ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ

1. Структура ТЭК России. Место и значение теплоснабжения Принципиальная схема ТЭЦ. Макроэкономическое значение, достоинства и недостатки централизованного теплоснабжения.

Современные централизованные системы теплоснабжения и перспертивы их дальнейшего развития. Централизованная система теплоснабжения состоит из следующих основных элементов: источника тепла, тепловых сетей и местных систем потребления — систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.

Для централизованного теплоснабжения используются два типа источников тепла: теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) и районные котельные (РК). На ТЭЦ осуществляется комбинированная выработка тепла и электроэнергии, обеспечивающая существенное снижение удельных расходов топлива, при получении электроэнергии. При этом сначала тепло рабочего тела — водяного пара — используется для получения электроэнергии при расширении пара в турбинах, а затем оставшееся тепло отработанного пара используется для нагрева воды в теплообменниках, которые составляют теплофикационное оборудование ТЭЦ. Горячая вода применяется для теплоснабжения. Таким образом, на ТЭЦ тепло высокого потенциала используется для выработки электроэнергии, а тепло низкого потенциала — для теплоснабжения. В этом состоит энергетический смысл комбинированной выработки тепла и электроэнергии. При раздельной их выработке электроэнергию получают на конденсационных станциях (КЭС), а тепло — в котельных. В конденсаторах, паровых турбин на КЭС поддерживается глубокий вакуум, которому соответствуют низкие температуры ( 15—20°С), и охлаждающую воду не используют. В результате на теплоснабжение расходуют дополнительное топливо. Следовательно, раздельная выработка экономически менее выгодна, чем комбинированная.

Преимущества теплофикации и централизованного теплоснабжения наиболее ярко проявляются при концентрации тепловых нагрузок, что-характерно для современных развивающихся городов. Следует, учитывать, что при теплофикации капитальные вложения в ТЭЦ и тепловые сети оказываются больше, чем в КЭС и централизованные системы теплоснабжения от РК, поэтому ТЭЦ экономически целесообразно сооружать лишь при больших тепловых нагрузках. Для европейской части СССР при существующих стоимостях теплофикация экономически целесообразна при тепловых нагрузках более 400 Гкал/ч.

Другим источником теплоснабжения являются РК. Тепловая мощность современных РК составляет 150—200 Гкал/ч. Такая концентрация тепловых нагрузок позволяет использовать крупные агрегаты, соврет менное техническое оснащение котельных, что обеспечивает высокие КПД" использования топлива.

В качестве теплоносителя для теплоснабжения городов используют горячую воду, а для теплоснабжения промышленных предприятий — водяной пар. Теплоноситель от источников тепла транспортируют по теплопроводам. Горячая вода поступает к потребителям по подающим теплопроводам, отдает в теплообменниках свое тепло и после охлаждения возвращается по обратным теплопроводам к источнику тепла. Таким образом, теплоноситель непрерывно циркулирует между источником тепла и потребителями. Циркуляцию теплоносителя обеспечивает насосная станция источника тепла. Водяной пар поступает к промышленным потребителям по паропроводам под собственным давлением, конденсируется в теплообменниках и отдает свое тепло. Образовавшийся конденсат возвращается к источнику тепла под действием избыточного давления или с помощью конденоатных насосов.

Современные тепловые сети городских систем теплоснабжения представляют собой сложные инженерные сооружения. Протяженность тепловых сетей от источника до крайних потребителей составляет десятки километров, а диаметр магистралей достигает 1400 мм. В состав тепловых сетей входят теплопроводы; компенсаторы, воспринимающие температурные удлинения; отключающее, регулирующее и предохранительное оборудование, устанавливаемое в специальных камерах или павильонах; насосные станции; районные тепловые пункты (РТП) и тепловые пункты (ТП).

Теплопроводы прокладывают под землей в непроходных и полупроходных каналах, в коллекторах и без каналов. Для сокращения потерь тепла при движении теплоносителя по теплопроводам применяют теплоизоляцию их.

Для управления гидравлическим и тепловым режимами системы теплоснабжения ее автоматизируют, а количество подаваемого тепла регулируют в соответствии с требованиями потребителей. Наибольшее количество тепла расходуется на отопление зданий. Отопительная нагрузка изменяется с изменением наружной температуры. Для поддержания соответствия подачи тепла потребностям в нем применяют центральное регулирование на источниках тепла. Добиться высокого качества теплоснабжения, применяя только центральное регулирование, не удается, поэтому на тепловых пунктах и у потребителей применяют дополнительное автоматическое регулирование. Расход воды на горячее водоснабжение непрерывно изменяется, и для поддержания устойчивого теплоснабжения гидравличесщй режим тепловых сетей автоматически регулируют, а температуру горячей воды поддерживают постоянной и равной 65 ⁰С.

Как уже отмечалось, современные централизованные системы теплоснабжения представляют собой сложный комплекс, включающий источники тепла, тепловые сети с насосными станциями и тепловыми пунктами и абонентские вводы, оснащенные системами автоматического управления. Для обеспечения надежного функционирования таких систем необходимо их иерархическое построение, при котором всю систему расчленяют на ряд уровней, каждый из которых имеет свою задачу, уменьшающуюся по значению от верхнего уровня к нижнему. Верхний иерархический уровень составляют источники тепла, следующий уровень — магистральные тепловые сети с РТП, нижний — распределительные сети с абонентскими вводами потребителей. Источники тепла подают в тепловые сети горячую воду заданной температуры и заданного давления, обеспечивают циркуляцию воды в системе и поддержание в ней должного гидродинамического и статического давления. Они имеют специальные водоподгртовительные установки, где осуществляется химическая очистка и деаэрация воды. По магистральным тепловым сетям транспортируются основные потоки теплоносителя в узлы теплопотребления. В РТП теплоноситель распределяется по районам и в сетях районов поддерживается автономный гидравлический и тепловой режимы. К магистральным тепловым сетям отдельных потребителей присоединять не следует, чтобы не нарушать иерархичности построения системы.

Для надежности теплоснабжения необходимо резервировать основные элементы верхнего иерархического уровня. Источники тепла должны иметь резервные агрегаты, а магистральные тепловые сети должны быть закольцованы с обеспечением необходимой их пропускной способности в аварийных ситуациях.

Распределительные тепловые сети, ТП и абонентские вводы обеспечивают распределение теплоносителя по отдельным потребителям и составляют низший иерархический уровень, который в большинстве случаев не резервируют.

Иерархическое построение систем теплоснабжения обеспечивает их управляемость в процессе эксплуатации.

Тепловые пункты бывают центральные (ЦТП) и индивидуальные (ИТП). От ЦТП предусматривается теплоснабжение нескольких зданий, а от ИТП — одного здания. ЦТП размещают в отдельных одноэтажных зданиях, а ИТП —- в помещении здания. Тепловые пункты обеспечивают подачу необходимого количества тепла в здания для их отопления и вентиляции с автоматическим поддержанием в системах отопления нужных гидравлического и теплового режимов. В теплообменниках ТП подогревают водопроводную воду до 65°С, а затем подают ее в жилые и общественные здания для горячего водоснабжения. Температура горячей воды регулируется автоматически.

Выше были рассмотрены основные элементы водяных систем теплоснабжения, использующих органическое топливо. В дальнейшем основными источниками для теплоснабжения будут атсумные котельные и атомные ТЭЦ. Использование этих источников приведет к еще большей концентрации тепловых нагрузок, увеличению радиуса действия систем и необходимости решения новых научных и инженерных задач. Наряду с ядерным топливом будут использоваться восстанавливаемые энергоресурсы: геотермальные воды, тепло солнца и воды. Геотермальные воды и сейчас используются для теплоснабжения, но в дальнейшем их удельный вес возрастет. Существенную экономию энергии дает использование для теплоснабжения вторичных энергоресурсов, которые будут находить все более широкое применение.

На рис. 12.2 показана принципиальная тепловая схема коммунальной ТЭЦ с турбинами Т-100-130.

Перегретый пар из парогенератора 1 с параметрами 13 МПа, 565°С поступает в турбину 2, где происходит расширение пара и последовательное преобразование его энергии сначала в кинетическую энергию на лопатках турбины, затем в механическую на валу и, наконец, в электрическую в генераторе 3.

Часть отработавшего в турбине пара с давлением 0,03—0,25 МПа идет через регулируемые теплофикационные отборы на подогрев сетевой воды для теплоснабжения. Остальная часть пара расширяется в части низкого давления турбины до давления 0,004—0,006 МПа и поступает в конденсатор 4, где отдает тепло охлаждающей воде и конденсируется. Образующийся конденсат подается с помощью кон-денсатных насосов 14 в деаэратор 21. В деаэратор поступает также подпиточная вода после химводоочистки 27 для восполнения утечек пара и конденсата из цикла станции и иногда конденсат после теплофикационных подогревателей.

Рис. 12.2. Принципиальная тепловая схема коммунальной ТЭЦ с турбиной Т-100-130 1 — парогенератор; 2 — турбогенератор; 3 — электрогенератор; 4 — конденсатор; 5 — теплофикационный пучок в конденсаторе; 6 и 7 — подогреватели сетевой воды нижней и верхней ступени; 8 — сетевой насос; 9 — пиковый водогрейный котел; 10 — рециркуляционный насос; 11 — регулятор подпитки; 12 — охладитель конденсата; 13 и 14 — конденсатные насосы; 15 и 16 — эжекторный н сальниковый подогреватели; 17—20 — регенеративные подогреватели низкого давления; 21 — станционный деаэратор; 22—24 — регенеративные подогреватели высокого давления; 25 — питательный насос; 26 — конденсатный насос подогревателей низкого давления; 27 — аппараты химводоочисткнд 28 —насосы химводоочистки; 29 — испарительная установка; 30 — подпиточный насос станции) 31 — деаэратор подпитки сетевой воды; 32 — подпиточный насос; ЧВД, ЧСД и ЧНД — части соответственно высокого, среднего и низкого давления турбогенератора

В деаэраторе из питательной воды, поступающей в парогенератор с помощью питательных насосов 25, удаляются вызывающие коррозию газы (О₂, СО₂). Удаление газов из воды производят, как правило, в термических деаэраторах путем продувки их паром различных давлений (от давления атмосферного до давления 0,6—0,7 МПа).

Для повышения КПД ТЭЦ в схеме предусматривается ступенчатый регенеративный подогрев питательной воды, в результате которого происходит выработка части электрической энергии на внутреннем тепловом потреблении. Для этого у турбины имеется ряд нерегулируемых отборов пара различного давления, используемых для подогрева воды в последовательно расположенных (обычно поверхностных) подогревателях 17—20 и 22—24, а также в деаэраторе 21. Подогреватели 17—20, расположенные по ходу движения питательной воды до деаэратора, называют подогревателями низкого давления (ПНД), так как они работают при низком давлении, создаваемом конденсатным насосом 14. Подогреватели 22—24, расположенные после деаэратора, называют подогревателями высокого давления (ПВД), так как они работают при высоком давлении, создаваемом питательным насосом 25. Слив конденсата из подогревателей происходит, как правило, в предыдущие подогреватели вследствие разности давлений между отборами пара (каскадный слив) и затем из ПВД в деаэратор, из нижнего ПНД конденсат подается насосом 26 в питательную линию. В схеме регенеративного подогрева воды перед ПНД устанавливаются обычно эжекторный подогреватель 15 для охлаждения пара, выходящего из эжектора, который создает пониженное давление (вакуум) в конденсаторе турбины (0,004—0,006 МПа), и сальниковый подогреватель 16 для охлаждения выпаров из уплотнений турбин. Конденсат после этих подогревателей направляется в конденсатор.

Подготовка теплоносителя с требуемыми для подачи в тепловую сеть параметрами производится на ТЭЦ по схемам, включающим различное теплофикационное оборудование и приборы для автоматического регулирования, контроля и учета тепла.

При отпуске с ТЭЦ горячей воды для систем теплоснабжения применяют схемы, обеспечивающие ступенчатый подогрев сетевой воды паром из различных отборов турбины, начиная с наиболее низкого по температурному потенциалу и переходя по мере нагрева воды к более высоким. В результате достигается увеличение выработки электроэнергии на тепловом потреблении и повышается энергетическая эффективность ТЭЦ.

Подогрев сетевой воды осуществляется обычно в четырех последовательно соединенных подогревателях: охладителе конденсата 12, двух основных пароводяных поверхностных теплообменниках 6 и 7, обогреваемых паром из нижнего и верхнего теплофикационных отборов турбины с давлениями 0,03—0,2 и 0,06—0,25 МПа, и пикового водогрейного котла 9. Конденсат греющего пара верхнего отбора из основного подогревателя 7 сливается каскадно в подогреватель 6 и затем в охладитель конденсата 12. Из охладителя конденсат самотеком или с помощью насоса 13 отводится в смеситель на основной линии конденсата турбины, в станционный деаэратор или конденсатор.

Основные подогреватели покрывают базисную, а пиковые котлы — пиковую часть тепловой нагрузки. Охладители конденсата покрывают весьма небольшую часть базисной нагрузки, так как предназначаются только для понижения температуры конденсата до 90—95°С для обеспечения устойчивой работы конденсатного насоса. Кроме того, в конденсаторе турбины Т-100-130 имеется встроенный теплофикационный пучок 5, в котором можно подогревать подпиточную воду до 30—35°С или обратную сетевую воду в зимнее время, когда в конденсатор идет только охлаждающий часть низкого давления турбины вентиляционный расход пара. При этом в конденсаторе устанавливается повышенное давление (вследствие уменьшения расхода и давления пара перед отсасывающим эжектором).

Вода в тепловую сеть, как правило, подается двумя группами сетевых насосов 8 для создания большей располагаемой разности давлений в тепловой сети. Сетевые насосы первого подъема устанавливаются на обратной линии тепловой сети, перед подогревателями. Максимальное давление воды за ними определяется допустимым из условия прочности давлением для поверхностных теплообменников (~ 1 МПа), минимальное — из условия предотвращения вскипания подогретой воды перед насосами второго подъема. Сетевые насосы второго подъема устанавливаются после поверхностных теплообменников, а максимальное давление за ними определяется допустимыми давлениями воды в пиковом водогрейном котле и трубопроводах тепловой сети (~ 2 МПа).

У каждого из подогревателей в схеме предусматриваются перемычки для перепуска воды, которые можно использовать для регулирования температуры воды за ними. Кроме того, для пикового водогрейного котла предусматривается рециркуляционная линия с насосом 10 для частичного перепуска горячей воды на вход котлов для нормальной их работы

Подпитка воды в тепловую сеть производится химически очищенной деаэрированной водой, подаваемой подпиточным насосом 32 через регулятор подпитки 11 на всасывание сетевого насоса 8. Деаэрация подпиточной воды производится в отдельном деаэраторе 31. В закрытых системах теплоснабжения применяется обычно атмосферный деаэратор (давление 0,1—0,12 МПа), питаемый паром из нерегулируемого отбора турбин (см. рис. 12.2). В открытых системах теплоснабжения, где величина подпитки значительна, применяется вакуумный деаэратор (давление до 0,07 МПа), имеющий энергетические преимущества по сравнению с атмосферным деаэратором, так как в качестве греющей среды используется отработавший в турбине пар с более низким давлением или сетевая вода из подающей линии теплосети.

Характерными особенностями современных коммунальных ТЭЦ являются:

1. применение теплофикационных турбин на высокие начальные параметры пара (давление 13 и 24 МПа) и единичные мощности (100 и 250 МВт);

2. многоступенчатый регенеративный подогрев конденсата и подпиточной воды в цикле станции паром из нерегулируемых отборов турбин;

3. наличие многоступенчатого подогрева сетевой воды в основных подогревателях паром из нижнего и верхнего регулируемых теплофикационных отборов и в пиковых подогревателях, в качестве которых, как правило, применяются дешевые пиковые водогрейные котлы;

4. наличие конденсатора, позволяющего регулировать выработку электрической энергии при переменных тепловых нагрузках. При этом для охлаждения пара в конденсаторах используются теплофикационные пучки, в которых производится подогрев подпиточной воды или обратной сетевой воды.

2. Классификация потребителей тепла. Сезонные и круглогодичные потребители. Графики сезонного и суточного теплопотребления. Характеристика методов определения расчетных тепловых нагрузок.

Потребителями тепла системы централизованного теплоснабжения •являются:

а) теплоиспользующие санитарно-технические системы зда'няй (системы отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха, горячего водоснабжения) ;

б) различного рода технологические установки, использующие тепло низкого потенциала (до 300—350°С).

По режиму потребления тепла в течение года различают две группы потребителей:

1) сезонные потребители, нуждающиеся в тепле только в холодный гпериод года, с зависимостью расхода тепла в основном от температуры наружного воздуха;

2) круглогодовые потребители, нуждающиеся в тепле весь год, со слабо выраженной в большинстве случаев зависимостью расхода тепла •от температуры наружного воздуха.

К первой группе относятся системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, ко второй — системы горячего водоснабжения и •технологические установки. Если для систем кондиционирования воздуха искусственный холод в теплый период года вырабатывается на основе использования тепловой энергии абсорбционным или эжекторным методами, то такие системы входят во вторую группу.

Потребителей, получающих тепло от централизованной системы теплоснабжения, называют абонентами этой системы, а расходуемое абонентами тепло — тепловой нагрузкой источника тепла.

В зависимости от соотношения и режимов отдельных видов теплопотребления различают три характерные группы абонентов: жилые здания, общественные здания, промышленные здания и сооружения. В последнюю группу входят также сельскохозяйственные производственные здания и комплексы. Для жилых зданий характерны сезонные расходы тепла на отопление и вентиляцию и круглогодовой расход тепла на горячее водоснабжение, В жилых зданиях не устраивают специальной приточной вентиляции — свежий воздух поступает в помещения через форточки окон и неплотности в наружных ограждениях. Подогрев вентиляционного воздуха в этом случае возлагается на систему отопления. Для большинства общественных зданий основное значение имеют сезонные расходы тепла на отопление, вентиляпию и кондиционирование воздуха. У промышленных абонентов, в том числе и сельскохозяйственного направления, обычно имеются все виды теплопотребления количественное соотношение между которыми определяется видом основного производства. Некоторые общественно-коммунальные предприятия, такие, как бани, прачечные и т. п., по характеру теплопотребления следует рассматривать как производственные объекты.

Потребность абонентов в тепле не остается постоянной. Расходы тепла на отопление и вентиляцию изменяются в зависимости от температуры наружного воздуха, на горячее водоснабжение — в зависимости от режима потребления горячей воды населением (при отсутствии у абонентов аккумуляторов горячей воды), в технологических установках — в зависимости от режима работы теплоиспользующего оборудования.

Определяющими для проектирования и расчета централизованного теплоснабжения являются максимальные часовые (расчетные) расходы тепла по отдельным видам теплопотребления и суммарные часовые расходы тепла по абоненту в целом с учетом несовпадения часовых максимумов расходов тепла по отдельным видам теплопотребления.

Для определения потребности в тепле абонентов системы централизованного теплоснабжения используют приближенные методы, в основе которых лежат укрупненные показатели. Степень укрупнения таких, показателей может быть различной. Например, по селитебной зоне города удельные расчетные расходы тепла на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение (на.одного жителя, на 1 м² жилой площади и т. п.) относят или ко всей зоне в целом, или к ее отдельным территориально - структурным единицам: микрорайону, жилому району, общественному центру и т. п. Соотношение жилых и общественных зданий в таких структурных единицах города обычно бывает различным, вследствие чего для них оказываются различными и значения удельных показателей расходов тепла.

Из укрупненных показателей расходов тепла наименьшей степенью укрупнения, а следовательно, и наибольшей точностью обладают показатели по отдельным зданиям. На основе таких показателей и определяются в дальнейшем все иные показатели с большей степенью укрупнения.

На фазных стадиях проектирования системы теплоснабжения в зависимости от необходимой точности исходных данных пользуются показателями разной степени укрупнения. И лишь на самой поздней стадии проектирования, когда переходят к расчету мелких (квартальных, микрорайонных) тепловых сетей, расходы тепла определяют более точно: для новых объектов —по соответствующим типовым или индивидуальным проектам, для существующих объектов — по матеоиалам инвентаризации.