных реконструкций можно рассчитывать на существенное увеличение нагрузки на первом и третьем выводах.

2. В значительно более благоприятных условиях работает второй вывод СамТЭЦ (рис. 3.3, 3.4). Это связано с относительно небольшой нагрузкой на входе (G = 4600 т/час) и почти в 2 раза меньшими, чем на первом и третьем выводах длинами трубопроводов (3 - 6 км) при достаточно больших диаметрах. Поэтому располагаемый перепад не опускается ниже 40 м. В связи с чем, второй вывод вполне способен принять определенное количество дополнительной (перспективной) нагрузки либо части нагрузки от близлежащих БТЭЦ и ЦОК (рис. 3.1, 3.7, 3.12).

3. Одним из путей дозагрузки второго вывода СамТЭЦ является принятие части нагрузки от БТЭЦ и ЦОК, отдельные выводы которых перегруже-ны(особенно это касается БТЭЦ). Передачу части нагрузки БТЭЦ на второй вывод СамТЭЦ можно выполнить на двух путях, где имеются совместные трубопроводы, разделенные задвижками - это первый путь второго вывода СамТЭЦ и второй путь первого вывода БТЭЦ, а также четвертый путь второго вывода СамТЭЦ и пятый путь первого вывода БТЭЦ. Такая передача позволит существенно разгрузить основной трубопровод от БТЭЦ, имеющий расход 6800 т/ч, что, в свою очередь, позволит улучшить ситуацию на первом и третьем путях первого вывода, где располагаемый перепад не превышает 2 - 3 м и менее.

Теплообмен в турбулентном пограничном слое на основе полуэмпирической теории турбулентности

Теплосети от всех рассмотренных выше источников теплоты (СамТЭЦ, БТЭЦ, ЦОК, ПОК, СамГРЭС) непосредственно на местности разделены перекрытыми задвижками. Открытие любой из них внесёт непредсказуемый дисбаланс в работу объединенных таким путём теплосетей, причём конкретное распределение параметров среды (давлений, скоростей и проч.) может быть найдено лишь экспериментальным путём. Однако, имея компьютерные модели теплосетей всех перечисленных выше объектов, их можно объединить в единую компьютерную модель, на которой может быть рассчитано любое количество вариантов работы объединённой теплосети с целью определения наиболее оптимального их них. В настоящей работе подобная компьютерная модель была создана и на ней были выполнены многочисленные исследования.

На рис. 3. 30 приведена схема объединённой теплосети г. Самара, включающая теплосети всех перечисленных выше источников теплоты. На схеме приведены эпюры давлений с конкретным указанием их величин для режима работы в раздельном варианте(задвижки 1 - 14, 23 - 26, 33 - 48 закрыты). Путём открытия отдельных из этих задвижек на объединённой компьютерной модели выполнено исследование различных вариантов работы тепловой сети. Найденные результаты позволяют заключить, что исходя из условий удобства месторасположения теплоисточников, весьма рациональным и эффективным может быть следующее направление перераспределения нагрузки в масштабах всей теплосети г. Самара. Если исходить из объёмов, то наибольшую нагрузку имеют СамТЭЦ (17100 т/час) и БТЭЦ (6800 т/час), составляющую в сумме 23900 т/час. Все остальные источники ЦОК (5032 т/час), ПОК (7400 т/час) и Сам ГРЭС (5700 т/час) в сумме имеют 18 132 т/час. И собственно именно эти два источника (Сам ТЭЦ и БТЭЦ) работают в наиболее напряженных условиях. В связи с чем, была бы весьма целесообразной передача нагрузки от СамТЭЦ или БТЭЦ (возможно и от того и другого источника) теплосети от ЦОК (первый и второй выводы). Причем, это будет нагрузка, находящаяся на наиболее возвышенных участках (наиболее удобная для ЦОК) и, к тому же, расположенная значительно ближе (более чем в 2 раза) к ЦОК чем к Сам ТЭЦ и БТЭЦ.

Для того чтобы компенсировать передачу нагрузки от СамТЭЦ и БТЭЦ на ЦОК, часть нагрузки ЦОК можно передать на третий вывод ПОК, являющийся наименее нагруженным. В свою очередь, от ПОК значительную часть нагрузки можно передать СамГРЭС. Следовательно, для облегчения ситуации на СамТЭЦ и БТЭЦ значительная часть нагрузки может быть распределена между ЦОК, ПОК и СамГРЭС путем перемещения ее с северного в южное направление. Такая рокировка позволит наилучшим образом использоватъ удобное месторасположение каждого объекта применительно к соответствующей нагрузке. Основные принципы такого перемещения - каждый объект питает нагрузку, находящуюся на наиболее близком от него расстоянии и на сопоставимой с ним отметке по высоте расположения. Проведенный выше анализ показал, что применительно к объектам самарских тепловых сетей во многих случаях теплоснабжение объектов выполняется без соблюдения указанных принципов, причем, при имеющихся возможностях их выполнить при минимальных затратах.

В результате осуществления указанных рокировок нагрузки за счет уменьшения затрат энергии на перемещение среды также уменьшения потерь напора на трение, появляются дополнительные возможности по принятию перспективной нагрузки без проведения реконструкций и строительства новых участков теплосетей. При этом можно настолько улучшить гидравлический режим теплосети, что на данный текущий момент не будет необходимости использования повыситель-ных насосных станций НС - 11, НС - 12 (третий и первый выводы СамТЭЦ), понизительных насосных НС - 14, НС - 6, новой насосной (ПОК), а также снизить затраты энергии на доставку теплоносителя потребителям в результате уменьшения длины пути за счет смены источника теплоты. Образовавшиеся резервные мощности можно будет использовать для покрытия дополнительной перспективной нагрузки.

Отметим, что подобные результаты, могут быть получены без каких-либо серьезных крупных затрат, так как они основаны на учете физических особенностей каждого теплоисточника и подкреплены расчетами, выполненными как на отдельных источниках, так и на объединенной компьютерной модели.

Реализация выполненных на компьютерных моделях результатов исследований позволяет получить значительную экономию финансовых средств за счет корректировки планов реконструкции объектов, проектирования новых участков теплосетей, а также за счет отказа от строительства ряда энергетических объектов (повысительных и понизительных насосных и прочего) ввиду их недостаточной эффективности в данной конкретной ситуации.