6.11 Тепловые сети.

Для получения одинакового закона изменения расхода воды у всех абонентов необходимо при начальной регулировке сети, которая производится при выключенном ГВС, установить одинаковые напоры в подающей и обратной линиях на всех абонентских вводах, особенно в открытых системах теплоснабжения. Существуют два типа пьезометрических графиков:

• по «горизонтальной дорожке» (рис. 6.11.1)

• по «наклонной дорожке» (рис. 6.11.2)

Все избытки напора при начальной регулировке должны гаситься при начальной регулировке гидравлическими сопротивлениями – регулировочными диафрагмами (шайбами).

При диафрагменной регулировке только по подающей линии (рис.6.11.2) в открытых системах при водоразборе ГВС расход воды в падающем трубопроводе больше, чем в обратном. Так как включаемое сопротивление тем больше, чем ближе абонент к станции, то при водоразборе возрастает потеря давления у ближайших к станции абонентов. В результате имеем разрегулировку вдоль сети.

Рис.6.11.1

Рис. 6.11.2.

Водяные тепловые сети разделяются на магистральные и распределительные. Магистральные тепловые сети с помощью задвижек разделяются на секции длиной 1-3 км. При раскрытии (разрыве) трубопровода место отказа локализуется секционирующими задвижками , благодаря чему уменьшаются потери сетевой воды при авариях сокращаются сроки ремонта. Время для проведения ремонта должно бытьменьше времени, в течении которого внутренняя температура в отапливаемых помещениях при полном отключении отопления не опускается ниже 12 – 14⁰С. Для соблюдения данного условия предусматривают резервирование и блокировка смежных магистралей, кольцевые схемы тепловых сетей.

Задвижки обычно устанавливают в местах присоединения распределительных сетей к магистральным. Распределительные сети должны иметь присоединения к магистрали с обеих сторон секционирующих задвижек (рис. 6.11.3.).

Задвижки должны быть оборудованы электроприводом, иметь телемеханическую связь с центральным диспетчерским пунктом. Это перспектива, так как в настоящее время в большинстве случаев этого нет.

Рис.6.11.3.

1 – магистральная сеть;

2 – распределительная сеть;

3 – задвижка;

4- узловая тепловая камера.

При эксплуатации разветвленных тепловых сетей широко используется пьезометрический график, на котором в конкретном масштабе нанесены рельеф местности, высота присоединенных зданий, напор в сети. По графику легко определить давление и располагаемый напор (разница давлений) в любой точке сети и абонентских системах (рис 6.11.4).

Н_ni, Н_oi - графики полных напоров подающей и обратной линии сети;

Н_н- полный напор, развиваемый сетевым насосом I.

Н₁- располагаемый напор сетевой воды на коллекторе ТЭЦ.

(Н₁= Н_н– δН_т).

δН_т - потеря напора сетевой воды в теплоподготовительной установке;

δНⁿ_1-4, δН^о_1-4 – потеря напора в прямой и обратной линиях;

- располагаемый напор у последнего абонента;

- полный напор в точке К;

- полный напор, развиваемый подпиточным насосомII(обычно 6 м);

- напор после дросселирования регулятором давленияIV;

Z– геодезическая высота оси трубопровода по отношению к плоскости отсчета;

- пьезометрический напор в соответствующих точках отсчета.

Основные требования к режиму давлений:

1. Непревышение допустимых давлений (полных напоров) в оборудовании источника, тепловой сети и абонентских установок. Допустимое избыточное (сверхатмосферное) давление в стальных трубопроводах 1,6÷2,5 МПа, в водогрейных котлах 2,5 МПа.

2. Обеспечение избыточного (сверхатмосферного) давления Н ₀₁ для предупреждения кавитации насосов (сетевых, подпиточных, смесительных и т.д.) и защиты системы теплоснабжения от подсоса воздуха (не менее 0,05 МПа).

3. Обеспечение невскипания сетевой воды при гидродинамическом режиме, т.е. должно поддерживаться давление, превышающее давление насыщенного водяного пара при заданной температуре сетевой воды.

Рис.6.11.4 а

Рис. 6.11.4 б

Схема и пьезометрический график двухтрубной тепловой сети.

В начале расчетов проверяется возможность установления общего статического напора в системе (при отсутствии циркуляции сетевой воды).

Данной проверкой устанавливается наибольший необходимый геодезический напор, исходя из верхних точек наиболее высоко расположенных отопительных установок (у последних должно быть избыточное давление не менее 0,05 МПа). Но тогда может быть недопустимо высокое давление у низко расположенных потребителей. Наиболее слабый элемент системы – чугунные радиаторы, допускающие давление до 0,6 МПа. Это препятствие устраняется применением независимых схем подсоединения для высотных зданий или расположенных на большой или малой геодезической высоте.

Фирма «Ролитерм» (с.Перербург -http://www.politerm.spb.ru.) разработала пакет программZulu для расчетов, настройки и оптимизации систем теплопотребления на основе реальных исходных данных о схемах и параметрах тепловых сетей и потребителей. Данные программы были применены в ряде городов России и показали хорошую эффективность. Опыт внедрения в г. Иваново рассказывает нижеследующая статья:

«Применение программы «Zulu» для наладочных и эксплуатационных теплогидравлических расчетов тепловых сетей города Иваново» Генварев А.А., к.т.н., доцент, Начальник службы режимов МП «ИВГОРТЕПЛОЭНЕРГО»

Теплоснабжение города Иваново осуществляется по открытой схеме от сети централизованного теплоснабжения и местных котельных. К сетям централизованного теплоснабжения в качестве источников подключены несколько ТЭЦ, котельных и насосно-бойлерных. Подпитка сетей осуществляется только на ТЭЦ, и при этом существует ограничение по количеству химочищенной воды на одной из ТЭЦ, что требует транспортировки подпиточной воды от других источников. На сетях установлено несколько насосных подкачивающих станций как на подающей, так и на обратной линиях.

При ограниченной пропускной способности тепловых сетей вопросы наладки гидравлических и тепловых режимов чрезвычайно актуальны.

До 2002 года в МП «Ивгортеплоэнерго» выполнялись только наладочные расчеты по программам, ориентированным на DOS. Естественно, что при этом, ввиду малого объема памяти приходилось использовать методы декомпозиции для разделения сетей на части и дальнейшего их объединения. Кроме этого, для уменьшения размерности сети применялись методы эквивалентирования. Очевидно, что невозможность полного расчета всей сети вызывало большие трудности и требовало высокой квалификации расчетчиков.

Не менее важной являлась и проблема расчета для открытых сетей режимов с максимальным водоразбором из подающей и обратной линии. Эти режимные расчеты необходимо выполнять по результатам наладочного расчета, то есть по известным диаметрам сопел элеваторов и дроссельных шайб. Практически данные расчеты в полном объеме по старым программам не выполнялись ввиду очень большого объема данных и необходимости решения систем тысяч уравнений.

Использование программ теплогидравлических расчетов с буквенно-цифровой кодировкой узлов сети и без связи со схемой приводило к многочисленным ошибкам, которые практически в больших сетях невозможно было найти. Например, повторение наименований узлов приводило к образованию новых контуров или ошибочное включение русского или латинского регистра для одинаковых по написанию букв вызывало разрывы в сети.

В 2002 году МП «Ивгортеплоэнерго» приобрело программу Zulu и к двум отопительным сезонам выполнило наладочные и поверочные расчеты.

Внедрение программы Zulu потребовало большой подготовительной работы по сбору и занесению в базу исходных данных. Уточнению подверглись как схемные вопросы, это длины, диаметры, местные сопротивления участков, так и тепловые нагрузки подключенных зданий, а также состояние прокладки и тепловой изоляции теплопроводов. Данная работа чрезвычайно трудоемка и даже с использованием возможностей копирования, предусмотренных в Zulu, требует много времени. Основную массу исходных данных в МП «Ивгортеплоэнерго» в Zulu перенесли программным способом из текстовых файлов ранее использовавшейся программы теплогидравлических расчетов.

Применение схемы и базы данных в Zulu фактически позволило выполнить паспортизацию как сетей, так и потребителей. Программа по сети установлена во всех подразделениях предприятия, что позволило упорядочить данные и получать достоверную информацию.

Выполнение теплогидравлических расчетов как на перспективу, так и рядовых расчетов на присоединение новых потребителей потребовало выделение отдельного компьютера с локальной версией Zulu, чтобы на сетевом варианте не портить результаты утвержденного теплогидравлического расчета.

Достоинством программы Zulu является и то, что учитывается работа элеватора. Не секрет, что в открытых системах теплоснабжения из-за низкого качества подпиточной воды в домовых системах из-за коррозии и отложений увеличивается сопротивление. Это требует либо увеличения располагаемого перепада, либо уменьшения коэффициента смешения. В 2003 году в МП «Ивгортеплоэнерго» были проанализированы данные обходов тепловой инспекцией тепловых потребителей и определены фактические сопротивления зданий. У четверти зданий сопротивления отопительных систем оказались выше 5 метров водяного столба. Естественно, что выполнение работ по замене систем отопления к началу отопительного сезона всех зданий невозможно. Поэтому на стадии наладочного теплогидравлического расчета для зданий с завышенным сопротивлениям принимались более высокие температуры смеси, то есть уменьшался расчетный коэффициент смешения. Опыт эксплуатации показал, что температурный режим в таких зданиях стал отвечать санитарным нормам, хотя и привел к увеличению циркуляции в сети.

Некоторые трудности на этапе предварительных расчетов перед наладкой вызвало то, что программа требует необходимых перепадов у потребителей, в противном случае расчет не выполняется. Чтобы обойти это, задавался вариант расчета по соплам элеваторов, а сопротивление отопительных систем принималось 0,01-0,1 м. В этом случае расчет обязательно выполняется и по нему можно анализировать потери напора и пропускную способность участков сетей и, что особенно важно, находить ошибки, такие как слишком малые диаметры, слишком большие нагрузки и другие.

К достоинствам программы следует отнести возможность введения компенсации на тепловые потери. Удаленные потребители как правило получают тепло по более низкому температурному графику, это требует компенсации расходом. По таким потребителям опыт показал значительное улучшение режима теплоснабжения.

Опыт эксплуатации программы показал необходимость совершенствования расчета сети в период пуска, когда необходимо по мере подключения потребителей отслеживать параметры. При этом зачастую трудно определить количество подключенных зданий и диаметры установленных на них сопел элеваторов и шайб. Для того, чтобы не создать аварийную ситуацию на источниках, насосных станциях и потребителях, необходимо выполнять укрупненный расчет лишь по магистралям с использованием методов эквивалентирования.

Как показал наш опыт, полный расчет с тепловыми потерями всех подключенных участков и сетей на современных компьютерах длится до часа, что недопустимо по времени для анализа и принятия решения диспетчерской службой. Также во время пускового периода возможен сбор информации по давлениям в узлах. Было бы очень важно в программе реализовать возможность расчета на пропуск, то есть по заданным давлениям у потребителей определять расходы по подключенным участкам, то есть реализовать так называемый «математический расходомер».

Опыт эксплуатации программы Zulu в МП «Ивгортеплоэнерго» в отопительных сезонах 2002-2003 и 2003-2004 г.г. показал улучшение параметров на теплоснабжаемых объектах.

Каф. МСА имеет демонстрационную версию этой системы.

Элементы из которых строится сеть:

Математическая модель сети для проведения теплогидравлических  расчетов представляет собой граф, где дугами, соединяющими узлы, являются участки трубопроводов. Несмотря на то, что на участке может быть и подающий и обратный трубопровод, пользователь изображает участок сети в одну линию. Это внешнее представление сети.

Перед началом расчета внешнее представление сети, в зависимости от типов и режимов элементов, составляющих сеть, преобразуется (кодируется) во внутреннее представление, по которому и проводится расчет.

Вот пример простой сети из одного источника, тепловой камеры и двух потребителей во внешнем и внутреннем представлениях:

На расчетной схеме красным цветом условно обозначены участки подающего трубопровода, синим - обратного, зеленым - участки соединяющие подающий и обратный трубопроводы. Источник изображен участком со стрелкой в кружке. Так будем изображать участки на которых действует устройство, повышающее давление (например, насос).

Подробное описание всех исходных данных каждого элемента сети приведено в методике теплогидравлических расчетов. Здесь мы просто коротко опишем что из себя те «кубики»из которых можно составить тепловую сеть любого размера и сложности.

• Участки

• Простые узлы

• Потребители

• ЦТП

• Обобщенные потребители

• Источник

• Перемычки

• Насосные станции

• Дроссельная шайба

• Регулятор давления

• Регулятор напора

• Регулятор расхода

Участки

Участок изображается одной линией, но может означать несколько состояний, задаваемых разными режимами.

На рисунке изображена цепочка из участков разных режимов в однолинейном изображении и соответствующая ей внутренняя кодировка.

Из рисунка видно, что цепочка участков во внутреннем представлении дважды разорвана по подающему и по обратному трубопроводам.

Сопротивление подающего и обратного трубопровода каждого участка зависит от длины участка, диаметра, зарастания, шероховатости, суммы коэффициентов местных сопротивлений трубопровода. Падение давления на участке пропорционально сопротивлению и квадрату расхода.

Что означают стрелки на участках?Куда потечет вода, в общем случае можно узнать только определив потокораспределение в результате гидравлического расчета. Стрелка при изображении участка формально указывает направление от начала к концу участка, заданное при его вводе (при рисовании). С точки зрения результатов расчета, если значение расхода на участке положительно, то вода в этом участке течет по стрелке, если значение расхода на участке отрицательно, то вода течет против стрелки.

На рисунке изображены две одинаковые схемы. В первой участок вводился слева направо, во второй - справа налево. На участках подписаны полученные при расчете расходы по подающим и обратным трубопроводам. Соответствующие значения расходов на обоих схемах отличаются только знаком, так как отличаются направления ввода участков, но и в первом и во втором случаях вода течет от источника к потребителю по подающему трубопроводу и от потребителя к источнику по обратному.

Простой узел

Простым узлом в модели считается любой узел, чьи свойства специально не оговорены. Простой узел служит только для соединения участков. Такими узлами для модели являются тепловые камеры, ответвления, смены диаметров, смена типа прокладки или типа изоляции и т.д.

Во внутренней кодировке такие узлы превращаются в два узла, один в подающем трубопроводе, другой в обратном. В каждом узле можно задать слив воды из подающего и/или из обратного трубопроводов.

Потребитель

Потребитель тепловой энергии характеризуется расчетными нагрузками на систему отопления, систему вентиляции и систему горячего водоснабжения и расчетными температурами на входе, выходе потребителя, и расчетной температурой внутреннего воздуха.

В однолинейном представлении потребитель - это узловой элемент, который может быть связан только с одним участком.

Внутренняя кодировка потребителя существенно зависит от его схемы присоединения к тепловой сети. Схемы могут быть элеваторные, с насосным смешением, с независимым присоединением, с открытым или закрытым отбором воды на ГВС, с регуляторами температуры, отопления, расхода и т.д. На данный момент в распоряжении пользователя 28 схем присоединения потребителей.

Если в здании несколько узлов ввода, то объектом «потребитель» можно описать каждый ввод. В тоже время как один потребитель можно описать целый квартал или завод, задав для такого потребителя обобщенные тепловые нагрузки:

 

Центральный тепловой пункт (ЦТП)

ЦТП - это узел дополнительного регулирования и распределения тепловой энергии. Наличие такого узла подразумевает, что за ним находится тупиковая сеть, с индивидуальными потребителями. В ЦТП может входить только один участок и только один участок может выходить. Причем входящий участок идет со стороны магистрали, а выходящий участок ведет к конечным потребителям.

Внутренняя кодировка ЦТП зависит от его схемы присоединения к тепловой сети. Это может быть групповой элеватор, групповой насос смешения,  независимое подключение группы потребителей, бойлеры на ГВС и т.д.

На данный момент в распоряжении пользователя 16 схем присоединения ЦТП.

Обобщенный потребитель

Обобщенный потребитель - это узел на котором нагрузка задается либо потребляемым расходом, либо расход обусловлен заданным сопротивлением узла. Такой объект удобно использовать, когда возникает необходимость расчитать гидравлику сети без информации о тепловых нагрузках и конкретных схемах присоединения потребителей к тепловой сети. Например, при расчете магистральных сетей информации о квартальных сетях может не быть, а для оценки потерь напора в магистралях достаточно задать обобщенные расходы в точках присоединения кварталов к магистральной сети. В однолинейном изображении не требуется подключать обобщенный потребитель на отдельном отводящем участке, как в случае простого потребителя. То есть в этот узел может входить и/или выходить любое количество участков. Это позволяет быстро и удобно, с минимальным количеством исходных данных в упрощенном виде моделировать гидравлику сети.

Источник

Если в сети один источник, то он поддерживает заданное давление в обратном трубопроводе на входе в источник, заданный располагаемый напор на выходе из источника и заданную температуру теплоносителя.

Разница между суммарным расходом в подающих трубопроводах и суммарным расходом в обратных трубопроводах на источнике определяет величину подпитки. Она же равна сумме всех утечек теплоносителя из сети (заданные отборы из узлов, утечки, расход на открытую систему ГВС).

Если на одну сеть работает несколько источников, то в общем случае только на одном из источников с подпиткой можно одновременно поддерживать и давление в обратном трубопроводе и располагаемый напор на выходе. У остальных источников с подпиткой можно поддерживать только давление в обратном трубопроводе.

При работе нескольких источников на одну сеть некоторые источники могут не иметь подпитки. На таких источниках давление в обратном трубопроводе не фиксируется и поддерживаться может только располагаемый напор.

Следует отметить, что при работе нескольких источников не при любых исходных данных может существовать решение. Один источник может задавить другой, заданные давления и напоры могут оказаться недостижимы. Это зависит от величины подпитки, от конфигурации сети, от сопротивлений трубопроводов и т.д. В каждом конкретном случае это может показать только расчет.

Перемычка

Перемычка позволяет смоделировать участок, соединяющий подающий и обратный трубопроводы. В этот узел может входить и/или выходить любое количество участков.

Так как перемычка в однолинейном изображении представлена узлом, то для моделирования соединения между подающим трубопроводом одного участка и обратным трубопроводом другого участка одного элемента «перемычка» недостаточно. Понадобятся еще два участка: один только подающий, другой - только обратный.

 В текущей версии расчетов сопротивление перемычки задается теми же параметрами, что и сопротивление обычного участка.

Насосная станция

Хотя насосная станция в однолинейном изображении представляется одним узлом, в зависимости от табличных параметров этого узла насос может быть установлен на подающем или обратном трубопроводе, либо на обоих трубопроводах одновременно. Для задания направления действия насоса в этот узел только один участок обязательно должен входить и только один участок должен выходить.

Насос можно моделировать двумя способами: либо как идеальное устройство которое изменяет давление в трубопроводе на заданную величину, либо как устройство, работающее с учетом реальной напорно-расходной характеристики конкретного насоса. В первом случае просто задается значение напора насоса на подающем и/или обратном трубопроводе. Если значение напора на одном из трубопроводов равно нулю, то насос на этом трубопроводе отсутствует. Если значение напора отрицательно, то это означает, что насос работает навстречу входящему в него участку.

На рисунке видно, как различные направления участков, входящих и выходящих из насоса в сочетании с разными знаками напора на насосе влияют на результат расчета, отображенный на пьезометрических графиках. Когда задается только значение напора на насосе, оно остается неизменным не зависимо от проходящего через насос расхода.

Если моделировать работу насоса с учетом его QH характеристики, то следует задать расходы и напоры на границах рабочей зоны насоса.

По заданным двум точкам определяется парабола с максимумом на оси давлений, по которой расчет и будет определять напор насоса в зависимости от расхода. Следует отметить, что характеристика, задаваемая таким образом может отличаться от реальной характеристики насоса, но в пределах рабочей области обе характеристики практически совпадают. Для описания нескольких параллельно работающих насосов достаточно задать их количество и результирующая характеристика будет определена при расчете автоматически. Так как напоры на границах рабочей области насоса берутся из справочника и всегда положительны, то направление действия такого насоса будет определятся только направлением входящего в узел участка.

Дросселирующие узлы

Дросселирующие устройства в однолинейном представлении являются узлами, но во внутренней кодировке - это дополнительные участки с постоянным или переменным сопротивлением. В дросселирующий узел обязательно должен входить только один участок, и только один участок из узла должен выходить.

Дроссельная шайба

С точки зрения модели дроссельная шайба это фиксированное сопротивление, определяемое диаметром шайбы, которое можно устанавливать как на подающем так и на обратном трубопроводе.

Так как это нерегулируемое сопротивление, то величина гасимого шайбой напора зависит от квадрата проходящего через шайбу расхода. На рисунке видно, как меняются потери на шайбе, установленной на подающем трубопроводе, при увеличении расхода через нее в два раза.

Регулятор давления

Регулятор давления - это устройство с переменным сопротивлением, которое позволяет поддерживать заданное давление в трубопроводе в определенном диапазоне изменения расхода. Регулятор давления может устанавливаться как на подающем так и на обратном трубопроводе.

На рисунке показано, что при увеличение в два раза расхода через регулятор, установленный в обратном трубопроводе,  давление в регулируемом узле остается постоянным. Величина сопротивления регулятора может изменяться в пределах от бесконечности до сопротивления полностью открытого регулятора. Если условия работы сети заставляют регулятор полностью открыться, то он начинает работать как нерегулируемый дросселирующий узел.

Регулятор располагаемого напора

Работа регулятора  располагаемого напора аналогична работе регулятора давления только в этом случае регулятор старается держать постоянной заданную величину располагаемого напора.

Регулятор расхода

Регулятор расхода - это узел с переменным сопротивлением, которое позволяет поддерживать постоянным заданное значение проходящего через регулятор расхода. Регулятор можно устанавливать как на подающем так и на обратном трубопроводе. К работе регулятора расхода можно отнести все сказанное про регуляторы давления.