Теплофикация и тепловые сети. И тепловые

• Название: И тепловые
• Анкор: Теплофикация и тепловые сети
• Дата: 27.03.2022
• Размер: 2.4 Mb.
• Имя файла: Теплофикация и тепловые сети.docx
• Тип: Учебник; #420164
• страница: 20 из 101

ВЫБОР ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ И СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Выбор теплоносителя и системы тепло­снабжения определяется техническими и экономическими соображениями и зави­сит главным образом от типа источника те­плоты и вида тепловой нагрузки. Рекомен­дуется максимально упрощать систему теп­лоснабжения. Чем система проще, тем она дешевле в сооружении и надежнее в экс­плуатации. Наиболее простые решения дает применение единого теплоносителя для всех видов тепловой нагрузки.

Если тепловая нагрузка района состоит только из отопления, вентиляции и горячего водоснабжения, то при теплофикации при­меняется обычно двухтрубная водяная сис­тема. В тех случаях, когда кроме отопления, вентиляции и горячего водоснабжения в районе имеется также небольшая техноло­гическая нагрузка, требующая теплоты по­вышенного потенциала, при теплофикации рационально применение трехтрубных во­дяных систем. Одна из подающих линий системы используется для удовлетворения нагрузки повышенного потенциала.

В тех случаях, когда основной тепловой нагрузкой района является технологическая нагрузка повышенного потенциала, а сезон­ная тепловая нагрузка невелика, в качестве теплоносителя применяется обычно пар.

При выборе системы теплоснабжения и параметров теплоносителя учитываются технические и экономические показатели по всем элементам: источнику теплоты, се­ти, абонентским установкам. Энергетиче­ски вода выгоднее пара. Применение мно­гоступенчатого подогрева воды на ТЭЦ по­зволяет повысить удельную комбинирован­ную выработку электрической и тепловой энергии, благодаря чему возрастает эконо­мия топлива. При использовании паровых систем вся тепловая нагрузка покрывается обычно отработавшим паром более высоко­го давления, отчего удельная комбиниро­ванная выработка электрической энергии снижается.

Основные преимущества воды как теп­лоносителя по сравнению с паром:

1. 
   большая удельная комбинированная выработка электрической энергии на базе теплового потребления;
   
2. 
   сохранение конденсата на ТЭЦ, что имеет особенно важное значение для элек­тростанций высокого давления;
   
3. 
   возможность центрального регулиро­вания однородной тепловой нагрузки или определенного сочетания разных видов на­грузки при одинаковом отношении расчет­ных нагрузок у абонентов, что упрощает местное регулирование;
   
4. 
   более высокий КПД системы тепло­снабжения вследствие отсутствия в або­нентских установках потерь конденсата и пара, имеющих место в паровых системах;
   
5. 
   повышенная аккумулирующая спо­собность водяной системы.
   

Основные недостатки воды как тепло­носителя:

1. 
   больший расход электроэнергии на перекачку сетевой воды по сравнению с ее расходом на перекачку конденсата в паро­вых системах;
   
2. 
   большая «чувствительность» к ава­риям, так как утечки теплоносителя из па­ровых сетей вследствие значительных удельных объемов пара во много (примерно 20—40) раз меньше, чем в водяных систе­мах (при небольших повреждениях паро­вые сети могут продолжительно оставаться в работе, в то время как водяные системы требуют остановки);
   
3. 
   большая плотность теплоносителя и жесткая гидравлическая связь между всеми точками системы.
   

По условиям удовлетворения теплового режима абонентских установок, определяе­мого средней температурой теплоносителя в абонентских теплообменниках, вода и пар могут считаться равноценными теплоноси­телями. Только в особых случаях, когда пар используется непосредственно для техно­логического процесса (обдувка, пропарка и т.д.), он не может быть заменен водой.

При теплоснабжении от котельных пар применяется и при тепловых нагрузках низ­кого потенциала.

Серьезное значение имеет правильный выбор параметров теплоносителя. При теп­лоснабжении от котельных рационально, как правило, выбирать высокие параметры теплоносителя, допустимые по условиям техники транспортировки теплоты по сети и использования ее в абонентских установ­ках. Повышение параметров теплоносителя приводит к уменьшению диаметров тепло­вой сети и снижению расходов по перекачке (при воде). При теплофикации необходимо учитывать влияние параметров теплоноси­теля на экономику ТЭЦ.

Выбор водяной системы теплоснабже­ния закрытого или открытого типа зависит главным образом от условий водоснабже­ния ТЭЦ, качества водопроводной воды (жесткости, коррозионной активности, окисляемости) и располагаемых источни­ков низкопотенциальной теплоты для горя­чего водоснабжения.

Обязательным условием как для откры­той, так и для закрытой систем теплоснаб­жения является обеспечение стабильного

качества горячей воды у абонентов в соот­ветствии с ГОСТ 2874—73 «Вода питье­вая». В большинстве случаев качество ис­ходной водопроводной воды предопределя­ет выбор системы теплоснабжения.

Преимущественное применение каж­дой из рассматриваемых систем тепло­снабжения определяется следующими по­казателями исходной водопроводной во­ды. При закрытой системе: индекс насы­щения J > -0,5; карбонатная жесткость Ж_к < 7 мг-экв/л; (Cl + SO₄) < 200 мг/л; пер- маиганатная окисляемость не регламенти­руется.

При открытой системе: перманганатная окисляемость О < 4 мг/л; индекс насыще­ния, карбонатная жесткость, концентрация хлорида и сульфатов не регламентируются.

При повышенной окисляемости (О > 4 мг/л) в застойных зонах открытых систем тепло­снабжения (радиаторы отопительных уста­новок и др.) развиваются микробиологиче­ские процессы, следствие которых — суль­фидное загрязнение воды. Так, вода, отби­раемая из отопительных установок для го­рячего водоснабжения, имеет неприятный сероводородный запах.

По энергетическим показателям и по нв- чальным затратам современные двухтруб­ные закрытые и открытые системы тепло­снабжения являются в среднем рввноцен- ными. По начальным затратам открытые системы имеют некоторые экономические преимущества при наличии на ТЭЦ источ­ников мягкой воды, не нуждающейся в во­доподготовке и удовлетворяющей санитар­ным требованиям к питьевой воде. При ис­пользовании открытых систем вода для го­рячего водоснабжения отбирается из тепло­вой сети, что, с одной стороны, разгружает сеть холодного водопровода и создает в ря­де случаев дополнительные экономические преимущества, а с другой — часто вынуж­дает подводить к ТЭЦ магистральные водо­воды, что увеличивает капитальные затра­ты. По эксплуатационным расходам откры- 114 тые системы несколько уступают закрытым в связи с дополнительными затратами на водоподготовку. В эксплуатации открытые системы сложнее закрытых из-за неста­бильности гидравлического режима тепло­вой сети, усложнения санитарного контро­ля плотности системы.

При дальней транспортировке теплоты в районах с относительно большой нагруз­кой горячего водоснабжения при наличии вблизи ТЭЦ или котельной источников во­ды, удовлетворяющей санитарным требова­ниям, экономически оправдано применение открытой системы теплоснабжения с одно­трубным (однонаправленным) транзитом и двухтрубной распределительной сетью.

При суперсверхдальней транспортиров­ке теплоты на расстояние порядка 100— 150 км и более целесообразно проверить экономичность применения химотермиче- ской системы передачи теплоты, т.е. транс­портировки теплоты в химически связан­ном состоянии.

Контрольные вопросы и задания

1. 
   Сравните водяные и паровые системы цен­трализованного теплоснабжения. Каковы их преимущества и недостатки?
   
2. 
   Чем объясняется преимущественное приме­нение при теплофикации в России водяной системы теплоснабжения?
   
3. 
   Сравните закрытые и открытые системы те­плоснабжения. Каковы их преимущества и недостатки? Область целесообразного при­менения каждой системы.
   
4. 
   Назначение подпиточного устройства на ис­точнике теплоты в системе водяного тепло­снабжения?
   
5. 
   По какому импульсу или параметру p^f , ули- руется подача подпиточных насосов?
   
6. 
   Каково значение групповых тепловых под­станций в водяных тепловых сетях? Укажи­те преимущества и недостатки систем тепло­снабжения с групповыми тепловыми под­станциями.
   
7. 
   Особенности зависимой и независимой схем присоединения теплопотребляющих устано­вок абонентов к водяной тепловой сети? Об-
   

ласти целесообразного применения каждой из них.

8. 
   Объясните назначение смесительных уст­ройств в узлах присоединения отопительных установок к тепловой сети. Типы применяе­мых смесительных устройств.
   
9. 
   Каковы преимущества и недостатки струй­ного смесителя (элеватора) в узле присоеди­нения отопительной установки к водяной те­пловой сети?
   
10. 
    Приведите схемы включения аккумуляторов горячей воды в абонентских установках при закрытой и открытой системах теплоснабже­ния и объясните принцип их работы.
    
11. 
    Приведите схемы параллельного и двухсту­пенчатого последовательного присоедине­ния на абонентском вводе горячего водо­снабжения и отопительной установки. В чем заключаются преимущества и недостатки двухступенчатой последовательной схемы по сравнению с параллельной?
    
12. 
    Какие параметры, характеризующие режим работы отопительной установки, использу­ются для группового или местного регулиро­вания отопительной нагрузки?
    
13. 
    При какой структуре тепловой нагрузки це­лесообразно использовать трехтрубные во­дяные системы теплоснабжения?
    
14. 
    Какие преимущества дает присоединение отопительной установки и установки горяче­го водоснабжения к водяной тепловой сети по принципу связанного регулирования?
    
15. 
    При какой структуре городской тепловой на­грузки возможно применение однотрубной (однонаправленной) транзитной транспор­тировки теплоты в открытых системах теп­лоснабжения?
    
16. 
    Укажите основные пути совершенствования системы сбора и возврата конденсата. Како­вы особенности закрытой системы сбора и возврата конденсата?
    
17. 
    Приведите основную особенность системы сверхдальней транспортировки теплоты в химически связанном состоянии.
    
18. 
    Опишите основные процессы системы сверхдальней транспортировки теплоты в химически связанном состоянии на базе кон­версии метана.
    

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ

РЕЖИМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ
ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

1. 
   УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
   

/_{н 0} — расчетная температура наружного воздуха для проектирования отопления, °C, значения ко­торой для ряда районов бывшего СССР приведе­ны в приложении 1; t_H —текущее значение тем­пературы наружного воздуха, t_H > f_H „; t_{B р} — рас­четная температура воздуха отапливаемых по­мещений, °C; г_в — любая температура воздуха в отапливаемых помещениях, °C; /_{н в} — расчет­ная температура наружного воздуха для проек­тирования вентиляции, °C; 1_{Н к} — температура наружного воздуха, соответствующая началу или концу отопительного сезона, °C; Q' — рас­четная тепловая нагрузка (для отопления соот­ветствует наружной температуре 1_{Н 0}).

При расчетной тепловой нагрузке Q': т[ — температура воды в подающем трубопроводе, °C; т₂ — температура воды в обратном трубо­проводе, °C; т₃ — температура воды в подаю­щем стояке местной системы после смешения на вводе, °C; 8т '= т J- т₂ — перепад температур во­ды в тепловой сети, °C; 0' = т₃- т₂ — перепад температур воды в местной системе, °C; т'_р — средняя температура нагревательного прибора в местной системе, °C; f_c'_p — средняя температура нагреваемой среды, °C; Дг' —температурный на­пор нагревательного прибора местной системы, Д/' = т'_р - /_{в р}, °C; к’— коэффициент теплопере­дачи нагревательных приборов местной системы, G'— расход воды в тепловой сети; И”= G'c_p — эквивалент расхода воды; т,, т₂, т₃, т_пр, 8т, 0, Д/, к, G, W — те же величины при произвольной те­пловой нагрузке Q < Q'; и — коэффициент сме- 116 шения, т.е. отношение расхода подмешиваемой воды из обратной линии к расходу воды из подаю­щей линии тепловой сети; F— площадь поверх­ности нагревательных приборов, м²; с_р — тепло­емкость воды, с_р = 4,19 кДж/(кг-К) = 1 ккал/

/(кг • °C); Q, G, W, 8т, 0, к — относительные величины соответственно тепловой нагрузки, расхода, перепада температур в сети, перепада температур в местной системе, температурного напора в нагревательных приборах, коэффици­ента теплопередачи нагревательных приборов: Q = Q/Q'; G = G/G'; W = W/W'; 8т = 8т/8т'; Дг = Дг/Дг'; к = к/к'.

2. 
   МЕТОДЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ
   

Тепловая нагрузка абонентов непосто­янна. Она изменяется в зависимости от ме­теорологических условий (температуры на­ружного воздуха, скорости ветра, инсоля­ции), режима расхода воды на горячее водо­снабжение, режима работы технологиче­ского оборудования и других факторов. Для обеспечения высокого качества теплоснаб­жения, а также экономичных режимов вы­работки теплоты на ТЭЦ или в котельных и транспортировки ее по тепловым сетям вы­бирается соответствующий метод регу­лирования.

В зависимости от пункта осуществления регулирования различают центральное, групповое, местное и индивидуальное ре­гулирование. Центральное регулирование выполняется на ТЭЦ или в котельной; труп-

повое — на групповых тепловых подстан­циях (ГТП); местное — на местных тепло­вых подстанциях (МТП), называемых часто абонентскими вводами; индивидуальное — непосредственно на теплопотребляющих приборах. В большинстве случаев тепловая нагрузка в районе разнородна. В одном и том же районе и даже на одном и том же абонентском вводе к тепловой сети присое­диняется разнородная тепловая нагрузка, например: отопление и горячее водоснаб­жение; отопление, вентиляция и горячее во­доснабжение и т.д. Кроме того, в крупных городах с протяженными тепловыми сетя­ми абоненты, расположенные на разном расстоянии от ТЭЦ, из-за транспортного запаздывания теплоносителя находятся в неодинаковых условиях.

Для обеспечения высокой экономичнос­ти теплоснабжения следует применять ком­бинированное регулирование, которое долж­но являться рациональным сочетанием, по крайней мере, трех ступеней регулирова­ния — центрального, группового или мест­ного и индивидуального.

Однако индивидуальное регулирование непосредственно на теплопотребляющих приборах требует применения большого ко­личества индивидуальных регуляторов. В настоящее время это не всегда выполни­мо, потому что требуются большие затраты на реконструкцию действующих теплопо- требляюших установок. Особенно затруд­нена реконструкция систем отопления, ко­торые аыполнены по однотрубной схеме, когда работа одних нагревательных прибо­ров жестко связана с работой других. По­этому регулирование систем теплоснабже­ния и режимов отпуска теплоты ограничи­вается только двумя-тремя ступенями — центральным и групповым и (или) мест­ным, а в системах теплоснабжения малой мощности — одной ступенью на источнике теплоты.

Эффективное регулирование может быть достигнуто только с помощью соот­ветствующих систем автоматического регу­лирования (САР), а не вручную, как это имело место в начальный период развития централизованного теплоснабжения.

Центральное регулирование ведется по типовой тепловой нагрузке, характерной для большинства абонентов района. Такой нагрузкой может быть как один вид на­грузки, например отопление, так и два раз­ных вида при определенном их количествен­ном соотношении, например отопление и горячее водоснабжение при заданном от­ношении расчетных значений этих нагру­зок [39, 83, 105].

В 1970—1980 гг. нашло широкое приме­нение центральное регулирование по со­вмещенной нагрузке — отопления и горяче­го водоснабжения, так как эти нагрузки яв­ляются основными в современных городах и при рассматриваемом методе регулирова­ния можно удовлетворять нагрузку горяче­го водоснабжения без дополнительного увеличения или с незначительным увеличе­нием расчетного расхода воды в сети по сравнению с расчетным расходом воды на отопление. Снижение расчетного расхо­да воды в сети приводит к уменьшению диаметров трубопроводов тепловых сетей, а следовательно, и к снижению начальных затрат на их сооружение.

Как при групповом, так и при местном регулировании используются САР, управ­ляющие подачей теплоты в группы одно­типных теплопотребляющих установок или приборов. При таком решении значительно сокращается количество устанавливаемых авторегуляторов, однако подача теплоты проводится по усредненному параметру для каждого вида тепловой нагрузки, изме­ряемому в одной или нескольких контроль­ных точках установки. При наличии в мест­ной системе разрегулировки нарушается требуемый температурный режим в отдель­ных точках, хотя среднее значение регули­руемого параметра в контрольной точке системы при этом выдерживается. Для

117

обеспечения высокого качества и эконо­мичности теплоснабжения необходима тщательная начальная регулировка або­нентской установки, обеспечивающая пра­вильное распределение теплоносителя по отдельным приборам местной системы.

Основное количество теплоты в або­нентских системах расходуется для нагре­вательных целей, поэтому тепловая нагруз­ка зависит в первую очередь от режима теп­лоотдачи нагревательных приборов. Нагре­вательные приборы абонентских установок весьма разнообразны по своему характеру, конструкции и техническому оформлению: это отопительные приборы, отдающие теп­лоту воздуху излучением и свободной кон­векцией; вентиляционные калориферы, на­гревающие воздух, движущийся с большой скоростью вдоль поверхности нагрева; раз­личные технологические аппараты, в кото­рых пар или вода нагревают аторичный агент. Несмотря на все многообразие, теп­лоотдача всех видов нагревательных прибо­ров может быть описана общим уравнением в = kFbt п = 1У_п(т | - т₂)и, (4.1)

где Q — количество теплоты, отданное за время и; kF— произведение коэффициента теплопередачи нагревательных приборов на их поверхность нагрева; Дг — средняя разность температур между греющей и на­греваемой средой; IF_n — эквивалент расхо­да первичной (греющей) среды; Т| и т₂ — температуры первичной (греющей) среды на входе в нагревательный прибор и на вы­ходе из него.

Средняя разность температур может быть представлена в первом приближении как разность между среднеарифметически­ми температурами греющей и нагреваемой среды:


греваемой) среды на входе в нагреватель­ный прибор и на выходе из него.

Как следует из уравнений (4.1) и (4.2),


т, +т₂


"4^й-


Из совместного решения находим


±

⁺ W,,


(4.3а)


Д/ =


Т| + Т₂


'| + '₂


Т| + Т<sub>2


2</sub> -'с_Р>(4.2)


где f_cp — средняя температура нагреваемой среды; (₂, /| — температуры вторичной (на-


Как видно из (4.3а), тепловая нагрузка принципиально может регулироваться за счет изменения пяти параметров: коэффи­циента теплопередачи нагревательных при­боров/:, площади включенной поверхности нагрева/⁷, температуры греющего теплоно­сителя на входе в прибор Т), эквивалента расхода греющего теплоносителя вре­мени работы прибора и.

Для центрального регулирования из этих пяти параметров практически можно использовать только т₁ и IF_n. При этом не­обходимо учитывать, что возможный диа­пазон изменения и fF_n в реальных усло­виях ограничен рядом обстоятельств.

При разнородной тепловой нагрузке нижним пределом т₍ является обычно тем­пература, требуемая для горячего водо­снабжения (обычно 60 °C). Верхний предел Т| определяется допустимым давлением в подающей линии тепловой сети из усло­вия невскипания воды. Верхний предел fV_n определяется располагаемым напором на ГТП или МТП и гидравлическим сопротив­лением абонентских установок. Что же ка­сается параметров к, F и и, то ими можно пользоваться для изменения расхода тепло­ты, как правило, только при местном регу­лировании.

Если теплоносителем служит насыщен­ный пар, то, поскольку И'_п = 1/2, а = т₂

= т, уравнение (4.3а) принимает вид

0 = *Гл(т-г_ср), (4.36)

где т — температура конденсации пара, °C.

Основной метод регулирования тепло­вой нагрузки нагревательных приборов при использовании пара заключается в измене­нии температуры конденсации посредством дросселирования или же в изменении вре­мени п работы прибора, т.е. работа так на­зываемыми «пропусками». Оба метода ре­гулирования являются местными.

В водяных системах централизованного теплоснабжения (СЦТ) принципиально воз­можно использовать три метода централь­ного регулирования:

1. 
   качественный, заключающийся в ре­гулировании отпуска теплоты за счет изме­нения температуры теплоносителя на входе в прибор при сохранении постоянным коли­чества (расхода) теплоносителя, подавае­мого в регулируемую установку;
   
2. 
   количественный, заключающийся в регулировании отпуска теплоты путем из­менения расхода теплоносителя при посто­янной температуре его на входе в регули­руемую установку;
   
3. 
   качественно-количественный, заклю­чающийся в регулировании отпуска тепло­ты посредством одновременного изменения расхода G_n(H^z_n) и температуры теплоно­сителя Tj.
   

При автоматизации абонентских вводов основное применение в городах получило центральное качественное регулирование, дополняемое на ГТП или МТП количест­венным регулированием или регулирова­ние пропусками.

Качественная работа отопительных ус­тановок жилых и общественных зданий при применении количественного регулирова­ния или регулирования пропусками воз­можна только при присоединении этих ус­тановок к тепловой сети по независимой схеме или по зависимой схеме со смеси­тельным насосом (см. рис. 3.6, л ил/ и 3.10, к и л), так как только при этих схемах присое­динения в местных отопительных установ­ках может поддерживаться расчетный рас­ход воды независимо от ее расхода из тепло­вой сети.

При присоединении отопительных уста­новок к тепловой сети по зависимой схеме с элеватором без дополнительного смеси­тельного насоса снижение расхода сетевой воды вызывает пропорциональное измене­ние ее расхода в местной системе. При уменьшении расхода воды в отопительной установке увеличивается перепад темпера­тур воды в отопительных приборах и воз­растает гравитационный перепад, что при­водит к вертикальной разрегулировке ото­пительных систем. Это обстоятельство ог­раничивает использование количественно­го регулирования в двухтрубных отопи­тельных установках жилых зданий, имею­щих, как правило, значительную высоту и небольшую потерю напора при расчетном расходе воды.

Разрегулировка в отопительных уста­новках возникает также при регулировании пропусками, так как при периодических вы­ключениях и включениях циркуляции ото­пительные приборы, находящиеся на раз­личном расстоянии от узла регулирования, находятся в неодинаковых условиях.

При теплоснабжении от ТЭЦ комбини­рованная выработка электрической энергии при центральном качественном регулирова­нии больше, чем при других методах цен­трального регулирования. Центральное ко­личественное регулирование уступает каче­ственному в отношении стабильности теп­лового режима отопительных установок, присоединенных к тепловой сети по зависи­мой схеме с элеваторным смешением без установки дополнительного смесительного насоса. Вследствие переменного расхода воды в сети расход электроэнергии на пере- 119 качку при количественном регулировании меньше, чем при качественном.

При разнородной тепловой нагрузке, ко­гда применение центрального регулирова­ния в течение всего отопительного сезона не дает возможности сочетать требования различных абонентов, снабжаемых тепло­той от единой тепловой сети, приходится менять метод центрального регулирования на различных диапазонах отопительного периода.

Центральное регулирование отпуска те­плоты принципиально может осуществ­ляться как при непрерывной, так и при пе­риодической подаче теплоты абонентам — «пропусками». В последнем случае увязка графиков подачи и использования теплоты осуществляется с помощью различных теп­лоаккумулирующих установок.

Для всех систем непрерывного регули­рования действительны следующие зависи­мости, базирующиеся на уравнениях тепло­вого баланса и теплопередачи:

Q = = ЛДГ (4.4)

В ряде случаев при расчете режимов ре­гулирования с переменным расходом воды приходится задаваться зависимостью расхо­да или эквивалента расхода воды в сети от тепловой нагрузки. Эту зависимость удобно описывать эмпирическим уравнением

— —т

W = Q

или

— — 1 /т

Q = W . (4.5)

Принципиально уравнение (4.5) применимо при всех системах регулирования.

При качественном регулировании, т.е. при постоянном расходе сетевой воды, т = О, IV = 1. Как видно из (4.4), в этом случае

Q = 5т .

т = О