2. Методы определения потребности промышленных и жилищно-коммунальных предприятий в паре и горячей воде

2.1. Тепловые нагрузки

Тепловая нагрузка по характеру протекания во времени условно делится на сезонную и круглогодичную. Изменения сезонной нагрузки зависят от климатических условий: в первую очередь, от температуры наружного воздуха, далее от направления и скорости ветра, солнечного излучения и т.п.

Сезонная нагрузка имеет в основном постоянный суточный график и переменный годовой график. К сезонной тепловой нагрузке относятся отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха.

К круглогодичной нагрузке относятся технологическая нагрузка и горячее водоснабжение. График технологической нагрузки зависит от отраслевой принадлежности промышленных предприятий и режима их работы, а график нагрузки горячего водоснабжения – от благоустройства жилых зданий, распорядка рабочего дня населения и режима работы коммунальных предприятий. Суточный график технологической нагрузки имеет переменный характер, а годовой слабо зависит от времени года.

Расчет тепловой нагрузки на технологию можно производить на основе укрупненных показателей в том случае, когда отсутствуют данные о расчетных расходах теплоты, основанных на проектах теплопотребляющих установок и на отраслевых стандартах (табл.П.7).

Жилые, общественные и производственные здания в холодный период года, когда температура наружного воздуха становится ниже температуры воздуха внутри помещения, теряют теплоту через наружные ограждения зданий Q_т и на нагрев инфильтрирующего воздуха Q_и. В то же время в здания поступает теплота от отопительных систем Q_о, теплота, выделяемая технологическими аппаратами и машинами, людьми, осветительными приборами и т.п., так называемые тепловыделения Q_тв. Поддержание необходимых значений температур воздуха внутри зданий будет только в том случае, если суммарные теплопотери (Q_т+Q_и) будут полностью компенсироваться суммарными теплопритоками (Q_тв+Q_о):

. (2.1)

Суммарные теплопотери здания в основном зависят от теплопотерь через ограждения; используя коэффициент инфильтрации m, равный m = Q_и / Q_т , получают

Q = Q_т (1 + m). (2.2)

Для жилых и общественных зданий максимальное значение коэффициента инфильтрации составляет 3¸5 %, что находится в пределах погрешности расчета теплопотерь. Поэтому для учета инфильтрации значение удельных теплопотерь обычно принимают с небольшим запасом. Теплопотери инфильтрацией промышленных зданий составляют 25-30 % теплопотерь через наружные ограждения.

Максимальные тепловые потоки на отопление Q^max_o, вентиляцию Q^max_в и горячее водоснабжение Q^max_г жилых, общественных и производственных зданий принимают при проектировании тепловых сетей по соответствующим проектам.

2.1.1. Тепловая нагрузка на технологию

Расход теплоты на технологические процессы весьма разнообразен по температурам и давлениям и задается технологами в зависимости от регламента производства.

Суточные графики производственного потребления теплоты сильно зависят от коэффициента сменности работы предприятия и величины удельных расходов тепловой и электрической энергии на единицу продукции. Для каждого потребителя определяют необходимые расходы теплоты по часам суток, причем потребителей объединяют в группы с одинаковыми параметрами теплоносителя. Графики потребления суммируются отдельно для каждой группы потребителей, например отдельно суммируются графики потребителей пара из каждого отбора турбины и потребителей пара из котельной ТЭЦ.

Рис.2.1. Суточные графики потребления технологического пара

Рассмотрение графиков расхода теплоты на технологические процессы (рис. 2.1 и 2.2) показывает, что для них характерно устойчивое соотношение коэффициентов заполнения месячного и годового графиков нагрузки, причем величина произведения этих коэффициентов обычно находится в пределах 0,85¸ё0,95.

Годовое число часов максимума тепловой технологической нагрузки предприятия определяется из выражения , (2.3)

где n – число дней работы предприятия за год;

k – коэффициент заполнения максимального суточного графика (отношение средней часовой ординаты суточного графика к его максимальной ординате).

Рис.2.2. Годовой график потребления технологического пара

Годовое число часов использования максимума n^max_т в различных отраслях промышленности составляет, ч:

- целлюлозно-бумажная 6000¸ё6500

- текстильная 5000¸ё5500

- машиностроение 6000

- химическая 6500¸ё7000

- пищевая 4000¸ё5500.

Расчетная технологическая нагрузка с учетом потерь в тепловых сетях определяется по формуле, кВт (МВт) и ГДж/ч,

Q^р_п = D^р_п [h_п - b_к (h_к - h_х) - h_х] (1 + q_п) , (2.4)

где h_п, h_к, h_х – этальпии технологического пара, обратного конденсата и холодной воды зимой (температура и давление холодной воды зимой соответственно 5^оС и 0,4 МПа), кДж/кг;

q_п – доля тепловых потерь в паровых сетях (принимается в пределах от 0,04 до 0,6);

b_к – доля возврата конденсата.

Годовой отпуск теплоты технологическим потребителям, ГДж,

Q^г_п = Q^р_п n_п . (2.5)

Годовой график технологических нагрузок строится в виде ступенчатой линии или столбчатой диаграммы, а высота каждой ступеньки или столбца соответствует средней нагрузке за рассматриваемый i-й месяц, определяемой по формуле

, (2.6)

где – относительная величина средней технологической нагрузки месяца i ;

– сумма относительных величин средних технологических нагрузок по месяцам за год .

Расход теплоты на технологические процессы составляет основную долю теплового баланса предприятия. Так, для химической и целлюлозно-бумажной промышленности соотношение расходов теплоты в процентах от годового потребления примерно характеризуется цифрами, %:

– технологическая нагрузка 70¸ё75

– отопление 15¸ё17

– вентиляция 13¸ё6,5

– горячее водоснабжение на бытовые нужды 2¸ё1,5 .

Для осуществления технологических процессов в промышленности используется водяной пар с давлением (0,3¸ё1,5) МПа. Пар низкого давления (0,3¸ё0,6) МПа широко применяется для нагрева воды, жидкого топлива и продуктов технологии в поверхностных рекуперативных теплообменниках. Пар более высокого давления используется в технологических нагревательных аппаратах. В указанных подогревателях происходит конденсация пара при температуре насыщения, соответствующей давлению пара, чем и обеспечивается нужный температурный режим аппарата (до 200 °°С). В этих аппаратах пар имеет большое преимущество по сравнению с водой в качестве греющего теплоносителя. Оно определяется в основном большим коэффициентом теплопередачи от конденсирующегося пара через стенку труб к подогреваемой среде в пароводяных теплообменниках, равным (2900¸ё3500) Вт/(м^2×К) вместо (1500¸ё1800) Вт/(м^2×К) в водо-водяных. В связи с этим уменьшаются поверхности нагрева теплообменных аппаратов.

Кроме того, пар давлением 1-4 МПа используется в качестве рабочего тела для совершения работ машинами в различных технологических целях.

Транспорт водяного пара от источника теплоты (ТЭЦ, котельная) до потребителя осуществляется по паропроводам, прокладываемым по надземным эстакадам или в подземных каналах проходного и непроходного типов.

Конденсат пара должен возвращаться от потребителя к теплоисточнику. Конденсатопроводы обычно прокладываются в тех же конструкциях, что паропроводы.

Транспорт теплоты в виде пара является относительно дорогим по сравнению с транспортом горячей воды, и ему присущи следующие недостатки. Это, во-первых, ограниченность допустимого расстояния (8-10 км) транспорта пара из-за больших потерь давления и теплоты в окружающую среду. Во-вторых, сложность эксплуатации протяженных паропроводов, вызванная дренажом паропроводов по трассе, сооружением и эксплуатацией системы сбора и перекачки конденсата (конденсатоотводчики, конденсатные баки и насосы).

Рабочие параметры пара, отпускаемого потребителям, принимаются исходя из давления пара, требуемого производству, потерь давления и теплоты на трассе паропроводов.

Технологический пар с промышленной ТЭЦ может отпускаться тремя способами: непосредственно из отбора или противодавления турбины, от котла через РОУ и через паропреобразователи. Первый способ наиболее распространен. Давление отбираемого пара регулируется, величина его определяется требующимся давлением у потребителя и сопротивлением паропровода. Второй способ – отпуск редуцированного острого пара через РОУ. Он применяется при недостатке отбираемого пара из турбины или при останове турбины с отбором пара. Отпуск пара через РОУ неэкономичен, он применяется только в исключительных случаях. Система сбора конденсата, состоящая из конденсатоотводчиков, бака, насоса и трубопроводов, позволяет возвращать конденсат на ТЭЦ.

На промышленных ТЭЦ, где невозможно экономично возместить большие потери конденсата от внешних потребителей пара, нашли применение паропреобразователи, вторичный пар которых направляется к тепловым потребителям. Обычно это применяется при повышенном солесодержании исходной сырой воды на станциях высокого давления. Недостатком такой схемы является дополнительная затрата на паропреобразовательную установку и удорожание стоимости ТЭЦ.

2.1.2. Тепловые нагрузки на отопление, вентиляцию

и горячее водоснабжение

Тепловые потоки при отсутствии проектов отопления, вентиляции и горячего водоснабжения зданий для жилых районов определяются по следующим формулам, Вт [1]:

а) на отопление жилых и общественных зданий

Q^max_o = q_oA(1+k₁); (2.7)

б) на вентиляцию Q^max_в = k₁k₂ q_oA; (2.8)

в) на горячее водоснабжение

Q^max_г = 2,4 Q ^пр_г =2,4q_г × m , (2.9)

где q_o – укрупненный показатель максимального теплового потока на отопление жилых зданий на 1 м² общей площади, Вт (табл.П2);

A – общая площадь жилых зданий, м²;

q_г – укрупненный показатель среднего теплового потока на горячее водоснабжение на одного человека, Вт;

k₁ – коэффициент, учитывающий тепловой поток на отопление общественных зданий, принимается k_{1 »}» 0,25;

k₂ – коэффициент, учитывающий тепловой поток на вентиляцию общественных зданий, принимается для зданий постройки до 1985 г. – 0,4, после 1985 г. – 0.6;

m – число человек.

Q^ср_г можно определить и по другой формуле

,

где Q^cр_г – средний тепловой поток;

а – норма расхода воды на горячее водоснабжение при 55^оС на одного человека в сутки (табл.П4);

b =25 л/cут на 1 чел. – норма расхода воды на горячее водоснабжение, потребляемой в общественных зданиях при 55^о С;

с = 4,187 кДж/(кг×^оС) – удельная теплоемкость воды;

t _w– температура водопроводной воды в отопительный период; t _w= 5^о С.

При определении расхода теплоты на отопление и вентиляцию исходят из расчетного значения наружной температуры для отопления t_но, равной средней температуре наиболее холодных пятидневок, взятых из восьми наиболее холодных зим за 50-летний период.

Расчетный расход на отопление промышленных зданий при отсутствии проектов можно ориентировочно определить на основании уравнения теплового баланса отапливаемых зданий при расчетной температуре наружного воздуха для проектирования систем отопления

Q_ор = (1+m)×q_о V(t_в.р.-t_нор) , (2.10)

где m – коэффициент инфильтрации;

q_о – удельная теплопотеря здания (для производственных зданий),

q_{o »}» 0,46¸ё0,85 Вт/(м^{3× о}С) (табл.П3);

V – строительный объем отапливаемого здания, м³;

t_в.р – расчетная температура воздуха внутри отапливаемых помещений (для промышленных зданий t_в=16 °°С, для жилых t_в=18 °°С);

t_нор – расчетная температура наружного воздуха для проектирования систем отопления (для г. Иваново t_нор= - 29 °°С).

Текущий расход теплоты на отопление при любой температуре наружного воздуха определяется по формуле

. (2.11)

Для производственных зданий с переменным температурным режимом, технологический процесс в которых ведется в одну или две смены и с выходными днями, а также для зрелищных и торговых зданий, в которых люди находятся только часть суток, расход теплоты на отопление определяют раздельно для рабочего и нерабочего времени. В нерабочее время в этих помещениях включают так называемое дежурное отопление, которое поддерживает в них температуру не ниже 5 ^оС. Обычно в помещении цеха смонтирована одна система отопления, а переход от рабочего к дежурному режиму ее работы осуществляют выключением определенной части отопительных приборов, и наоборот.

Ориентировочный расход теплоты, Вт, на вентиляцию можно определить по формуле [3]

Q_вр = m×V_в×с_в× (t_вп-t_н), (2.12)

где m – кратность воздухообмена;

V_в – вентилируемый объем здания, м³;

с_в – объемная теплоемкость воздуха; c_в = 1260 Дж/(м^3×К);

t_вп – температура нагретого воздуха, поддерживаемого в помещении, ^оС;

t_н – температура наружного воздуха, ^оС.

Кратность воздухообмена зависит от вредных выделений, загрязняющих воздух, и принимается согласно нормам. Для промышленных зданий при ориентировочных расчетах принимают m »1¸ё2 в зависимости от количества вредных примесей.

Расчетный расход теплоты на вентиляцию промышленных зданий можно проводить также по удельным характеристикам:

, (2.13)

где q_в – удельный расход теплоты на вентиляцию, т.е. расход теплоты на 1 м³ вентилируемого здания по наружному обмеру на 1 ^оС разности между внутренней температурой и расчетной температурой наружного воздуха для проектирования вентиляции (табл.П3); для промышленных цехов с большим выделением вредностей t_{н. вр} принимается равной t_нор;

V – наружный объем вентилируемого здания, м³;

t_вр – расчетная внутренняя температура, °°С, принимается для промышленных зданий по отраслевым нормам;

t_н.вр – расчетная температура наружного воздуха для проектирования систем вентиляции, °°С.

Текущий расход теплоты на вентиляцию

. (2.14)

Для определения расхода топлива, разработки режимов работы оборудования и графиков его ремонта, загрузки и графика работы обслуживающего персонала необходимо знать годовой расход теплоты на теплоснабжение, распределение его по сезонам и по отдельным месяцам (табл.П5-П6). Годовой расход теплоты потребителями определяется по формуле

Q^год = Q^год_о + Q^год_в + Q^год_г + Q^год_т , (2.15)

где Q^год_о, Q^год_в, Q^год_г , Q^год_т – годовые расходы теплоты на отопление, вентиляцию, горячее водоснабжение, технологию соответственно.

Годовой расход теплоты на отопление

, (2.16)

где Q^ср_о - средний расход теплоты за отопительный период, Вт или кДж/ч;

n_о – продолжительность отопительного периода, с/год или ч/год (табл.П8- П9);

n_д – длительность работы дежурного отопления;

t_в.д – температура воздуха внутри здания при работе дежурного отопления, °°С.

Средний расход теплоты за отопительный период

, (2.17)

где t_н^со.о – средняя температура наружного воздуха за период работы отопления.

Годовой расход теплоты на вентиляцию определяется по формуле

, (2.18)

где Q_в – расчетный расход теплоты на вентиляцию, Вт или кДж/ч;

n_в – продолжительность отопительного периода с температурой наружного воздуха t_н<t_н.в (при t_н.в= t_нo, n_в=0);

n^в_д – длительность отопительного периода, когда вентиляция не работает;

t_н^ср.в – средняя температура наружного воздуха в интервале от начала отопительного периода t_н= t_нк до t_н= t_нв.

Годовой расход теплоты на горячее водоснабжение

, (2.19)

где Q^год_г – средненедельный расход теплоты на горячее водоснабжение, кДж/ч;

n_г, n_о – продолжительность работы системы горячего водоснабжения и отопительного периода, обычно

n_г = 30,2 ×10⁶ с/год = 8400 ч/год;

j^л_г – коэффициент снижения часового расхода воды на горячее водоснабжение в летний период, обычно j^л_г = 0,8;

t_г, t_хз, t_хл – температуры горячей воды и холодной водопроводной воды зимой и летом, при отсутствии данных можно принять t_хз = 5 ^оС, t_хл =15 ^оС.

Годовой расход теплоты на технологические нужды определяется на основе данных о режимах работы технологического оборудования.