Optimization of the centralized heating system by redistributing heat loads between the city's combined heat and power plants

Abstract

The aim of the study is to develop and validate methodological principles for optimizing heat load distribution between combined heat and power plants within a unified urban district heating system to enhance its energy efficiency. To achieve this goal, the following tasks were solved: the main principles and sequential stages of optimization, including preliminary analysis, strategy development, multivariate calculations, and implementation of measures, have been developed; a calculation methodology based on mathematical modeling of turbine units using their actual energy characteristics has been developed; the proposed principles have been verified on a complex of two urban CHPPs with diverse equipment, including analysis of equipment loading and compliance with temperature schedules; multivariate studies have been conducted for two fundamentally different optimization strategies at various temperature intervals; the energy effect has been assessed using the incremental efficiency criterion and integral fuel saving indicators. The most significant results confirming the validity of the developed methodology are the following: the first strategy can be positive only under specific conditions and redistribution shares, and therefore is recommended only selectively; the second strategy yielded a considerable increase in total electricity with a substantial energy effect for all temperature intervals; the optimal redistribution degree has been determined, at which the incremental efficiency criterion reaches its minimum value. The significance of the results obtained lies in the development of a scientifically substantiated and practically applicable methodology for long-term optimization of urban district heating systems, particularly relevant amidst fuel price volatility in the modern energy market.

Scopul studiului este dezvoltarea și validarea principiilor metodologice pentru optimizarea distribuției sarcinii termice între centralele de cogenerare din cadrul unui sistem urban unificat de alimentare centralizată cu energie termică, în vederea sporirii eficienței energetice a acestuia. Pentru atingerea acestui obiectiv au fost rezolvate următoarele sarcini: au fost elaborate principiile de bază și etapele succesive ale procesului de optimizare, incluzând analiza preliminară, elaborarea strategiei, efectuarea calculelor multivariate și implementarea măsurilor propuse; a fost elaborată o metodologie de calcul bazată pe modelarea matematică a unităților de turbină, utilizând caracteristicile energetice reale ale acestora; principiile propuse au fost validate pe un ansamblu format din două CET-uri urbane cu echipamente diverse, incluzând analiza gradului de încărcare a echipamentelor și verificarea respectării programelor de temperatură; au fost efectuate studii multivariate pentru două strategii de optimizare esențial diferite, în diferite intervale de temperatură; efectul energetic a fost evaluat utilizând criteriul eficienței incrementale și indicatorii integrați ai economiei de combustibil. Cele mai semnificative rezultate, care confirmă validitatea metodologiei elaborate, sunt următoarele: prima strategie poate fi eficientă numai în anumite condiții și pentru anumite cote de redistribuire, motiv pentru care este recomandată doar în mod selectiv; a doua strategie a condus la o creștere considerabilă a producției totale de energie electrică, generând un efect energetic semnificativ în toate intervalele de temperatură analizate; a fost determinat gradul optim de redistribuire, la care criteriul eficienței incrementale atinge valoarea minimă. Semnificația rezultatelor obținute constă în elaborarea unei metodologii fundamentate științific și aplicabile în practică pentru optimizarea pe termen lung a sistemelor urbane de alimentare centralizată cu energie termică, deosebit de relevantă în contextul volatilității prețurilor combustibililor pe piața energetică modernă.

Целью данной работы является разработка и апробация методических принципов оптимизации распределения тепловых нагрузок между теплоэлектроцентралями в составе единой городской системы централизованного теплоснабжения для повышения ее энергетической эффективности. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: разработаны и охарактеризованы основные методологические принципы и последовательные этапы оптимизации режимов работы нескольких ТЭЦ, включающие предварительный анализ, разработку стратегий, вариантные расчеты и реализацию мероприятий; разработана методика расчетных исследований на основе математического моделирования турбоустановок с использованием их реальных энергетических характеристик; выполнена верификация предложенных принципов на примере комплекса из двух городских ТЭЦ с разнотипным оборудованием, включающая анализ загрузки оборудования и соблюдения температурных графиков; проведены многовариантные расчетные исследования для двух принципиально разных оптимизационных стратегий при различных температурных интервалах; выполнена оценка энергетического эффекта с использованием критерия приростной эффективности и интегральных показателей экономии топлива. Наиболее важными результатами, подтверждающими обоснованность разработанной методологии и сформулированных на её основе принципов оптимизации работы общегородской СЦТ, являются следующие: показано, что энергетический эффект, получаемый по первой стратегии, может быть положительным только при определенных температурных условиях и долях перераспределяемого расхода сетевой воды, поэтому эта стратегия рекомендуется как оптимизационное мероприятие выборочно; вторая стратегия позволила существенно увеличить суммарную выработку электроэнергии со значительным энергетическим эффектом для всех интервалов температур; определена оптимальная для заданных условий степень перераспределения расходов сетевой воды, при которой критерий приростной эффективности достигает минимальной величины. Значимость результатов состоит в разработке и апробации научно обоснованной и практически применимой методики долгосрочной оптимизации режимов работы городских теплофикационных систем, что особенно актуально в условиях волатильности цен на топливо на современном энергетическом рынке.