Регулирование отпуска теплоты и расхода сетевой воды

Тепловая нагрузка на отопление и вентиляцию изменяется в зависимости от температуры наружного воздуха. Расход теплоты на горячее водоснабжение не зависит от температуры наружного воздуха. В этих условиях необходимо регулировать параметры и расход теплоносителя в соответствии с фактической потребностью абонентов.

4.1. Температурный график сетевой воды

При наличии разнородной нагрузки (отопление, вентиляция и ГВС) в общей тепловой сети расчет и построение температурного графика сетевой воды проводят по преобладающей тепловой нагрузке и для самой распространенной схемы присоединения абонентских установок. Преобладающей, как правило, является отопительная нагрузка. Предпочтительной системой регулирования тепловой нагрузки является качественное регулирование, когда изменение тепловой нагрузки на отопление при изменении температуры наружного воздуха производится за счет изменения температуры сетевой воды при неизменном расходе. Такое регулирование производится на источнике теплоты.

Расчетные температуры сетевой воды в подающем и обратном трубопроводе ( - температуры теплоносителя в подающем и обратном трубопроводе и в системе отопления при ее зависимом присоединении соответственно) на коллекторах источника теплоты соответствуют расчетной температуре наружного воздуха и задаются при проектировании системы теплоснабжения , например, 150/70, 130/70 и т.д. Если тепловая нагрузка однородна, в частности, отопительная, то во всем диапазоне наружных температур можно проводить качественное регулирование. При этом тепловая нагрузка прямо пропорциональна температуре теплоносителя в подающем трубопроводе и обратно пропорциональна температуре наружного воздуха. Поэтому на температурном графике зависимости температур сетевой воды в подающем и обратном трубопроводе изображаются при однородной нагрузке и качественном регулировании прямыми линиями. За начальную точку этих прямых принимают температуру наружного воздуха +20 ⁰С (+18), когда тепловая нагрузка равна нулю. Тогда температуры сетевой воды в подающем и обратном трубопроводе тоже будет +20 ⁰С (+18). Конечными точками будут соответственно . При зависимом присоединении системы отопления на графике будет третья прямая, соединяющая начальную точку с расчетной температурой .

При наличии нагрузки горячего водоснабжения (гвс) температура воды в подающем трубопроводе не может быть снижена ниже 60 ⁰С при присоединении системы гвс по открытой схеме и ниже 70 ⁰С при присоединении по закрытой схеме, т. к. температура воды в водоразборных приборах должна быть от 55 ⁰С до 65 ⁰С, а в теплообменнике гвс теряется порядка 10 ⁰С. Таким образом, на температурном графике производится отсечка, как показано на рис.4 и 5. На графике регулирования закрытой схемы системы теплоснабжения температура наружного воздуха, соответствующая отсечке, , делит график на две области: область качественного регулирования II и область количественного регулирования I. На графике регулирования открытой системы теплоснабжения в зоне качественного регулирования появляется зона III, когда температура воды в обратном трубопроводе достигает 60 ⁰С и разбор воды на горячее водоснабжение производится только из него.

Рисунок 4. Температурный график регулирования открытой зависимой системы теплоснабжения

Рис.5 Температурный график регулирования закрытой независимой системы теплоснабжения

Наличие или отсутствие на графике регулирования ломаной зависит от того, является ли система теплоснабжения зависимой (рис. 4) или независимой (рис. 5).

Если , то регулирование рационально проводить по совместной нагрузке на отопление и горячее водоснабжение. При этом строится так называемый повышенный температурный график регулирования, позволяющий компенсировать повышенный расход тепла на горячее водоснабжение за счет увеличения разности температур прямой и обратной воды по сравнению с графиком регулирования по отопительной нагрузке.

При построения повышенного графика расход тепла на горячее водоснабжение принимается балансовым:

где - балансовый коэффициент, принимаемый обычно равным величине 1.2.

Вид графика представлен на рис.6.

Рисунок 6. Повышенный температурный график регулирования.

На рисунке: - температуры теплоносителя на коллекторах ТЭЦ; - температуры теплоносителя по отопительному графику; - температура теплоносителя в системах отопления.

Величины

связаны уравнениием

(10)

Здесь, расчетная разность температур сетевой воды по отопительному графику

В начале определяется величина из уравнения

. (11)

Температура водопроводной воды после первой ступени подогревателя системы гвс где =5…10 ^оC – величина недогрева воды в подогревателе.

4.2. Расчет и построение графиков расхода сетевой воды

4.2.1. Расчетный расход сетевой воды на отопление:

(12)

где с=4,19 кДж/(кг×К) - теплоемкость воды.

В зоне качественного регулирования II расход теплоносителя на отопление постоянный, в зоне количественного регулирования I падает с ростом температуры наружного воздуха до 0 при +20 (18) ⁰С(рис. 5 и 6).

4.2.2. Расчетный расход сетевой воды на вентиляцию:

определяется по (13):

(13)

Характер графика расхода на вентиляцию повторяет ход графика расхода на отопление (рис. 6 и 7).

4.3.3 Расход сетевой воды на горячее водоснабжение:

В открытых сетях теплоснабжения средний часовой расход воды на горячее водоснабжение будет:

(14)

В закрытых системах теплоснабжения средний часовой расход на горячее водоснабжения определяется по (13, 14).

При параллельной схеме присоединения водоподогревателей

(15)

- температура воды после параллельно включенного водоподогревателя горячего водоснабжения в точке излома графика температур воды; рекомендуется принимать = 30 °С.

При двухступенчатых системах присоединения водоподогревателей

, (16)

где - температура воды после первой ступени подогрева при двухступенчатых схемах присоединения водоподогревателей, °С.

По отношению к зонам регулирования температурного графика системы теплоснабжения расходы ведут себя следующим образом.

В зоне количественного регулирования I при постоянной температуре в подающем трубопроводе с учетом средней нагрузки на горячее водоснабжение расход сетевой воды на горячее водоснабжение остается постоянным и при открытой, и при закрытой системе теплоснабжения (рис. 5 и 6).

Эти расходы сетевой воды определяются следующим образом.

В зоне качественного регулирования (II, III – при открытой схеме и II – при закрытой) характер кривых существенно различается.

При открытой схеме в зоне II сетевая вода на горячее водоснабжение разбирается из подающего и обратного трубопроводов. Из подающего трубопровода расход сетевой воды уменьшается от максимальной величины при температуре наружного воздуха до нуля при температуре наружного воздуха . Наоборот, расход сетевой воды из обратного трубопровода меняется от нуля до максимального значения при тех же температурах наружного воздуха. В зоне III разбор сетевой воды на горячее водоснабжение идет только из обратного трубопровода и несколько падает по мере роста температуры воды от 60 до 70 ⁰С (рис. 5).

При закрытой схеме присоединения системы горячего водоснабжения теплообмен между системами теплоснабжения и горячего водоснабжения происходит в одноступенчатом (на подающей магистрали) или в двухступенчатом (на обеих магистралях) теплообменнике. В зоне II расход сетевой воды на горячее водоснабжение уменьшается от максимального при до нуля при для двухступенчатого теплообменника (рис. 6, сплошная линия) и до величины

(17)

(рис. 6, штриховая линия).

Затем, для наглядности, строится график суммарных расходов сетевой воды (рис. 7 и 8) согласно условию

. (18)

Рисунок 7. График расходов открытой тепловой сети

Рисунок 8. График расходов закрытой тепловой сети (сплошная линия – двухступенчатый подогрев горячей воды: штриховая – одноступенчатый).

Необходимый для гидравлического расчета тепловой сети расчетный расход сетевой воды в двухтрубной сети в открытых и закрытых системах теплоснабжения определяется по формуле (19):

. (19)

- коэффициент, учитывающий долю среднего расхода воды при регулировании по отопительной нагрузке., принимаемый из следующих соображений:

· открытая система: 100 и более МВт =0.6, менее 100МВт, =0.8;

· закрытая система: 100 и более МВт =1.0, менее 100МВт, =1.2.

При регулировании по совмещенной нагрузке отопления и горячего водоснабжения при корректированном графике регулирования коэффициент принимают равным 0.

5. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТЕПЛОСЕТИ

При проектировании тепловых сетей в задачу гидравлического расчета входит определение диаметров трубопроводов и падения давления по участкам и в целом по магистрали. Расчет ведется в два этапа: предварительный и поверочный.

5.1. Порядок проведения гидравлического расчета

Исходными данными для расчета являются: расчетная схема (см. рис. 1); расчетные расходы сетевой воды по участкам; вид и количество местных сопротивлений на каждом участке.

Одним из основных параметров, определяющих гидравлическое сопротивление, является скорость воды в трубопроводах. В магистральных сетях скорость воды рекомендуют принимать в пределахl¸2 м/с, а в распределительных трубопроводах - 3¸5 м/с.

На первом, предварительном, этапе определяется расчетный диаметр трубопровода по принятым значениям скорости воды w и удельного падения давления . Для магистральных трубопроводов значение £80 Па/м, для распределительных сетей и ответвлений =100¸300 Па/м. Условный диаметр рассматриваемого участка определяется с помощью номограммы для гидравлического расчета трубопровода (Приложение П) по расходу воды и принятому удельному падению давления . Т. к. точка пересечения на номограмме не попадает на какую-либо линию стандартного диаметра, то необходимо сместиться по линии расходов вверх или вниз до пересечения с линией стандартного диаметра. Если смещаться вверх, то выбирается меньший стандартный диаметр, но реальное удельное линейное сопротивление оказывается больше, а если вниз – то диаметр больше, а сопротивление меньше. Обычно, на участках трубопровода, близких к теплоисточнику переходят на большие диаметры, а ближе к концу магистрали – на меньшие. Необходимо также отслеживать, чтобы скорости воды на участке трубопровода не вышли за указанные пределы. Полученные фактические значения удельного линейного сопротивления и скорости движения воды заносятся в таблицу 2.

Таблица 2

Гидравлический расчет теплосети

Предварительный гидравлический расчет теплосети
№ учстка	Расход теплоносителя G, кг/с	Длина участка l, м	Удельное падение давления на участке, R_л, Па/м	Диаметр расчетный, D_рас., мм	Диаметр по ГОСТ, мм
Расчетная магистраль
1-2 2-3 3-4 4-5 …
Ответвления
…

Продолжение таблицы 2

Гидравлический расчет теплосети

Поверочный гидравлический расчет тепловой сети
№ учстка	Скорость воды, м/с	R_л.ф., Па/м	Эквивалентная длина l_э, м	Расчетная длина (l+l_э), м	Потери давления и напора
на участке	Суммарные с нарастающим итогом
DP, Па	DH, м	DP, Па	DH, м
Расчетная магистраль
1-2 2-3 3-4 4-5 …
Ответвления
…

По расчетной схеме и выбранной трассе трубопроводов определяются типы и количество местных сопротивлений: арматуры, отводов, компенсаторов и пр. По приложению П8 в зависимости от условного диаметра и типа местных сопротивлений определяется эквивалентная длина местных сопротивлений и заносится в таблицу 2. Расчетная длина участка трубопровода определяется суммированием фактической и эквивалентной длины.

Падение давления на расчетном участке вычисляется по формуле (20), Па:

(20)

где - длина расчетного участка, м;

- суммарная эквивалентная длина местных сопротивлений на данном участке.

Потери напора на участке составят:

(21)

где =975 кг/м³ - плотность воды при температуре 100 °С;

g=9,81 м/с² - ускорение свободного падения.

Полученные величины заносятся в графы поверочного расчета (таб. 2). Аналогично рассчитываются все участки магистрали.

Расчет ответвлений проводится так же, как участок магистрали, нос заданным падением давления (напора), определяемым после построения пьезометрического графика как разность напоров в подающей и обратной магистрали в точке присоединения ответвлеиия.

Также, как и для магистрали, для конкретного рассчитываемого ответвления измеряется длина трубопроводов от точки ответвления до самого дальнего потребителя (абонента) - l_отв, м. Для этого ответвления протяженностью l_отв предварительно удельное линейное падение давления, Па/м:

(22)

где ; Z - опытный коэффициент местных сопротивлений для ответвлений (для водоводов Z=0,03¸0,05); G_отв ^- расчетный расход теплоносителя на начальном участке ответвления, кг/с; - разность располагаемой падения давления на ответвлении и требуемого перепада давлений у последнего абонента, Па; - фактическая длина ответвления в двухтрубном исполнении.

При сложной схеме распределительных сетей ответвление делится на участки аналогично разделению на участки магистральной сети.

4.2. Построение пьезометрического графика

Пьезометрический график строится на основании гидравлического расчета (таб. 2). Пьезометрический график сети позволяет установить взаимное соответствие рельефа местности, высоты абонентских систем и потерь напора в трубопроводах. По пьезометрическому графику можно определить напор в любой точке сети, располагаемый напор в местах ответвлений и на вводе в абонентские системы, а также провести корректировку схем присоединения абонентских систем и действующие напоры в прямой и обратной магистралях сети.

Пьезометрический график строится в масштабе в координатах L-H (L - длина трассы, м; Н - напор, м). За начало координат принимается точка 0, соответствующая установке сетевых насосов (рис. 6). Вправо от точки 0 вдоль оси L (линия I-I , отметка 0.0) наносится профиль трассы в соответствии с рельефом местности вдоль основной магистрали и ответвлений. Здесь принимается, что профиль трассы совпадает с рельефом местности. При несложной схеме теплоснабжения и небольшом числе абонентских вводов (не более 20) на ответвлениях и магистрали наносятся высоты зданий (абонентских систем). По оси ординат из точки 0 откладывается напор в метрах.

Построение пьезометрического графика начинают с гидростатического режима, когда циркуляция воды в системе отсутствует, а вся система теплоснабжения, включая системы отопления или теплообменники систем отопления, заполнена водой с температурой до 100°С. Статическое давление в тепловой сети H_ст обеспечивается подпиточными насосами. Линию статического напора S-S на графике проводят из условия прочности чугунных радиаторов, т.е. 60 м. Статическое давление должно быть выше высоты присоединенных зданий к системе теплоснабжения, а также обеспечить невскипание воды в тепловой сети. Если хотя бы одно из условий для абонентских вводов не соблюдается, необходимо предусмотреть разделение тепловой сети на зоны с поддержанием в каждой зоне своего статического давления.

Необходимый подпор современных сетевых насосов находится в пределах 10¸25 м из условия подавления кавитации на всасе в насос, а полный напор подпиточных насосов H_ст=40¸60 м. Данное значение

Н_стоткладывается по оси Н от точки 0 до А. От точки А начинается построение пьезометрического графика для обратной магистрали в динамическом режиме на основании данного гидравлического расчета. С точки А откладывается длина первого расчетного участка 0 – I (0_I). Далее по оси Н откладывается расчетная величина гидравлических потерь Δ Н_І (точка 0₁). Выполняя описанные действия, определяем последовательно все точки пьезометрического графика обратной магистрали (точки 0, 0₁, 0₂ и т.д.).

От последней точки пьезометрического графика обратной магистрали (точка 0₄) откладывается необходимый располагаемый напор у последнего абонентаDH_аб»15¸20 м при наличии элеватора или DH_аб»10м+H_зд - при безэлеваторном подключении (точка П₄). Пьезометрический график прямой магистрали строится от точки П₄ в обратной последовательности по участкам сети. Соединяя все найденные точки (А,0₁,0₂, ...) получим пьезометрический график обратной магистрали. При правильных расчетах и построении пьезометрический график должен быть прямолинейным. В точке П, соответствующей месторасположению источника теплоты, вверх откладывается потеря напора в сетевых подогревателяхDH_П=10¸20 м или в водогрейном котлеDH_П=15¸30 м.

Рисунок 9. Пьезометрический график и схема тепловой сети:

I - сетевой насос; II - подпиточный насос; III - теплоподготови-тельная установка; IV - регулятор давления; V - подпиточный бак.

5. ВЫБОР СХЕМ ПРИСОЕДИНЕНИЯ АБОНЕНТСКИХ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ К ТЕПЛОВОЙ СЕТИ

Пьезометрический график позволяет выбрать схему присоединения абонентских установок к теплосети с учетом располагаемого перепада давлений и ограничений по избыточному давлению в трубопроводах.

На рис. 10 представлены схемы присоединения абонентских отопительных систем к тепловой сети. Схемы (а), (б) и (в) представляют собой зависимые присоединения. Схема (а) используется в том случае, когда имеется центральный или групповой тепловой пункт, где готовится теплоноситель с требуемыми параметрами и перед системой отопления необходимо отрегулировать только давление. Рис.10б - элеваторная схема присоединения применяется при условии, что напор в обратной магистрали не превышает допустимого для местных отопительных систем, а располагаемый напор на вводе достаточен для работы элеватора (15¸18 м).

Если напор в обратной магистрали не превышает допустимого, а располагаемый напор недостаточен для работы элеватора, применяют зависимую схему со смесительным насосом (Рис.10в).

Если напор в обратной магистрали в статическом или динамическом режиме превышает допустимый напор для местных систем отопления, применяют независимую схему с установкой водоводяного теплообменника (Рис.10г).

Обозначения на схеме:

ПК – пиковый котел; ТП – теплофикационный подогреватель; СН – сетевой насос; ПН – подпиточный насос; РР – регулятор расхода; Д – диафрагма; В - воздушник (кран Маевского); Э – элеватор; Н – смесительный насос; РТ – регулятор температуры; ТО – теплообменник системы отопления; ЦН – циркуляционный насос; РБ – расширительный бак.

На рис. 11 представлены схемы присоединения системы горячего водоснабжения к системе теплоснабжения.

Рисунок 10. Схемы присоединения системы отопления абонентов к тепловой сети

Рисунок 11. Присоединение систем горячего водоснабжения к системе теплоснабжения

6. ВЫБОР НАСОСОВ

6.1. Выбор сетевых насосов

Сетевые насосы устанавливаются на источнике теплоты, их количество должно быть не менее двух, из которых один резервный. Производительность всех рабочих насосов принимается равной суммарному расходу сетевой воды с учетом коэффициента запаса насоса по производительности (1,05-1,1).

Напор сетевых насосов определяется по пьезометрическому графику и равен, м:

H_с.н.=H_ст+DH_п+DH_о+DH_аб ,

где H_ст - потери напора на станции, м;

DH_п- потери напора в подающей линии, м;

DH_аб- располагаемый напор у абонента,м;

DH_о- потери напора в обратной линии, м.

Выбор насосов выполняется для отопительного и неотопительного периодов. При наличии подкачивающих насосов в сети напор сетевых насосов уменьшается на напор подкачивающих насосов.

6.2. Выбор подпиточных насосов

Производительность подпиточных насосов определяется величиной потерь сетевой воды в системе теплоснабжения. В закрытых системах потери сетевой воды составляют 0,5 % объема воды в сетях, м³/ч:

G_подп.=0,005×V+G_гвс ,

где V=Q×(V_с+V_м) - объем воды в системе теплоснабжения, м³; Q - тепловая мощность системы теплоснабжения, МВт; V_с, V_м - удельные объемы сетевой воды, находящейся в наружных сетях с подогревательными установками и в местных системах, м³/МВт (V_с=10¸20, V_м=25).

Список литературы

1. Айзенберг И.И., Баймачев Е.Э., Выгонец А.В. и др. Учебное пособие по дипломному проектированию для студентов специальности 270109 – ТВ. – Иркутск: Иркутский дом печати, 2007, - 104 с.

2. СП 124 13330. 2012 – Тепловые сети. Актуализированная редакция СНиП 41-02-2003. – М.,2012. -78 с.

3. Водяные тепловые сети: Справочное пособие по проектированию. /И. В. Беляйкина, В. П. Витальев, Н. К. Громов и др.: Под ред. Н. К. Громова, Е. П. Шубина. – М.: Энергоатомиздат, 1988.

ПРИЛОЖЕНИЯ