Стабилизация гидравлических режимов местных систем отопления при переменном расходе воды в теплосети

П. В. Ротов, инженер,

В. И. Шарапов, профессор, д. т.н.,

Э. Я. Ямлеева, инженер

(Ульяновский государственный технический университет)

В связи с энергетическим кризисом все большую актуальность в области теплоэнергетики приобретают вопросы энергосбережения и рационального природопользования.

Для решения этих вопросов необходим тщательный пересмотр и корректировка концепции отечественного теплоснабжения и, в частности, положений, касающихся регулирования тепловой нагрузки систем теплоснабжения, которые были сформулированы в 2050-е годы минувшего века.

Проведенный нами анализ показал, что перспективным направлением совершенствования систем централизованного теплоснабжения является применение центрального количественного и качественноколичественного регулирования тепловой нагрузки систем теплоснабжения в совокупности с пониженным температурным графиком [1, 2].

При количественном и качественно-количественном регулировании тепловой нагрузки изменяется расход сетевой воды через местные абонентские установки. Поэтому особое значение при переводе систем теплоснабжения на количественное и качественно-количественное регулирование тепловой нагрузки приобретают вопросы автоматизации и гидравлической защиты местных систем теплоснабжения от возникновения в них аварийных режимов.

В отечественной теплоэнергетике широкое распространение получило зависимое присоединение местных отопительных систем потребителей к тепловым сетям, основным преимуществом которого является относительная, по сравнению с независимой схемой, дешевизна исполнения: не требуется установка водо-водяных теплообменников в абонентских установках. Однако зависимая схема имеет и серьезный недостаток непосредственную гидравлическую связь с тепловыми сетями, накладывающую жесткие ограничения на уровни максимальных и минимальных давлений сетевой воды в подающей и обратной магистралях тепловой сети, определяемые механической прочностью отопительных приборов и высотой присоединенного здания. Поэтому при выборе схемы присоединения местной системы отопления к теплосети необходимо проверять соответствие гидравлических режимов тепловой сети необходимым параметрам на вводе в местный тепловой пункт.

На рис. 1 представлен примерный пьезометрический график теплосети с двумя неавтоматизированными абонентами при переменном расходе сетевой воды в теплосети. Из графика видно, что с изменением расхода сетевой воды в теплосети и, следовательно, с изменением располагаемого напора на станции, гидравлические условия работы абонентов будут изменяться.

Потери напора в сети находятся в квадратичной зависимости от расхода воды в теплосети и определяются по формуле

Hс = S V2, (1)

где S гидравлическая характеристика сопротивления сети;

V расход воды в сети.

Из уравнения (1) следует, что потери давления в теплосети изменяются пропорционально изменению расхода сетевой воды: с увеличением расхода потери растут, а с уменьшением – снижаются. Так, потери давления в подающей магистрали при максимальном расходе воды в тепловой сети, которые определяются как разность напоров Н’1с Н’1б, больше потерь давления в подающей магистрали при пониженном расходе воды в теплосети, которые определяются как разность напоров Н1с Н1б (рис. 1).

В соответствии с изменением потерь напора в подающей магистрали тепловой сети будут изменяться потери напора в обратной магистрали, что приведет к изменению располагаемых напоров на абонентских вводах потребителей и гидравлических условий в точках присоединения абонентов к теплосети. Серьезным недостатком известных систем отопления, в которых регулирование тепловой нагрузки осуществляют изменением расхода сетевой воды с помощью индивидуальных или групповых регуляторов отопления, установленных перед отопительными приборами или перед системой отопления [3], является возможность нарушения циркуляции воды в системе отопления при возникновения аварийных гидравлических режимов в обратной магистрали тепловой сети. Например, при максимальном расходе воды в теплосети абонент Б находится в статической зоне непосредственного присоединения (линия 1 на рис. 1), а с изменением располагаемого напора на станции система отопления абонента Б будет опорожняться через обратный трубопровод (линия 2 на рис. 1).

С целью повышения надежности работы систем отопления при переменном расходе сетевой воды в теплосетях в научноисследовательской лаборатории «Теплоэнергетические системы и установки» Ульяновского государственного технического университета разработан ряд технических решений по стабилизации гидравлических режимов местных систем отопления при количественном и качественноколичественном регулировании тепловой нагрузки.

H’1c

1

H1c

H’1б

H’с

Hс

H2c

H1б

2

1 H’2б

Hб

H2б

H’б

Рис. 1. Примерный пьезометрический график теплосети с двумя абонентами при переменном расходе сетевой воды: 1-линии пьезометрического напора при максимальном расходе воды в теплосети; 2-линии пьезометрического напора при пониженном расходе воды в теплосети; H’c=H’1с-H’2с – располагаемый напор на станции при максимальном расходе воды в теплосети; Hc=H1с–H2c располагаемый напор на станции при пониженном расходе воды в теплосети; H’б= H’1б -H’2б – располагаемый напор на вводе абонента Б при максимальном расходе воды в теплосети; Hб=H1б–H2б располагаемый напор на вводе абонента Б при пониженном расходе воды в теплосети

Особенностью предложенных решений

является

то, что

регулирование тепловой производительности

местной

системы

теплоснабжения производят изменением расхода обратной сетевой воды

с помощью регулятора расхода, установленного после системы отопления.

На наш взгляд, подобное регулирование наиболее точно отвечает принципам количественного и качественно-количественного регулирования тепловой нагрузки и позволяет создать у всех абонентов тепловой сети необходимую для центрального регулирования пропорциональную разрегулировку систем отопления. Необходимо также отметить, что при установке регулятора расхода перед системой отопления устраняется влияние нагрузки горячего водоснабжения на работу системы отопления, однако расчетный расход сетевой воды в тепловых сетях становится равным сумме расходов на отопление и горячее водоснабжение, что приводит к росту капитальных затрат в тепловые сети. Установка регулятора расхода после системы отопления позволяет свести к минимуму влияние нагрузки горячего

5 водоснабжения на работу системы

отопления без значительного увеличения расхода сетевой воды в тепловой сети.

5 Система отопления с регулированием тепловой нагрузки расходом обратной сетевой воды представлена на рис. 2.

3

Рис. 2. Система отопления с регулятором расхода на обратном стояке: 1, 2 подающий и обратный стояки системы отопления; 3,4 подающая и обратная

4 магистрали тепловой сети; 5 — отопитель ный прибор; 6 регулятор расхода;

Преимуществом схемы (рис. 2), является то, что одновременно с регулированием тепловой нагрузки регулятор расхода, установленный после системы отопления, осуществляет гидравлическую защиту системы отопления.

Из графика напоров, представленного на рис. 3, следует, что с изменением расхода воды на абонентский ввод будет изменяться и степень открытия регулирующего клапана, что позволит поддерживать необходимый для нормальной работы системы отопления располагаемый напор. Так, в полностью открытом регулирующем клапане сработается напор, равный Н’рр=Н’1–Н’2. С понижением давления в теплосети регулирующий клапан прикроется и располагаемый напор абонентской установки Н уменьшится на величину Нрр=Н1–Н2, превосходящую Н’рр.

Предложенная схема системы отопления (рис. 2) применима только в случаях, когда давление сетевой воды в подающей магистрали тепловой сети ни при каких гидравлических условиях работы тепловой сети не превысит максимальное давление, обусловленное механической прочностью отопительных приборов. Поэтому применение такой схемы системы отопления ограничено и возможно в непротяженных тепловых сетях при снабжении теплом от небольших котельных.

H’

H

Hрр

H’рр

1

2

H1

H’1

1 H’2

H1

2

Рис. 3. Примерный пьезометрический график при установке регулятора расхода на обратном стояке:

1линия напоров при полностью открытом регуляторе расхода; 2линия напоров при прикрытом регулирующем клапане

При центральном количественном и качественно-количественном регулировании отпуска тепла потребителям в крупных системах теплоснабжения давление в подающей магистрали тепловой сети, особенно у абонентов, наиболее близко расположенных к тепловому источнику, может превышать максимально допустимое по условиям механической прочности отопительных приборов давление. В этом случае гидравлическую защиту отопительных приборов системы отопления от превышения давления в подающей магистрали теплосети целесообразно осуществлять путем установки на подающем стояке системы отопления регулятора давления, связанного с датчиком давления в системе отопления (рис. 4).

Рис. 4. Система отопления с регулятором давления на подающем стояке и регулятором расхода на обратном стояке: 1-7 обозна5 чения те же, что на рис. 1; 8 регулятор давления; 9 датчик

7 давления воды

3

РР


t

 

6 4

2

График напоров абонентской установки с регулятором давления и регулятором расхода представлен на рис. 5. Величины напоров, срабатываемых в регуляторе давления Нрд и в регуляторе расхода Нрр, будут изменяться в зависимости от давления сетевой воды в подающей и обратной магистралях тепловой сети, что позволит поддерживать необходимый располагаемый напор в системе отопления.

Установка регулятора давления на подающем стояке и регулятора расхода на обратном стояке системы отопления позволяет повысить надежность работы системы отопления и расширить диапазон применения данной схемы, что достигается стабилизацией гидравлических режимов

работы местных систем теплоснабжения при переменном расходе сетевой воды в теплосетях.

При установке приборов автоматического регулирования и гидравлической защиты на абонентском вводе актуальность приобретают вопросы определения гидравлического сопротивления регулирующих клапанов при изменении расхода воды.

Рис. 5. График напоров абонентской установки с регулятором давления и регулятором расхода

Сопротивление регулирующего клапана может изменяться от минимального значения (при полном открытии клапана) до какого-то максимального значения (при полном закрытии клапана). Минимальное сопротивление регулирующего клапана обратно пропорционально его условной пропускной способности, которая представляет собой расход воды плотностью 1000 кг/м3 при перепаде давления 0,1 МПа, и описывается следующей зависимостью:

v

 

где К 2

Sмин=10/ К 2, (2)

v

 

условная пропускная способность клапана, м3/ч.

Учитывая квадратичную зависимость потерь напора в теплосети от расхода сетевой воды, расход воды через абонентскую установку при полностью открытом клапане может быть представлен в виде [4]:

V’=(H’1-H’2)0,5/(Sа+Sмин)0,5, (3)

где H’1 напор перед регулирующим клапаном;

H’2 напор после абонентской установки;

Sa сопротивление абонентской установки;

Sмин сопротивление регулирующего клапана при полном открытии.

Если шток клапана занимает промежуточное положение между полным открытием и полным закрытием, то расход воды в местной системе составит:

V=(H1-H2)0,5/(Sa+S)0,5, (4)

где H1 напор перед прикрытым регулирующим клапаном;

H2 напор после абонентской установки;

S сопротивление прикрытого регулирующего клапана.

Решая совместно уравнения (2)-(4) при условии Sa = 0, получим выражение для определения зависимости сопротивления клапана от относительного расхода воды через абонентскую установку и относительного располагаемого напора на вводе абонентской установки:

, м ч2/м6

10

áááá=0,6

8

áááá=0,8

 

гдеV=V/V’ отношение расхода воды на абонентскую установку при текущем положение штока клапана к расходу воды через полностью открытый клапан;  =(H1-H2)/(H’1-H’2) отношение потерь напора в абонентской установке при текущем положение штока клапана к потерям напора в абонентской установке при полностью открытом клапане.

На рис. 6 представлена зависимость текущего значения сопротивления регулирующего клапана от относительного расхода сетевой воды через абонентскую установку и относительных потерь напора в местной системе отопления. При построении графика принято: Kv=6 м3/ч;

V= 0,21;  = 0,61,4.

График на рис. 6 позволяет получить представление о том, как должно изменяться сопротивление клапана при переменном расходе воды через абонентскую установку. Из графика видно, что при относительном расходе воды через абонентскую установку равномV=1 (клапан полностью открыт), сопротивление регулирующего клапана минимально и равно S=0,28 мч2/м6. С уменьшением расхода сетевой воды через систему отопления сопротивление клапана будет увеличиваться. Так, при относительном расходе воды через систему отопленияV=0,2, относительном располагаемом напоре на абонентском вводе =0,6 сопротивление регулирующего клапана равно S=11,6 мч2/м6, что в 25 раз больше минимального сопротивления клапана при его полном открытии.

Кроме того, из графика (см. рис. 6) следует, что при меньших значениях  с уменьшением относительного расхода сетевой воды необходимо большее увеличение сопротивления регулирующего клапана: чем меньше значение , тем больше должно быть сопротивление регулирующего клапана. Например, приV=0,2 и =0,6 S=11,6 мч2/м6, а при V=0,2 =1 S=7 мч2/м6. Таким образом, регулирующий клапан, установленный после системы отопления, позволяет также повысить гидравлическую устойчивость абонентской установки при изменении располагаемого напора на вводе и сетевой расходе воды в тепловой сети, т. е. обеспечить заданный режим регулирования при любых гидравлических условиях в тепловой сети.

S 

Рис. 6. Зависимость текущего значения сопротивления регулирующего клапана от относительного расхода сетевой воды через местную систему отопления при различных относительных располагаемых напорах на вводе

Проведенные исследования показывают необходимость 100%-ной автоматизации абонентских установок при переводе систем теплоснабжения на количественное и качественно-количественное регулирование тепловой нагрузки систем теплоснабжения. В свое время способы количественного и качественно-количественного регулирования были отвергнуты как раз из-за недостаточной автоматизации местных тепловых пунктов потребителей. В то же время исследования [5, 6] показали, что местные отопительные системы дают наилучшие показания по режиму при переменном расходе сетевой воды через них.

При качественном регулировании центральное регулирование на теплоисточниках было основным способом регулирования тепловой нагрузки в отечественных системах теплоснабжения. Местное регулирование должно было дополнять центральное, но в связи с отсутствием необходимых приборов регулирования в тепловых пунктах и на абонентских вводах не применялось в необходимых для этого масштабах.

При полной автоматизации абонентов местное регулирование станет определяющим способом регулирования, а на теплоисточниках будет осуществляться корректировка давления и расхода воды в теплосетях в соответствии с изменением параметров на абонентских вводах.

ВЫВОДЫ

1. В настоящее время вопросы оснащения местных абонентских систем приборами автоматического регулирования и гидравлической защиты приобретают особую значимость. Автоматизация позволяет использовать значительный ресурс энергосбережения, имеющийся в отечественных системах теплопотребления, повысить надежность и качество централизованного теплоснабжения. Актуальность оборудования систем отопления приборами регулирования и защиты существенно повышается при переводе систем централизованного регулирования на количественное и качественно-количественное регулирование тепловой нагрузки.

2. С целью повышения надежности работы систем отопления при переменном расходе сетевой воды в теплосетях в научноисследовательской лаборатории «Теплоэнергетические системы и установки» Ульяновского государственного технического университета разработан ряд технических решений по стабилизации гидравлических режимов местных систем отопления при количественном и качественноколичественном регулировании тепловой нагрузки.

3. При переменном расходе сетевой воды в тепловых сетях целесообразной является установка регулятора расхода после системы отопления и регулятора давления перед отопительными приборами, что позволит одновременно с регулированием тепловой производительности системы отопления изменением расхода обратной сетевой воды осуществлять гидравлическую защиту системы отопления от возникновения аварийных режимов в подающей и обратной магистралях тепловой сети.

4. Полное оснащение всех абонентов теплосети приборами автоматического регулирования и гидравлической защиты способствует перенесению основной доли регулирования на местные системы. Роль центрального регулирования при этом сводится к корректировке параметров теплоносителя на коллекторах станции в зависимости от параметров на абонентских вводах.

(Материал взят из книги Научнотехнический калейдоскоп Серия «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности» — Шарапов В. И.)