Straty energii elektrycznej w projektowanej sieci w %

gdzie jest ilość energii elektrycznej otrzymanej przez odbiorców

Koszt przesyłania energii elektrycznej siecią:

Bn=39192,85/312700=11,8 kopiejek/kWh

Maksymalna wydajność:

gdzie jest całkowita moc czynna obciążeń;

Sumaryczne straty mocy czynnej we wszystkich elementach sieci.

Średnia ważona wydajność sieci:

Wniosek

Po ukończeniu praca na kursie w dyscyplinie „Sieci i systemy elektryczne” uważam, że opanowałem zagadnienia obliczeniowe i projektowe sieci elektryczne. Początkowo określono parametry odcinka sieci elektrycznej, wybrano ekonomicznie wykonalny schemat, dla tej opcji sieć promieniowa z otwartą pętlą, nieredundantną, ponieważ trasa jest dość krótka, dlatego utrzymanie sieci i uproszczone schematy podstacji są ułatwione. Ze względów technicznych i ekonomicznych, w zależności od długości linii napowietrznej i jej wielkości pojemności czynne, które będą przesyłane przez nie w trybie maksymalne obciążenia, zaakceptowane napięcie znamionowe sieci - 110 kV. Następnie po dobraniu transformatorów dla każdej podstacji (PS1 - TRDN -25000/110, PS2 - TDN -16000/110, PS3 - TDN -10000/110) i określeniu parametrów linii (przekrojów przewodów), sald czynnych i moc bierna obszar na magistralach zasilających.

Poziomy napięć w sieci obliczono dla każdego odcinka na podstawie danych z jego początku, przechodząc od szyn zasilających od początku do końca, od szyn WN do szyn NN każdej stacji. W ten sposób określa się napięcia we wszystkich punktach sieci elektrycznej. Na szynach zbiorczych 10 kV podstacji, do których są podłączone sieci dystrybucyjne urządzenia sterujące muszą zapewniać utrzymanie warunków maksymalnego obciążenia – nie mniejszego niż 1,05 U nom. W transformatorze dwuuzwojeniowym regulacja napięcia odbywa się zwykle poprzez zmianę liczby zwojów uzwojenia regulacyjnego podłączonego po stronie neutralnej uzwojenia wysokiego napięcia. Po wybraniu gałęzi przełącznika zaczepów pod obciążeniem na transformatorach PS1 (n = -7), PS2 (n = -3) i PS3 (n = -9) upewniliśmy się, że napięcie po stronie nn przy maksymalnym obciążeniu tryb spełnia wymagania PUE.

W końcowej części pracy określono wskaźniki techniczno-ekonomiczne sieci elektroenergetycznej. Inwestycje kapitałowe na budowę sieci wyniosły 1 148 200 tysięcy rubli. Roczne koszty eksploatacji sieci, tysiące rubli. Koszt przesyłania i dystrybucji energii elektrycznej wynosi 38,1 kopiejek/kWh. Wyznaczono także współczynniki efektywności sieci przy maksymalnych obciążeniach: z m = 96,51% oraz roczną średnią ważoną energią z w = 97,09%. Ponieważ średnia roczna efektywność ważona energią wynosi około 95%, możemy to stwierdzić tego systemu ekonomiczny.

Maksymalna wydajność sieci:

.

Średnia ważona wydajność sieci:

,

Całkowita energia zużyta przez odbiorcę w ciągu roku.

Kalkulacja kosztów przesyłu i dystrybucji energii elektrycznej

Ustalenie kosztu przesłania 1 kWh energii elektrycznej:

gdzie I – roczne koszty eksploatacji; E Σ to całkowita energia zużywana przez odbiorcę w ciągu roku.

Roczne straty energii w sieci wynoszą:

Wyniki obliczeń wskaźników technicznych i ekonomicznych podsumowano w tabeli 4.3.

Tabela 4.3.

DO	I	B	DE%	h sw	hmaks
tysiąc rubli	tysiąc rubli/rok	kop./kWh	%	%	%
		3,9	1,8	98,2	97,7

Wniosek

W wyniku zrealizowania projektu kursu, zgodnie z zadaniem, a najlepsza opcja sieć elektryczna obszaru ładunkowego.

Dla porównania spośród kilku opcji konfiguracji sieci wybrano dwie, kierując się najniższym kosztem, największą niezawodnością i łatwością obsługi.

W toku dalszego opracowywania opcji i kalkulacji ich efektywność ekonomiczna opcja została wybrana przy zastosowaniu metody kosztu zdyskontowanego schemat promieniowy sieci.

Projektowana sieć należy do sieci regionalnych o napięciu 220 -110 kV. Sieć zasila cztery podstacje, których odbiorcami są odbiorcy kategorii I, II i III pod względem niezawodności zasilania.

Linie elektroenergetyczne o napięciach 110 kV i 220 kV wykonywane są przy ul podpory żelbetowe w obu przypadkach zastosowano druty stalowo-aluminiowe.

Przekroje przewodów linii zostały uwzględnione z uwzględnieniem ekonomicznej gęstości prądu oraz ograniczenia strat ulotowych i sprawdzone zgodnie z dopuszczalny prąd w trybie pracy poawaryjnej. W projektowanej sieci stosowane są następujące marki przewodów: AC – 70/11; AC – 120/19; AC – 185/29; AC – 400/51.

Odbiorcy są zasilani przez dwa transformatory w każdej podstacji. Transformatory dobiera się biorąc pod uwagę zdolność przeciążeniową:

W PS-1 - ATDCTN - 250000/220/110/10;

W PS-2, PS-3 - TRDN - 25000/110/10;

W PS-4 – TDN-16000/110/10;

W kolejnym etapie projektowania obliczono warunki ustalone:

maksymalny, minimalny i 4 tryby poawaryjne.

W wyniku obliczeń techniczno-ekonomicznych uzyskano następujące wskaźniki sieciowe:

1. Całkowite inwestycje kapitałowe w sieć: DO SIECI = 1 055 543 tysięcy rubli.

2. Całkowite koszty obsługi sieci: ORAZ OGÓŁEM = 36433,546 tys. Rubli/rok;

3. Koszt przesyłania energii elektrycznej siecią:

4. Maksymalna wydajność sieci =97,7%.

5. Średnia ważona wydajność: = 98,2%.

Przeprowadzone obliczenia techniczno-ekonomiczne wykazały, że sieć elektryczna obszaru obciążenia spełnia wymagania sprawnościowe, gdyż sumaryczne straty mocy i energii elektrycznej nie przekraczają 5%.

Referencje.

1. Podręcznik projektowania sieci elektrycznych. Edytowany przez D.L. Faibisowicz. – M.: Wydawnictwo NC ENAS, 2005 – 320 s. chory.

2. Zasady projektowania instalacji elektrycznych. – M.: Wydawnictwo NC ENAS, 2002.

3. Bushueva O.A., Kuleshov A.I. Sieć elektryczna powierzchni ładunkowej: Seminarium Do projekt kursu. – Iwanowo, 2006. – 72 s.

4. Wybór transformatory mocy podstacje systemów elektroenergetycznych i przedsiębiorstw przemysłowych, z uwzględnieniem dopuszczalne obciążenia. Instrukcje metodyczne. B.Ya. Prachin. – Iwanowo; IEI, 1999

5. Wytyczne dotyczące projektowania przebiegów sieci elektrycznych. B.Ya. Prakhin, O.I. Ryżow. – Iwanowo; IEI, 1988

6. Wytyczne dotyczące obliczania warunków stanu ustalonego w projekt kursu sieci elektryczne. Bushueva O.A., Parfenycheva N.N. - Iwanowo: ISEU, 2004.

Treść:

W procesie przemieszczania ładunków w obwodzie zamkniętym pewną pracę wykonuje źródło prądu. Może być użyteczny i kompletny. W pierwszym przypadku źródło prądu przemieszcza ładunki w obwodzie zewnętrznym wykonując pracę, w drugim przypadku ładunki przemieszczają się po całym obwodzie. W tym procesie wielka wartość ma sprawność źródła prądowego, zdefiniowaną jako stosunek mocy zewnętrznej i impedancja więzy. Jeżeli rezystancja wewnętrzna źródła i rezystancja zewnętrzna obciążenia są równe, połowa całkowitej mocy zostanie utracona w samym źródle, a druga połowa zostanie uwolniona przy obciążeniu. W takim przypadku wydajność wyniesie 0,5 lub 50%.

Sprawność obwodu elektrycznego

Rozważany współczynnik wydajności jest przede wszystkim związany z wielkości fizyczne, charakteryzujące prędkość konwersji lub przesyłania energii elektrycznej. Wśród nich na pierwszym miejscu jest moc mierzona w watach. Istnieje kilka wzorów, które pozwalają to określić: P = U x I = U2/R = I2 x R.

W obwodach elektrycznych może występować inne znaczenie odpowiednio napięcie i wielkość ładunku, a wykonana praca jest również w każdym przypadku inna. Bardzo często zachodzi potrzeba oszacowania prędkości przesyłu lub konwersji energii elektrycznej. Ta prędkość reprezentuje energia elektryczna, odpowiadająca pracy wykonanej w określonej jednostce czasu. W formie wzoru parametr ten będzie wyglądał następująco: P=A/∆t. Dlatego pracę przedstawiamy jako iloczyn mocy i czasu: A=P∙∆t. Stosowaną jednostką pracy jest .

Aby określić, jak sprawne jest urządzenie, maszyna, obwód elektryczny lub inny podobny system w odniesieniu do mocy i działania, stosuje się sprawność. Wartość tę definiuje się jako stosunek użytecznie zużytej energii do całkowitej ilości energii wprowadzonej do układu. Sprawność oznaczona jest symbolem η i jest definiowana matematycznie według wzoru: η = A/Q x 100% = [J]/[J] x 100% = [%], gdzie A jest pracą wykonaną przez konsumenta , Q jest energią dostarczoną przez źródło. Zgodnie z prawem zachowania energii wartość sprawności jest zawsze równa jedności lub mniejsza. Oznacza to, że użyteczna praca nie może przekraczać ilości energii wydanej na jej wykonanie.

W ten sposób określa się straty mocy w dowolnym systemie lub urządzeniu, a także stopień ich przydatności. Na przykład w przewodnikach utrata mocy występuje, gdy prąd elektryczny częściowo zamienia się w energia cieplna. Wielkość tych strat zależy od rezystancji przewodnika; tak nie jest integralna część pożyteczna praca.

Istnieje różnica wyrażona wzorem ∆Q=A-Q, który wyraźnie pokazuje stratę mocy. Tutaj bardzo wyraźnie widać zależność pomiędzy wzrostem strat mocy a rezystancją przewodu. Bardzo świecący przykład Stosowana jest żarówka, której wydajność nie przekracza 15%. Pozostałe 85% mocy zamieniane jest na ciepło, czyli promieniowanie podczerwone.

Jaka jest wydajność źródła prądu

Przemyślana wydajność całości obwód elektryczny, pozwala nam lepiej zrozumieć fizyczność istota efektywnościźródło prądu, którego wzór również składa się z różnych wielkości.

Podczas ruchu ładunki elektryczne W zamkniętym obwodzie elektrycznym źródło prądu wykonuje pewną ilość pracy, którą wyróżnia się jako użyteczną i kompletną. Podczas wykonywania użytecznej pracy źródło prądu porusza ładunki w obwodzie zewnętrznym. W stanie pełnej sprawności ładunki pod wpływem źródła prądu przemieszczają się po całym obwodzie.

Są one wyświetlane w postaci formuł w następujący sposób:

• Przydatna praca - Apolez = qU = IUt = I2Rt.
• Praca całkowita - Atotal = qε = Iεt = I2(R +r)t.

Na tej podstawie możemy wyprowadzić wzory na użyteczną i całkowitą moc źródła prądu:

• Moc użyteczna - Puse = Apoles /t = IU = I2R.
• Moc całkowita - Pfull = Afull/t = Iε = I2(R + r).

W efekcie wzór na sprawność źródła prądu przyjmuje następującą postać:

• η = Apoles/Atol = Puse/Ptot = U/ε = R/(R + r).

Maksymalny użyteczna moc osiąga się przy określonej wartości rezystancji obwodu zewnętrznego, zależnej od charakterystyki źródła prądu i obciążenia. Należy jednak zwrócić uwagę na niezgodność maksymalnej mocy netto i maksymalnej wydajności.

Badanie mocy i sprawności źródła prądowego

Wydajność źródła prądu zależy od wielu czynników, które należy wziąć pod uwagę w określonej kolejności.

Do wyznaczenia zgodnie z prawem Ohma służy równanie: i = E/(R + r), w którym E jest siłą elektromotoryczną źródła prądu, a r jest jego oporem wewnętrznym. Są to stałe wartości, które nie zależą od zmiennej rezystancji R. Za ich pomocą można określić użyteczną moc pobieraną przez obwód elektryczny:

• W1 = i x U = i2 x R. Tutaj R jest rezystancją odbiornika energii elektrycznej, i jest prądem w obwodzie określonym przez poprzednie równanie.

Dlatego wartość mocy przy użyciu zmiennych końcowych zostanie pokazana jako: W1 = (E2 x R)/(R + r).

Ponieważ jest to zmienna pośrednia, w tym przypadku funkcję W1(R) można analizować pod kątem jej ekstremum. W tym celu należy wyznaczyć wartość R, przy której wartość pierwszej pochodnej mocy użytecznej związanej z rezystancją zmienną (R) będzie równa zeru: 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

Z tego wzoru wynika, że ​​wartość pochodnej może wynosić zero tylko pod jednym warunkiem: rezystancja odbiornika energii elektrycznej (R) ze źródła prądowego musi osiągnąć wartość rezystancji wewnętrznej samego źródła (R => r ). W tych warunkach wartość współczynnika sprawności η zostanie wyznaczona jako stosunek mocy użytecznej i całkowitej źródła prądowego – W1/W2. Ponieważ w maksymalnym punkcie mocy użytecznej rezystancja odbiornika energii źródła prądu będzie taka sama jak opór wewnętrzny samo źródło prądu, w tym przypadku wydajność wyniesie 0,5 lub 50%.

Aktualne problemy mocy i wydajności

Motywy tego artykułu inspirowane są nieoczekiwaną dyskusją na temat wydajności sprzętu serwerowego w centrum danych (patrz komentarze w artykule). Dodatkowego wyjaśnienia wymaga pytanie, co tak naprawdę oznaczają pojęcia wydajności i efektywności w odniesieniu w szczególności do sprzętu serwerowego i ogólnie do całego centrum danych. Więc, …

Terminy i definicje

Najbardziej logiczne wydaje się rozpoczęcie od definicji używanych terminów.

Współczynnik Przydatna akcja(efektywność) jest stosunkiem wykonanej pracy użytecznej (energii) do całkowitej pracy (energii) wydanej.

Doskonałość jest stosunkiem aktualnej (rzeczywistej) wartości parametru do teoretycznie maksymalnej możliwej w tych samych warunkach.

Różnice w tych pojęciach można bardzo dobrze zobrazować na przykładzie systemów klimatyzacyjnych. Na przykład wydajność sprężarki wynosi około 85%. Pozostałe 15% przeznacza się na tarcie, ruch oleju, nieszczelności, ogrzewanie itp. Sprawność klimatyzatora jako całości można oszacować na około 70% - uwzględnia to spadki ciśnienia w rurociągach, wydajność przepustnicy, opory hydrauliczne wymienniki ciepła itp.

Jednak doskonałość nowoczesny klimatyzator tylko nieznacznie przekracza 10%. Faktem jest, że na 1 kW zużytej energii elektrycznej klimatyzator powinien wygenerować prawie 30 kW chłodu (27,5 kW dla standardowe warunki), a rzeczywista wydajność chłodnicza to tylko 3-4 kW. Stosunek tych liczb w technologii chłodniczej nazywany jest „stopniem termodynamicznej doskonałości cyklu” lub prościej „doskonałością”.

Zatem wydajność i doskonałość są absolutnie różne koncepcje a przy wydajności jednostkowej wynoszącej 70% jego doskonałość może wynosić tylko 10%.

Wydajność centrum danych

Przechodząc do centrum danych, należy zdefiniować pojęcia użyteczne i pełna praca Centrum danych i jego maksimum możliwą pracę na tych samych warunkach.

Nie jest tajemnicą, że moc obliczeniową centrum danych generuje sprzęt IT, a cała infrastruktura inżynieryjno-architektoniczna centrum danych ma na celu umieszczenie sprzętu IT i zapewnienie jego wydajności. W rezultacie moc sprzętu IT mylona jest z użyteczną pracą, co jest błędem. Sprzęt IT do mocy obliczeniowej to tylko sposób na jej pozyskanie.

Naprawdę pożyteczna praca Centrum danych należy rozumieć wyłącznie jako moc obliczeniową centrum danych, tj. te sygnały elektryczne, które zostały odebrane w centrum danych na żądanie użytkowników z zewnątrz i przesłane do niego.

Niestety oszacowanie mocy takich sygnałów jest niezwykle trudne. Wiadomo, że w dużym centrum danych jest ona mierzona w watach i jest ona znikoma w porównaniu z mocą megawatów zużywaną na obsługę centrum danych. Dzieląc jedną przez drugą, okazuje się, że wydajność centrum danych jest znikoma i w rzeczywistości równa zeru.

Wydajność centrum danych ≈ 0%.

Znikomą wydajność tłumaczy się kilkoma czynnikami:

• Niedoskonałość technologii: znikoma wydajność sprzętu serwerowego. Nowoczesne technologie umożliwiają wytworzenie niesamowitej mocy obliczeniowej, ale zużycie energii dla nich jest o kilka rzędów wielkości wyższe niż moc odbieranych sygnałów. Głównym problemem jest energochłonność złączy p-n, na których zbudowany jest cały proces obliczeniowy. Problem można rozwiązać poprzez zastosowanie innych materiałów (co utrudnia ich nieporównywalnie wyższy koszt) lub nowych technologii (główna z nich to wykorzystanie efektu nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego w oparciu o nowe materiały (związki międzymetaliczne), ale dziś pod słowem „wysoka temperatura” kryje się temperatura około 150 K (- 120 C), która znowu jest nieosiągalnie niska dla maszynowni). W rezultacie nie można oczekiwać zmiany sytuacji w nadchodzących latach.
• Mnóstwo procesów pobocznych i konieczność użycia kilku innych elementów wyposażenia. Zatem, aby dokonać jakichkolwiek obliczeń, należy skontaktować się z procesorem (czyli musi być włączony), bazą danych znajdującą się na macierzy dyskowej (i musi być zasilana), BARAN(i jest to również zależne od energii) itp. W rezultacie, aby uzyskać jeden sygnał, konieczne jest wygenerowanie kilku sygnałów pomocniczych, z których każdy również wymaga przetworzenia. W rezultacie okrąg pismo„jest bardzo szeroka i każda taka „twarz” ma swoje własne zużycie energii. Oczywiście nowoczesna miniaturyzacja wszystkich elementów pozytywnie wpływa na ich energochłonność, zatem postęp w tym zakresie jest oczywisty.

Generalnie nie można oczekiwać znaczącej zmiany wydajności centrum danych od zera.

Jednak dla wygody sensowne jest podzielenie wydajności centrum danych na efektywność inżynieryjną i efektywność IT.

Wydajność inżynierii centrum danych = moc IT / pełna moc Centrum danych

Wydajność IT = moc obliczeniowa / moc IT

Następnie wydajność centrum danych = wydajność inżynieryjna * wydajność IT.

Z powyższych powodów efektywność IT wynosi około 0% i nie jest szczególnie interesująca ze względu na brak możliwości jej zwiększenia w najbliższej przyszłości.

Z kolei największe zainteresowanie budzi efektywność inżynierii centrum danych; jest to główny wskaźnik wydajności centrum danych i z reguły mieści się w przedziale od 35 do 95%. Tak duży rozrzut tłumaczy się trybem pracy układu klimatyzacji: gdy pracuje obieg chłodniczy, zakres zawęża się do 35-55%, a w przypadku trybu free-coolingu uzyskujemy zakres 75-95%. .

Zależność efektywności od przyjętych wskaźników

Warto zaznaczyć, że efektywność centrum danych oceniana jest za pomocą ogólnie przyjętego współczynnika PUE (Power Utilization Effectiveness) oraz współczynnika DCiE (Data Cetner Infrastructure Efficiency). Obydwa są bezpośrednio związane z efektywnością inżynierii:

DCiE = Wydajność inżynieryjna centrum danych

PUE = 1 / Wydajność inżynieryjna centrum danych

DCiE = 1 / PUE.

Zatem im wyższa wydajność, im wyższy DCiE i niższy PUE, tym lepiej.

Doskonałość centrum danych

Jak stwierdzono powyżej, doskonałość jest postawą praktyczną korzystny efekt maksymalnie teoretycznie możliwe. To bierze pod uwagę konkretna technologia uzyskanie korzystnego efektu.

Zatem do przeprowadzenia obliczeń nie ma innej technologii niż zastosowanie półprzewodników i złącz p-n. Bez dotykania obszaru nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego doskonałość dzisiejszych serwerów można oszacować na 60%(dane są niedokładne, niepotwierdzone, pochodzą od odpowiednich specjalistów). Oznacza to, że wykonując te same obliczenia, można zmniejszyć pobór mocy sprzętu IT o 40%.

Podam dwa ilustrujące przykłady:

• Moc procesorów rośnie wolniej niż ich wydajność:

Pentium II – maksymalnie 450 MHz przy 30 W

Pentium III – maksymalnie 1,4 GHz przy 40 W

Pentium IV – maksymalnie 3,8 GHz przy 120 W

Dwurdzeniowy Pentium – 3,1 GHz przy 65 W

• Zużycie energii dyski twarde zauważalnie spadł: jeśli wcześniej pobór prądu przekraczał 1A, to teraz wynosi około 0,5A.

Doskonałość infrastruktury inżynierskiej centrum danych jest znacznie obniżona ze względu na systemy klimatyzacji (jak wspomniano na początku, ich doskonałość wynosi około 10%, a dokładniej - 12,2% przy pełnym obciążeniu).

Jednocześnie doskonałość systemów dystrybucji energii jest dość wysoka (około 98%).

W rezultacie doskonałość inżynieryjną szacuje się na 12%, a centrum danych jako całość na 7,2%.

Uważamy, że to znacznie więcej wysoka wydajność Doskonałość inżynierii centrów danych jest gorsza od doskonałości IT.

Jeszcze ciekawiej sytuacja wygląda w przypadku free-coolingu. Doskonałość free-coolingu szacuje się na około 70%. Wtedy doskonałość inżynierii wyniesie 68,6%, a całego centrum danych – 41,1%.

Zastosowanie darmowego chłodzenia pozwala zwiększyć zarówno wydajność centrum danych, jak i jego efektywność.

Doktor nauk technicznych F. Polivoda, starszy pracownik naukowy, JSC ENIN nazwany na cześć. G.M. Krzhizhanovsky”, Moskwa

Metoda obliczeniowa. Przykłady

Z definicji sprawność sieci ciepłowniczej jest powiązana z mocą użyteczną Q® odbieranego przez odbiorcę do mocy dostarczanej ze źródła Q®, kW.

ηts =Q0/Qi=( Qi-Ql)/Qi=1- Ql/Qi, (1) gdzie QL to moc strat ciepła w sieci ciepłowniczej, kW.

Oznaczmy temperatury płynu chłodzącego w rurze zasilającej jako t1 i t1′ i odwrotnie - t2 i t2′. Temperatury t1 i t2 mierzy się bezpośrednio przy źródle ciepła, oraz t1′ i t2 u konsumenta. Oznaczmy długość dwururowej sieci ciepłowniczej jako l; temperatura środowisko- jak toc; natężenie przepływu chłodziwa (bez uwzględnienia nieszczelności w sieci) zapisujemy jako G. W tym zapisie składowe QL i Qi można wyrazić znanymi zależnościami.

Ciepło uwolnione ze źródła, kW:

Qi=śr.G.(t1- t2). (2)

Straty ciepła w całej sieci ciepłowniczej, kW:

QL=qL.l.(1+ β), (3)

Gdzie β=0,2 - współczynnik standardowy, uwzględniający nieizolowane odcinki sieci, armaturę itp.; qL to liniowy przepływ strat ciepła dla izolowanego rurociągu, W/m. W sieci dwururowej qL składa się z sumy przepływów q1 i q2 na paszę i rura powrotna odpowiednio:

qL=q1+q2; (4)

q1 = (τ1-toс)/ ΣR; q2=(τ2- toс)/ΣR, (5) gdzie τ1 i τ2 - średnie temperatury rurociągów zasilających i powrotnych sieci ciepłowniczej, z uwzględnieniem naturalnego chłodzenia, OS:

τ1 = (t1+t1′)/2;τ2=(t2+t2′)/2. (6)

W przypadku sieci jednorurowej można użyć wyrażenia dla q1.

Opór cieplny ΣR (m.OS/W) składa się zazwyczaj z sumy składowych elementarnych:

ΣR = Riz+R1 + R2+R3+...+Ri+...+ Rn. U) gdzie R1 jest oporem rury; R2 - opór ściany wewnętrznej warstwy wody; R3 - odporność środowiska lub gleby itp. Wszystkie te rezystancje są zwykle znacznie mniejsze niż rezystancje izolacji z pianki poliuretanowej:

Rz=(1/2πλz).ln(D/d), (8)

Gdzie λiz=0,027-0,05 W/(m.OC) - przewodność cieplna właściwa pianki poliuretanowej; D – średnica zewnętrzna izolowanej rury, m; d - średnica wewnętrzna ( ds$), m. Dlatego możemy w przybliżeniu umieścić ΣR = Riz. Zatem dla konkretnego rurociągu ΣR jest stałą i zależy tylko od projektu rurociągu.

Posłużyły oryginalne równania (1-3). podstawowa podstawa wyprowadzić podstawowe równanie na sprawność sieci ciepłowniczej. Podstawiamy wyrażenia Qi i QL oraz qL do wzoru na efektywność sieci ciepłowniczej. Mamy:

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

Wyrażenie to otrzymano przy następujących założeniach:

1. stałość średniej temperatury w rurze; w rzeczywistości temperatura spada wykładniczo do t1′;

2. nie uwzględnia się strat w rurociągu powrotnym;

3. nie uwzględnia się oporu gruntu, otaczającego powietrza itp.

Ponieważ cp, ΣR, l, β są stałymi, a średnie godzinowe natężenie przepływu G jest funkcją wolno zmieniającą się, wartość sprawności sieci ciepłowniczej można zapisać jako:

ηts =1-[(τ1- toс)/(t1-t2)].( A/G)=1-A.∆ t/G, (10) gdzie A=l.(1+ β)/(avg.ΣR) - stała, kg/s, zależna tylko od właściwości układu, czyli „czynnika systemowego”. W związku z tym szybkość zmiany wartości wydajności jest określona przez zmianę przepływu płynu G, ponieważ długość l sieci jest stała, a pojemność cieplna cp zmienia się stosunkowo niewiele.

Wartość ∆t=(τ1- toс)/(t1-t2) - „współczynnik temperaturowy”, zależy tylko od właściwości środowiska i temperatury wody w rurociągach.

ηts=f(∆t/ G), (11)

jeśli warunek A≈const jest spełniony.

Założenia 1 i 3 dają błąd ujemny we wzorze na efektywność, a założenie 2 daje błąd dodatni; wzajemnie się kompensują.

Zatem efektywność sieci ciepłowniczej jest funkcją zainstalowanej wykres temperatury sieć, na przykład 130/70 OC, a koszty sieci G, tj. zależy od trybu abonentów zużywających ciepło.

Oceńmy charakter zmiany funkcji ηtc w zależności od zachowania się temperatur t1, t2 i toc. Należy pamiętać, że w trybie projektowym r^»0,9^ i chłodzenie jest niewielkie. Na początek wyznaczmy t 1 →∞ i przyjmijmy, że A, G≈ konst. Ten problem występuje w systemach kontroli jakości: ηtc=lim(1-[(( t1+0,9t1)/2-toс)/(t1-t2)].(A/ G)). (12)

t1 →∞ t1 →∞

Rozszerzając niepewność postaci ∞/∞ zgodnie z regułą L'Hopitala, mamy:

ηtmax=1-0,95A/G. (13)

Wartość ta stanowi górną granicę efektywności sieci ciepłowniczej. Ogólnie temperatura t 1 chłodziwa u abonenta można obliczyć, obliczając go za pomocą wzoru (jeżeli temperatura t1′ u odbiorcy nie jest znana):

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

W praktyce przypadek, gdy t1 →∞ jest niemożliwy, gdyż maksymalna wartość bezpośredniej temperatury wody nie przekracza 150°C (t1≤1 50°C). Dlatego bardziej poprawne byłoby obliczenie maksymalnej wydajności sieci ciepłowniczej za pomocą wzoru (10), na podstawie najwyższa temperatura wody w tym systemie grzewczym.

Na różnych odcinkach sieci rozgałęzionej wartości długości odcinków li i natężenia przepływu Gi dla nich są znacząco różne. W tym przypadku już A≠so nst. Jeśli interesuje Cię zależność wydajności na różnych odcinkach sieci od ich własnych kosztów, wówczas wydajność należy przedstawić jako funkcję trójwymiarową:

ηts=f(l, G, ∆t). (15)

Ustalmy dowolną wartość współczynnika temperaturowego ∆t np. dla Moskwy przy toc=-26°C (w trybie projektowania toc=tno -

ok. auto) i harmonogram sieci ciepłowniczej wynosi 130/70°C, a gdy czynnik chłodzący w rurze zasilającej ostygnie o 10°C, wartość ∆t będzie wynosić:

∆t=[(130+120)/2+26]/(130-70)=2,517. Wówczas sprawność odcinka sieci ciepłowniczej o długości l można zapisać jako:

ηts=1-2517k.l/G, (16)

Gdzie k=(1+β)/(por. ΣR) - stała izolacji; zależy to od projektu ciepłociągu i liczby nieizolowanych odcinków (uwzględnionych w b). W trybie obliczeniowym przy stałej wartości współczynnika temperaturowego ∆ t=2,517, wszystkie wartości sprawności można wyświetlić w postaci dwuwymiarowej powierzchni ηtc=f(l, G) (rysunek). Asymptotami będą proste η=1 i znak zerowy η=0. Wraz ze wzrostem długości przekroju l wydajność maleje liniowo, a wraz ze wzrostem natężenia przepływu G zależność typu hiperboli ηts~1-1/ G. Oczywiście istnieje pewna maksymalna długość odcinka 1 = lpr, przy której sprawność sieci ciepłowniczej dąży do zera, gdyż ηtmin=lim(1- t →∞∆t. k.l/G) → 0, z warunku nieujemności sprawności. Długość graniczna I pr odpowiada pewnemu natężeniu przepływu G. Jednak wraz ze wzrostem natężenia przepływu cieczy G → ∞ sprawność będzie już różna od zera, ponieważ otrzymujemy niepewność postaci ∞/∞. Dlatego zaleca się ustawienie maksymalnego granicznego przepływu wody Gpr wzdłuż rurociągu na podstawie jego przepustowości.

Oczywiste jest również, że przy G → 0 sprawność sieci ciepłowniczej dąży do zera. Jest stały punkt minimalny przepływ Gmin, w którym ηts=0. Gdy przez rurę przepływa niewielka ilość wody, po prostu ochładza się, zanim dotrze do konsumenta.

Analizując wyrażenia (10) i (16) dochodzimy do wniosku, że wydajność sieci w dużej mierze zależy od sposobu sterowania i nie można na niej polegać stałą zalecaną przez normę SNiP, np. 0,92. Na współczynnik wydajności duży wpływ ma współczynnik temperatury i stosunek l/G.

Spróbujmy rozwiązać problem odwrotny. Na podstawie zadanego poziomu sprawności, np. ηt = 0,92 i przepustowości Gpr (wyznaczonej na podstawie uwzględnienia strat hydraulicznych w rurociągu), znajdź maksymalną długość odcinka sieci ciepłowniczej lmax, jeśli podany jest rozmiar rury.

lmax=(1-ηts).Gpr/(∆t.k). (17)

Załóżmy, że dla rurociągu DN = 250 mm izolowanego pianką poliuretanową maksymalny spadek ciśnienia Ndop = 100 m. Przepustowość łącza rurociąg według wzoru empirycznego E.Ya.

Gpr=8,62(rl.ρ)°,5.d2,625. (18)

Wzór jest poprawny dla względnej chropowatości rury wynoszącej 0,5 mm.

Załóżmy liniowy spadek ciśnienia na odcinku prostym rл=80 Pa/m, co odpowiada prędkości wody w rurze v=1,3 m/s. Temperatura zakładamy, że jest to znane z poprzedniego przykładu. Parametry wody przy średnia temperatura w rurze zasilającej 120 OS wynoszą: ρ=943 kg/m3, av=4300 kJ/(kg.OS). Obliczmy przepustowość:

Gpr=8,62.(80,943)0,5,0,252,625≈59kg/s.

Opór cieplny i stała izolacji k przy grubości δ=0,07 m (70 mm) i λ=0,04 W/(m.OS) wynoszą:

Riz=(1/2π0,04).ln[(0,25+2,0,02).0,25/ d]=1,63 m.OS/W; k=(1+0,2)/(4.3.103.1.63)=0,171,10–3kg/(m.OS).

Maksymalna długość rurociągu:

lmax=(1-0,92).59/(2,517.0.171.10–3)=10966m.

Należy pamiętać, że spadek ciśnienia w rurociągu nie przekracza określonej wartości, ponieważ:

∆р = rл.lmax=80,10966 = 877310 Pa lub w jednostkach ciśnienia ∆Н<Ндоп (87,7 м < 100 м).

Jeśli warunek nie jest spełniony, konieczne jest zmniejszenie prędkości wody w rurze do w<1 м/с (и соответственно линейные потери rл), и вновь произвести расчет.

Rzeczywista długość rurociągu powinna zostać zmniejszona o 1,6-1,8 razy, ponieważ nieuwzględnione tutaj

lokalny opór powstający na skutek zwojów, zaworów, złączek itp.

Poza sezonem, metodą regulacji ilościowo-jakościowej, natężenie przepływu G w rurze znacznie się zmniejsza. Spada również temperatura w rurze zasilającej. Zatem przy 50% obciążeniu cieplnym Qo obszaru mieszkalnego (przy temperaturze zewnętrznej toc = -5°C) temperatury na zasilaniu i powrocie wynoszą odpowiednio τ1 = 87°C, τ2 = 49°C. Przypomnijmy, że przy t os = -26 os początkowo było to 130 i 70 os! Ponadto zużycie chłodziwa G zmniejszy się o 20%. W naszym przykładzie: G=0,8,59=47,2 kg/s. Wartość sprawności wyznaczona bezpośrednio ze wzoru (9) będzie wynosić:

ηts=1-[(87-(-5))/(87-49)]× ×=0,9, tj. Wydajność sieci spadła o 2%; współczynnik temperaturowy ∆t=2,421.

Pod koniec okresu grzewczego, przy temperaturze zewnętrznej tос=+8°С, przepływ chłodziwa zmniejszy się prawie 5-krotnie i wyniesie G=0,2,59=11,8 kg/s. Temperatury wody w rurach obniżą się odpowiednio do wartości τ1=51 OS; τ2=30 OS. Sprawność systemu grzewczego na koniec sezonu będzie wynosić:

ηts=1-[(51-8)/(51-30)]× ×=0,67.

Tym samym wydajność sieci spadła o 25%!

W połączonych systemach zaopatrzenia w ciepło występuje „załamanie” na wykresie temperatury. Wyjaśnia to konieczność, zgodnie z SNiP 2.04.01-85, temperatury ciepłej wody w punktach zaopatrzenia w wodę wynoszącej +60 °C przy otwartych i +50 °C przy zamkniętych systemach grzewczych. Innymi słowy mamy do czynienia z „przepełnieniem” lokali mieszkalnych. Utrzymuje się temperaturę τ1 w rurociągu zasilającym τ1 = 65 OS. Temperatura na powrocie τ2=45°C. W tym przypadku współczynnik temperaturowy ∆t wzrasta do wartości:

∆t=(65-8)/(65-45) = 2,85. Sprawność układu kombinowanego maleje: η=1-2,85,10966.(1+0,2)/(4190,1 1,8.1,63)= =1-0,465=0,535.

W rezultacie połączenie dostarczania ciepłej wody i ogrzewania w jednym systemie ma bardzo niską sprawność, która może spaść do prawie 50%.

Wnioski

1. Otrzymano podstawowe równanie do obliczania sprawności sieci ciepłowniczej. Może służyć jako podstawa

do obliczeń inżynierskich wydajności konkretnej sieci.

2. Pokazano, że wartość wydajności jest bardzo zróżnicowana. W sezonie grzewczym sprawność spada o 40-50% (do końca sezonu) w porównaniu do okresu projektowego. Podano przykłady.

3. Ustalono, że zmiany sprawności zależą od sposobu sterowania i charakteru abonentów zużywających ciepło. Jeśli obciążenie cieplne jest niewystarczające, wydajność może znacznie spaść, co prowadzi do nadmiernego zużycia paliwa u źródła.

Literatura

1. Sokołow E.Ya. Sieci ciepłownicze i ciepłownicze. - M.: Wydawnictwo MPEI, 2000. - 472 s.

2. Elektroenergetyka i ciepłownictwo. Pytania ogólne. Podręcznik / wyd. A.V. Klimenko i V.M. Zorina. -M.: MPEI, 1999.

3. Sterman L.S., Lavygin V.M., Tishin S.G. Elektrownie cieplne i jądrowe. - M.: Energoatomizdat, 1995.