7.5. Гидравлическая устойчивость систем

теплоснабжения

Под гидравлической устойчивостью понимают способность системы теплоснабжения сохранять постоянный расход теплоносителя у абонентов при изменении условий работы других потребителей. Чем устойчивее система, тем меньше влияние гидравлического режима всей системы на гидравлический режим отдельных абонентов. При питании от общей тепловой сети разнородных тепловых потребителей невозможно без авторегулирования абонентов добиться высокой гидравлической устойчивости системы. Однако путем правильной регулировки можно значительно увеличить гидравлическую устойчивость.

Количественная оценка гидравлической устойчивости абонентов производится по коэффициенту гидравлической устойчивости: , (7.11)

где G_р – расчетный расход через абонент;

G_max – максимальный возможный расход через абонент.

- для абонентов с авторегуляторами, т.к. при всех гидравлических режимах.

При отсутствии авторегуляторов φ значительно отличается от 1. Максимальная разрегулировка возникает при наибольшем отклонении действительного располагаемого напора в тепловой сети от расчетного значения у абонента (рис. 7.12):

; ;

.

Рис. 7.12.

При отключении части абонентов от тепловой сети, расход в сети уменьшается и уменьшается располагаемый напор в тепловой сети, следовательно, увеличивается напор абонента. В пределе, когда , что способствует максимальной степени изменения расхода у абонента :

. (7.12)

φ = 1 – для автоматизированных систем, абсолютно устойчивая система.; для неавтоматизированных систем φ = 1, если (т.е. при очень больших диаметрах трубопроводов).

Таким образом, гидравлическая устойчивость системы тем выше, чем меньше потери в магистралях и чем больше потери у абонентов. При любых гидравлических режимах . Исходя из этого, можно определить потери в магистралях:

; ;

или .

Система считается устойчивой, если потери давления в магистралях составляют 50 % от .

7.6. Расчет потокораспределения в концевых тепловых

сетях и тепловых сетях, питаемых от нескольких

источников

Тепловые сети городов представляют собой многокольцевые системы. Расчет таких систем – сложная задача, как правило, выполняется на ЭВМ. Т.к. водяные системы аналогичны электрическим, то принцип расчета потокораспределения в многокольцевых тепловых сетях основан на уравнениях Кирхгофа.

В зависимости от наличия у абонентов авторегуляторов, на практике решают две задачи: 1. Если у абонентов установлены регуляторы расхода РР, то известны расходы воды у абонентов (они постоянны) G_i и сопротивления участков магистралей сети S_i . Требуется определить G_i по магистралям ( ); 2. Если у абонентов не установлены РР, то известен напор Н_о в узле подвода сетевой воды к кольцу и сопротивления всех участков S_i . Требуется определить расход воды в системе и по участкам сети.

Рис. 7.13. Схема потокораспределения

1. Расчет потокораспреления в кольцевой сети с РР у абонентов (рис. 7.13). Вода со станции поступает в узел 0 и распределяется по участкам I и IV магистрали между абонентами 1-3. Расходы воды у абонентов G₁, G₂, G₃ заданы и поддерживаются постоянными регуляторами расхода на вводах. Суммарный расход воды: . Требуется определить G_I , G_II , G_III и G_IV . Условимся, что: а) приток воды в узел – “+”; отток воды из узла – “-“; б) ΔН потока, протекающего по часовой стрелке – “+”; ΔН потока, протекающего против часовой стрелки – “-“.

Первый закон Кирхгофа: алгебраическая сумма расходов воды в любом узле равна нулю.

. (7.13)

Второй закон Кирхгофа: алгебраическая сумма потерь напора для любого замкнутого кольца равна нулю.

. (7.14)

Расчет производится методом последовательного приближения:

1. Задать произвольно распределение расходов воды по участкам, удовлетворяющим первому закону Кирхгофа ; ; .

2. По второму закону определяем невязку потерь напора в кольце:

.

Если (положительно), то участки, в которых расход направлен по часовой стрелке – перегружены, а против часовой стрелки – недогружены.

3. Для увязки потерь напора вводят увязочный расход . должен вычитаться из предварительно выбранного расхода на перегруженных участках и добавляться на недогруженных. может быть определен из второго закона, если принять и ввести в правую часть уравнения:

. (7.15)

Решая это уравнение, и, пренебрегая членами, соединяющими , получим:

, где , (7.16)

имеет тот же знак, что и .

4. Уточняют расходы на участках и вновь проводят проверочный расход по второму закону.

Обычно удовлетворительные результаты получают после второй поравки.

2. Расчет потокораспределения в кольцевой сети без РР (рис. 7.13) сводится к определению точки водораздела в кольце, удовлетворяющей второму закону Кирхгофа. Первое уравнение Кирхгофа не может быть использовано, т.к. расходы воды у абонентов заранее не известны. Задача решается тоже методом последнего приближения:

1. Задать точку водораздела – точка 3.

2. Задать долю расхода φ, поступающего в точку 3 из III от G₃ . Доля расхода, поступающего из IV, будет соответственно равна 1 – φ.

3. Сопротивление систем: ;

определяется по правилам сложения сопротивлений для последовательных участков и проводимостей, а для параллельных участков – как для радиальных сетей с ответвлениями. Т.к. в ответвление 3 поступает два потока воды из двух магистралей III и IV, то в соответствии с правилом, что при одновременном поступлении в систему нескольких потоков воды, каждый из потоков испытывает сопротивление, равное сопротивлению системы, деленному на квадрат долевого расхода данного потока, получим:

- поток из III → ;

- поток из IV → , где S₃ – сопротивление ответвления 3.

4. Расход воды в кольцевой сети:

; , где ΔН_о – перепад в точке 0.

5. Определяют расход воды на всех участках сети по формуле:

.

6. Проверяют выполнение условия. Если невязка будет положительной, то уменьшают долю расхода из III магистрали φ или если , то смещают точку водораздела в точку 2. При отрицательной невязке, соответственно, все наоборот.

7. Уточняют расчет до тех пор, пока не будет выполняться второй закон Кирхгофа.

3. Расчет потокораспределения в сети, питаемой от нескольких источников (рис. 7.14).

В современных системах теплоснабжения обычно используют закольцованные сети от нескольких источников. Применение таких схем дает возможность повысить технико-экономические показатели по сравнению с обычными радиальными системами: возможность перераспределения нагрузки между источниками; при ремонтах возможно отключение одного или нескольких источников; сокращается резерв оборудования; возможно применение количественно-качественного регулирования, которое дает экономию на перекачку теплоносителя до 25 % от годового.

Рис. 7.14.

В магистралях таких сетей появляются точки водораздела, представляющие собой точки встречи потоков воды от разных источников. Положение этих точек определяется распределением расходов, а, следовательно, и распределением нагрузок между источниками.

Положение точки В зависит от сопротивления сети, распределения нагрузки вдоль магистралей, напора сетевых насосов и т.д.

Рис. 7.15.

Точка водораздела в таких тепловых сетях определяется следующим образом (рис. 7.15). Задаются произвольными расходами воды на участках магистралей, исходя из первого закона Кирхгофа. Определяют невязки напора по второму закону Кирхгофа. Если при предварительно выбранном распределении воды в сети водораздел выбран в точке В, то для этого условия второй закон Кирхгофа:

, (7.16)

где – разность напоров на коллекторах станций, Па;

.

Определяют увязочный расход: . (7.17)

Уточняют расходы по магистралям.

Для обеспечения надежности работы тепловые сети иногда проектируют кольцевыми от первого источника (рис. 7.16). Такая сеть может рассматриваться как частный случай тепловой сети, питаемой от двух источников (рис. 7.17), с одинаковыми располагаемыми напорами на коллекторах станций.

Рис. 7.16. Кольцевая схема тепловой сети от первого источника

Рис. 7.17. Кольцевая схема тепловой сети от двух источников:

1 – нормальный режим; 2 – режим для нормальной работы

при аварии; 3 – фактический режим при аварии

Расчет в такой тепловой сети выполняют точно также, как для двух источников с учетом:

т.к. .