3. Описание системы теплоснабжения

Теплоснабжение представляет собой комплекс инженерных сооружений, предназначенных для снабжения теплом жилых, общественных и промышленных зданий и сооружений с целью обеспечения коммунально-бытовых потребностей (отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха и горячее водоснабжение) и технологических нужд потребителей. Различают местное (децентрализованное) и централизованное теплоснабжение. В централизованных системах теплоснабжения один или несколько источников теплоты обслуживает теплоиспользующие устройства ряда потребителей, расположенных раздельно, поэтому передача теплоты от источника до потребителей осуществляется по специальным теплопроводам – тепловым сетям.

В децентрализованных системах теплоснабжения каждый потребитель имеет собственный источник теплоты. Новые эффективные инженерные решения по теплоснабжению жилых домов с применением автоматизированных теплогенераторов позволяют разрабатывать поквартирное отопление в многоэтажных жилых зданиях. В настоящее время в результате достижений в области использования ядерного топлива развивается новое направление – централизованное теплоснабжение на базе атомных ТЭЦ и атомных котельных.

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 используют два типа источников тепла: теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) и районные котельные (РК). На ТЭЦ осуществляется комбинированная выработка тепла и электроэнергии, обеспечивающая 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 ТО, которые составляют теплофикационное оборудование ТЭЦ. Горячая вода применяется для теплоснабжения.

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 (рис. 3.1). При раздельной выработке электроэнергию получают на конденсационных станциях (КЭС), а тепло – в котельных. Раздельная выработка экономически менее выгодна, чем комбинированная.

ТЭЦ экономически целесообразно сооружать лишь при больших тепловых нагрузках.

В качестве теплоносителя для теплоснабжения городов используют горячую воду, а для промышленных предприятий – водяной пар.

Рис. 3.1. Принципиальная схема теплофикации:

1 – котельная; 2 – турбина; 3 – электрогенератор; 4 – конденсатор; 5 – конденсатный насос;

6 – регенератор; 7 – химическая водоподготовка; 8 – 10 – потребители тепла; 11 – задвижка.

Теплоноситель от источника тепла транспортируется по теплопроводам. Горячая вода поступает к потребителям по подающим теплопроводам, отдает в ТО 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 ТО и отдает свое тепло. Образовавшийся конденсат возвращается к источнику тепла под действием избыточного давления или с помощью конденсатных насосов.

Современные тепловые сети городских систем теплоснабжения представляют собой сложные технические сооружения. Протяженность их 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 прокладываются под землей в непроходных и полупроходных каналах, в коллекторах и без каналов. Для сокращения потерь тепла при движении теплоносителя по теплопроводам применяют их теплоизоляцию.

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 повышением или понижением 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 ГВ непрерывно изменяется, и для поддержания устойчивого теплоснабжения гидравлический режим тепловых сетей автоматически регулируют, а температуру горячей воды поддерживают постоянной – равной 65 °С.

Для обеспечения надежного функционирования данных 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 – 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 водоподготовительные установки, где осуществляется химическая очистка и деаэрация воды. По магистральным тепловым сетям основные потоки теплоносителя транспортируются в узлы теплопотребления. В РТП теплоноситель распределяется по районам и в сетях районов поддерживается автономный гидравлический и тепловой режимы.

Для надежности теплоснабжения необходимо резервировать основные элементы верхнего иерархического уровня. Источники тепла должны иметь резервные агрегаты, а магистральные тепловые сети – быть закольцованы с обеспечением их необходимой пропускной способностью 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 – только 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 ГВ. Температура горячей воды регулируется автоматически.

Система теплоснабжения предназначена для обеспечения потребителей тепловой энергией. Она состоит из теплогенерирующей установки (т.е. источника тепла), служащей для выработки энергоносителя в виде водяного пара, перегретой и горячей воды заданных параметров, тепловой сети для транспортировки энергоносителя к потребителю, тепловых пунктов и местных систем потребителей теплоты (рис. 3.2). Теплогенерирующие установки подразделяются на районные, квартальные, групповые и установки предприятий.

Выбор системы теплоснабжения следует определять на основании технико-экономических расчетов с учетом качества исходной воды, степени обеспеченности и поддержания требуемого качества горячей воды у потребителей. Источниками тепла при централизованном теплоснабжении могут быть теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), на которых осуществляется комбинированная выработка электрической и тепловой энергии (теплофикация); котельные установки большой мощности, вырабатывающие только тепловую энергию, устройства для утилизации тепловых отходов промышленности; установки для использования геотермальных источников. В системах децентрализованного теплоснабжения источниками тепла служат автоматизированные теплогенераторы, печи, водогрейные котлы, различные водонагреватели, использующие избыточное тепло промышленных предприятий, солнечную энергию и т.д.

Рис. 3.2. Структурная схема системы теплоснабжения

Размещение источника тепла на территории города или микрорайона осуществляется с учетом ряда факторов:

- исключением заносов сернистых дымовых газов и летучей золы в жилые зоны города;

- расположением тепловых нагрузок относительно центра (это расстояние должно быть наименьшим, тогда радиус подачи тепла потребителям будет наикратчайшим);

- удобством доставки топлива; должны использоваться или существующие, или вновь построенные железнодорожные пути;

- возможностью дальности действия систем теплоснабжения; при современных технических средствах удаление паровых систем от центров потребления не должно превышать 5 – 6 км при давлении 1,5 – 2,0 МПа, систем горячего водоснабжения – 30 – 40 км (насосные станции в этом случае проектируются на подающих и обратных трубопроводах), системы подачи теплоты от районных котельных – 5 – 6 км.

Обычно при выборе площадки источника теплоты сравниваются несколько вариантов. Окончательный выбор осуществляется с учетом экономических, экологических и санитарных условий. Теплоносителями в системах централизованного теплоснабжения чаще всего являются перегретая вода с температурой до 200 ⁰ С и давлением ≤ 2,5 МПа и пар с температурой ≤ 440 ⁰С и давлением ≤ 6,2 МПа. Вода обычно служит для обеспечения коммунально-бытовых, а пар – технологических нагрузок. Выбор температуры теплоносителя определяется экономическими расчетами и требованиями потребителей. С увеличением дальности транспортирования тепла рекомендуется повышать параметры теплоносителя.

Использование теплоты в системах теплоснабжения связано с сезонами года. Часть потребителей теплоты зависит от климатических условий (системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха), а часть не зависит (системы бытового горячего водоснабжения, технологического пароснабжения и горячего водоснабжения). От преобладания тех или иных тепловых потоков во многом зависит выбор систем и схем теплоснабжения.

Выбор варианта схемы теплоснабжения объектов: системы централизованного теплоснабжения от котельных, крупных, малых и автономных электростанций (ТЭЦ, ТЭС, АЭС) либо от децентрализованного теплоснабжения (ДЦТ) – автономных, крышных котельных, от квартирных теплогенераторов производится путем технико-экономического сравнения вариантов. Принятая схема теплоснабжения должна обеспечивать:

- нормативный уровень теплоэнергосбережения;

- нормативный уровень надежности, определяемый тремя критериями: вероятностью безотказной работы, готовностью (качеством) теплоснабжения и живучестью;

- требования экологии;

- безопасность эксплуатации.

В некоторых системах могут работать сразу несколько источников тепла, что повышает надежность работы системы (с точки зрения обеспечения потребителей теплом), ее маневренность и экономичность, но в некоторой степени усложняет ее работу гидравлически: увеличивается вероятность возникновения гидравлических ударов при изменении направления движения потоков теплоносителя в трубопроводах.

Функционирование тепловых сетей и системы центрального теплоснабжения не должно приводить:

- к недопустимой концентрации в процессе эксплуатации токсичных и вредных для населения, ремонтно-эксплутационного персонала и окружающей среды веществ в тоннелях, каналах, камерах, помещениях и других сооружениях, в атмосфере, с учетом способности атмосферы к самоочищению в конкретном жилом квартале, микрорайоне, населенном пункте;

- к стойкому нарушению естественного (природного) теплового режима растительного покрова (травы, кустарников, деревьев), под которыми прокладываются теплопроводы.