Тепловые энергоустановки и тепловые сети

Тепловые сети — расчет, правила эксплуатации

Тепловая сеть — это орган, переносящий тепло от источника тепла к пользователю. Тепловая сеть начинается с магистральных трубопроводов, проложенных от теплоисточника к районным теплоиспользующим. От магистральной трубы начинается множество распределительных труб. Распределительный трубопровод соединяется с магистральным трубопроводом через разделительную камеру (СК) в секцию. Если диаметр магистрального трубопровода D ≤ 700 мм, то тепловая сеть считается замкнутой. Здесь секционная разделительная камера располагается через каждые 2÷4 км магистрального трубопровода.

Главной особенностью замкнутой тепловой сети является надежность и экономичность.

Эксплуатация в аварийной ситуации теплоотдача может быть снижена до 70% от ее расчетного суммарного расхода (в него входят максимальные часовые тепловые потери отопления и вентиляции и среднечасовые тепловые потери горячего водоснабжения).

Если для предприятий невозможно остановить подачу тепла, то необходимо предусмотреть кольцевые или вспомогательные тепловые сети. Время устранения дефектов трубопроводов диаметром d ≤ 700, расположенных под землей, не более 24 часов.

Проводящая тепловая сеть в одном направлении

Рассмотрим схему двухтрубной водопроводной тепловой сети с собственной тепловой мощностью 2000 МДж/с и проводящей тепло в одном направлении. Он транспортирует тепло от котельной мощностью 500 МВт.

Радиус тепловой сети 15 км. Системная вода подается по двухтрубной транзитной магистрали длиной 10 км. Диаметр магистрали на выходе из котельной 1200 мм. За счет распределения попутной воды по ветвям диаметр магистрального трубопровода уменьшается. На конечную площадь теплоиспользующего подается системная вода по четырем магистральным трубам диаметром D = 500 мм. Между магистралями установлены звенья звеньев и подстанция резервных насосов. Для реализации пропускной способности звеньев они включают только магистральные трубопроводы диаметром d ≥ 800 мм.

На магистральных трубопроводах секционные разделительные задвижки устанавливаются через 2 км. Особенности расположения стыковых соединений и секционных разделительных задвижек таковы, что если на любой части магистрали диаметром d ≥ 800 мм произошел сбой, все абоненты, подключенные к тепловому ветру, не останутся без тепла ни в коем случае. Если дефект выпал на трубе D = 700 мм и меньше, то он остается без тепла.

Кольцевая тепловая сеть

Для теплоснабжения крупных городов от котельной объединяют магистралями, имеющими звенья между собой. В таком случае образуется сакианская тепловая сеть с несколькими объединенными источниками тепла.

К кольцу также могут подключаться крупные районные или промышленные котельные. Объединение магистральных сетей, наряду с резервированием теплоснабжения, позволит снизить количество котлов и повысить эффективность котельной на основе эффективного распределения нагрузки теплоисточников. Для увеличения пропускной способности стыковых соединений горячей воды устанавливается подстанция насосов.

Радиальная тепловая сеть

В случае, когда диаметр магистрали, отходящей от источника тепла, составляет 700 мм и менее, представляет схему радиальной (лучевой) тепловой сети, диаметр которой уменьшается по мере удаления от станции.

Стоимость котельной такой сети в первый раз будет дешевле и проще в использовании. Но если из багажника выйдет дефект, он останется без тепла. Если учесть, что для устранения неисправности в такой сети требуется менее 24 часов, то можно сказать, что использование сети эффективно. Радиальная тепловая сеть состоит из трех основных магистральных проводников I, II, III

Вдоль I-го магистрального проводника в точке а установлены стыковые задвижки. В случае аварии в этой точке эти задвижки позволяет прекратить движение воды в пределах 1-2 магистрального проводника. Вода циркулирует через горизонтально расположенные стыки в интервале 1-2.

Основы гидравлического расчета тепловой сети

Методика гидравлического расчета тепловой сети

Для гидравлического расчета теплоносителей должны быть даны значения расхода теплоносителя и суммарного падения давления. Цель расчета определение диаметра трубы.

Расчет производится в следующем порядке:

1) кратность α, определяющую долю падения давления в местных сопротивлениях, определяют по следующей схеме (для теплоносителя — воды)

где ∆р-имеющееся давление в системе; (=3,34).

2) определяют удельное линейное падение давления, которое происходит вдоль трубопровода

Rл = ∆р / [(1 + α)].

3) определяют среднюю плотность теплоносителя на определенном участке трубопровода

рср = 0,5 (рнач + ркон).

Индексы «нач» и «кон» значения плотности на начало и конец трубной части. Плотность принимают как рнач = ркон = рср, если теплоноситель представляет собой жидкое вещество.

4) диаметр трубы определяют следующим образом, предполагая, что движение жидкости происходит в квадратной области

5) приближает значение диаметра, определенного из расчета, к стандартному значению диаметра.

6) определяют значение условия Rе и затем сравнивают его со значением предельного Rепр Рейнольса = 568 d/ Кэ. Труба определяет расчетную площадь рабочего Рейнольса.

7) линейное удельное падение давления определяют из специального положения для квадратной зоны, в которой работает труба. Например, для воды d 5,25.

8) вычисляет эквивалентную длину местных сопротивлений

lэ = Аl ∑d 1,25.

9) определяют суммарный сброс давления ∆рс

∆РС = Rл (l + lэ).

Его расчетное значение ∆рс, сравнивается с заданным значением давления ∆р. Если отклонение не превышает значения, соответствующего нормативным требованиям, гидравлический расчет может быть завершен.

Если труба работает в порядке, характерном для переходной зоны, то после определения кратности гидравлического трения по фигуре Блазиуса или Альтшула находят удельное линейное падение давления

Rл =

после этого вычисляют эквивалентную длину местных сопротивлений

lэ = ∑

и определяют суммарное падение давления в трубопроводной части

∆р = Rл (l + lэ).

Определение зависимости, характеризующей рабочую зону трубопровода, целесообразно рассматривать только для участков трубопровода с небольшой тепловой нагрузкой (абонентских ответвлений с очень малым расходом теплоносителя). При расчете магистральных трубопроводов и их основных ветвей допускается не проверять порядок движения жидкости в трубопроводе, так как магистральные трубопроводы работают в квадратной зоне.

10) при расчете паропроводов среднее значение плотности пара РСР сравнивают с заранее принятым значением. Если они сильно отклоняются друг от друга, они снова принимают первоначальное значение плотности и производят отчет проверки с самого начала.

Гидравлический расчет облегчается при использовании номограмм.

Пьезометрический график

При проектировании и эксплуатации тепловых сетей используют пьезометрический график, чтобы узнать взаимное влияние геодезической формы (профиля) района, высоты подключенных к сети абонентов и имеющихся в сети напоров друг на друга. Из графика можно определить напор (давление) и существующий напор (разность давлений) в любой точке сети и абонентской системе для динамического и статического состояний системы теплоснабжения. Для построения пьезометрического графика принимают следующие зависимости: напор и давление, падение давления и падение напора зависят друг от друга, т. е. н = р/γ, м (Па/м); δН = δр/ γ, м (Па/м); где Н и δН – напор и падение напора, м (Па/м); р и δр – давление и падение давления, кгс/м2 (Па); γ – массовая плотность теплоносителя, кг/м3.

Для тепловой сети на рисунке 6.4 изображены напор или пьезометрический график. Отсчет начинают с плоскости, соответствующей минимальному признаку трассы, рельеф которой изображен на графике. Начиная с этого нулевого знака, напоры в прямой трубе обозначаются RР и напоры в обратной трубе МN, а также статический (гидростатический) напор SS (пунктирной линией). Ниже рассмотрены основные условия работы тепловой сети.

Пьезометрический график тепловой сети

1) Под пьезометрическим напором понимается напор, отсчитываемый от оси трубы, для нахождения которого из полного напора вычитают геометрический знак(координату) трубы (вычитают величину Z).

2) Напор, существующий в любой точке тепловой сети, равен разности напоров в прямом и обратном проводниках. Для удовлетворительной работы элеватора в точке доступа к зданию существующего напора тепла в сети по колонке воды должно быть не менее 10÷15 метров.

3) Уровень гидростатического напора устанавливается по значению внутреннего допустимого давления нагревательного прибора или радиатора ( не выше 0,6 МПа). Когда движение воды прекращается в тепловом ветре, в сети создается статическое давление, которое создается питающим водяным насосом. Если отметка максимальной геометрической точки здания, подключенного к сети, превышает уровень статического напора в тепловой сети, то система теплоснабжения этого здания должна быть подключена к сети по независимой схеме.

4) Пьезометрический напор на обратном проводнике должен быть не более 60 метров по колонке воды для возможности подключения абонентов к сети по независимой схеме и не менее 5 метров по колонке воды для исключения напора. При этом значение напора в прямом проводнике должно быть на уровне, при котором вода не кипит. Для выполнения этого условия пьезометрическая линия прямого проводника должна располагаться выше линии статического напора. Наклон пьезометрических линий в прямом и обратном проводниках, или падение удельного линейного давления rл, принимается на основе технико-экономических расчетов.

5) Стоимость тепловой сети удешевляется по мере уменьшения диаметра проводников, а затраты энергии на перекачку воды увеличиваются за счет уменьшения напора (давления).

Ниже приведен пьезометрический график двухтрубной тепловой сети и окончательная схема установки по приготовлению горячей воды на источнике тепла. Отсчет напоров начинается с горизонтальной плоскости, горизонтальная отметка которой равна 0, расположенной на уровне.

П1÷П4 – график напора прямых проводников сети; О1÷О4 – график напора обратных проводников сети; Н1 – полный напор в обратном коллекторе источника тепла; НН – напор, создаваемый системным водяным насосом I; Нст – полный напор, создаваемый питающим водяным насосом ( полный статический напор в сети); НК – полный напор, создаваемый системным насосом I Полный напор в точке К; δНт – падение напора, происходящее в тепловом источнике III; НП1 – полный напор в прямом коллекторе теплового источника; НП1 = НК-δНТ.

Наличие системной воды в коллекторе ТЭЦ Н1 = НП1-НО1. Напор в любой точке тепловой сети, например, в точке 3, обозначается следующим образом: НП3 – полный напор в прямом проводнике относительно этой точки, НО3 – полный напор в обратном проводнике относительно этой точки.

Если в этой точке геодезическая высота оси трубы от плоскости отсчета равна Z3, то по отношению к этой точке полный напор в прямом проводнике равен НП3 – Z3, а полный напор в обратном проводнике равен НО3-Z3.

Имеющийся напор в точке 3 равен разности пьезометрических полных напоров в прямом и обратном трубопроводах тепловой сети Н3 =НП3 – НО3.

Падение напора(бар) в точке подключения абонента D к сети: δН4 = НП4-НО4, где НП4 и НО4 – полные напоры прямых и обратных проводников тепловой сети в точке 4. Падение напора между прямым коллектором и абонентом по прямому проводнику источника тепла δ. Для этого интервала наклон напора в обратном проводнике равен δ.

В момент работы системного водяного насоса I статический напор, создаваемый питающим водяным насосом II, дросселируется регулятором давления НСТ IV и уменьшается до величины НО1.

Для паропроводов можно пренебречь формой паропроводов, так как плотность пара очень мала. При любых возможных рабочих условиях напор в любой точке системы теплоснабжения не должен превышать ее допустимого значения.

Требования к порядку напоров водяных тепловых сетей

Для надежной работы системы теплоснабжения важно выполнение следующих трех условий:

1) не превышения значений допустимых давлений в установках теплоисточника, трубопроводах тепловой сети и абонентских установках.

Из этого условия вытекает необходимость проверки возможности поддержания полного статического напора во всей системе в одном значении: а) на схеме независимого подключения абоненты гидравлически отключаются от системы теплоснабжения, их не требуется защищать от ситуаций, возникающих при повышении давления;

2) в схеме подключения установок, зависящих от тепловой сети, необходимо создать избыточное давление не менее 0,05 МПа в наиболее расположенных нагревательных установках, но это может привести к возникновению повышенного давления в системе отопления зданий, расположенных на низком геодезическом уровне. Чтобы избежать такого противоречия, используют следующие подходы:

а) подключает таких абонентов через независимую схему;

б) разделяют такие системы отопления на отдельные статические зоны, в каждой из которых посредством автоматических клапанов и насосов с питательной водой поддерживается заданное значение статического напора при прекращении циркуляции воды в системе теплоснабжения.

3) предусмотреть вход насосов в кавитацию путем создания избыточного давления во всех элементах системы теплоснабжения (системной, питающей, смесительной) и защитить систему теплоснабжения от всасывания воздуха. Следовательно, избыточное давление, равное давлению насыщенного пара воды, т. е. 0,05 МПа, в соответствии с фактической температурой воды в системе ( t = 70 С), должно постоянно существовать в системе .

4) не допускать его закипания при циркуляции воды в гидродинамическом режиме работы системы теплоснабжения, т. е. при давлении в системе 0,1 МПа и температуре tнас = 100 С.

Для предотвращения закипания воды в системе необходимо повышать давление в специальных отсеках трубопровода, температура которого выше 100 С. В статических условиях (при отсутствии циркуляции воды) для выполнения этого условия на станции прекращают нагрев системной воды и поддерживают температуру воды равной или ниже 100 С.

На пьезометрическом графике для основной расчетной магистрали и ее особых ветвей указываются линии напора в гидродинамическом и статическом режимах работы системы. Если в течение года или отопительного сезона гидродинамический режим работы системы теплоснабжения сильно изменяется, то на пьезометрическом графике линия напоров указывается для ее особого режима работы. Например, для открытой системы теплоснабжения строят линию напора

1) при отсутствии расхода воды из трубопровода;

2) при максимальном расходе воды в прямом трубопроводе;

3) при максимальном расходе воды в обратном трубопроводе.

Для более крупных систем теплоснабжения, питающихся от нескольких теплоисточников, на пьезометрическом графике линия напоров строится для аварийных ситуаций. В случае аварийной ситуации отдельные части основной магистрали загромождаются, и в работу включаются задвижные звенья, которые обходят воду из этих частей.

Определение рабочих параметров насоса

1. Системные насосы. Одной из задач, решаемых проверяющим гидравлическим расчетом, является определение рабочих параметров насосов. Рабочий напор системных насосов в замкнутой водопроводной сети определяется по следующей схеме

Н = δНкот + δНп + δНо + ∆Наб,

где δНкот – потери напора в нагревательной установке (бойлере) станции, пиковой котельной и цепи станции (обычно она составляет 20÷25 м водяного столба);

δНп, δНо — потерянные напоры в прямом и обратном проводниках линии, которые определяются в результате гидравлического расчета;

∆Наб-для абонентского подключения, на котором расположена конечная точка сети (локальный тепловой пункт КТП или групповая тепловая подстанция КТП).

Значение ∆Наб зависит от локальной установки теплоиспользующего и схемы его подключения к тепловому ветру. Для КТП назначены следующие значения ∆Наб:

а) столб воды 6÷10 м, если нагревательные и вентиляционные установки подключены независимо от сети без элеватора по зависимой схеме или через поверхностный водонагреватель;

б) 15÷20 м водяного столба, Если отопительные установки подключены через элеватор по схеме, зависящей от сети;

в) столб воды 20÷25 м, если водонагреватели горячего водоснабжения и горелки узла элеватора последовательно подключены к сети;

г) на зависимой схеме к значению ∆Наб добавляется величина потери напора между КТП и абонентской установкой в системном водопроводе.

2) δНп и δНо. При подключении группы абонентских установок тепловой сети через КТП значения δНп и δНо равны падениям напора, происходящим в прямом и обратном проводниках между источником тепла и КТП.

1. Проектируемая подача рабочих системных насосов, расположенных на станции, должна быть равна максимальному расходу воды в сети. Количество установленных системных насосов должно быть не менее двух, один из которых выполняет резервную функцию. При количестве параллельно работающих насосов более трех резервный насос не устанавливается.

2. Для покрытия нагрузки системы горячего водоснабжения в летние месяцы на станции в закрытой системе дополнительно устанавливают один специальный маломощный насос

3. Насосы питающей воды. В открытой системе теплоснабжения количество питающих водяных насосов, необходимых для восполнения потерь воды и воды от теплового ветра, определяется летним режимом работы системы

Н = Нст + δНл-Z,

где Нст-статический напор в тепловом ветре (обычно 60 м водяного столба.равный);

δНл-напоры, теряющиеся в питательном проводнике тепловой сети в летнем режиме работы системы;

Z-геодезический знак точки, в которой расположен бак питания системы.

4. Переносные насосы. Насосы, установленные для абонентов, использующих пар, возвращают расход пара обратно на станцию, и их напор определяется следующим образом

Н = δНкон + Z,

где величина δНкон-указывает на потерю напора в отсеке между накопительным баком росы и приемным баком станции;

Z-разность геодезических знаков точек расположения приемного бака на станции и бака абонента.

Если бак станции расположен ниже абонентского бака, то величина Z принимается с символом минус. Как оказалось, возвращение на станцию носит один ненормальный характер. Поэтому подача несущих насосов принимается равной полуторачасовому максимальному расходу росы.

Определение расчетных расходов воды

Основными первичными данными для гидравлического расчета являются рассчитывается расчетный расход воды, при определении которого учитывается текущая существующая нагрузка и возможные нагрузки в будущем. Расход горячей воды, необходимый для отопления, будет постоянным. Количество воды, расходуемой ГВС на горячее водоснабжение, зависит от графика нагрузки ГВС (параллельные или комбинированные абонентские подключения ГВС и систем отопления).

Суммарный расход воды, рассчитанный на тепловом ветре, не равен арифметической сумме максимальных расходов воды абонентов, так как максимальные потери воды у них не совпадают.

Открытые системы теплоснабжения

1. расход воды при необходимости ГВС. Расчетный расход воды, необходимой для ГВС, определяется путем введения в арифметическую сумму потерь на отдельных элементах сети специального корректирующего кратного φ. Кратность одновременного воздействия определяет вероятность попадания отдельного абонента в максимальный расход воды при расчете. Значения кратности следующие: для магистралей

0,7÷0,75; для пунктов-0,8÷0,9; для внутриквартальных пунктов и абонентских соединений

2. суммарный расход воды на отопление, вентиляцию и ГВС.

Значения расходов воды, рассчитанные в открытой системе теплоснабжения, различны в прямом и обратном проводниках (в абонентских пунктах, использующих бесконтактное регулирование с регулятором расхода перед системой отопления). А прямой и обратный проводники выполнены одинакового диаметра. Расчетный расход воды в данном случае предусматривает выполнение следующего условия. Суммарный сброс напора при наличии расхода воды в прямом проводнике (Go + Gв + Gгв) и в обратном проводнике (Go + Gв) расход воды в прямом и обратном проводниках принимается равным суммарному падению напора при равном G.

Расход воды, определяющий диаметр трубопровода при использовании открытой системы теплоснабжения, определяется следующим образом

3.Питание.

а) закрытые системы теплоснабжения.

Расчетный часовой расход питательной воды принимается равным 0,5% от объема воды в трубопроводах тепловой сети и подключенных к ней абонентов для покрытия потерь. При отсутствии данных об объеме воды в распределительных сетях и ее ответвлениях расход питательной воды принимается таким образом, что согласно каждой 1 МВт суммарной тепловой нагрузки объем воды составляет 13÷16 м3, а в местных системах отопления – вентиляции для жилых и общественных домов-26 м3, для производственных домов – 13 м3.

Для приближенных расчетов расчетный часовой расход питательной воды принимается равным 1,5% от расхода системной воды при закрытом теплоснабжении.

б) Открытые системы теплоснабжения.

Расчетный расход воды определяют в соответствии с ее тепловыми нагрузками Q.

Тепловые нагрузки определяют по следующим признакам.

Для закрытой системы теплоснабжения

Q = G∙с (t1 − t2).

Для открытой системы теплоснабжения

Q = G1∙с (t1 − tх) − G2∙с (t2 − tх).

Для системы парового теплоснабжения

Qпар = Gп (tк − с tх) − Gк (tк-tх).

где G, G1, G2-потери воды в соответствии с прямым трубопроводом закрытой системы, прямым и обратным трубопроводами открытой системы;

с-теплоемкость воды;

t1, t2, tх-температуры воды в прямом и обратном трубопроводах системы теплоснабжения и воды в трубопроводе холодной воды;

Gп, Gк – соответствующие потери пара и росы;

tк-температура росы.