3 лекция режимы регулирования СТС

РЕЖИМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

МЕТОДЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ

Тепловая нагрузка абонентов непосто­янна. Она изменяется в зависимости от ме­теорологических условий (температуры на­ружного воздуха, скорости ветра, инсоля­ции), режима расхода воды на горячее водо­снабжение, режима работы технологиче­ского оборудования и других факторов. Для обеспечения высокого качества теплоснаб­жения, а также экономичных режимов вы­работки теплоты на ТЭЦ или в котельных и транспортировки ее по тепловым сетям вы­бирается соответствующий метод регу­лирования.

В зависимости от пункта осуществления регулирования различают центральное, групповое, местное и индивидуальное ре­гулирование. Центральное регулирование выполняется на ТЭЦ или в котельной; групповое — на групповых тепловых подстан­циях (ГТП); местное — на местных тепло­вых подстанциях (МТП), называемых часто абонентскими вводами; индивидуальное — непосредственно на теплопотребляющих приборах. В большинстве случаев тепловая нагрузка в районе разнородна. В одном и том же районе и даже на одном и том же абонентском вводе к тепловой сети присое­диняется разнородная тепловая нагрузка, например: отопление и горячее водоснаб­жение; отопление, вентиляция и горячее во­доснабжение и т.д. Кроме того, в крупных городах с протяженными тепловыми сетя­ми абоненты, расположенные на разном расстоянии от ТЭЦ, из-за транспортного запаздывания теплоносителя находятся в неодинаковых условиях.

Для обеспечения высокой экономичнос­ти теплоснабжения следует применять ком­бинированное регулирование, которое долж­но являться рациональным сочетанием, по крайней мере, трех ступеней регулирова­ния — центрального, группового или мест­ного и индивидуального.

Эффективное регулирование может быть достигнуто только с помощью соответствующих систем автоматического регу­лирования (САР), а не вручную, как это имело место в начальный период развития централизованного теплоснабжения.

Центральное регулирование ведется по типовой тепловой нагрузке, характерной для большинства абонентов района. Такой нагрузкой может быть как один вид на­грузки, например отопление, так и два раз­ных вида при определенном их количествен­ном соотношении, например отопление и горячее водоснабжение при заданном от­ношении расчетных значений этих нагрузок.

В 1970—1980 гг. нашло широкое приме­нение центральное регулирование по со­вмещенной нагрузке — отопления и горяче­го водоснабжения, так как эти нагрузки яв­ляются основными в современных городах и при рассматриваемом методе регулирова­ния можно удовлетворять нагрузку горяче­го водоснабжения без дополнительного увеличения или с незначительным увеличе­нием расчетного расхода воды в сети по сравнению с расчетным расходом воды на отопление. Снижение расчетного расхо­да воды в сети приводит к уменьшению диаметров трубопроводов тепловых сетей, а следовательно, и к снижению начальных затрат на их сооружение.

Как при групповом, так и при местном регулировании используются САР, управ­ляющие подачей теплоты в группы одно­типных теплопотребляющих установок или приборов. При таком решении значительно сокращается количество устанавливаемых авторегуляторов, однако подача теплоты проводится по усредненному параметру для каждого вида тепловой нагрузки, изме­ряемому в одной или нескольких контроль­ных точках установки. При наличии в мест­ной системе разрегулировки нарушается требуемый температурный режим в отдель­ных точках, хотя среднее значение регули­руемого параметра в контрольной точке системы при этом выдерживается. Для обеспечения высокого качества и эконо­мичности теплоснабжения необходима тщательная начальная регулировка або­нентской установки, обеспечивающая пра­вильное распределение теплоносителя по отдельным приборам местной системы.

Основное количество теплоты в або­нентских системах расходуется для нагре­вательных целей, поэтому тепловая нагруз­ка зависит в первую очередь от режима теп­лоотдачи нагревательных приборов. Нагре­вательные приборы абонентских установок весьма разнообразны по своему характеру, конструкции и техническому оформлению: это отопительные приборы, отдающие теп­лоту воздуху излучением и свободной кон­векцией; вентиляционные калориферы, на­гревающие воздух, движущийся с большой скоростью вдоль поверхности нагрева; раз­личные технологические аппараты, в кото­рых пар или вода нагревают вторичный агент. Несмотря на все многообразие, теп­лоотдача всех видов нагревательных прибо­ров может быть описана общим уравнением

где Q — количество теплоты, отданное за время; kF— произведение коэффициента теплопередачи нагревательных приборов на их поверхность нагрева; t — средняя разность температур между греющей и на­греваемой средой; W_n — эквивалент расхо­да первичной (греющей) среды; t₁ и t₂ — температуры первичной (греющей) среды на входе в нагревательный прибор и на вы­ходе из него.

Средняя разность температур может быть представлена в первом приближении как разность между среднеарифметически­ми температурами греющей и нагреваемой среды:

_c

где t_ср - средняя температура нагреваемой среды; t₂, t₁ — температуры вторичной (нагреваемой) среды на входе в нагреватель­ный прибор и на выходе из него.

Как следует из уравнений (4.1) и (4.2),

Из совместного решения находим

Как видно, тепловая нагрузка принципиально может регулироваться за счет изменения пяти параметров: коэффи­циента теплопередачи нагревательных при­боров k, площади включенной поверхности нагрева F, температуры греющего теплоно­сителя на входе в прибор ₁, эквивалента расхода греющего теплоносителя W_n, вре­мени работы прибора п.

Для центрального регулирования из этих пяти параметров практически можно использовать только ₁ и W_n. При этом не­обходимо учитывать, что возможный диа­пазон изменения ₁, и W_n в реальных усло­виях ограничен рядом обстоятельств.

При разнородной тепловой нагрузке нижним пределом ₁ является обычно тем­пература, требуемая для горячего водо­снабжения (обычно 60 °С). Верхний предел ₁ определяется допустимым давлением в подающей линии тепловой сети из усло­вия невскипания воды. Верхний предел W_n определяется располагаемым напором на ГТП или МТП и гидравлическим сопротив­лением абонентских установок. Что же ка­сается параметров k, F и п, то ими можно пользоваться для изменения расхода тепло­ты, как правило, только при местном регу­лировании.

Если теплоносителем служит насыщен­ный пар, то, уравнение принимает вид

где  — температура конденсации пара, °С.

Основной метод регулирования тепло­вой нагрузки нагревательных приборов при использовании пара заключается в измене­нии температуры конденсации посредством дросселирования или же в изменении вре­мени работы прибора, т.е. работа так на­зываемыми «пропусками». Оба метода ре­гулирования являются местными.

В водяных системах централизованного теплоснабжения (СЦТ) принципиально воз­можно использовать три метода централь­ного регулирования:

1) качественный, заключающийся в ре­гулировании отпуска теплоты за счет изме­нения температуры теплоносителя на входе в прибор при сохранении постоянным коли­чества (расхода) теплоносителя, подавае­мого в регулируемую установку;

2) количественный, заключающийся в регулировании отпуска теплоты путем из­менения расхода теплоносителя при посто­янной температуре его на входе в регули­руемую установку;

3) качественно-количественный, заклю­чающийся в регулировании отпуска тепло­ты посредством одновременного изменения расхода G_n(W_n) и температуры теплоно­сителя _1.

При автоматизации абонентских вводов основное применение в городах получило центральное качественное регулирование, дополняемое на ГТП или МТП количест­венным регулированием или регулирова­ние пропусками.

Качественная работа отопительных ус­тановок жилых и общественных зданий при применении количественного регулирова­ния или регулирования пропусками воз­можна только при присоединении этих ус­тановок к тепловой сети по независимой схеме или по зависимой схеме со смеси­тельным насосом, так как только при этих схемах присое­динения в местных отопительных установ­ках может поддерживаться расчетный рас­ход воды независимо от ее расхода из тепло­вой сети.

При присоединении отопительных уста­новок к тепловой сети по зависимой схеме с элеватором без дополнительного смеси­тельного насоса снижение расхода сетевой воды вызывает пропорциональное измене­ние ее расхода в местной системе. При уменьшении расхода воды в отопительной установке увеличивается перепад темпера­тур воды в отопительных приборах и воз­растает гравитационный перепад, что при­водит к вертикальной разрегулировке ото­пительных систем. Это обстоятельство ог­раничивает использование количественно­го регулирования в двухтрубных отопи­тельных установках жилых зданий, имею­щих, как правило, значительную высоту и небольшую потерю напора при расчетном расходе воды.

Разрегулировка в отопительных уста­новках возникает также при регулировании пропусками, так как при периодических вы­ключениях и включениях циркуляции ото­пительные приборы, находящиеся на раз­личном расстоянии от узла регулирования, находятся в неодинаковых условиях.

При теплоснабжении от ТЭЦ комбини­рованная выработка электрической энергии при центральном качественном регулирова­нии больше, чем при других методах цен­трального регулирования. Центральное ко­личественное регулирование уступает каче­ственному в отношении стабильности теп­лового режима отопительных установок, присоединенных к тепловой сети по зависи­мой схеме с элеваторным смешением без установки дополнительного смесительного насоса. Вследствие переменного расхода воды в сети расход электроэнергии на перекачку при количественном регулировании меньше, чем при качественном.

Центральное регулирование отпуска те­плоты принципиально может осуществ­ляться как при непрерывной, так и при пе­риодической подаче теплоты абонентам — «пропусками». В последнем случае увязка графиков подачи и использования теплоты осуществляется с помощью различных теплоаккумулирующих установок.

ТЕПЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ И УСТАНОВОК

Оборудование абонентских установок состоит из различного рода теплообменных аппаратов, нагревательных приборов, водо-водяных подогревателей, калориферов и т.п.

Расчет регулирования современных сис­тем централизованного теплоснабжения проводится по уравнениям, описывающим работу различного типа теплообменных ап­паратов в нерасчетных условиях. В таких условиях обычно известны только темпера­туры теплоносителей на входе в теплоиспользующие установки и неизвестны температуры теплоносителей на выходе из них.

Поэтому уравнение теп­ловой нагрузки теплообменных аппаратов в форме Q = kFt неудобно для расчета ре­жимов регулирования, так как заранее неиз­вестно значение t, которое в этом случае приходится определять методом последова­тельных приближений.

Расчет регулирования проводится при использовании тепловых характеристик теплообменных аппаратов.

Тепловая нагрузка всех видов конвек­тивных теплообменных аппаратов может быть определена по уравнению характери­стики

где  — коэффициент эффективности теплообменного аппарата или удельная тепловая нагрузка на еди­ницу меньшего эквивалента расхода W_M и на 1°С максимальной разности температур , или; W_M = (Gc)_M — меньшее значение эквивалента расхода теплообменивающихся сред, Дж/(с·К); G — расход теплоносителя, кг/с или кг/ч; с — теплоемкость теплоно­сителя, Дж/(кг • К);  = ₁ — t₂ — максимальная разность темпе­ратур между греющим и нагреваемым теп­лоносителями, т.е. разность температур греющего и нагреваемого теплоносителей на входе в аппарат, °С; ₁ — температура греющего теплоносителя; t₂ — температу­ра нагреваемого теплоносителя; индекс 1 соответствует «горячему концу» теплоно­сителя, т.е. греющему на входе в аппарат и нагреваемому на выходе из него; индекс 2 — «холодному концу» теплоносителя, т.е. греющему на выходе из аппарата и нагре­ваемому на входе в него.

При использовании наиболее простых схем теплообменных аппаратов, когда движение теплообменивающихся сред происходит по принци­пу противотока или прямотока, эти уравнения имеют следующий вид:

противоточный аппарат

прямоточный аппарат

где  = kF/W_M — режимный коэффициент; kF— произведение коэффициента теплопередачи теп­лообменного аппарата на площадь его поверхно­сти нагрева; W_м, W_б — меньшее и большее зна­чения эквивалентов расхода теплообменивающихся сред; е = 2,718 — основание натуральных логарифмов.

Рис. 1. Изменение температуры теплоносителей в противоточных и прямоточных аппаратах

а, б — противоточные аппараты; в, г — прямоточные аппараты; W_n — эквивалент расхода первичного (грею­щего) теплоносителя; W_K — эквивалент расхода вторичного (нагреваемого) теплоносителя

При всех практически применяющихся схемах движения теплоно­сителей в теплообменных аппаратах может быть использована за­висимость между температурой греющей и нагреваемой среды:

где t — средняя разность температур меж­ду греющей и нагреваемой средами, °С; t— перепад температур теплоносителя в теплообменном аппарате, °С; для греющего теплоносителя t=₁ -₂, для нагреваемо­го t=t₁ -t₂; индекс «б» соответствует большему перепаду температур теплоносителя, индекс «м» — меньшему; а и b — постоян­ные коэффициенты, зависящие от схемы движения теплоносителя в теплообменнике.

При всех схемах значение коэффициента b по­стоянно и равно 0,65.

Зна­чения коэффициента а для рассматривае­мых схем движения теплоносителей:

Противоток (см. рис. 4.2, а и б)................ 0,35

Перекрестный ток (см. рис. 4.3, а и б)...... 0,425

То же (см. рис. 4.3, в)................................. 0,5

То же (см. рис. 4.3, г нд)........................... 0,55

Прямоток (см. рис. 4.2, в и г).................... 0,65

При использовании данной линейной зависимости для сред­ней разности температур уравнение для расчета коэффициента эффективности име­ет вид

где * — коэффициент эффективности теплооб-менного аппарата с бесконечно большой поверхностью нагрева (F —).

При противотоке, а также в тех случаях, когда в процессе теплообмена изменяется фазовое состояние одного или обоих тепло­носителей (конденсация, кипение), е* = 1;

1 при прямотоке

Когда в процессе теплообмена имеет ме­сто изменение фазового состояния одного из теплоносителей (пароводяные подогреватели, паровоздушные калориферы, испа­рители с водяным обогревом и др.), т.е. ко­гда w_б =  коэффициент эффективности определяется

Если в процессе теплообмена меняется фазовое состояние обоих теплоносителей, т.е. когда W₆ = W_M =  уравнение характе­ристики принимает вид

Если учитывать режим работы смесительного узла присоединения к тепловой сети , то коэффициент эффективности установки определяется

где и — коэффициент смешения в узле при­соединения;  = k₀F/ W₀ — режимный коэф­фициент; k₀F— произведение коэффициен­та теплопередачи нагревательных приборов установки на площадь их поверхности нагрева ; W₀ — эквивалент расхода сетевой воды, поступающей в узел присоединения отопительной установки.

При отсутствии сме­сительного устройства в узле присоедине­ния отопительной установки, т.е. при и = О коэффициент эффективности

Для упрощения расчетов режимов регулирования режимный коэффициент определяется расчетным или опытным путем только для одного произвольно выбранного режима работы аппарата, который называется основным. При расчете водо-водяных подогревателей режимный коэффициент  определяется по формуле

где Ф — параметр водо-водяного подогре­вателя, для данного подогревателя величи­на практически постоянная,

Как показали проведенные исследова­ния, значение параметра секционных водо-водяных подогревателей прямо пропорцио­нально их длине:

где Ф_у — удельный параметр, отнесенный к единице длины подогревателя; / — длина подогревателя, м.

Удельный параметр Ф зависит в основ­ном от отношения площадей сечений труб­ного и межтрубного пространств и практи­чески не зависит от удельной площади по­верхности нагрева, приходящейся на еди­ницу длины подогревателя, т.е. от номера или диаметра корпуса подогревателя. Пара­метр подогревателя остается практически постоянным в широком диапазоне измене­ния W_б и W_м.

Для всех типоразмеров секционных водо-водяных подогревателейможно практически принимать одно и то же значение удельного параметра Ф = 0,1 1/м при чистой поверх­ности нагрева, т.е. при отсутствии на ней накипи и загрязнений.

Можно также принимать для всех типо­размеров пластинчатых подогревателей практиче­ски одно и то же значение удельного пара­метра одного канала Ф_у = 1 1/м.

Формула для расчета коэффициента эффективности противоточных водо-водяных подогре­вателей

10