Температурные графики режимов центрального качественного регулирования отпуска тепла потребителям и их применение в теплоснабжении.

Графики температур и расходов воды в тепловой сети и местной системе отопления при качественном и количественном регулировании отпуска тепла для отопительного комплекса с элеваторным узлом при ведены на рис. 5.3.

При поверхностном отопительном теплообменнике и насосном узле виды регулирования отпуска тепла в местной системе отопления и параметров сетевой воды, поступающей в теплообменник, могут совпадать или быть различными. Так, в местной системе отопления может осуществляться качественное регулирование при количественном регулировании расхода сетевой воды. При таких теплообменных устройствах на вводе перерывы в поступлении сетевой воды в абонентский теплообменник не прекращают циркуляции воды в местной системе отопления, приборы которой продолжают некоторое время отдавать помещениям тепло, аккумулированное в воде и трубопроводах местной системы.

При элеваторных уздах с постоянным коэффициентом смешения качественное регулирование параметров сетевой воды приводит к качественному регулированию параметров местной воды, а чисто количественное регулирование сетевой воды, поступающей в элеватор, приводит не только к пропорциональному из менению расхода воды в местной системе, но и к изменению температуры] местной воды, т. е. приводит к количественно-качественному изменению параметров воды местной системы отопления. Прекращение подачи сетевой воды в элеватор вызывает немедленное прекращение циркуляции воды в местной системе отопления и, соответственно, быстрое прекращение подачи тепла в отапливаемые помещения.

Рис. 5.3. Графики температур (а) и относительных расходов (б) воды в тепловой сети и местной системе отопления при качественном и количественном регулировании отпуска тепла

1, 1’ — температура воды в подающем трубопроводе тепловой сети соответственно при качественном н количественном регулировании; 2, 2’— температура воды в местной системе отопления соответственно при качественном и количественвом регулировании; 3, 3’— температура обратной воды соответственно при качественном и количественном регулировании; 4,4' - относительный расход воды cоответственно при качественном и количественном регулировании

Рассмотрим некоторые особенности регулирования отпуска тепла на отопление. Основная особенность состоит в том, что в теплоснабжаемом районе могут быть здания с различным значением относительных внутренних тепловыделений по отношению к потерям тепла через наружные ограждения. Следовательно, при одной и той же наружной температуре к разным зданиям должна поступать сетевая вода с разной температурой что практически невозможно. В этих условиях наиболее рациональным является назначение температур воды в сети по расходу тепла на отопление жилых зданий. Объясняется это следующими причинами: во-первых, на жилые здания приходится до 75% суммарного расхода тепла на отопление жилых и общественных зданий городской застройки, а во-вторых, учет внутренних тепловыделений в жилых зданиях позволяет сократить годовой расход тепла на их отопление на 10%. Для тех общественных зданий, относительные внутренние тепловыделения в которых в период пребывания в них людей меньше, чем в жилых зданиях, недостаточная температура воды в тепловой сети должна компенсироваться увеличением расхода сетевой воды.

Активное регулирование отпуска тепла (абонентское, приборное и т. п.) должно только уменьшать теплоотдачу нагревательных дриборов по сравнению с ее нормированным значением, но ни в коем случае не превышать этого значения. Обусловливается это тем, что в настоящее время централизованное теплоснабжение рассчитывается на лимитированный отпуск тепла на отопление (в размере, необходимом для поддержания, нормативного значения температуры воздуха в отапливаемых помещениях). При этом ограничении всякий перерасход тепла одним из абонентов системы теплоснабжения- или одним из приборов местной системы отопления влечет недополучение тепла другим абонентом или другим прибором.

Теоретическое обоснование методики гидравлического расчета трубопроводов водяных тепловых сетей (применение уравнения Дарси, предельное число Рейнольдса, практические скорости теплоносителя, гидравлический режим работы).

В результате гидравлического расчета тепловой сети определяют диаметры всех участков теплопроводов, оборудования и запорно-регулирующей арматуры, а также потери давления теплоносителя на всех элементах сети. По полученным значениям потерь давления рассчитывают напоры, которые должны развивать насосы системы. Диаметры труб и потери давления на трение (линейные потери) определяют по формуле Дарси

(7.1)

где — потери давления на трение (линейные), Па; — коэффициент трения; l, d— длина и диаметр участка трубопровода, м; w—скорость потока, .м/с; — плотность теплоносителя, кг/м³.

Если энергию потока, Дж, отнести к единице силы, Н, получим формулу для расчета потерь напора , м. Для этого все члены уравнения (7.1) следует разделить на удельный вес , Н/м³:

(7.2)

Коэффициент трения зависит от режима движения жидкости, характера шероховатости внутренней поверхности трубы и высоты выступов шероховатости k.

Движение теплоносителя в водяных и паровых сетях характеризуется турбулентным режимом. При относительно небольших значениях числа Рейнольдса (2300<Re<10d/k_э) пристенный ламинарный слой закрывает выступы шероховатости и в результате создается режим гидравлически гладких труб. Такой режим создается почти при всех значениях относительной шероховатости k/d, за исключением очень больших. При этом режиме в трубах с шероховатой внутренней поверхностью наблюдается турбулентное течение с сопротивлением, зависящим от вязкости жидкости. Этот режим хорошо описывается формулой Блазиуса:

(7.3)

С развитием турбулентности потока толщина ламинарного слоя уменьшается, выступы шероховатости начинают возвышаться над ним и оказывать сопротивление движению потока. При этой в потоке наблюдается как вязкостное, так и инерционное гидравлическое сопротивление. Последнее связано со срывом турбулентных вихрей с выступов шероховатости. Турбулентные вихри оказывают инерционное сопротивление ускорению, возникающему вследствие перемещения их в зону больших скоростей к оси потока.

Рассмотренные режимы движения относятся к переходному турбулентному режиму. Установившийся турбулентный режим характеризуется квадратичным законом сопротивления, когда сопротивление обусловлено наличием инерционных сил и не зависит от вязкости жидкости. Коэффициент трения для этого режима рассчитывают по формуле Б. Л. Шифринсона:

(7.4)

где k_э — абсолютная эквивалентная равномерно - зернистая шероховатость, которая создает гидравлическое сопротивление, равное действительному сопротивлению трубопровода; k_э/d — относительная шероховатость.

При Re>Re_np наблюдаетсяквадратичный закон сопротивления. Определим предельную скорость движения воды, соответствующую квадратичному закону сопротивления. Максимальные расходы воды в тепловых сетях отвечают точке излома графика температур, поэтому предельный режим рассчитаем для температуры воды t—70°C, при которой v=0,415-10^-6 м²/с. Эквивалентная шероховатость для водяных сетей k_э=0,0005 м. Тогда:

Скорость движения воды в теплопроводах обычно превышает 0,5 м/с, следовательно, в большинстве случаев они работают в области квадратичного режима.

Предельную скорость движения пара среднего давления, соответствующую границе области квадратичного закона сопротивления, определим при давлении р=1,28 МПа (абсолютном). При этом давлении температура насыщения t=190°С, а кинематическая вязкость = = 2,44-10^-6 м³/с. Предельная скорость при k_э=0,0002 м будет равна:

В паропроводах скорость обычно больше 7м/с, следовательно, они также работают в области квадратичного режима.

Для насыщенного пара низкого давления при t=115°C, р = 0,17 МПа (абсолютном) и = 13,27-10^-6 м²/с предельная скорость соответственно равна:

Эта скорость близка к максимальной в паропроводах, поэтому паропроводы низкого давления работают в основном в области гидравлически гладких труб.

Расчет гидравлического сопротивления для переходногр и установившегося турбулентных режимов можно вести по универсальной формуле А. Д. Альтшуля:

(7.5)

При Re k_э/d<<68 эта формула совпадает с формулой Блазиуса (7.3), а при Re k_э /d>>68 она совпадает с формулой Б. Л. Шифринсона (7.4).

При гидравлических расчетах принимают следующие значения абсолютной эквивалентной шероховатости внутренней поверхности труб:

Тепловые сети Паровые Водяные Горячего водоснабжения и конденсатопроводов

k_э ,м . 0,0002 0,0005 0,001

20 Задачи и общие положения методики инженерного гидравлического расчета трубопроводов тепловых сетей. Определение расчетных расходов теплоносителя и потерь напора в разветвленных водяных тепловых сетях в соответствии с требованиями СНиП 2.04.07-86*.

Расчетные расходы воды для всех участков разветвленной сети определяют однозначно в зависимости от расчетных расходов теплоносителя у потребителей. Возможные потери давления в тепловых сетях зависят от напора, развиваемого принятыми для установки циркуляционными насосами, и могут быть весьма различными. Таким образом, в постановке задачи гидравлического расчета имеется неопределенность, для устранения которой необходимо добавить дополнительные условия. Такие условия формулируют из требований максимальной экономической эффективности системы теплоснабжения, определяющих собой задачи технико-экономического расчета теплопроводов. Следовательно, технико-экономический расчет органически связан с гидравлическим расчетом и позволяет по формулам гидравлики однозначно рассчитать диаметры всех элементов тепловой сети.

Основной смысл технико-экономического расчета теплопроводов заключается в следующем. От принятых диаметров элементов тепловой сети зависят гидравлические потери в них. Чем меньше диаметры, тем больше потери. С уменьшением диаметров снижается стоимость системы, что повышает ее экономическую эффективность. Но с ростом потерь растет напор, который должны развивать насосы, а с ростом напора растут их стоимость и энергия, расходуемая на перекачку теплоносителя. При таких условиях, когда с изменением диаметров одна группа стоимостных показателей уменьшается, а другая увеличивается, всегда существуют оптимальные значения диаметров, при которых суммарная стоимость, сети будет минимальной.

В данном параграфе рассмотрен гидравлический расчет тепловой сети по приближенной методике, когда для подбора диаметров теплопроводов используют значения удельных потерь давления на трение, рекомен- Рис. 7.4. Схема тепловой сети

дуемые СНиП. 1,2,…..,7 - номера участков

Расчет ведут в следующем порядке:

1) сначала рассчитывают основную магистраль. Диаметры подбирают по среднему гидравлическому уклону, принимая удельные потери давления на трение до 80 Па/м, что дает решение, близкое к экономически оптимальному. При определении диаметров труб принимают значение k_э, равное 0,0005 м, и скорость движения теплоносителя не более 3,5 м/с;.

2) после определения диаметров участков тепломагистрали подсчитывают для каждого участка сумму коэффициентов местных сопротивлений, используя схему тепловой сети, данные по расположению задвижек, компенсаторов и других сопротивлений и значения коэффициентов местных сопротивлений . Для каждого участка находят эквивалентную местным сопротивлениям длину при = 1 и рассчитывают эквивалентную длину k_э для этого участка. После определения l_э заканчивают расчет тепломагистрали и определяют потери напора в ней. Исходя из потерь напора в подающей и обратной линиях и необходимого располагаемого напора в конце магистрали, который назначают с учетом гидравлической устойчивости системы, определяют необходимый располагае мый напор на выводных коллекторах источника тепла;

3) рассчитывают ответвления, используя оставшийся напор, при условии, чтобы в конце каждого ответвления сохранялся необходимый располагаемый напор и удельные потери давления на трение не превышали 300 Па/м. Эквивалентные длины и потери напора на участках определяют аналогично их определению для основной магистрали.

Методика гидравлического расчета паропроводов тепловых сетей: определение диаметров трубопроводов, расчет потерь напора, рекомендуемые скорости, учет влияния плотности пара на гидравлические потери, структура таблиц и номограмм.

Потери энергии при движении жидкости по трубам определяются режимом движения и характером внутренней поверхности труб. Свойства жидкости или газа учитываются в расчете с помощью их параметров: плотности и кинематической вязкости . Сами же формулы, используемые для определения гидравлических потерь, как для жидкости, так и для пара являются одинаковыми.

Отличительная особенность гидравлического расчета паропровода заключается в необходимости учета при определении гидравлически потерь изменения плотности пара. При расчете газопроводов плотность газа определяют в зависимости от давления по уравнению состояния, написанному для идеальных газов, и лишь при высоких давлениях (больше примерно 1,5 МПа) вводят в уравнение поправочный коэффициент, учитывающий отклонение поведения реальных газов от поведения идеальных газов.

При использовании законов идеальных газов для расчета трубопроводов, по которым движется насыщенный пар, получаются значительные ошибки. Законы идеальных газов можно использовать лишь для сильно перегретого пара. При расчете паропроводов плотность пара определяют в зависимости от давления по таблицам. Так как давление пара в свою очередь зависит от гидравлических потерь, расчет паропроводов ведут методом последовательных приближений. Сначала задаются потерями давления на участке, по среднему давлению определяют плотность пара и далее рассчитывают действительные потери давления. Если ошибка оказывается недопустимой, производят пересчет.

При расчете паровых сетей заданными являются расходы пара, его начальное давление и необходимое давление перед установками, использующими пар. Методику расчета паропроводов рассмотрим на примере.

Пример 7.2. Рассчитать паропровод (рис. 7.5) при следующих исходных данных: начальное давление пара при выходе из источника тепла Р_н=1,3 МПа (избыточное); пар насыщенный; конечное давление пара у потребителей р_к =0,7 МПа; расходы пара потребителями, т/ч: D₁=25; D_II=10;, D_III=20; D_IV = 15; длины участков, м: l_1-2=500; l_2-3==500; l_3-4 =450; l_4-IV = 400; l_2-I=100; l_3-II =200; l_4-III=100.

Решение.

Здесь —суммарная длина участков 1—2—3—4—IV; а — доля потерь давления в местных сопротивлениях, принимаемая равной 0,7 как для магистрали с П-образными компенсаторами со сварными отводами и предполагаемыми диаметрами 200—350 мм .

2.Рассчитаем участок 1—2. Начальное давление на участке p₁ = 1,4 МПа (абсолютное). Плотность насыщенного пара при этом давлении, определенная. по таблицам водяного пара, =7,l кг/м³. Задаемся конечным давлением на участке р₂==1,2 МПа (абсолютным). При этом давлении =6,12 кг/м³. Средняя.плотность пара на участке:

Расход пapa на участке 1—2: D_l-2=70 т/ч=19,4 кг/с. По принятым удельным потерям давления 190 Па/м и расходу 19,4 кг/с по номограмме на рис. 7.1 находим диаметр паропровода. Так как номограмма составлена для пара с плотностью р_п— 1=2,45 кг/м³, предварительно пересчитываем удельное падение давления на табличную плотность:

что соответствует рекомендациям табл. 7.4.

Определяем сумму коэффициентов местных сопротивлений на участке 1—2 (см. табл. 7.1):

Задвижка ..........0,5

Компенсатор П-образный со сварными отводами (3 шт.) .............2,8-3=8,4

Тройник при разделении потока (проход) . . .1

=9,9

Значение эквивалентной длины при = l при k_э = 0,0002 м для трубы диаметром 325x8 мм по табл. 7.2 l_э=17,6 м, следовательно, суммарная эквивалентная длина для участка 1— 2: 1_э = 9,9*17,6= 174 м.

Приведенная длина участка 1—2: l_Пр.1-2=500+174=674 м.

Потери давления на трение и в местных сопротивлениях на участке 1—2:

Давление пара в конце участка 1—2:

что практически равняется предварительно принятой величине в 1,2 МПа. Средняя плотность -пара также будет равна 6,61 кг/м³. В связи с этим пересчета не производим. При существенном отклонении полученного значения средней плотности пара от предварительно принятой величины производим пересчет.

Остальные участки паропровода рассчитываем аналогично участку 1—2. Результаты всех расчетов сводим в табл. 7.7. Расчет эквивалентных длин местных сопротив лений проводим аналогично примеру 7.1.

Гидравлический режим и надежность работы тепловых сетей. Теоретическое обоснование и методика построения пьезометрического графика, расчет требуемых напоров сетевых и подпиточных насосов.

Из-за большой плотности вода оказывает значительное гидростатическое давление на трубы и оборудование, поэтому гидравлический расчет водяных систем теплоснабжения включает две части: первую — собственно гидравлический расчет, при котором определяют диаметры теплопроводов, и вторую — проверку соответствия гидравлического режима предъявляемым требованиям.

Проверяют режим при статическом состоянии системы (гидростатический режим), когда циркуляционные насосы не работают, и при динамическом состоянии системы (гидродинамический режим) с учетом геодезических высот проложения трубопровода. В результате определяют линии максимальных давлений в подающем и обратном теплопроводах из условия механической прочности элементов системы и линии минимальных давлений из условия предотвращения вскипания высокотемпературного теплоносителя и образования вакуума в элементах системы. Пьезометрические линии проектируемого объекта не должны выходить за эти крайние границы. При разработке гидродинамического режима тепловой сети выявляют параметры для подбора циркуляционных насосов, а при разработке гидростатического режима — для подбора подпиточного насоса.

При гидравлическом расчете паровых сетей ввиду малой плотности пара разностью высотных отметок отдельных точек паропровода пренебрегают.

Для изучения режима давлений в тепловых сетях и местных системах зданий широко используют пьезометрические графики. На графиках в определенном масштабе наносят рельеф местности по разрезам вдоль тепловых трасс, указывают высоту присоединяемых зданий, показывают напор в подающих и обратных линиях теплопроводов и в оборудовании теплоподготовительной установки. Роль пьезометрического графика при разработке гидравлических режимов систем теплоснабжения очень велика, так как он позволяет наглядно показать допустимые границы давлений и фактические их значения во всех элементах системы.

Рассмотрим график напоров в теплопроводе, проложенном под землей (рис. 8.1). В населенных пунктах тепловые сети заглубляют примерно на 1 м. Ввиду малого заглубления при вычерчивании профиля трассы теплопровода его ось условно совмещают с поверхностью земли.

За горизонтальную плоскость отсчета принята плоскость ОО, проходящая через нулевую отметку. Все геодезические отметки профиля трассы соответствуют масштабу, указанному на шкале слева. Таким образом, величина z_i показывает геодезическую высоту оси трубопровода в точке i над плоскостью отсчета.

Понятие надежности отражает два главных подхода к оценке работы устройства или системы. Первый — это вероятностная оценка работоспособности системы. Необходимость в вероятностной оценке связана с тем, что продолжительность работы элементов системы обуславливается рядом случайных факторов, предвидеть воздействие которых на работу элемента не представляется возможным. Поэтому детерминированная оценка времени работы элемента заменяется вероятностной оценкой, т. е. законом распределения времени работы. Учет времени работы — это второй главный подход к оценке работоспособности системы. Надежность — это сохранение качеств элементом или системой во времени. В соответствии с этими основными свойствами понятия надежности главным ее критерием является вероятность безотказной работы системы (элемента) Р в течение заданного периода t.

Рис. 8.1. График напоров в теплопроводе

1 — линия полных напоров без учета потерь на трение; 2 —линия полных напоров без учета потерь на трение и скоростного напора; 3 — линия полных напоров с учетом потерь на трение; 4—линия полных напоров с учетом потерь на трение и без учета скоростного напора; 5 — ось теплоровода.

По ГОСТу надежность определяется как свойство системы выполнять заданные функции с сохранением заданных эксплуатационных показателей в течение принятого времени эксплуатации. Для теплоснабжения заданной функцией является подача потребителям определенного количества воды с заданными температурой и давлением и определенной степени очистки.

Существуют два пути для создания надежных систем. Первый путь — это повышение качества элементов, из которых состоит система; второй — резервирование элементов. Повышают надежность, реализуя прежде всего первый путь. Но, когда исчерпываются технические возможности повышения качества элементов или когда дальнейшее повышение качества оказывается экономически невыгодным, идут по второму пути. Второй путь необходим, когда надежность системы должна быть выше надежности элементов, из которых она состоит. Повышения надежности достигают резервированием. Для систем теплоснабжения применяют дублирование, а для тепловых сетей дублирование, кольцевание и секционирование.

Надежность характеризуется долговечностью — свойством сохранять работоспособность до предельного состояния с допустимыми перерывами или без них при техническом обслуживании и ремонтах. Системы теплоснабжения — долговечные системы.

Системы теплоснабжения — ремонтируемые системы, поэтому они характеризуются ремонтопригодностью — свойством, заключающимся в приспособленности системы к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем проведения технического обслуживания и ремонтов. Основным показателем ремонтопригодности систем теплоснабжения является время восстановления отказавшего элемента t_рем. Время восстановления имеет большое значение при обосновании необходимости резервирования системы. Оно в основном зависит от диаметров трубопроводов и оборудования сети. При малых диаметрах время ремонта может оказываться меньше допустимого перерыва теплоснабжения. В таком случае нет необходимости в резервировании.

Для возможности оценки надежности системы прежде всего необходимо точно сформулировать понятие отказа элемента и системы. При формулировке понятия отказа элемента тепловой сети исходят из внезапности и длительности перерыва в теплоснабжении потребителей. Внезапный отказ элемента — это такое нарушение его работоспособности, когда отказавший элемент необходимо немедленно выключить из работы. При постепенном отказе вначале можно провести предварительный ремонт элемента без нарушения или с допустимым нарушением теплоснабжения, перенеся полный восстановительный ремонт на некоторое время, когда его выключение не приведет к отказу системы.

При расчете надежности системы и определении степени резервирования следует учитывать только внезапные отказы.

Таким образом, отказ элемента, учитываемый при расчете надежности систем теплоснабжения, — это внезапный отказ при условии» что t_рем>t_дoп. Такой отказ у нерезервированных систем приводит к отказу системы, а у резервированных — к изменению гидравлического режима работы.

Причинами отказов, связанных с нарушением прочности элементов, являются случайные совпадения перегрузок на ослабленных местах элементов. Как перегрузки элементов, так и их ослабления определяются значениями ряда независимых случайных величин. Например, снижение прочности сварного шва может быть связано с непроваром, наличием шлаковых включений и других причин, которые в свою очередь зависят от квалификации сварщика, качества используемых электродов, условий сварки и т. п. Таким образом, отказы имеют случайную природу.

Изучение отказов, связанных с коррозией трубопроводов, нарушением работоспособности оборудования, приводит также к выводу, что их природа случайна. Вместе с тем совпадение ряда случайных факторов, которое может вызвать отказ, является событием редким, поэтому и отказы относятся к категории редких событий.

Таким образом, главные свойства отказов, учитываемых при расчете надежности, заключаются в том, что они представляют собой случайные и редкие события. Если нарушение работоспособности элемента не является случайным событием, то его можно предусмотреть в учесть в расчетах.

Задачей систем теплоснабжения является обеспечение требуемых уровней параметров у потребителей, при которых достигаются комфортные условия жизни людей. Аварийные отказы нарушают теплоснабжение жилых и общественных зданий, вследствие чего недопустимо ухудшаются условия труда и отдыха населения, что вызывает последствия социального характера. К этим последствиям прежде всего относится сам факт нарушения нормальных условий работы и жизни людей, который приводит к увеличению числа заболеваний людей, к падению их работоспособности. Социальные последствия не поддаются экономической оценке. Вместе с тем их значение весьма велико, поэтому в методике оценки надежности систем теплоснабжения должны учитываться социальные последствия перерывов в подаче тепла.

Учитывая изложенное, при оценке надежности теплоснабжения следует исходить из принципиальной недопустимости отказов, считая, что отказ системы приводит к непоправимым для выполнения задачи последствиям.

Как отмечалось выше, повреждения участков теплопроводов или оборудования сети, которые приводят к необходимости немедленного их отключения, рассматриваются как отказы. К отказам приводят следующие повреждения элементов тепловых сетей:

1) трубопроводов: сквозные коррозионные повреждения труб; разрывы сварных швов;

2) задвижек: коррозия корпуса или байпаса задвижки; искривление или падение дисков; неплотность фланцевых соединений; засорыг приводящие к негерметичности отключения участков;

3) сальниковых компенсаторов: коррозия стакана; выход из строя грундбуксы.

Все отмеченные выше повреждения возникают в процессе эксплуатации в результате воздействия на элемент ряда неблагоприятных факторов. Причинами некоторых повреждений являются дефекты строительства.

Наиболее частой причиной повреждений теплопроводов является наружная коррозия. Количество повреждений, связанных с разрывом продольных и поперечных сварных швов труб, значительно меньше, чем коррозионных. Основными причинами разрывов сварных швов являются заводские дефекты при изготовлении труб и дефекты сварки труб при строительстве.

Причины повреждений задвижек весьма разнообразны: это и наружная коррозия, и различные неполадки, возникающие в процессе эксплуатации (засоры, заклинивание и падение дисков, расстройство фланцевых соединений).

Все рассмотренные выше причины, вызывающие повреждения элементов сетей, являются следствием воздействия на них различных случайных факторов. При возникновении повреждения участка трубопровода его отключают, ремонтируют и вновь включают в работу. Со временем на нем может появиться новое повреждение, которое также будет отремонтировано. Последовательность возникающих повреждений (отказов) на элементах тепловой сети составляет поток случайных событий — поток отказов.