Вопросы к главе 5

1. Для чего необходимы электростанции?

2. В чем особенность рабочего процесса ТЭС?

3. Как рассчитать тепловой баланс ТЭС?

4. Какие факторы определяют эффективность работы ТЭС?

5. Из каких элементов состоит паротурбинная установка?

6. Назовите и определите основные технико-эксплуатационные показа­- тели паротурбинных установок.

7. Что понимают под энергетической характеристикой турбин?

8. Где и для чего используются энергетические характеристики?

9. Назовите основные элементы тепловой схемы электростанции.

10. Что входит в электрическую часть электростанции? .11. Как производится расчет и выбор турбин на ТЭС?

12. Как производится выбор энергетических котлов на ТЭС?

13. Как определяется годовой объем производства электроэнергии на ТЭС?

14. Как определяется объем инвестиций, необходимый для строитель-­ ства ТЭС?

15. Какие факторы влияют на себестоимость произволстпя энергии на ТЭС?

Глава 6 система теплоснабжения города

6.1. Основы теплоснабжения городов

Необходимость создания систем теплоснабжения обусловлена следующими основными причинами:

• суровыми климатическими условиями основных районов страны, когда в течение 200-360 дней в году необходимо отопление жилых, общественных и производственных зданий;

• невозможностью осуществления многих технологических процессов без затрат теплоты, например, производство электро­ энергии, варка и сушка материалов, стирка белья и др.;

• необходимостью удовлетворения санитарно-гигиенических нужд населения в горячей воде для мытья посуды, уборки помеще­- ний и других процессов.

В настоящее время удельный вес городов в теплопотреблении страны составляет примерно 70%. Структура теплового баланса в городах достаточно стабильна и выглядит следующим образом: до­ля затрат теплоты в системах отопления и вентиляции составляет 55-60%, технологическое потребление тепла - 35-40%, бытовое горячее водоснабжение - 5-20% от общего объема потребления те­плоты. Расход топлива на теплоснабжение превосходит его потреб­ление на электроснабжение и составляет около 30% общего по­требления топливно-энергетических ресурсов в стране.

Для удовлетворения потребностей города в теплоте создаются специальные системы теплоснабжения, представляющие собой ком­плекс инженерных сооружений, специального оборудования и ком­муникаций для генерирования, транспорта и потребления теплоты. В системах теплоснабжения выделяют три основных элемента:

• источники теплоты или теплогенерирующие установки, с помощью которых топливно-энергетические ресурсы преобразуют­- ся в теплоту;

• теплопроводы или тепловые сети в виде системы труб и ка­- налов, предназначенных для транспорта и распределения теплоно­ сителя между потребителями;

• комплекс инженерного оборудования и коммуникаций для эффективного использования теплоты потребителями.

6.2. Классификация систем теплоснабжения

Системы теплоснабжения классифицируются по источникам теплоты, мощности, потребителям, теплоносителю, способам и схемам присоединения, количеству трубопроводов и другим при­знакам.

Различают централизованные и местные системы теплоснаб­жения. Системы местного теплоснабжения обслуживают часть или все здание на базе печного отопления или домовой котельной уста­новки. Централизованные системы теплоснабжения - один или не­сколько районов города. Поэтому они включают в себя источники теплоснабжения (котельные, ТЭЦ), тепловые сети, тепловые пунк­ты и системы отопления, вентиляции и горячего водоснабжения зданий. Централизованное теплоснабжение большого числа потре­бителей возможно:

• от крупных квартальных или районных котельных, тепловая мощность которых превышает 20 МВт, а радиус действия составля­- ет 5-10 км;

• теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) мощностью 100-500 МВт и радиусом действия 10-15 км.

Системы теплоснабжения характеризуются мощностью или расчетной тепловой нагрузкой, дальностью (радиусом) передачи теплоты и числом потребителей. Тепловая нагрузка - это макси­мально-часовой суммарный расход теплоты на нужды отопления, вентиляции, технологии и горячего водоснабжения с учетом потерь в сетях и собственных нужд источника теплоты.

По виду потребителя системы теплоснабжения можно разде­лить на промышленные, промышленно-отопигельные и отопитель­ные. В промышленных системах теплоснабжения главной состав­ляющей тепловой нагрузки является расход теплоты на технологи­ческие нужды, в отопительных - коммунально-бытовые нагрузки жилых и общественных зданий, а в промышленно-отопительиых от одного источника теплоту получают как промышленные предпри­ятия, так и жилищно-коммунальный сектор города.

По виду теплоносителя системы теплоснабжения подразделя­ются на паровые и водяные. Вода как теплоноситель позволяет: 1) сохранить конденсат пара на ТЭЦ или в котельной; 2) осуществ­лять ступенчатый подогрев; 3) централизованно регулировать от-

пуск теплоты. Вода обладает повышенной аккумулирующей спо­собностью, что позволяет передавать теплоту на большие расстоя­ния с малыми потерями. Недостатками воды как теплоносителя можно считать; 1) большие затраты электроэнергии на перекачку; 2) малую гидравлическую устойчивость водяных сетей; 3) значи­тельную массу; 4) большую чувствительность к авариям, так как утечки пара по массе в 2СМ0 раз меньше, чем воды. Пар как тепло­носитель обладает большей гидравлической устойчивостью, но его использование требует дорогого и сложного конденсатного хозяйст­ва. Поэтому паровые системы применяют для теплоснабжения про­мышленных предприятий, где требуются повышенные параметры теплоносителя. В городских системах теплоснабжения рекомендует­ся использовать в качестве теплоносителя воду, нагретую до темпе­ратуры 95-150°С.

Водяные системы теплоснабжения делятся:

• по способу подачи теплоты на горячее водоснабжение - за­- крытые и открытые;

• по схемам присоединения абонентских систем отопления и вентиляции - зависимые и независимые;

• по количеству трубопроводов - одно-, двух-, трех- и четы- рехтрубные.

Водяные системы теплоснабжения бывают двух типов: от­крытые или закрытые. В открытых системах вода частично или полностью разбирается потребителями непосредственно из сети на нужды горячего водоснабжения. В закрытых системах вода исполь­зуется только как теплоноситель и из сети не отбирается.

В настоящее время применяют две принципиально различные схемы присоединения установок абонентов к тепловым сетям:

• зависимую, когда вода из тепловой сети поступает непо­- средственно в приборы абонентской установки;

• независимую, когда вола из тепловой сети проходит через промежуточный теплообменник, в котором нагревает вторичный теплоноситель, используемый в установках потребителя.

По числу трубопроводов системы подразделяют на однотруб­ные, применяемые в тех случаях, когда вода полностью использу­ется потребителями и обратно не возвращается, двухтрубные - теп­лоноситель полностью или частично возвращается в источник теп-

лоты для повторного нагрева, многотрубные - при необходимости подачи теплоносителя с различными параметрами. В городских системах теплоснабжения преимущественно используются двух­трубные системы, обеспечивающие экономию капитальных затрат и эксплуатационных расходов по сравнению с многотрубными сис­темами (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Двухтрубные водяные системы теплоснабжения:

а - открытая с зависимым присоединением системы отопления; в - закрытая

с независимым присоединением системы отопления и двухступенчатой

установкой ГВС; СП - сетевые подогреватели котельной или ТЭЦ: ПН -

подпиточный: СН - сетевой и ЦН - циркуляционный насосы: РР - регулятор

расхода; РТ - регулятор температуры; РБ - расширительный бак; В - воздушный

кран; Э - элеватор (струйный насос); П1 и П2 - подогреватели системы ГВС;

ТО — теплообменник системы отопления; ГВС — система горячего водоснабжения;

СО - система отопления злапия

Каждая из названных систем теплоснабжения имеет свою об­ласть применения. Основными факторами, определяющими выбор той или иной системы теплоснабжения, являются климатические ус­ловия, величина и плотность тепловых нагрузок, стоимость обору­дования, коммуникаций, топлива и других ресурсов, необходимых для сооружения и эксплуатации данных систем. Выбор производит­ся путем технико-экономического сравнения конкурирующих вари-

антов. Очевидно,, что чем больше плотность нагрузки, тем, при про­чих равных условиях, выгоднее централизация теплоснабжения. Плотность тепловой нагрузки зависит от типа домов, этажности за­стройки и принятых условий благоустройства. При небольшой плотности нагрузок и рассредоточенности потребителей предпочти­тельнее, чтобы каждый из них имел собственный источник теплоты. Наиболее эффективным способом теплоснабжения является теплофикация, обеспечивающая значительную экономию топлива и других ресурсов за счет совместной выработки электрической и те­пловой энергии. Однако теплофикация требует значительных капи­тальных вложений и, следовательно, будет эффективна при боль­ших объемах потребления теплоты и значительной плотности теп­ловых нагрузок.

6.3. Тепловые пункты и схемы присоединения потребителей

Тепловые пункты в системах теплоснабжения предназначены для присоединения систем отопления, вентиляции, горячего водо­снабжения и технологических установок потребителей к тепловым сетям. Тепловые пункты подразделяются на индивидуальные для присоединения одного здания и центральные - для двух и более зданий.

В системе теплоснабжения тепловые пункты выполняют сле­дующие основные функции:

• присоединения местных систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения зданий к центральной системе теплоснаб­- жения;

• юридической границы раздела ответственности между теп­ лоснабжающей организацией и потребителем теплоты;

• защиты местных систем от повышенного давления и темпе-­ ратуры греющего теплоносителя;

• автоматического поддержания и регулирования параметров и расхода теплоносителя в соответствии с изменением температуры наружного воздуха и требованиями потребителя;

• приготовления и аккумулирования горячей воды с требуе­- мыми параметрами;

• коммерческого учета отпуска теплоты потребителям.

Правильное функционирование тепловых пунктов определяет экономичность использования теплоносителя и теплоты потребите­лям. Для выполнения основных функций тепловые пункты осна­щаются специальным оборудованием, арматурой, контрольно-измерительными приборами и автоматикой (КИПиА). Схемы и обо­рудование тепловых пунктов выбираются с учетом:

• характеристики источника теплоты;

• параметров теплоносителя и режима отпуска теплоты;

• гидравлической характеристики внешней тепловой сети;

• технических характеристик местных систем теплоснабжения. При проектировании тепловых пунктов основным вопросом

является выбор между открытой и закрытой системой теплоснаб­жения и между зависимой и независимой схемой присоединения потребителей. Исторически сложилось так, что в Российской Феде­рации применяются две принципиально различные схемы тепло­снабжения потребителей:

• открытая, с зависимым присоединением систем отопления и вентиляции зданий и непосредственным водоразбором на нужды горячего водоснабжения;

• закрытая, с независимым присоединением систем отопле-­ ния, вентиляции и горячего водоснабжения потребителей через те­ плообменники.

В настоящее время наибольшее применение имеют зависимые схемы присоединения как более простые. В этом случае система отопления здания гидравлически связана с тепловой сетью и рабо­тает под давлением, близким давлению в обратной магистрали внешней сети. Циркуляция воды обеспечивается за счет разности давлений в подающем и обратном трубопроводе тепловой сети. Простейшей из зависимых является схема с непосредственным присоединением, при которой вода из тепловой сети без смешения поступает в систему отопления. Это возможно, если расчетные па­раметры систем теплоснабжения и отопления совпадают. Напри­мер, при работе системы теплоснабжения с максимальной темпера­турой теплоносителя 95°С.

В городских системах теплоснабжения температура теплоно­сителя, как правило, достигает 150°С. Поэтому большинство зда­ний подключено по зависимой схеме с элеватором (см. рис. 6.1, а),

в котором теплоноситель из подающего трубопровода попадает в сопло, где из-за уменьшения диаметра резко увеличивается ско­рость потока при одновременном снижении давления, что обеспе­чивает подсос остывшего теплоносителя из обратного трубопрово­да и его смешение с более горячим теплоносителем. Работа элева­тора выполняется за счет перепада давлений в системе теплоснаб­жения. Преимуществом этой схемы является низкая стоимость и высокая степень надежности элеватора как смесительного насоса. При любом температурном графике необходимый коэффициент смешения определяют по формуле

где Т₁ и Т₂ - соответственно температура теплоносителя в прямом и обратном трубопроводе:

Т_см - температура воды после элеватора.

Диаметр сопла элеватора определяется по формуле

где G_c - расчетный расход сетевой воды, т/ч;

h - потери напора в системе отопления здания, м.

Для нормальной работы элеватора важно, чтобы необходимая разность напоров теплоносителя перед тепловым пунктом была не менее 15 м вод. ст. Если это условие не выполняется, тогда снижа­ется коэффициент смешения, что приводит к перерасходу сетевой воды и, следовательно, теплоты.

Большие возможности по регулированию отпуска теплоты имеют схемы присоединения систем отопления с насосами. Наибо­лее распространенной является схема включения насоса на пере­мычке между прямой и обратной трубами теплового пункта, что дает экономию электроэнергии. Установка насосов на прямой и об­ратной линии рекомендуется в случае необходимости создания до­полнительной разности напоров для циркуляции воды в местных системах. Наличие насоса в схеме присоединения позволяет прово­дить более совершенное регулирование отпуска теплоты в систему

теплоснабжения в зависимости от температуры наружного воздуха, по специально заданному временному графику с применением ре­гуляторов расхода или частотных регуляторов электропривода на­соса. Необходимым условиям для применения этих схем является применение компактных, надежных и бесшумных насосов.

При открытой системе теплоснабжения установки горячего водоснабжения присоединяются через смесители, регуляторы тем­пературы воды. Экономичная и надежная работа таких пунктов возможна только при наличии надежной работы авторегулятора температуры воды.

Все преимущества открытой системы теплоснабжения сводят­ся к упрощению и удешевлению абонентских вводов потребителей и в меньшей степени - повышению долговечности внутридомовых систем горячего водоснабжения. Вместе с тем при открытой систе­ме теплоснабжения стоимость источника теплоты увеличивается на 20-25% за счет усложнения системы водоподготовки. Одновремен­но возрастают эксплуатационные затраты, что обусловлено, во-первых, перерасходом воды, реагентов и электроэнергии на подго­товку и подачу горячей воды потребителям, во-вторых, низкой на­дежностью открытых систем теплоснабжения вследствие высокой коррозийной активности теплоносителя. Это ведет к росту затрат. связанных с ликвидацией аварий, восполнением утечек и сливов теплоносителя, ремонтом и заменой сетей, арматуры и оборудова­ния. Дополнительные потери возникают из-за невозможности в пе­реходные периоды года поддерживать температуру теплоносителя менее 70°С при температурах воздуха выше 0°С, что ведет к «пере­топу», т. е. необоснованному увеличению расхода теплоты на ото­пление зданий.

В связи с этим необходимо рассмотреть преимущества и не­достатки закрытых систем теплоснабжения, в которых вода исполь­зуется только как средство доставки теплоты и из сетей не отбирает­ся. При проектировании тепловых пунктов для закрытой системы теплоснабжения основным вопросом является схема присоединения подогревателей горячего водоснабжения. Выбор схемы присоедине­ния ГВС определяется расчетным расходом воды, режимом регули­рования и производится на основании технико-экономического сравнения параллельной и смешанной схем. Данные схемы могут дополняться баками аккумуляторами, с помощью которых выравни-

вается график нагрузки горячего водоснабжения и обеспечивается резерв на случай непродолжительного перерыва теплоснабжения. Объем аккумуляторного бака должен быть равен 4—6-часовому рас­ходу горячей воды. В этом случае расчет и выбор оборудования ве­дется по среднечасовому расходу горячей воды, и, следовательно, уменьшается поверхность нагрева подогревателей и стоимость теп­лового пункта.

В последнее время появилась возможность перехода на закры­тую систему теплоснабжения с независимым присоединением и систем отопления зданий. В этом случае система отопления при­соединяется к тепловой сети через поверхностный теплообменник. В качестве подогревателей в закрытых независимых системах ре­комендуется устанавливать пластинчатые теплообменники, нагре­вающая поверхность которых состоит из набора пластин с канала­ми для прохода греющей и нагреваемой жидкостей. Пластины из­готавливаются из нержавеющей стали и закрепляются между не­подвижной и подвижной плитами или спаиваются. Необходимое число и параметры пластин определяются с помощью ЭВМ в соот­ветствии с физическими свойствами, расходами и параметрами жидкостей. Пластины гофрированы, что способствует турбулиза-цни потока. Полому пластинчатые теплообменники имеют высо­кий коэффициент теплопередачи, что обеспечивает теплообмен при разносги температур в 3-5°. При одинаковой тепловой мощности пластинчатые теплообменники в 3-5 раз меньше по габаритам и в 6 раз по массе, чем кожухотрубные.

В связи с этим основным элементом современных систем теп­лоснабжения должны стать индивидуальные высокоэффективные тепловые пункты моноблочного исполнения. В состав этих блоков входят пластинчатые теплообменники, бесфундаментные и бесшум­ные насосные установки, контрольно-измерительные приборы, сис­темы учета и автоматического регулирования теплоотпуска.

Усложнение и удорожание оборудования индивидуальных те­пловых пунктов закрытых независимых систем теплоснабжения компенсируется за счет экономии капитальных вложений и экс­плуатационных затрат в других элементах системы. В частности, за счет упрощения схемы и уменьшения производительности системы водоподготовки можно на 20% снизить капитальные вложения в источник теплоснабжения. Благодаря гидравлической изолирован-

ности внешней и внутренней систем теплоснабжения обеспечива­ется стабильное качество горячей воды и высокий уровень ком­фортности отапливаемых помещений. Экономия теплоты за счет автоматического регулирования теплоотпуска может составить 15-20%. Существенно сокращается расход теплоносителя, так как пре­кращается непосредственный водоразбор из тепловой сети. Одно­временно уменьшаются затраты на подготовку воды и перекачку теплоносителя.

6.4. Режимы и способы регулирования отпуска теплоты

Зависимость потребления теплоты от климатических условий требует постоянного и целенаправленного регулирования отпуска теплоты, что обеспечивает высокое качество и эффективность теп­лоснабжения потребителей. Отпуск теплоты источником опреде­ляют в соответствии с уравнением

где G - расход теплоносителя;

Т₁, Т₂ - температура теплоносителя в прямой и обратной маги­страли тепловой сети.

Поэтому в системах теплоснабжения применяют три метода регулирования отпуска теплоты:

• качественное, при котором отпуск теплоты регулируется за счет изменения температуры теплоносителя при постоянном его расходе;

• количественное, когда отпуск теплоты регулируется изме­ нением расхода теплоносителя при постоянной температуре;

• количественно-качественное, при котором измеряется как температура, так и расход теплоносителя.

Для двухтрубных водяных тепловых сетей рекомендуется применять центральное качественное регулирование по отопитель­ному графику, которое дополняется групповым регулированием в центральных (рис. 6.2) и индивидуальных тепловых пунктах, а так­же местным регулированием непосредственно у отдельных тепло-использующих установок потребителей. Центральное регулирова-

ние осуществляется в источнике теплоснабжения за счет изменения параметров теплоносителя. Групповое и местное регулирование должно осуществляться автоматически регуляторами расхода, дав­ления, температуры и напора.

• количество теплоты, передаваемое от приборов отопления к воздуху,

Рис. 6.2. Схема центрального теплового пункта:

1 - задвижка; 2, 11 - грязевики; 3 и 4 - подогреватели ГВС первой

и второй ступени; 5 - регуляторы температуры; 6 - циркуляционные насосы ГВС;

7 - подогреватель отопления; 8 - регуляторы температуры: 9 - циркуляционные и .

10 - подпиточные насосы системы отопления; 12 - регулятор давления;

13 - теплосчетчик и 14 - водомер

В основе регулирования отпуска теплоты лежит температурный график сети - зависимость температуры теплоносителя в прямой и обратной магистралях от температуры наружного воздуха. Этот гра­фик строится для преобладающей отопительной нагрузки, а затем корректируется в зависимости от требований других потребителей.

В основе всех расчетов по регулированию отпуска теплоты на отопление лежит три уравнения теплового баланса здания:

• количество теплоты, теряемое зданием,

• количество теплоты, передаваемое от теплоносителя прибо­рам отопления,

где F - поверхность нагрева приборов отопления;

k - коэффициент теплопередачи прибора отопления;

t_cp = 0,5(t₃ + t₂) - средняя температура воды в приборах ото­пления;

t₃ и t₂ - температуры воды к подающей и обратной линиях

отопительной системы здания;

G - расход теплоносителя.

Для поддержания постоянной температуры внутри помещений при изменении температуры наружного воздуха необходимо со­блюдать тепловое равновесие

из которого и выводятся зависимости графиков отпуска теплоты t₁= f(t_Н), t₂ = f(t_Н), t₃ = f(t_Н). В частности, при подключении систем отопления зданий по зависимой схеме через смесительные устрой­ства (элеватор или подмешивающий насос):

где р - индекс расчетных значений, соответствующих расчетному режиму отпуска теплоты при наружной расчетной температуре са­мой холодной пятидневки (t_н.p);

q - отношение расхода теплоты на отопление при данной тем­пературе к расходу при расчетной температуре наружного воздуха:

В случае подключения системы отопления по независимой схеме через теплообменник

Зависимость между температурами воды в подающих трубо­проводах тепловой сети и местных систем, подсоединенных через смесительное устройство, устанавливается расчетным коэффициен­том смешения

При расчете графиков отпуска теплоты принимают:

• начало и конец отопительного сезона при среднесуточной температуре наружного воздуха в течение 10 дней ниже +8°С;

• расчетную температуру воздуха в жилых помещениях t_нр =+18°С;

• расчетную температуру воды в подающем трубопроводе t_1р по проектным данным (t_1р = 95, 110, 120, 130, 140 или 150°С);

• расчетную температуру в обратном трубопроводе t_2р =70°C,

• расчетную температуру в системе отопления здания

t_3р = 95(105)°С.

Следовательно, при t_af температуры теплоносителя t₁ и t₂ дос­тигают максимальных значений. При t_нр = +18°С наступает тепло­вое равновесие, когда t₁= t₂ = t₃.

При смешанной тепловой нагрузке графики отпуска теплоты корректируются. В частности, если имеется нагрузка горячего во­доснабжения, тогда температура теплоносителя должна быть не ниже требуемой для систем ГВС (t₁ = 6О...65°С в закрытой и t₁ = 70...75^аС в открытых системах с непосредственным водоразбо-ром) в диапазоне наружных температур выше температуры в точке

излома графика (t_и). При низких температурах наружного воздуха t_н < t_и и график температура теплоносителя в подающей линии стро­ится по законам изменения отопительной нагрузки.

Групповое и местное регулирование всех видов тепловой на­грузки рекомендуется проводить количественным методом. В каче­стве импульса для регулирующего устройства следует использовать температуру наружного или внутреннего воздуха отапливаемых по­мещений. Дополнение центрального качественного регулирования отпуска теплоты групповым (местным) обеспечивает комфортность проживания и экономию энергии в системах теплоснабжения.

Нарушение режима отпуска теплоты, как правило, проявляет­ся в отклонении температуры воды в подающей линии тепловой се­ти от расчетных значений. Это приводит к изменению температуры в подающем и обратном трубопроводах отопительной системы и, следовательно, температуры воздуха в отапливаемых помещениях

где t₁’ - фактическая температура воды в подающей линии, °С.

В результате нарушается тепловлажностный режим эксплуата­ции ограждающих конструкций зданий, что проявляется в увеличе­нии влажности строительных материалов, глубине промерзания конструкций, повышении теплопроводности материалов и росте те-плопотерь здания в 1,5-2 раза. Кроме того, замерзание и оттаивание влаги в порах строительных материалов ведет к ускоренному физи­ческому износу и сокращению долговечности ограждающих конст­рукций зданий. Чем больше переходов через 0°С, выше скорость за­мерзания и ниже температура, тем больше напряжения в материале и меньше срок службы ограждающих конструкций здания.