Гидравлический режим тепловых сетей

Гидравлический режим закрытых сетей

Одно из важных условий нормальной работы систем теплоснабжения заключается в обеспечении в тепловой сети перед групповыми или местными тепловыми пунктами (ГТП или МТП) располагаемых напоров, достаточных для подачи в абонентские установки расходов воды, соответствующих их тепловой нагрузке.

Задача расчета гидравлического режима сети заключается в определении расходов сетевой воды у абонентов и на отдельных участках сети, а также давлений (напоров) и располагаемых перепадов давлений (напоров) в узловых точках сети, на групповых и местных тепловых пунктах (абонентских вводах) при заданном режиме работы сети.

Заданными обычно являются схема тепловой сети, сопротивления s всех ее участков, давления (напоры) на подающем и обратном коллекторах ТЭЦ или располагаемый перепад давлений (напоров) на коллекторах ТЭЦ и давление (напор) в нейтральной точке сети. При наличии на абонентских вводах авторегуляторов известны также расходы сетевой воды у абонентов, поскольку эти расходы поддерживаются с помощью авторегуляторов на заданном уровне. В этом случае по известным расходам сетевой воды у абонентов находят расходы воды на всех участках тепловой сети, а затем потери давления (напора) на всех участках сети и строят пьезометрический график, по которому определяют давления (напоры) в узловых точках тепловой сети и на абонентских вводах.

При отсутствии в ГТП или на МТП авторегуляторов расход сетевой воды у абонентов заранее неизвестен и определение их является одной из основных задач расчета гидравлического режима тепловой сети. Для решения этой задачи необходимо знать кроме сопротивлений всех участков тепловой сети также и сопротивления всех МТП и абонентских установок. Рассмотрим метод расчета расхода воды у абонентов тепловой сети при отсутствии авторегуляторов на абонентских вводах.

На рис. 32 приведена схема тепловой сети в однолинейном и двухлинейном изображениях. Примем следующую систему обозначений. Нумерация участков сети и абонентов начинается от станции. Участки магистрали нумеруются римскими цифрами, а ответвления к абонентам и абоненты — арабскими.

а – однолинейное изображение; б – двухлинейное изображение Рисунок 32. Схема тепловой сети

Суммарный расход воды в сети обозначим буквой V без индекса. Расход воды через абонентскую систему — буквой V с индексом, равным номеру абонента. Например, V_m — расход воды через абонентскую систему т.

Относительный расход воды через абонентскую систему, т.е. отношение расхода через абонентскую систему к суммарному расходу воды в сети, обозначим V с индексом. Например, относительный расход воды у абонента V_m = V_m /V.

Расход воды у абонента 1 может быть найден из уравнения

, (1)

где s₁ — сопротивление абонентской установки 1, включая ответвление; s_1-5— сопротивление тепловой сети со всеми ответвлениями и абонентскими системами

от абонента 1 до абонента 5 включительно.

Если к тепловой сети присоединено п абонентов (рис. 6.9), то относительный расход воды через систему любого абонента т равен:

(2)

По (2) можно найти расход воды через любую абонентскую систему, если известны суммарный расход воды и сопротивления участков сети. Из (2) следует:

1. Относительный расход воды через абонентскую систему зависит только от сопротивления сети и абонентских установок и не зависит от абсолютного расхода воды в сети.

2. Если к сети присоединено п абонентов, то отношение расходов воды через абонентские установки d и т, где d< m, зависит только от сопротивления системы, начиная от узла d до конца сети, и не зависит от сопротивления сети до узла d:

(3)

При изменении сопротивления на каком-либо участке тепловой сети у всех абонентов, расположенных между этим участком и концевой точкой сети, расход воды изменяется пропорционально. В той части сети, где расход меняется пропорционально, достаточно определить степень изменения расхода φ только у одного абонента.

Если в тепловой сети работают насосные подстанции, то при расчете гидравлического режима частное от деления напора насоса на квадрат расхода воды через насос учитывают как отрицательное сопротивление насоса:

(4)

где Н _н.п.и V _н.п — напор насосной подстанции, м, и расход воды через нее, м /с.

Суммарный расход воды в тепловой сети (см. рис. 33)

Рисунок 33. Схема тепловой сети

(5)

где Н — напор на коллекторах ТЭЦ, м; ^s_An ^— суммарное сопротивление тепловой сети, м∙с²/м⁶.

По известным расходам сетевой воды на участках сети и известным сопротивлениям этих участков строят пьезометрический график, по которому определяют напоры (давления) в узловых точках сети и на абонентских вводах.

а – при отключении абонента; б – при изменении напора на станции Рисунок 34. Изменение пьезометрического графика двухтрубной водяной тепловой сети

Характер ожидаемой разрегулировки при любых переключениях в тепловой сети легко установить на основе общей зависимости расходов воды от сопротивлений отдельных элементов тепловой сети по (2) и (3).

Расчет необходим только для выявления количественных значений разрегулировки. Так, если от тепловой сети (рис. 34, а) отключится какой-либо абонент x, то суммарное сопротивление сети увеличится, при этом, как видно из (5), суммарный расход воды в сети уменьшится. Вследствие уменьшения расхода воды в тепловой сети уменьшится потеря напора в ее магистралях на участке между станцией и точкой присоединения абонента x, пьезометрический график этого участка магистрали будет более пологим (штриховые линии на рис. 34, a).

Так как в точке x магистральной тепловой сети увеличится располагаемый напор, то увеличится расход воды в сети на участке между точкой х и концевым абонентом, в результате чего пьезометрический график этого участка будет более крутым.

Как следует из (2), у всех абонентов, расположенных между точкой x и концевой точкой сети, произойдет пропорциональная разрегулировка, т.е. степень изменения расхода воды у всех абонентов будет одинакова (φ = idem):

φ = V _п/ V _д,

где V _п— расход воды у абонентов после отключения абонента в точке х тепловой сети; V _д— расход воды у абонентов до отключения абонента в точке х.

У всех абонентов, расположенных между станцией и точкой х, произойдет непропорциональная разрегулировка, т.е. степень изменения расхода воды φ будет различной у разных абонентов. Минимальное значение φ = 1 будет иметь место у абонента, расположенного непосредственно вблизи станции. Максимальное значение φ > 1 будет иметь место у всех абонентов, присоединенных к сети в точке х и после точки х по ходу теплоносителя от ТЭЦ.

Если на станции изменяется располагаемый напор, а сопротивление сети s остается неизменным (см. рис. 34, б), то, как видно из (5), суммарный расход воды в тепловой сети, а также расходы воды у всех абонентов изменяются пропорционально корню квадратному из располагаемого напора на станции.

Гидравлический режим открытых систем

Основная особенность гидравлического режима открытых систем теплоснабжения заключается в том, что при водоразборе расход воды в обратном трубопроводе тепловой сети меньше расхода в подающем трубопроводе. Разность расходов воды в подающем и обратном трубопроводах равна водоразбору плюс утечки из системы.

1 – подающая линия; 2 – обратная линия при отсутствии водоразбора; 3 – обратная линия при водоразборе, равном 30% расхода воды в подающей линии Рисунок 35. Пьезометрический график открытой системы теплоснабжения со связанным автоматическим регулированием на абонентских вводах

На рис. 35 показан пьезометрический график открытой системы теплоснабжения, в которой абонентские вводы оснащены автоматикой и работают по принципу связанного регулирования. В рассматриваемой системе пьезометрический график подающей линии тепловой сети сохраняется неизменным при любом водоразборе, так как расход воды в подающей линии тепловой сети поддерживается постоянным с помощью регуляторов расхода, установленных на абонентских вводах.

Положение пьезометрического графика обратной линии тепловой сети зависит от водоразбора. С увеличением водоразбора уменьшается расход воды по обратной линии, и пьезометрический график обратной линии становится более пологим. Когда водоразбор равен расходу воды в подающей линии тепловой сети, расход воды в обратной линии равен нулю, пьезометрический график обратной линии принимает вид горизонтальной прямой. При одинаковых диаметрах подающей и обратной линий тепловой сети и отсутствии водоразбора пьезометрические графики этих линий располагаются симметрично.

Часто в открытых системах теплоснабжения вместо регулятора расхода устанавливаются постоянные сопротивления (ПС) — дросселирующие вставки на подающей и обратной линиях сети перед узлом водоразбора. В таких сетях изменение водоразбора или перераспределение водоразбора между подающей и обратной линиями вызывает изменение расходов воды не только в обратной, но и в подающей линии тепловой сети. В этих условиях осуществлять центральное регулирование отопительной нагрузки можно только в том случае, если степень изменения расхода воды через отопительные системы φ одинакова у всех абонентов.

Теоретические исследования гидравлического режима открытых систем теплоснабжения, проведенные С.А. Чистовичем, показывают, что для выполнения этого условия начальная регулировка сети при выключенном водоразборе должна проводиться по принципу так называемой «горизонтальной дорожки», т.е. так, чтобы при чисто отопительной нагрузке сети на всех абонентских вводах были одинаковые полные напоры в подающей линии перед элеваторами и одинаковые полные напоры в обратной линии после отопительных установок.

Водоразбор из подающей линии должен осуществляться перед элеватором после ПС, а водоразбор из обратной линии — непосредственно после отопительных установок перед ПС. Если приэтом в условиях эксплуатации у всех абонентов поддерживается одинаковое отношение водоразбора к расчетному расходу воды на отопление, то получается одинаковая степень изменения расхода воды ф на отопление у всех абонентов. На рис. 6.16, a показана принципиальная схема такой тепловой сети, а на рис. 6.16, б — пьезометрический график этой сети при отсутствии водоразбора.

При выключенном водоразборе напоры в подающей линии перед элеваторами всех абонентов, присоединенных к тепловой сети, равны Н _{п. э}, а напоры в обратной линии после всех отопительных установок Н _о.э. Располагаемый напор в элеваторных узлах всех отопительных установок один и тот же ∆ Н _э= Н _{п. э} – Н _{о. э}

Сопротивление подающей линии (от подающего коллектора ТЭЦ до элеваторного узла) такой эквивалентной сети, м∙с /м,

Сопротивление элеваторного узла

Сопротивление обратной линии

Суммарное сопротивление сети

где V — суммарный расчетный расход воды на отопление при полностью выключенном водоразборе, м /с; Н _п, Н _п.э, Н _о.э, Н _о — полные напоры, м.

Гидравлические режимы открытых систем теплоснабжения существенно сложнее гидравлических режимов закрытых систем. Это обусловлено тем, что нагрузка горячего водоснабжения, резко переменная в течение суток, непосредственно отражается на расходах воды в сети и давлениях в подающей и обратной линиях. Эти параметры значительно изменяются как в течение суток, так и в течение отопительного сезона.

Контрольные вопросы

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

2 В чем состоят методы построения суммарной характеристик группы m параллельно или последовательно включенных насосов?

3Что такое гидравлическая устойчивость системы теплоснабжения?

4 Что такое нейтральная точка тепловой сети? С помощью какого устройства поддерживается постоянное давление в нейтральной точке?

5 Почему в неавтоматизированных системах теплоснабжения коэффициент гидравлической устойчивости абонентских установок, присоединенных в конце магистрали, ниже, чем в начале магистрали?

6 Что такое нейтральная точка тепловой сети? С помощью какого устройства поддерживается постоянное давление в нейтральной точке?

7 Что понимается под начальной регулировкой тепловой сети открытой системы теплоснабжения по принципу «горизонтальной дорожки»? Для какой цели производится такая регулировка?

8 В чем состоит метод расчета потоко распределения в кольцевой сети?

9 В чем состоит метод расчета потоко распределения в водяной тепловой сети, питаемой от двух теплоисточников?

10 Что такое гидравлический удар в тепловой сети? Какова его причина?

11 Приведите формулу Жуковского для расчета давления гидравлического удара. На основе каких законов получена эта формула?

12 Почему давление гидравлического удара пропорционально длине магистральной тепловой сети? Из какого уравнения это следует?

13 Какие устройства применяются для защиты системы теплоснабжения от недопустимого повышения давления при гидравлическом ударе?

14 Приведите формулу для расчета допустимого быстродействия регулирующих и дросселируюих клапанов тепловых сетей. Из какого условия выведена эта формула?

Список рекомендуемой литературы

1. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. М: Энергоиздат, 1982. 360с.

2. Сафронов А.П. Сборник задач по теплофикации и тепловым сетям. – М: Энергоатомиздат, 1985. – 230с.

Лекция 6 – Теплофикационное оборудование ТЭЦ, оборудование тепловых сетей – 4 часа

План:

1 Типы установок.

2 Пароводяные подогревательные установки

3 Водо-водяные подогревательные установки

4 Трасса и профиль теплопроводов

5 Конструкция теплопроводов

6 Трубы и их соединения.

7 Контрольные вопросы

8 Список рекомендуемой литературы

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; редукционно-охладительных 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).

Конденсационные турбины с отбором пара (типа Т 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 1 кВт*ч больше, чем у турбин с противодавлением.

Турбины с противодавлением вырабатывают электрическую энергию только комбинированным методом, поэтому удельный расход теплоты на выработанный 1кВт*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. Поэтому турбины с противодавлением используются обычно только для покрытия «базовой» части теплового графика.

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 поагрегатную компоновку.

Установки для восполнения водоразбора 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.