3334

УДК 620.9

Ф.А. Миляев, студент; В.Ю. Дубанин, к.т.н., доцент

ОСОБЕННОСТИ УЧЕТА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ И ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В СИСТЕМАХ ВОДЯНОГО ТЕПЛОСНАБ-

ЖЕНИЯ

Аннотация: в статье рассматривается алгоритмы и техническая реализация учёта тепловой энергии и теплоносителя в системах водяного теплоснабжения

Ключевые слова: учёт, теплота, теплоснабжение, прибор, энергия

Учёт тепловой энергии и теплоносителя играет важную роль в теплоэнергетике. В самых различных технических сферах деятельности, например, регулирование параметров в различных системах жизнеобеспечения, в технологических процессах, поддержка благоприятных условий для обитания животных, микроорганизмов и т.д. существует необходимость измерения количества теплоты содержащейся либо переносимой водой. Наибольшая потребность в учёте тепла возникает при коммерческих расчётах.

Мерой отданного потребителю количества теплоты является единица массы более нагретого тела, умноженная на разность удельных энтальпий до и после процесса теплообмена соответственно. Важная особенность теплообмена в теплоснабжении заключается в том, что количество теплоты является интегральным параметром.

Измерение тепловой энергии Q , кДж, в общем случае осу-

где G – массовый расход теплоносителя в подающей магистрали, кг/ч; h1 , h2 – удельные энтальпии теплоносителя соответственно

в подающей и обратной магистралях, кДж/кг; T – время проведения измерений, ч.

Поскольку энтальпия является функцией от температуры, для ее измерения достаточно использовать датчики температуры.

В процессе измерения важно обеспечивать как непрерывное измерение массового расхода теплоносителя, который находится в

152

контакте с объектом теплоснабжения, так и синхронное измерение температуры до и после контакта

В зависимости от предназначения прибора учёта могут использоваться различные реализации систем учёта.

На рис. 1 представлена совокупность приборов, используемая для управления технологическим процессом.

Подающий

трубопровод

t1

G

Обратный

трубопровод

Термометр

t2

Логический

вычислитель

Q

Рис. 1. Совокупность приборов для учёта тепловой энергии

При данной схеме количество теплоты получается как результат, полученный на вычислителе. В нем информация о массовом расходе теплоносителя и информация о температуре воды в подающей и обратной магистрали обрабатывается по программе, имеющей в основе уравнение (1). В данной схеме основным условием корректности полученных значений количества теплоты для технологических целей является стабильность характеристик датчиков расхо-

153

да и температуры, что даёт простоту решения вопросов метрологического и нормативного обеспечения измерения количества теплоты.

При измерении количества теплоты в водяных системах теплоснабжения в целях коммерческих расчётов, к реализации систем учёта жёстко регламентируется государственными законами и нормативными документами. По факту это означает, что необходима не совокупность приборов, как в вышеуказанном случае, а теплосчётчик – средство измерений, предназначенное для измерения количества теплоты.

Такие теплосчётчики обязаны обеспечивать измерение с погрешностями, не выходящих за пределы, установленные нормативными документами. Теплосчётчик может быть одноканальным или многоканальным, т.е. иметь либо один, либо несколько измерительных каналов, представляющих собой совокупность электронных средств измерений и вычислителей.

На рис. 2 представлен простейший одноканальный теплосчёт-

чик.

Q,t1,t2

Рис. 2. Одноканальный теплосчётчик

154

Как можно заметить, методика измерения данного теплосчётчика основана на таком условии, при котором количество воды в подающем и обратном трубопроводе считается одинаковым. Данное условие считается справедливым, если в процессе теплоснабжения теплоноситель не расходуется. Такая ситуация характерна в системах теплоснабжения с независимой схемой.

Тем не менее, в большинстве случаев характерна ситуация, когда количество воды в подающем и обратном трубопроводах соответственно отличается друг от друга. Для таких случаев используется многоканальный теплосчётчик. Его отличие от одноканального заключается в том, что дополнительно устанавливается датчик расхода в обратном трубопроводе, а в вычислителе закладывается алгоритм расчёта с учётом потерь тепла с утечками теплоносителя.

Для измерения количества теплоносителя основная масса теплосчётчиков, представленная на рынке приборов, использует методы тахометрического, электромагнитного, ультразвукового, вихревого измерения. Каждый из данных методов имеет свои особенности поверки и точности измерения и используется в зависимости от предъявленных требований к точности и компоновке узла учёта тепловой энергии.

Для измерения температуры обычно используются термоэлектрические преобразователи (термопары), либо специализированные датчики с заданной заводом–изготовителем точностью. Возникающие погрешности могут компенсироваться заданными поправками в вычислителе.

Совершенствование узлов учёта заключается в поиске новых алгоритмов вычисления, позволяющих повысить точность расчёта, а также в снижении погрешностей результатов измерений, полученных от датчиков расхода и температур.

Литература 1. Рябинкин, В.Н. Учет тепловой энергии и теплоносителя. Вы-

пуск 2 / В.Н. Рябинкин. – М.: «Энергосервис», 2004. – 208 с.

Воронежский государственный технический университет

155

УДК 620.93

Д.А. Базыкин, студент; Р.С. Дударев, студент; А.М. Наумов, к.т.н., доцент

ПРИМЕНЕНИЕ ТУРБИН ОРТОГОНАЛЬНОГО ТИПА НА МИНИ–ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ

Аннотация: в статье рассматривается конструкция и особенности применения гидротурбин ортогонального типа в энергетических установках гидроэлектростанций малой мощности

Ключевые слова: гидроэлектростанция, ортогональная турбина, рабочее колесо, лопасть, ротор, напор

Малая гидроэнергетика может внести существенный вклад в надёжное и экологически чистое энергообеспечение потребителей, в частности, не имеющих подключения к общей энергетической сети. Малые, а особенно минигидроэлектростанции (МГЭС и миниГЭС) могут быть быстро, с незначительными финансовыми затратами и минимальными экологическими ущербами сооружены на малых реках [1]. Конструкции таких гидроэлектростанций сильно отличаются друг от друга и зависят от применяемого типа и параметров гидротурбин.

На существующих в настоящее время низконапорных ГЭС и приливных электростанциях (ПЭС) применяются осевые турбины, у которых напорный поток воды движется вдоль оси турбины. Несколько десятилетий эксплуатации и исследований позволили довести конструкцию осевых турбин до высокой степени совершенства, но они дороги и их изготовление возможно лишь на специализированных турбостроительных заводах.

В данное время актуальным является вопрос об использовании наиболее эффективных видов турбинного оборудования. В качестве альтернативы капсульным гидроагрегатам, в последнее время рассматриваются агрегаты с ортогональными турбинами. Простота конструкции ортогональных гидротурбин, низкая материалоёмкость, высокая пропускная способность, возможность отказа от специальных водопропускных сооружений, полная обратимость при изменении направления расхода выводят это колесо в ряд перспективных для проектов будущих ПЭС и миниГЭС [2].

156

В качестве объектов, на которые можно внедрить разработанные мини–ГЭС, являются водохранилища различного целевого назначения, имеющие плотины с соответствующим напорам. Это могут быть плотины на равнинны х реках, водосбросные сооружения, водоёмы–охладители тепловых электростанций, водоочистные сооружениях городов.

Специфика гидротурбин ортогонального типа в том, что рабочее колесо с лопастями размещается в потоке воды так, что ось занимает положение поперёк направления потока. Сами лопасти по форме напоминают профиль крыла самолёта. От набегающего потока воды на профиле возникает подъёмная сила, за счёт которой и происходит вращение такой гидротурбины [3].

Конструкция рабочего колеса ортогональной гидротурбины представлена на рис. 1.

Рис. 1. Конструкция рабочего колеса ортогональной гидротурбины

Горизонтальное расположение ортогонального ротора и простота конструкции позволяют создавать простые и дешёвые установки, для монтажа которых требуется минимальное количество инженерных работ.

157

Вотличие от вертикальных турбин, горизонтальный ротор не нуждается в потоке большой интенсивности и может приводиться в движение даже при слабом течении среды. То есть, нет необходимости искать реки с бурными потоками или сооружать высокие плотины.

Внастоящее время специалисты АО «НИИЭС», найдя оптимальные геометрические очертания турбинной камеры и лопастной системы ортогональной турбины, повысили её КПД до 60–70%. В виду своих конструктивных особенностей ортогональные турбины имеют широкий потенциал для их использования в микро и мини ГЭС (напоры от 1 до 6 м), приливных электростанциях (максимальные приливы до 13 м), волновых морских электростанциях и ветроэнергетических установках.

Ортогональные агрегаты могут эксплуатироваться как с постоянной, так и с переменной частотой вращения, обеспечивающей работу турбины в оптимуме характеристики при изменении напора. Росту выработки при работе с переменной частотой вращения способствуют: увеличение КПД в области средних и низких напоров, увеличение расхода, существенное снижение напора холостого хода.

Характерная особенность ортогональной турбины состоит в том, что лопасти, закреплённые на роторе турбины, имеют крыловидный профиль, обтекание которого потоком среды создаёт подъёмную силу, проекция (тангенциальная составляющая) которой на направление кругового движения лопасти обеспечивает тянущую силу лопасти, причём в рабочем режиме скорость движения лопасти

внесколько раз превышает скорость набегающего на неё потока. Эта особенность делает целесообразным применение ортогональных турбин в низконапорных потоках. Другая особенность этих турбин заключается в том, что при круговом движении лопастей они обтекаются потоком среды, формируемым проточной камерой, в нестационарном режиме с двукратным изменением направления обтекания профиля лопасти за каждый оборот ротора. Эта особенность приводит к тому, что эффективность ортогональной турбины определяется не только конструкцией ротора и лопастей, но и, в значительной степени, конфигурацией проточной камеры [4].

Устройство установки с использованием гидротурбины ортогонального типа представлена на рис. 2.

158

Основные преимущества ортогональной турбины по сравнению с турбинами, которые применяются в микро и мини ГЭС и приливных электростанциях:

–простота и технологичность конструкции ротора ортогональной турбины;

–снижение массы (и, следовательно, стоимости) агрегата до 50 % при одинаковой мощности;

–увеличение на 40 % расхода через гидроузел при холостом режиме работы турбины, что позволяет кардинально сократить размеры водосливной плотины;

–сокращение размера здания электростанции и упрощение конструкции отсасывающей трубы;

–возможность регулирования уровня получаемой энергии.

Литература

1.Бальзанников, М.И. Возобновляемые источники энергии. Аспекты комплексного использования / М.И. Бальзанников, В.В. Елистратов. – Самара: Офорт, 2008. – 329 с.

2.Муравьев, О.А. Методика обоснования параметров и режимов работы ПЭС с ортогональными турбинами / О.А. Муравьев, Д.С. Савченков // Вестник МГСУ. – 2010. – № 4. – С. 405–409.

3.Иванов, М.В. Применение гидротурбин ортогонального типа

вгидроэнергетических установках малой мощности / М.В. Иванов // Вестник СГАСУ. Градоустройство и архитектура. – 2014. – №1. – С.

68–73.

4.Патент RU 2391554 С1, МПК F03B 3/00. Низконапорная ортогональная турбина / Историк Борис Львович (RU), Шполянский Юлий Борисович (RU). – № 2009103828/06; заявлено 05.02.2009; опубл. 10.06.2010; Бюл. №16. – 3 с.

Воронежский государственный технический университет

160