1.3. Гидравлическая характеристика регулирующих органов

На групповых и местных тепловых пунктах (подстанциях) регулирование расхода теплоно­сителя проводится автоматически.

Для получения плавного регулирования не­обходимо, чтобы перемещение штока регули­рующего органа вызывало равномерное измене­ние расхода теплоносителя.

Рассмотрим, от каких факторов зависит ха­рактеристика регулирующих органов. Устано­вим закон изменения расхода теплоносителя от степени открытия регулирующего органа. На рис. 1.11 показана схема движения теплоно­сителя через абонентскую установку А.

В тепловых сетях полные напоры Н₁ и Н₂ в магистральных сетях могут практически прини­маться постоянными независимо от положения регулирующего клапана у отдельных абонентов.

Расход теплоносителя через абонентскую ус­тановку при полном открытии клапана К может быть представлен выражением

(1.25а)

где S_а — сопротивление абонентской установки A;

s'_K — сопротивление регулирующего клапана К при полном открытии.

При частичном прикрытии клапана К расход воды в местной системе изменится и составит

(1.25б)

где s_K — новое сопротивление клапана (более высокое).

С помощью (1.25) можно найти степень из­менения расхода воды при прикрытии регули­рующего клапана

(1.26)

Как видно из (1.26), изменение расхода во­ды при местном регулировании зависит от двух величин:

1) отношения сопротивления местной систе­мы к сопротивлению регулирующего клапана при полном его открытии s_a/s'_K;

2) характера изменения сопротивления регу­лирующего органа от хода штока s_K/s'_K.

Рис. 1.11 Схема движения теплоносителя

Рис. 1.12. Зависимость расхода воды от степени

открытия задвижки диаметром 50 мм

На рис. 1.12 показана зависимость расхода воды через абонентскую установку от степени открытия параллельной задвижки диаметром 50 мм при различных сопротивлениях абонент­ской установки S_a [1]. При большом сопротивлении абонентской установки

(S_а = 10 м·с² /м⁶ ) степень открытия задвижки оказывает влияние на расход воды практически только на 40 % хода задвижки (0 < l/d₀ < 0,4). При уменьшении сопро­тивления абонентской установки увеличивается длина хода, на которой открытие задвижки изме­няет расход воды через абонентскую установку.

При S_a = 20 м·с² /м⁶ расход воды изменяется практически линейно, прямо пропорционально степени открытия задвижки l/d₀. При дальней­шем снижении сопротивления абонентской уста­новки (s_a →0) расход воды зависит практически только от изменения сопротивления клапана.

При s_a = 0

(1.27)

т.е. степень изменения расхода воды зависит толь­ко от сопротивления регулировочного органа.

Для уменьшения отношения s_a /s'_K регули­рующие клапаны следует выбирать с повышен­ным гидравлическим сопротивлением, гася в них весь избыточный перепад давлений, имею­щийся на абонентском вводе.

1.4. Гидравлическая устойчивость

Влияние переменного расхода воды в те­пловой сети на гидравлический режим не­автоматизированных местных систем мо­жет быть значительно уменьшено при по­вышении гидравлической устойчивости системы.

Под гидравлической устойчивостью по­нимается способность системы поддер­живать заданный гидравлический режим. Чем устойчивее система, тем меньше влия­ние гидравлического режима всей системы на гидравлический режим отдельных або­нентских установок. При питании от общей тепловой сети разнородных тепловых по­требителей невозможно без авторегулиро­вания абонентских вводов добиться высо­кой гидравлической устойчивости системы. Однако путем правильной регулировки системы можно значительно увеличить ее гидравлическую устойчивость.

Количественная оценка гидравлической устойчивости абонентских установок про­водится по коэффициенту гидравлической устойчивости, равному отношению расчет­ного расхода сетевой воды через абонент­скую установку к максимально возможно­му расходу через эту установку в условиях работы данной системы централизованного теплоснабжения.

Коэффициент гидравлической устойчи­вости абонентских установок, оснащенных авторегуляторами, практически равен еди­нице, так как действительный расход сете­вой воды через такие установки при всех режимах равен или близок к расчетному.

При отсутствии на ГТП или МТП (або­нентских вводах) авторегуляторов коэффи­циенты гидравлической устойчивости або­нентских установок значительно отличаются от единицы. Максимальная разрегули­ровка возникает при наибольшем отклоне­нии действительного располагаемого напо­ра в тепловой сети перед абонентской уста­новкой от расчетного значения. При отклю­чении части абонентов от тепловой сети уменьшаются расход воды и потери напора в сети, а располагаемый напор на работаю­щих абонентских вводах возрастает. В пре­деле, когда потери напора в тепловой сети делаются незначительными по сравнению с располагаемым напором на коллекторах станции, располагаемый напор на абонент­ских вводах приближается по значению к располагаемому напору на станции и сте­пень изменения расхода в абонентских сис­темах достигает максимального значения.

Учитывая квадратичную зависимость между расходом воды и потерей напора, можно написать следующее приближенное выражение для коэффициента гидравличе­ской устойчивости абонентской установки при отсутствии авторегулирования на або­нентском вводе:

(1.28a)

Где ∆Ha — располагаемый напор на абонент­ском вводе при расчетном расходе воды;

∆H_с — потеря напора в тепловой сети при расчет­ном расходе воды;

∆H_ст — располагаемый на­пор на станции: ∆H_ст=∆H_a+∆H_a.

Уравнение (1.28а) показывает, что гид­равлическая устойчивость абонентских систем тем больше, чем меньше потеря на­пора в тепловой сети ∆H_с и чем больше по­теря напора на абонентском вводе ∆H_а.

Для повышения гидравлической устойчи­вости системы следует все избытки напора, имеющиеся в сети, поглощать при помощи сопротивлений (сопл элеваторов, шайб) и регулирующих клапанов на абонентских вводах или у теплопотребляющих приборов абонентов.

Основной путь повышения гидравличе­ской устойчивости заключается в снижении потери напора в магистральной тепловой сети ∆H_с. Для этого необходимо увеличи­вать диаметры магистральных тепловых се­тей, что, естественно, связано с увеличени­ем начальных затрат на их сооружение.

Формула (1.28а) дает приближенное, не­сколько заниженное значение коэффициента гидравлической устойчивости абонента, так как при отключении от тепловой сети всех абонен­тов, кроме одного, для которого определяется , фактический располагаемый напор на вводе у этого абонента < Н_ст из-за гидравлических потерь в магистральной тепловой сети. Поэтому

Более точное значение коэффициента гидрав­лической устойчивости абонентских вводов опре­деляется по предложенной автором формуле на основе уравнения потокораспределения (1.20):

(1.28б)

где — относительный расход сетевой воды через данную абонентскую установку при рас­четном режиме;

— гидравличе­ское сопротивление системы теплоснабжения при расчетном режиме;

— гидравлическое сопротивление системы теплоснабжения при от­ключении всех абонентских установок, кроме данной.

Для данной системы теплоснабжения = const. Для каждой абонентской установки в этой системе = const. Таким образом, раз­личие в значениях коэффициента гидравличе­ской устойчивости разных абонентских устано­вок определяется только сопротивлением .

Чем ближе к станции место присоединения абонентской установки к магистральной тепловой

сети, тем больше s^y_c, соответственно больше К

Коэффициент гидравлической устойчивости характеризует начальную регулировку системы теплоснабжения.

Стабильность гидравлического режима системы зависит не только от ее начальной регулировки, но и от режима расхода воды у отдельных групп абонентов.

Для стабилизации гидравлического ре­жима целесообразно искусственно вырав­нивать тепловую нагрузку абонентов с резкопеременным расходом теплоты, напри­мер с помощью тепловых аккумуляторов, или же применять схемы присоединений, локализующие переменные гидравличе­ские режимы в пределах установок, где они возникают, не передавая эти режимы на систему теплоснабжения в целом.

По таким «локализующим» схемам (рис. 1.13) целесообразно присоединять к водяным сетям современные тепличные комбинаты (ТК), режим теплового потреб­ления которых из-за низкой аккумулирую­щей способности их наружных ограждений резко отличается от режима большинства абонентов района. По этой схеме сетевая вода для теплоснабжения ТК отводится и вновь возвращается практически в ту же точку подающей магистрали тепловой сети, поэтому резкопеременныq расход воды на ТК не влияет на гидравлический режим ра­боты системы теплоснабжения в целом [2].

Рис. 1.13. Принципиальная схема присоединения

тепличного комбината к тепловым сетям

1 — насос; 2 — регулирующий орган; 3 — обратный затвор; 4 — датчик температуры; 5 — исполнитель­ный механизм; 6 — управляющий прибор

Для обеспечения надежной работы теп­ловых сетей и местных систем необходимо ограничить возможные в условиях эксплуа­тации изменения давлений в тепловой сети допустимыми пределами. Для этой цели в одной из точек тепловой сети, а при слож­ных профилях местности в нескольких точ­ках [3] искусственно изменяют давление по определенному закону в зависимости от расхода воды в сети. Эти точки называются точками регулируемого давления. В част­ном случае, когда давление в этих точках поддерживается постоянным как при рабо­те сети, так и в статическом состоянии, они называются нейтральными точками. Ней­тральную точку обычно размещают на пе­ремычке, соединяющей нагнетательный коллектор сетевых насосов со всасываю­щим коллектором, используя давление в нейтральной точке в качестве импульса, регулирующего расход подпитки в тепло­вую сеть.

На рис. 1.14, а приведена принципиаль­ная схема подпиточного устройства с регу­ляторами, управляемыми от нейтральной точки О, расположенной на перемычке 4 се­тевого насоса. Степень открытия клапанов 2 и 3 устанавливается мембранными приводами. При увеличении утечки воды из теп­ловой сети снижается давление в нейтраль­ной точке, что приводит к снижению давле­ния на мембранный привод клапана 2, он открывается, и подкачка воды подпиточным насосом в тепловую сеть возрастает. Повышенная подкачка воды в тепловую сеть приводит к восстановлению давления в нейтральной точке. При повышении дав­ления в нейтральной точке возрастает дав­ление на мембранный привод клапана 2 и он прикрывается. В связи с этим уменьша­ется подкачка воды в тепловую сеть, что должно привести к восстановлению давле­ния в нейтральной точке. Если при полном закрытии клапана 2 давление в нейтральной точке продолжает возрастать, то происхо­дит открытие дренажного клапана 3, часть воды из тепловой сети сливается в дренаж. Клапан 3 остается открытым до тех пор, по­ка давление в нейтральной точке не восста­новится.

На рис. 1.14, б приведен пьезометриче­ский график такой системы. Здесь ABCD и AKLD — пьезометрические графики маги­стральной тепловой сети; AOD — пьезомет­рический график перемычки; О — ней­тральная точка на перемычке. Во время ра­боты в перемычке происходит непрерывная циркуляция воды по направлению от нагне­тательного патрубка насоса к нейтральной точке О и от нейтральной точки к всасы­вающему патрубку.

Рис. 1.14. Принципиальная cхема подпнточно-дренажного устройства (а)

и пьезометрический график (б)

1 — подпиточный насос; 2 — подпиточный клапан; 3 — дренажный клапан; 4 — перемычка; 5 — сетевой насос; 6 — регулировочные краны; 7 — бак подпиточной воды

Изменяя степень открытия регулировоч­ных кранов 6 на перемычке 4 (см. рис. 1.14, а), можно устанавливать любой фиксируемый напор в нейтральной точке или статический напор в системе тепло­снабжения.

Фиксация давления в отдельных точках системы централизованного теплоснабже­ния может осуществляться также с помо­щью расширителей и гидрофоров. Расши­ритель представляет собой открытый сосуд, установленный на высоте, равной фикси­руемому напору. Гидрофор представляет собой закрытый сосуд, в котором вода на­ходится под постоянным напором (давле­нием) газовой или паровой подушки, рав­ным фиксируемому напору. Постоянное давление над поверхностью воды в гидро­форе создается с помощью специального газового компрессора или от парового ис­точника. При уменьшении давления в теп­ловой сети вода из расширителя или гидро­фора поступает в тепловую сеть и компен­сирует утечку воды или уменьшение ее объ­ема в системе, вызванное понижением ее средней температуры.

В крупных системах централизованного теплоснабжения расширители и гидрофо­ры, как правило, не применяются из-за их меньшей маневренности и большей началь­ной стоимости, вызываемой большими га­баритами и более сложной компоновкой по сравнению с насосными подпиточными устройствами.

Расширители и гидрофоры применяют­ся довольно широко в небольших системах централизованного теплоснабжения, на­пример квартальных котельных, а также в системах теплоснабжения микрорайонов и отдельных зданий, присоединяемых к крупным системам централизованного теп­лоснабжения по независимой схеме, т.е. че­рез поверхностные водо-водяные или паро­водяные подогреватели.

В последние годы гидрофоры находят применение в ядерных источниках тепло­снабжения в качестве так называемых ком­пенсаторов объема для фиксации статиче­ского давления в промежуточном контуре этих установок [10].