МЕТОД РАСЧЕТА НОРМАТИВА УДЕЛЬНОГО РАСХОДА ТОПЛИВА НА ОТПУЩЕННУЮ ТЕПЛОВУЮ ЭНЕРГИЮ ОТ КОТЕЛЬНОЙ

 

АННОТАЦИЯ

Разработана и построена логическая и последовательная модель расчета норматива удельного расхода топлива на отпущенную тепловую энергию от котельной на основе режимных карт котлов с использованием MS Excel. Модель позволяет построить прогнозный баланс производства тепловой энергии и оценить энергоэффективность работы котельной. Расчет представляет группу листов файла MS Excel, связанных между собой ссылками, позволяющими воспринимать всю группу листов как единую программу. Пользователю достаточно ввести в соответствующие ячейки файлов исходные параметры работы котельной, такие, как характеристики работы котлов, режимные карты, планируемый отпуск тепловой энергии, данные вспомогательного оборудования котельной для расчета расхода тепловой энергии на собственные нужды, и на выходе получить готовый детальный расчет норматива. Результаты расчетов норматива сведены в единую таблицу, где отображаются показатели как помесячно, так и годовые цифры. Метод позволяет значительно сократить временные затраты на осуществление расчетов норматива, составить прогнозный баланс тепловой энергии, выполнить анализ динамики фактических и расчетных показателей. Метод успешно себя зарекомендовал, при многократном утверждении норматива удельного расхода топлива на отпущенную тепловую энергию от котельной в Департаменте экономической политики и развития города Москвы, бывшая Региональная экономическая комиссия.

ABSTRACT

Developed and built a logical and consistent model for calculating the rate of specific fuel consumption for the supplied heat from the boiler plant on the basis of boiler charts using MS Excel. The model makes it possible to build a forecast balance of heat production and assess the energy efficiency of the boiler plant. Calculation is a group of sheets of MS Excel file, connected between each other by links, allowing to perceive the whole group of sheets as a single program. The user only needs to enter into the corresponding cells of the files the initial parameters of the boiler house operation, such as boiler operation characteristics, mode cards, planned heat energy output, data of the boiler house auxiliary equipment to calculate the consumption of heat energy for its own needs, and the output will be a ready detailed calculation of the normative. The results of the standard calculations are summarized in a single table, where the indicators both monthly and annual figures are displayed. The methodology allows to significantly reduce the time required for the normative calculation, to make a forecasting balance of heat energy, to analyze the dynamics of the actual and estimated figures. The method proved to be successful during the multiple approval of the standard of the specific fuel consumption for the supplied heat energy from the boiler plant by the Department of the Economic Policy and Development of the City of Moscow, the former Regional Economic Commission.

 

Keywords: calculation of specific fuel consumption rate, NUR, calculation, standards for approval, energy efficiency, tariff, heat balance, energy saving, energy efficiency program, energy efficiency calculation.

Ключевые слова: расчет норматива удельного расхода топлива, НУР, расчет, нормативы для утверждения, энергоэффективность, тариф, баланс тепловой энергии, энергосбережение, программа энергоэффективности, расчет энергоэффективности.

 

Введение.

Для обеспечения согласования интересов поставщиков ресурсов и потребителей, а также учета государственных интересов [1], местные региональные энергетические комиссии или органы исполнительной власти, ответственные за регулирование тарифов на электрическую и тепловую энергию (услуги) на рынке энергии для потребителей, запрашивают у генерирующих организаций, занимающихся производством тепловой энергии, информацию о планируемом тепловом балансе на предстоящий период, обычно на год, следующий за годом запроса. Генерирующие компании при составлении прогнозного баланса тепловой энергии полагаются на плановое потребление тепловой энергии своими абонентами. Норматив удельного расхода топлива на отпущенную тепловую энергию от котельной, утверждаются приказом местной Региональной Экономической Комиссией, а для городов федерального значения, это соответственно, Департамент экономической политики и развития или Управление по тарифам городов федерального значения [2]. Органы исполнительной власти субъектов, осуществляющие регулирование тарифов, запрашивают у генерирующих компаний прогнозные балансы ежегодно, даже в том случае, если на предприятии утвержден долгосрочный тариф на тепловую энергию. Постановка задачи расчета нормативов является актуальной для генерирующих компаний, так как только отопительных котельных в России насчитывается порядка 77 тыс. [6].

В статье рассмотрена модель последовательного расчета норматива удельного расхода топлива на отпущенную тепловую энергию от котельной на основе режимных карт котлов посредством разработанной программной методики с использованием MS Excel.

Описание метода.

Расчет норматива удельного расхода топлива на отпущенную тепловую энергию от котельной выполняется в соответствии с Порядком определения нормативов удельного расхода топлива при производстве электрической и тепловой энергии (утвержден приказом Министерства энергетики РФ от 30 декабря 2008 г. № 323. С изменениями от 30 ноября 2015 г) [3], далее Порядок.

Результатом расчета являются показатели норматива удельного расхода топлива на отпущенную тепловую энергию от котельной по каждому месяцу работы котельной отдельно и общий годовой показатель.

Данный метод позволяет произвести расчет норматива, используя исходные данные: как характеристики работы котлов, режимные карты котлов, планируемый отпуск тепловой энергии, данные вспомогательного оборудования котельной для расчета расхода тепловой энергии на собственные нужды.

Построение модели.

Построение модели осуществляется согласно схеме (рисунок 1). Для примера расчет будет производится для условной котельной в г. Москва:

• топливо: природный газ, резервного топлива нет;
• средневзвешенная годовая калорийность по актам поставки газа: 8100 ккал/м³;
• плановый полезный отпуск тепловой энергии;
• данные для расчета расхода тепловой энергии на собственные нужды котельной;
• котлы: 3 паровых котла ДКВР 10/13, с разработанными специализированной организацией режимными картами;
• температура наружного воздуха для г. Москва принимается в соответствии с СП 131.13330.2020 [10].

Схема последовательного расчета по этапам от введения исходных данных до получения итогового баланса выглядит следующим образом:

 

 Рисунок 1. Схема этапов последовательного расчета норматива по этапам

1 – Ввод исходных данных; 2 – Построение графиков работы котлов; 3 – Расчет расхода тепловой энергии на собственные нужды; 4 – Определение индивидуальных нормативов; 5 – Расчет норматива удельного расхода топлива; 6 – Итоговый баланс.

 

Этап 1.

Исходные данные вводятся из режимных карт № 1, 2, 3. Для удобства данные переносятся в отдельные таблицы для каждого котлоагрегата (КА).

 

 Рисунок 2. Режимная карты котлов №1, 2, 3

 

Этап 2.

Используя данные режимных карт в программе MS Excel, производится построение диаграммы. На диаграмму наносятся линия тренда (полиномиальная, степень 2) для показателей КПД и удельного расхода топлива на выработанную теплоэнергию. В свойствах диаграммы необходимо выбрать опцию «Показывать уравнение в диаграмме». Данное уравнение позволяет в дальнейшем получить интерполяционные значения удельного расхода топлива для произвольных показателей теплопроизводительности.

 

Рисунок 3. Энергетическая характеристика котла №1

 

Рисунок 4. Энергетическая характеристика котла №2

 

Рисунок 5. Энергетическая характеристика котла №3

 

Этап 3.

В состав общего расхода тепловой энергии на собственные нужды котельных в виде горячей воды или пара входят следующие элементы затрат:

- растопка, продувка котлов;

- обдувка поверхностей нагрева;

- деаэрация (выпар);

- технологические нужды ХВО;

- отопление и хозяйственные нужды котельной, потери с излучением тепловой энергии теплопроводами, насосами, баками и прочее; утечки, парение при апробировании и другие потери.

Потери тепловой энергии с продувочной водой, Гкал, зависят от периодичности и продолжительности продувки котла и определяются по формуле:

где:

 – количество котлов;

 – коэффициент продувки i – го котла;

 –количество тепловой энергии, Гкал, произведенное котлом за расчетный период.

Расход тепловой энергии за расчетный период на растопку Гкал, определяются:

где:

 – количество котлов;

 – часовая выработка тепловой энергии i – м котлом, Гкал;

– доля расхода тепловой энергии на одну растопку после простоя до 12 ч (из горячего состояния);

- количество растопок в горячем состоянии;

- доля расхода тепловой энергии на одну растопку после простоя свыше 12 ч (из холодного состояния);

_- количество растопок из холодного состояния в расчетном периоде.

Расход тепловой энергии на обдувку поверхностей нагрева паровых котлов, Гкал, определяется по формуле:

где:

 – коэффициент обдувки;

 – количество котлов;

 – средняя за время работы производительность котла. т/ч;

 – энтальпия пара, используемого для обдувки и питательной воды, ккал/кг;

 – продолжительность работы котла, ч.

Расход тепловой энергии на технологические нужды химводоочистки, Гкал, определен по формуле при наличии охладителя выпара: 

Где:

 – удельный расход воды на собственные нужды ХВО исходной воды на 1 тонну химически очищенной воды, принимается в зависимости от общей жесткости воды;

 – средний расход воды на ХВО в расчетном периоде, т/ч;

 – поправочный коэффициент, принимаемый равным 1,2 при отсутствии бака взрыхления;

 – теплоемкость воды, ккал/кг ºС;

 – соответственно температура воды после и до подогревателя сырой и исходной воды, ºС;

 – продолжительность работы соответственно, ч.

Часовой расход тепловой энергии на отопление помещения котельной, Гкал определяется:

где:

 – поправочный коэффициент на температуру наружного воздуха;

 – объем отапливаемого помещения (рабочей зоны), м³;

– удельная отопительная характеристика здания, ккал/(м³ч ºС);

 – температура воздуха внутри помещениям непосредственно котельной (котельный зал, насосное отделение, щитовое помещение и др);

 – расчетная температура наружного воздуха для проектирования отопления, ºС.

Пересчет расхода тепловой энергии на отопление в конкретном расчетном месяце производится по формуле:

где:

 – часовой расход тепловой энергии на отопление помещения котельной

 – средняя за расчетный период температура наружного воздуха, ºС;

 – температура воздуха внутри помещениям непосредственно котельной;

 – расчетная температура наружного воздуха для проектирования отопления, ºС;

 – продолжительность отопления, ч.

Потери тепловой энергии котлоагрегатами определяются по формулам:

где:

 – количество котлов;

 – расход натурального топлива котлоагрегатом в расчетном месяце, т;

  – средняя потеря тепловой энергии всеми элементами котлоагрегатов в окружающую среду в % от количества теплоты топлива (принимается по показателям режимной карты);

 – теплота сгорания используемого натурального топлива, ккал/кг.

При отсутствии результатов режимно-наладочных испытаний, , для котлов производительностью до 5,0 Гкал/ч оценивается ориентировочно по таблице и расчет производится по формуле:

где:

 – количество котлов;

- –производство тепловой энергии i – котлом за расчетный период, Гкал;

 – удельный расход условного топлива на производство тепловой энергии i – котлом за расчетный период, Гкал;

- теплота сгорания условного топлива, 7000 ккал/кг у.т. [7]

Потери тепловой энергии баками различного назначения (декарбонизаторы, баки – аккумуляторы и пр.), Гкал, определены по формуле:

где:

 – количество групп однотипных баков;

 – норма плотности теплового потока через поверхность бака, ккал/м²ч, принимаемая по СНиП 2.04.14-88 [8] (для баков, введенных в эксплуатацию до 01.11.2003) и по СНиП 41-03-2003 [9] (для баков, введенных в эксплуатацию после 01.11.03г.);

– поверхность бака, м²;

 – температурный коэффициент, определяемый по соотношению

(t_г – t_н.ср):( t_г – 5 );

 – количество баков;

 – продолжительность работы баков в расчетном периоде, ч.

Расход тепловой энергии на хозяйственно-бытовые нужды, Гкал,

рассчитан по формуле:

где:

 – норма расхода горячей воды на одну душевую сетку, принимается равной 0,27 м³/сут.;

 – количество душевых сеток.;

 – коэффициент использования душевых, принимается равным 1,0;

 – норма расхода горячей воды на 1 человека в смену, принимается равной 0,024 м³/чел. в сутки;

 – численность работающих человек в сутки;

 – соответственно температура горячей и исходной воды, ºС;

 – теплоемкость воды, ккал/(кг ºС);

– плотность воды, т/м³;

 – соответственно температура горячей и исходной воды, ºС;

 – продолжительность расчетного периода, сут.

Другие потери (апробирование предохранительных клапанов, потери с утечками, парением, через теплоизоляцию трубопроводов), Гкал, принимаются равными:

- для паровых котлов

- для водогрейных котлов

Для расчета расхода на собственные нужды предусмотрен отдельный лист «Расчет собственных нужд» (рисунок 6).

 

Рисунок 6. Итоговая таблица расчета собственных нужд котельной

 

Расход тепловой энергии на отопление помещения котельной учитывается только в том случае, если этот показатель выше потерь тепловой энергии котлоагрегатами. Это происходит, потому что тепло от КА поступает в помещение котельной и нет необходимости в установке дополнительного отопительного оборудования. В таблицу «Расчет выработки» (рисунок 7) на первом этапе вносятся данные полезного отпуска потребителям, среднемесячные температуры воздуха и потери тепловой энергии при транспортировке. Расчета потерь тепловой энергии производится на основании Приказа Министерства энергетики РФ от 30 декабря 2008 г. N 325 [4]

 

Рисунок 7. Расчет выработки тепловой энергии с учетом планового полезного отпуска, потерь при транспортировке и потерь на собственные нужды

 

Этап 4.

В таблице «Расчет выработки» (рисунок 7) пересчетом на количество часов работы котельной в месяц автоматически определена среднечасовая производительность котельной. Для покрытия тепловой нагрузки достаточно одного работающего котла, максимальная нагрузка по году – 3,81 Гкал/ч, производительность одного котла при номинально нагрузке, опираясь на данные режимных карт – 5,6 Гкал/ч. Согласно требованиям пункта 48 части 5 Порядка [3] при расчете нормативов удельных расходов топлива необходимо применить распределение тепловых нагрузок между котлоагрегатами котельных с учетом принципа минимальных затрат топлива с использованием оптимальной нагрузки и времени работы в расчетный период.

Используя уравнения диаграммы, полученные при построении энергетических характеристик котлов, и среднечасовые нагрузки по месяцам, можно составить таблицу удельных расходов топлива по каждому котлу в зависимости от нагрузки.

 

Рисунок 8. Удельные расходы топлива по каждому котлу в зависимости от нагрузки

 

Таким образом для применения принципа минимальных затрат топлива необходимо рассмотреть возможность работы каждого из КА. В столбце 9 используется функция выбора минимального значения из показателей удельного расхода каждого котла, столбцы 5, 6, 7 (рисунок 9).

 

 Рисунок 9. Удельные расходы топлива по каждому котлу в зависимости от нагрузки

 

Этап 5. 

Норматив удельного расхода условного топлива на отпуск тепловой энергии с коллекторов, кг у.т./Гкал, определяется по формуле (рисунок 10):

Где:

 – норма расхода условного топлива на выработку котлом 1 Гкал тепловой энергии, определена как средневзвешенная величина на основании данных о режимах функционирования оборудования.

 – нормативная доля расхода тепловой энергии на собственные нужды котельной;

Расход условного топлива рассчитывается автоматически исходя из отпуска тепловой энергии и удельного расхода. Перевод условного топлива в натуральное происходит с использованием переводного коэффициента 7000/8100, где 7000 – калорийность условного топлива, 8100 – природного газа, принятого в расчете.

 

 Рисунок 10. Итоговый расчет норматива

 

Выводы:

Расчет норматива удельного расхода топлива позволяет составить прогнозный баланс производства тепловой энергии, спрогнозировать потребность в топливе и оценить энергоэффективность работы котельной. Важно контролировать показатель расхода топлива, так как он входит в качестве одного из основных показателей при расчете долгосрочных тарифов по методу обеспечения доходности инвестированного капитала [5]. Построенная модель упрощает и значительно ускоряет процесс выполнения расчета. Данная модель будет полезна инженерам генерирующих компаний.

 

Список литературы:

1. Муртазаева А. Р., Кузнеченко А. М., Бугаева Т. М. Анализ проблем тарифного регулирования в сфере теплоснабжения // Неделя науки СПбПУ: Материалы научной конференции с международным участием. Институт промышленного менеджмента, экономики и торговли. В 3-х частях, Санкт-Петербург, 18–23 ноября 2019. Том Часть 2. – Санкт-Петербург: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" 2019: 611-613. – EDN HXFBLK.
2. Приказ Департамента экономической политики и развития города Москвы № 487-ТД от 25.10.2022 «Об утверждении нормативов удельного расхода топлива при производстве тепловой энергии источниками тепловой энергии регулируемых организаций на территории города Москвы на 2023 год». URL: https://www.mos.ru/authority/documents/doc/49727220/?ysclid=ljhxjdc254469227107 (дата обращения 28.06.2023).
3. Приказ Министерства энергетики РФ от 30 декабря 2008 г. N 323 "Об утверждении порядка определения нормативов удельного расхода топлива при производстве электрической и тепловой энергии" (с изменениями и дополнениями). С изменениями от 30 ноября 2015 г.
4. Приказ Министерства энергетики РФ от 30 декабря 2008 г. N 325 "Об утверждении порядка определения нормативов технологических потерь при передаче тепловой энергии, теплоносителя" (с изменениями и дополнениями от 10.08.2012 г.)
5. Постановление Правительства РФ от 22 октября 2012 г. N 1075 "О ценообразовании в сфере теплоснабжения".
6. Путилов, С. С. Основные пути повышения энергоэффективности котельной / С. С. Путилов // ИННОВАЦИОННЫЕ исследования: ОПЫТ, ПРОБЛЕМЫ ВНЕДРЕНИЯ результатов и ПУТИ РЕШЕНИЯ : сборник статей Международной научно-практической конференции, Магнитогорск., 20 мая 2023 года. Том Часть 1. – Уфа: Общество с ограниченной ответственностью "Аэтерна", 2023. – С. 93-96. – EDN CFZOBQ.
7. Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2017621199 Российская Федерация. Средние калорийные (топливные) эквиваленты для перевода натурального топлива в условное: № 2017620712: заявл. 04.07.2017: опубл. 17.10.2017 / Н. А. Вукович, А. В. Мехренцев, А. А. Добрачев; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Уральский государственный лесотехнический университет». – EDN IRLVNA.
8. СНиП 2.04.14-88. Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов/Госстрой СССР — М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1989
9. СНиП 41-03-2003. Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов. - М.: Госстрой России, ФГУП ЦПП, 2004.
10.  СП 131.13330.2020 «СНиП 23-01-99* Строительная климатология» // Минстрой России. 2020 г.