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: 47 из 101

Рнс. 6.29. Схема насосной установки

/ — насос; // — обратный затвор; /// — противо­ударная перемычка; IV — абонентские установки

в нем объемного расхода на 1 м /с за время

Ударное давление, возникающее в сис­теме теплоснабжения при внезапной оста­новке сетевых насосов, может быть найде­но графическим методом, предложенным в работе [29].

Внезапная остановка сетевых насосов вызывает волновой процесс, сопровождаю­щийся уменьшением давления на нагнета­тельном коллекторе насосной установки (рис. 6.29, точка /) и повышением давления на всасывающем коллекторе (точка 2).

Зависимость изменения напоров (давле­ний) на коллекторах насосной от изменения расхода воды через насос определяется вол­новым сопротивлением подающих и обрат­ных магистральных трубопроводов, соеди­ненных с коллекторами насосной установки:

*н=*н ⁺*н - (б’⁶⁶)

где у ®'^п = a/(gZf_n) — волновое сопротивле­ние подающих магистралей, м • с/м³; у ®'° = a/(gZf₀) — волновое сопротивление

обратных магистралей, м • с/м³; Е/_п и Е/_о — суммарная площадь сечения соответствен­но подающих и обратных магистралей, от­ходящих от коллекторов насосной уста-

2

новки, м .

На рис. 6.30 в Н, Г-координатах показана ха­рактеристика насосной установки. Точка А_п со­ответствует начальному режиму работы систе­мы (до возникновения возмущения) при нор­мальной частоте вращения насосных агрегатов, равной п.

При внезапном выключении двигателей частота вращения насосов снижается от п до нуля и система переходит в состояние Д_о. Расход воды через насосную установку умень­шается на Д/⁷ = К_л - при этом возникает ударный напор Н_у. Ударная характеристика этого процесса — прямая A^Aq, соединяющая начальное и конечное состояния системы, опи­сывается уравнением волнового сопротивле­ния (6.64а), где у„ — волновое сопротивление, определяемое по (6.66).

Тангенс угла наклона прямой А„А₀ к оси абс­цисс tga = s „ z_y /г. Распределение ударного напо­ра между подающим и обратным коллекторами пропорционально их волновым сопротивлени­ям, а именно:

Н = Н /7Л

Пу п - "у ^JH ' ^JH’

Н - Н у‘°/у‘

"у.о "у’н ■^>н’

где Н_{у п} и Ну ₀ — ударные напоры в подающем и обратном коллекторах.

На рис. 6.31,а показан характер изменения напоров па подающем и обратном коллекторах насосной установки при внезапном выключении двигателей насосов. За время в течение кото­рого частота вращения насоса уменьшается от нормального значения п до нуля, напор на обрат­ном коллекторе повышается на Н° , а на подаю­щем коллекторе снижается на Н_у . Суммарный напор на обратном коллекторе достигает Н_а +



Рис. 6.31. Изменение напоров на коллекторах насосной установки прн нарушении режима а — внезапное отключение; 6 — внезапное включение

+ //°, а на подающем //_п - Н_у. Через некоторое время волновой процесс затухает и в системе ус­танавливается статический напор //_ст.

При запуске насосов из неподвижного со­стояния «на сеть» с открытыми задвижками на подающем и обратном коллекторах также возни­кает волновой процесс, сопровождающийся по­вышением давления (напора) на подающем кол­лекторе (см. рис. 6.29, точка /) и снижением на­пора на обратном коллекторе насосной (точка 2). На рис. 6.30 этот процесс показан с помощью ударной характеристики — прямой 0А, описы­ваемой (6.64).

На рис. 6.31, б в г, //-координатах показан ха­рактер изменения напоров на коллекторах насос­ной установки при запуске ее на сеть с открыты­ми задвижками.

Обычные автоматы, предохраняющие в ста­ционарных условиях систему от опасных гид­равлических режимов, как правило, не могут за­щитить ее от волновых явлений, возникающих при гидравлическом ударе.

Для защиты системы теплоснабжения от недопустимого повышения давления при гидравлическом ударе применяются специальные устройства, которые по прин­ципу работы можно разделить на следую­щие группы:

1. 
   устройства, изменяющие знак волны давлений. К ним относятся обратные клапа­ны на перемычках, соединяющих трубопро­воды, в которых волны давлений имеют разные знаки. В частности, такие перемыч­ки часто устанавливаются между обратным и подающими коллекторами насосных на ТЭЦ или в крупных котельных (см., напри­мер, перемычку III на рис. 6.29). При вне­запной остановке насосов, когда давление в обратном коллекторе превышает давле­ния в подающем коллекторе, открывается обратный клапан или затвор 11 на противо­ударной перемычке и давления в коллекто­рах выравниваются;
   
2. 
   устройства, тормозящие распростра­нение волнового процесса. К ним относятся газовые и воздушные колпаки;
   
3. 
   устройства для сброса давлений. К ним относятся уравнительные резервуа­ры, разрывные диафрагмы и предохрани­тельные клапаны. Последние малонадежны из-за возможного прикипания и недостаточ­ного быстродействия;
   
4. 
   устройства, изменяющие характери­стику источника возмущения. К ним отно­сится установка маховых колес на валу на­соса, которые увеличивают момент инер­ции агрегата, благодаря чему возрастает его постоянная времени z_a. Это приводит к уве­личению времени z, за которое при отключении электропитания частота вра­щения насоса изменяется от нормальной до нуля и, следовательно, снижает ударный напор, равный Н_у z_y lz. Время, за которое частота вращения насоса при отключении электропитания изменяется в и₀/и, раз, мо­жет быть определено по следующей при­ближенной формуле:
   

⁼ ’)> (6.68а)

гдед_а — постоянная времени насосного агре­гата, равная времени z_jt за которое при от­ключении электропитания частота вращения насоса изменяется в 2 раза (n₀/nj = 2) [55]. С помощью постоянной времени z_a, которую можно определить опытным путем, легко построить зависимость частоты вращения насоса и, от времени z,, прошедшего после отключения электропитания, по формуле

ⁿi 1

- = ^: . (6.686)

^л0 ^{1 + z}i^/za

К этой же группе относятся быстродей­ствующие устройства для автоматического включения резервного насоса при выходе из строя рабочего насоса.

Следует иметь в виду, что независимо от гидравлического удара, вызывающего вол­новой процесс изменения давления, при прекращении циркуляции воды может уста­новиться повышенное статическое давле­ние в системе под действием потенциаль­ной энергии воды в трубопроводах, находя­щихся под давлением, которое может быть приближенно определено по формуле

p_CT = S//AKpg/^ (6.69)

где Н — напор, отсчитанный от общей плоскости сравнения, под которым при циркуляции находится элементарный объ­ем воды AV, м³; V — полный объем воды в системе, м³; р_ст — давление, Па.

В некоторых случаях давление р_ст мо­жет существенно превысить допустимое. Для предупреждения таких режимов оста­новка циркуляции воды в крупных тепло­вых сетях должна осуществляться по про­грамме, предусматривающей предваритель­ное снижение потенциальной энергии сис­тем до прекращения циркуляции, напри­мер, путем дросселирования давления воды на нагнетательной линии сетевых насосов.

Контрольные вопросы и задания

1 Как определяется мощность, потребляемая насосами при номинальном режиме и при режимах, отличных от номинальных?

2. 
   Представьте зависимость напора, подачи и мощности центробежного насоса от часто­ты вращения.
   
3. 
   В чем состоит метод построения суммарной характеристики группы т параллельно включенных насосов?
   
4. 
   В чем состоит метод построения суммарной характеристики группы т последовательно включенных насосов?
   
5. 
   Представьте зависимость относительного расхода сетевой воды через абонентские'ус- тановки от сопротивления сети и абонент­ских установок. Каким уравнением описыва­ется эта зависимость?
   
6. 
   Что такое гидравлическая устойчивость сис­темы теплоснабжения? С помощью какого коэффициента производится количествен­ная оценка гидравлической устойчивости абонентских установок?
   
7. 
   Почему в неавтоматизированных системах теплоснабжения коэффициент гидравличе­ской устойчивости абонентских установок, присоединенных в конце магистрали, ниже, чем в начале магистрали?
   
8. 
   Что такое нейтральная точка тепловой сети? С помощью какого устройства поддержива­ется постоянное давление в нейтральной точке?
   
9. 
   Что понимается под начальной регулиров­кой тепловой сети открытой системы тепло­снабжения по принципу «горизонтальной дорожки»? Для какой цели производится та­кая регулировка?
   
10. 
    В чем состоит метод расчета потокораспре- деления в кольцевой сети?
    
11. 
    В чем состоит метод расчета потокораспре- деления в водяной тепловой сети, питаемой от двух теплоисточников?
    
12. 
    Что такое гидравлический удар в тепловой сети? Какова его причина?
    
13. 
    Приведите формулу Жуковского для расчета давления гидравлического удара. На основе каких законов получена эта формула?
    
14. 
    Почему давление гидравлического удара про­порционально длине магистральной тепло­вой сети? Из какого уравнения это следует?
    
15. 
    Какие устройства применяются для защиты системы теплоснабжения от недопустимого повышения давления при гидравлическом ударе?
    
16. 
    Приведите формулу для расчета допустимо­го быстродействия регулирующих и дроссе­лирующих клапанов тепловых сетей. Из ка­кого условия выведена эта формула?
    

ГЛАВА СЕДЬМАЯ

ТЕПЛОФИКАЦИОННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ТЭЦ

1. 
   ТИПЫ УСТАНОВОК
   

Теплофикационное оборудование ТЭЦ предназначено для подготовки теплоноси­теля к транспортировке по тепловой сети и для приема использованного теплоносите­ля на ТЭЦ. Характер оборудования зависит от профиля ТЭЦ и типа системы тепло­снабжения.

В водяных системах теплоснабжения ос­новное теплофикационное оборудование ТЭЦ состоит, как правило, из пароводяных подогревателей, сетевых насосов, устано­вок для подготовки подпиточной воды, включающих водоподготовку, деаэрацион­ные устройства, аккумуляторы горячей во­ды и подпиточные насосы.

В паровых системах теплоснабжения основное теплофикационное оборудова­ние ТЭЦ состоит обычно из системы баков и насосов для сбора, контроля и перекачки конденсата; паропреобразовательных ус­тановок для выработки из химически очи­щенной воды вторичного пара, используе­мого для теплоснабжения; компрессорных установок для повышения давления пара из отбора, если это давление ниже требуе­мого для теплоснабжения; редукционно­охладительных установок для снижения давления и температуры свежего пара, час­тично используемого в ряде случаев для теплоснабжения.

На современных ТЭЦ в нашей стране ус­танавливаются, как правило, теплофикаци­онные турбины большой единичной мощ­ности 50—250 МВт на высокие и сверхкри­тические начальные параметры (при давле­ниях 13 и 24 МПа) двух основных типов: а) конденсационные с отбором пара (Т и ПТ); б) с противодавлением (Р).

В приложении 15 приведены характе­ристики основных типов турбин, устанавли­ваемых на ТЭЦ, работающих на органиче­ском топливе. В настоящее время парк теплофикационных турбин действующих ТЭЦ включает еще много турбин неболь­шой единичной мощности (менее 25 МВт) на низкие и средние начальные давления (2,9—6,0 МПа), однако доля этих турбин в суммарной установленной мощности ТЭЦ, составившая в 1996 г. менее 6 %, непрерыв­но уменьшается.

Конденсационные турбины с отбором пара (типаТ и ПТ) являются универсальны­ми. Эти турбины могут, как правило, разви­вать номинальную электрическую мощ­ность независимо от нагрузки теплофика­ционных отборов. Однако, поскольку часть электрической энергии на этих турбинах вырабатывается конденсационным мето­дом, средний удельный расход теплоты на выработанный I кВт-ч больше, чем у тур­бин с противодавлением.

Турбины с противодавлением выраба­тывают электрическую энергию только комбинированным методом, поэтому удельный расход теплоты на выработанный 1 кВт - ч у этих турбин меньше, чем у кон­денсационных турбин с отбором пара. Недостатком этих турбин является жесткая зависимость развиваемой ими электриче­ской мощности от тепловой нагрузки. По- 249

Электронная библиотека http://tgv.khstu.ru/

этому турбины с противодавлением ис­пользуются обычно только для покрытия «базовой» части теплового графика.

Для удовлетворения пиковой тепловой нагрузки на современных ТЭЦ обычно ис­пользуются водогрейные котлы, работаю­щие, как правило, на газомазутном топливе. На ТЭЦ, работающих на твердом топливе, пиковую тепловую нагрузку целесообразно покрывать от паровых котлов низкого или среднего давления, пар которых использу­ется для подогрева сетевой воды в парово­дяных подогревателях.

В приложениях 16 и 17 приведены ос­новные характеристики водогрейных кот­лов серийного производства и паровых котлов низкого и среднего давления [37,95, 149]. На промышленных ТЭЦ для этой це­ли часто используется также пар из котлов- утилизаторов (КУ), вырабатываемый на ба­зе теплоты отходящих газов промышлен­ных печей.

Теплофикационное оборудование ТЭЦ оснащается приборами авторегулирования для поддержания заданных параметров теп­лоносителя и приборами учета теплоты. Те­плофикационные установки ТЭЦ могут ВЫ­ПОЛНЯТЬСЯ как центральными для всей ТЭЦ, так и поагрегатными при отдельных тепло­фикационных турбинах. На мощных ТЭЦ с крупными теплофикационными тур­бинами типа Т-250/300-240, Т-175/210-130, Т-100-130, Т-50-130 теплофикационные по­догреватели встроены непосредственно в турбинную установку и конструктивно со­ставляют с ней одно целое. Поэтому подо­гревательные установки и сетевые насосы на таких станциях имеют обычно поагрегат- ную компоновку.

Установки для восполнения водоразбо- ра и утечки воды из сети сооружаются в большинстве случаев центрального типа для всей станции. Центрального типа со­оружаются также обычно конденсатосбор­ные устройства, компрессорные и дрос­сельно-увлажнительные установки.

2. 
   ПАРОВОДЯНЫЕ ПОДОГРЕВАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ
   

В настоящее время на мощных ТЭЦ применяются, как правило, поагрегатные теплофикационные подогревательные ус­тановки поверхностного типа. Подогрева­тели сетевой воды в этих установках вы­полняются горизонтальными и располага­ются непосредственно под цилиндрами турбин [14, 82].

Основные характеристики сетевых по­догревателей турбин Уральского турбомо- торного завода приведены в приложении 18.

Каждый подогреватель представляет со­бой пароводяной горизонтальный теплооб­менник с цельносварным корпусом. Труб­ный пучок состоит из прямых трубок, раз­вальцованных с обеих сторон в трубных досках. Во всех подогревателях, кроме по­догревателей турбины Т-250/300-240, труб­ный пучок выполняется из латунных тру­бок. В подогревателях, устанавливаемых с турбиной Т-250/300-240, работающей на серхкритических начальных параметрах па­ра, трубки выполняются из нержавеющей стали Х18Н9Т для предупреждения осажде­ния меди на лопатках проточной части тур­бины. Для обеспечения повышенной плот­ности соединений трубок с трубными дос­ками у этих подогревателей кроме разваль­цовки применяется также приварка трубок.

На рис. 7.1 показан общий вид горизон­тального теплофикационного подогревате­ля ПСГ-5ООО-3,5-8-1 с площадью поверхно-

2

сти нагрева около 5000 м , являющегося од­ной из ступеней нагрева сетевой воды тур­боустановки Т-175/210-130.

Расчетное рабочее давление со стороны пара составляет 0,35, со стороны воды 0,8 МПа. Поверхность нагрева выполнена из 7600 латунных трубок марки Л-68 (68 % меди, 32 % цинка) диаметром 25/23 мм, дли­ной 8 м. Под подогревателем установлен конденсатосборник диаметром 900 мм, из которого конденсат отводится насосом в регенеративные подогреватели турбин-



ной установки. Для защиты турбины от раз­носа при внезапном сбросе электрической нагрузки и закрытии стопорного клапана соединение конденсатосборника с корпу­сом подогревателя выполнено в виде узкой щели. Назначение ее — тормозить вскипа­ние конденсата в конденсатосборнике при падении давления в паровом пространстве подогревателя ниже давления насыщения конденсата в конденсатосборнике.

При достаточной чистоте поверхностей нагрева, высоких скоростях воды (пример­но 1,5—2,0 м/с) и надежном дренаже кон­денсата и воздуха из парового пространства в теплофикационных пароводяных подог­ревателях коэффициенты теплопередачи достигают значений 3000—4000 Вт/(м² • К).

Рис. 7.1. Горизонтальный теплофикационный
подогреватель ПСГ-5000-3,5-8-1
1 — корпус подогревателя; 2 — трубные доски, 3 —
входная водяная камера; 4 — поворотная водяная
камера; 5 — крышка входной водяной камеры; 6 —
крышка поворотной водяной камеры; 7 — подвод
пара; 8 — подвод сетевой воды; 9 — конденсатосбор-
ник; 10 — щелевой патрубок; 11 — линзовый компен-
сатор; 12 — солевой отсек; 13 — отвод
паровоздушной смеси; 14 — анкерная связь

Для получения больших скоростей воды в трубках подогреватель выполнен четы­рехходовым. Ходы образуются перегород­ками в передней и задней камерах. Перего­родки делят трубный пучок на несколько частей по числу ходов. Плоскости сопри­косновения перегородок с трубными доска­ми уплотняются асбестовыми или свинцо­выми прокладками для предупреждения пе­ретекания воды помимо трубок. Паровоз­душная смесь отводится через патрубки на боковой поверхности корпуса.

Для компенсации температурных дефор­маций на корпусе подогревателя установ­лен двухволновой линзовый компенсатор.

Современные мощные теплофикацион­ные установки имеют две ступени сетевых

насосов. Назначением сетевых насосов пер­вой (бустерной) ступени является обеспече­ние необходимого давления сетевой воды на всасе сетевых насосов второй ступени. Сете­вые насосы второй ступени устанавливаются после сетевых подогревателей и обеспечива­ют циркуляцию сетевой воды в системе теп­лоснабжения. На ТЭЦ небольшой мощности часто сооружаются общестанционные теп­лофикационные установки, использующие отработавшую теплоту нескольких турбо­установок. На рис. 7.2 представлена принци­пиальная схема такой установки.

Недостаток сетевых насосных установок действующих ТЭЦ заключается в отсутст­вии на них устройств для регулирования час­тоты вращения (тиристорных преобразовате­лей или гидромуфт). Из-за этого имеет место существенный перерасход электрической энергии при переменных режимах, отличных от расчетного, например, в летний период вследствие неоправданно высоких напоров, развиваемых этими насосными установками, при сниженных расходах сетевой воды.

На рис. 7.3 показан вертикальный па­роводяной подогреватель конструкции Ленинградского металлического завода.

В этом подогревателе разделительные пе­регородки в водяных камерах делят труб­ную систему на ряд сегментов. При тако? схеме распределения ходов температуры трубок в смежных ходах близки между со­бой, поэтому в трубках не возникает боль­ших термических напряжений.

Вода подводится и отводится из аппара­та при помощи штуцеров, приваренных к верхней камере. Пар подводится к корпу­су через боковой патрубок. Конденсат отво­дится из корпуса через отверстие в нижнем днище. Для продувки парового пространст­ва для удаления воздуха в нижней части бо­ковой поверхности корпуса имеются дре­нажные отверстия. В приложении 19 приве­дены технические характеристики серий­ных пароводяных поверхностных подогре­вателей, выпускаемых Саратовским заво­дом энергетического машиностроения.

Корпуса и трубные доски станционных пароводяных подогревателей выполняются стальными. Поверхность нагрева обычно вы­полняется из латунных трубок марки Л-68.

Тепловой и гидравлический расчет поверхностных теплообменных аппара­тов. В задачу теплового расчета входит оп-

ределение площади поверхности нагрева, а также тепловой нагрузки аппаратов при заданных их конструктивных размерах и параметрах теплоносителей на входе в ап­парат. Решение второй задачи проводится с помощью соотношений для характери­стик (4.6)—(4.10).

В задачу гидравлического расчета вхо­дит определение потерь напора в аппаратах со стороны первичного и вторичного тепло­носителей.

В связи с различной методикой расчеты поверхностных и смешивающих аппаратов рассматриваются отдельно.

Площадь поверхности нагрева теплооб­менных аппаратов вычисляется по формуле F=Q/kM, (7.1)

где Q—тепловая нагрузка аппарата, Вт; F— площадь поверхности теплообмена, м²; к —

коэффициент теплопередачи, Вт/(м² • К); А/ — средняя разность температур между гре­ющим и нагреваемым теплоносителями, °C.

При прямотоке или противотоке сред­нюю разность температур находят как где А/_б и А/_м — ббльшая и мёньшая разно­сти температур между греющим и нагре­ваемым теплоносителями на входе и выходе теплообменника.

Коэффициент теплопередачи поверхно­стных аппаратов

к = : , (7.3)

1/а, + 1/а₂ + S5/X

где а, и а₂ — коэффициенты теплоотдачи между греющим и нагреваемым теплоно­сителями и стенкой; S5/X — термическое сопротивление стенки трубок и слоя за­грязнений.

Коэффициенты теплоотдачи от теплоно­сителя в стенке, Вт/(м² • К):

при турбулентном движении воды вдоль трубок

а = (163 0 + 21 / - 0,041 z²) w°’⁸/°’²;

(7.4)

при турбулентном движении воды попе­рек пучка трубок

а = (1163 + 17,5/-0,0465/²)w°’⁶⁴/³⁶; (7.5)

при пленочной конденсации на верти­кальной стенке и малой скорости пара

при пленочной конденсации пара на на­ружной поверхности горизонтального пуч­ка трубок

4920 + 58/ -0,175? а =

, Jfl'A²³

(mdd)

где / — средняя температура воды, температура пленки конденсата — средняя между температурой насыщенного пара и стенки, °C; 0 — разность температур насы­щенного пара и стенки, °C; w — скорость воды, м/с; d — диаметр трубки, м; т — среднее число трубок в вертикальном ряду; Н—высота ламинарной пленки конденсата на трубках, м.

При отсутствии межтрубных перегоро­док обычно принимают Н равной высоте трубки, при наличии перегородок — верти­кальному расстоянию между ними.

При заданных расходах и параметрах те­плоносителя тепловая нагрузка аппаратов Q, Дж/с или Вт, определяется по приведен­ным ниже формулам:

для пароводяного подогревателя

2 = D₁(A₁-A_k1)ti = G₂c(/₁-/₂); (7.8)

для водо-водяного подогревателя

£?⁼ Gjc(Tj — x₂)ri = G₂c(/j —/₂); (7$)

для паро-парового преобразователя е = £»₁(А,-А_к1)т1 = О₂(А2-Лк2); (7.Ю)

для водопарового преобразователя Q = <7,с(т, - т₂)Т1 = D{h₂ - А_к2), (7.11)

где Gp G₂ — расходы греющей и нагревае­мой воды, кг/с; иО₂ — расходы греюще­го и вторичного пара, производимого в пре­образователях, кг/с; А, и А₂ — энтальпии греющего и вторичного пара, производимо­го в преобразователях, Дж/кг; А_к1 - энталь­пия конденсата греющего пара, Дж/кг; А_к2 — энтальпия питательной воды перед преобразователем; с — теплоемкость воды, с = 4190 Дж/(кг • К); tj и х₂ — температуры греющей воды перед аппаратом и после него,°C; tj и /₂ — температуры нагреваемой воды после аппарата и перед ним, °C; л — термический КПД аппарата.

Под термическим КПД водоподогрева- теля и паропреобразователя понимается от­ношение количества теплоты, полученной в аппарате нагреваемым теплоносителем, к количеству теплоты, отданной греющим теплоносителем:

Tl = e₂/6i- (712)

Термический КПД характеризует тепло­вые потери аппарата в окружающую среду, но не определяет необратимые потери эк- сергии при теплообмене, т.е. работоспособ­ности теплоты. В мощных аппаратах с удовлетворительной тепловой изоляцией Л достигает 0,98—0,99.

Пароводяные подогревательные установ­ки смешивающего типа. В системах теплофи­кации и централизованного теплоснабжения по­лучили применение смешивающие подогрева­тельные установки, в которых отработавший пар кузнечных прессов и молотов используется для подогрева сетевой воды, а также для термиче­ской деаэрации подпитки тепловых сетей.

На рис. 7.4 показана схема пароводяной по­догревательной установки смешивающего типа.