V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Высокие темпы промышленного производства и социального прогресса требуют резкого увеличения выработки тепловой энергии на базе мощного развития топливно-энергетического комплекса страны.

Централизованные системы теплоснабжения от тепловых электрических станций (ТЭС) наиболее эффективны. В настоящее время, централизованное теплоснабжение крупных городов осуществляется на базе мощных атомных станций теплоснабжения.

Для небольших потребителей источником теплоты служат промышленные и отопительные котельные. Удельный вес их в балансе теплоснабжения составляет значительную часть. Несмотря на строительство крупных тепловых электростанций, с каждым годом увеличивается выпуск и улучшаются конструкции котлоагрегатов малой и средней мощности, повышаются надежность и экономичность котельного оборудования, снижается металлоемкость на единицу мощности, сокращаются сроки и затраты на производство строительно-монтажных работ.

В качестве топлива для котельных установок используют угли, торф, сланцы, древесные отходы, газ и мазут. Газ и мазут – эффективные источники тепловой энергии. При их применении упрощаются конструкция и компоновка котельных установок, повышается их экономичность, сокращаются затраты на эксплуатацию.

Развитие отечественной теплоэнергетики неразрывно связано с именами русских ученых и инженеров. Основы теплотехнической науки были заложены в середине XVIII в. великим русским ученым М. В. Ломоносовым. В 1766 г. талантливый русский теплотехник И. И. Ползунов создал в Барнауле первую в мире теплосиловую установку для привода заводских механизмов, которая включала паровой котел.

Практическое использование паросиловых установок дало новый источник энергии и сыграло большую роль в развитии промышленного производства. Ряд теоретических и экспериментальных работ по исследованию рабочих процессов котельных установок был проведен в конце XVIII и начале XI-X в.в. учеными В. В. Петровым и Я. Д. Захаровым. В теплоснабжении крупных городов, районных центров, поселков котельные играют важнейшую роль. Городская сеть теплоснабжения обычно разделена на районы питания по числу ТЭЦ. В системе теплоснабжения подача тепла в жилые кварталы и промышленным предприятиям осуществляется от районных тепловых станций – крупных котельных с водогрейными котлами.

1 Системы централизованного теплоснабжения

1.  

   1. Классификация потребителей теплоты

Тепловое потребление – это использование тепловой энергии для разнообразных коммунально-бытовых и производственных целей (отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха, души, бани, прачечные, различные технологические теплоиспользующие установки и т. д.).

При проектировании и эксплуатации систем теплоснабжения необходимо учитывать следующее:

1) вид теплоносителя (вода или пар);

2) параметры теплоносителя (температура и давление);

3) максимальный расход теплоты;

4) изменение потребления теплоты в течение суток (суточный график);

5) годовой расход теплоты;

6) изменение потребления теплоты в течение года (годовой график);

7) характер использования теплоносителя у потребителей (непосредственный забор его из тепловой сети или только отбор тепла).

Потребители тепла предъявляют к системе теплоснабжения различные требования, но теплоснабжение должно быть надежным, экономичным и качественно удовлетворять всех потребителей тепла.

Потребителей тепла можно разделить на две группы: сезонные потребители тепла и круглогодовые потребители тепла.

Сезонные потребители используют тепло не круглый год, а сезонно, при этом расход тепла и его изменение по времени зависят главным образом от климатических условий (температура наружного воздуха, солнечное излучение, скорость и направление ветра, влажность воздуха). Основное значение имеет температура наружного воздуха; влиянием же других климатических факторов на расход тепла часто пренебрегают.

Сезонными потребителями тепла являются: отопление, вентиляция (с подогревом воздуха в калориферах) и кондиционирование воздуха.

Расход теплоты в течение суток у сезонных потребителей меняется относительно мало, что объясняется небольшим, обычно, суточным изменением температуры наружного воздуха и большой теплоаккумулирующей способностью зданий. Поэтому суточный график расхода тепла сезонных потребителей (за исключением не круглосуточно работающих вентиляционных установок) сравнительно постоянен (рис. 1.1).

Рис. 1.1 - Суточный график сезонной (отопительной) нагрузки

Годовой график сезонных потребителей в противоположность суточному имеет резко переменный характер: наибольший расход тепла в самые холодные месяцы (январь, декабрь), значительно меньший расход в начале и в конце отопительного сезона и нулевой расход в летний период (рис. 1.1.2). Летом теплота частично может использоваться для выработки холода в абсорбционных и эжекционных холодильных установках.

Рис. 1.2 - Примерный годовой график отопительной нагрузки

Круглогодичные потребители используют теплоту в течение всего года. К этой группе относятся технологические потребители теплоты и горячее водоснабжение коммунально-бытовых потребителей.

Если у сезонных потребителей расход теплоты практически зависит от одного фактора – температуры наружного воздуха, то у круглогодовых потребителей – от многих различных факторов. Так, технологическое потребление теплоты зависит от технологии производства, вида выпускаемой продукции, типа оборудования, режима работы предприятия и т. д. Климатические условия очень мало влияют на расход теплоты у круглогодовых потребителей.

В противоположность сезонным, круглогодичные потребители теплоты часто имеют переменный суточный и сравнительно постоянный годовой график теплопотребления. На рис. 1.3 представлен в качестве примера суточный график горячего водоснабжения жилого дома.

Необходимо учитывать, что у круглогодовых потребителей суточные графики в субботние и воскресные дни обычно отличаются от суточных графиков других дней недели. Из сказанного ясно, что круглогодовые потребители обеспечивают наиболее экономичную работу ТЭЦ в течение всего года, в то время как сезонная нагрузка ввиду неравномерности ее годового графика и особенно ввиду наличия летнего провала приводит к снижению экономичности ТЭЦ.

Рис. 1.3 - Суточный график расхода тепла на горячее водоснабжение жилого дома

Намечаемое в нашей стране дальнейшее развитие горячего водоснабжения, кондиционирования воздуха и холодоснабжения не только еще более улучшит бытовые условия населения, но и положительно отразится на экономичности систем теплоснабжения. Особое положение занимают сезонные технологические потребители тепла (в основном это предприятия по переработке сельскохозяйственных продуктов и сырья). Они имеют общие черты и с сезонными и с круглогодовыми потребителями тепла.

1.  

   1. Классификация систем теплоснабжения

Снабжение теплотой потребителей (систем отопления, вентиляции, горячее водоснабжение зданий и технологические процессы) состоит из трех взаимосвязанных процессов: сообщения теплоты теплоносителю, транспорта теплоносителя и использования теплового потенциала теплоносителя. В соответствии с этим каждая система теплоснабжения состоит из трех звеньев: источника теплоты, трубопроводов и систем теплопотребления с нагревательными приборами.

Системы теплоснабжения классифицируются по следующим основным признакам: по мощности, виду источника теплоты и виду теплоносителя. По мощности системы теплоснабжения характеризуются дальностью передачи тепла и числом потребителей. Они могут быть местными и централизованными. Местными называют системы теплоснабжения, в которых три основных звена объединены и находятся или в одном помещении или в смежных помещениях и применяются только в гражданских небольшого объема зданиях или в небольших вспомогательных зданиях на промышленных площадках, удаленных от основных производственных корпусов. Примером таких систем являются печи, газовое или электрическое отопление. В этих случаях получение тепла и передача его воздуху отапливаемых помещений объединены в одном устройстве и расположены в самих помещениях.

Централизованными системы теплоснабжения называются в том случае, когда от одного источника тепла подается теплота для многих помещений или зданий. Простейшей формой централизованного теплоснабжения является система снабжения теплом одного здания любого объема от одного источника тепла. Как правило, такими системами называют системы отопления зданий, получающих тепло от котла, установленного в подвале здания. От этого котла может подаваться теплота для систем вентиляции и горячего водоснабжения этого здания.

По виду источника тепла системы централизованного теплоснабжения разделяют на районное теплоснабжение и теплофикацию. При районном теплоснабжении источником тепла служит районная котельная, а при теплофикации – ТЭЦ (теплоэлектроцентраль).

Теплоноситель получает тепло в районной котельной (или ТЭЦ) и по трубопроводам, которые носят название тепловых сетей, поступает в системы отопления и вентиляции промышленных, общественных и жилых зданий. В нагревательных приборах, расположенных внутри зданий, теплоноситель отдает часть теплоты и отводится по специальным трубопроводам обратно.

Теплофикация от районного теплоснабжения отличается не только видом источника тепла, но и самим характером производства тепловой энергии. Она может быть охарактеризована как централизованное теплоснабжение на базе комбинированного производства тепловой и электрической энергии (ТЭЦ).

Кроме источника тепла, все другие элементы в системах районного теплоснабжения и теплофикации одинаковы. Однако, как правило, охват централизованным теплоснабжением, при теплофикации значительно выше, чем при районном теплоснабжении.

Теплоносителем называется рабочее тело, которое передает тепло от источника тепла к нагревательным приборам систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.

По виду теплоносителя системы теплоснабжения делятся на две группы – на водяные и паровые.

Как ясно из названия, в водяных системах теплоснабжения основным теплоносителем служит вода, а в паровых пар. В нашей стране для городов и жилых районов в качестве теплоносителя используют воду.

На промышленных площадках в промышленных районах для систем теплоснабжения применяют воду и пар. Пар в основном применяется для технологических потребностей. В последнее время имеется тенденция применения и на промышленных объектах единого теплоносителя – воды, которая используется и при технологических процессах. Применение единого теплоносителя упрощает схему теплоснабжения, ведет к уменьшению капитальных затрат и способствует качественной и экономичной эксплуатации.

В системах теплоснабжения применяется только насыщенный пар, так как перегретый пар сразу теряет свой перегрев при соприкосновении с относительно холодными поверхностями нагревательных приборов. Перед транспортировкой пара по паропроводам его в ряде случаев перегревают, чтобы к потребителям из-за попутного охлаждения он был доставлен уже в состоянии насыщенного пара.

К теплоносителям, применяемым в системах централизованного теплоснабжения, предъявляются санитарно-гигиенические, технико-экономические и эксплуатационные требования. Главнейшее санитарно-гигиеническое требование заключается в том, что любой теплоноситель не должен ухудшать в закрытых помещениях санитарных условий для находящихся в них людей. С этой точки зрения теплоноситель не должен обладать высокой температурой, так как это может вести к высокой температуре поверхностей нагревательных приборов, вызывать разложение пыли органического происхождения и вредно воздействовать на человеческий организм. Средняя температура поверхности нагревательных приборов не должна быть выше 70–80°С в жилых и общественных зданиях. В промышленных зданиях допускается более 100°С.

Технико-экономические требования к теплоносителю сводятся к тому, чтобы при применении того или иного теплоносителя стоимость трубопроводов, по которым транспортируется теплоноситель, была наименьшей, а также малым был вес нагревательных приборов и обеспечен наименьший расход топлива для нагревания помещений.

С эксплуатационной точки зрения теплоноситель должен обладать качествами, позволяющими проводить центральную регулировку тепловой отдачи систем теплопотребления. Необходимость изменять расходы тепла в системах отопления и вентиляции вызвана переменными температурами наружного воздуха. Эксплуатационным показателем теплоносителя считается также срок службы отопительно-вентиляционных систем при применении того или иного теплоносителя.

Если сравнить по перечисленным основным показателям воду и пар, можно отметить следующие преимущества их друг перед другом.

Преимущества воды: сравнительно низкая температура воды, а следовательно, температура поверхности нагревательных приборов; возможность транспортирования воды на большие расстояния без уменьшения ее теплового потенциала; возможность центрального регулирования тепловой отдачи систем теплопотребления; возможность ступенчатого подогрева воды на ТЭЦ, с использованием низких давлений пара; простота присоединений водяных систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения к тепловым сетям; сохранение конденсата греющего пара на ТЭЦ или в районных котельных; большой срок службы систем отопления и вентиляции.

Преимущества пара: возможность применения пара не только для тепловых потребителей, но также для силовых и технологических нужд; быстрый прогрев и охлаждение систем парового отопления; пар низкого давления (обычно применяемый в системах отопления зданий) имеет малую плотность (примерно в 1650 раз меньше плотности воды); это обстоятельство в паровых системах отопления позволяет не учитывать гидростатическое давление и создает возможность применять пар в качестве теплоносителя в многоэтажных зданиях; паровые системы теплоснабжения по тем же соображениям могут применяться при самом неблагоприятном рельефе местности теплоснабжаемого района; более низкая первоначальная стоимость паровых систем ввиду меньшей поверхности нагревательных приборов и меньших диаметров трубопроводов; простота начальной регулировки вследствие самораспределения пара; отсутствие расхода энергии на транспортирование пара.

К недостаткам паровых систем, можно отнести дополнительно: повышенные потери теплоты паропроводами из-за более высокой температуры пара; срок службы паровых систем отопления значительно меньше, чем водяных, по причине более интенсивной коррозии внутренней поверхности конденсатопроводов.

Несмотря на некоторые преимущества пара, как теплоносителя, последний применяется для систем теплоснабжения и отопительных систем значительно реже воды и то лишь для тех помещений, где нет долговременного пребывания людей. Строительными нормами паровое отопление разрешается применять в торговых помещениях, банях, прачечных, кинотеатрах, в промышленных зданиях. В жилых зданиях паровые системы не применяются.

В системах воздушного отопления и вентиляции любых зданий разрешается применение пара в качестве первичного теплоносителя. Применять его также можно для нагревания водопроводной воды в системах горячего водоснабжения.

Параметрами теплоносителей называют температуру и давление. Вместо давления в практике эксплуатации широко пользуются другой единицей – напором. Напор и давление связаны следующей зависимостью

H=Pρg, (1.1)

где H – напор, м;

P – давление, Па;

 – плотность теплоносителя, кгм3;

g – ускорение свободного падения, мс2.

Теплота, отдаваемая водой, кВт

Q=mcpmt1'-t1'', (1.2)

где т– массовый расход воды, проходящей через систему потребления, кгс;

cpm – средняя изобарная теплоемкость воды, кДж(кг∙К);

t1' – температура воды до системы теплопотребления, °С;

t1'' – температура воды после системы теплопотребления, °С.

Температура воды в системах теплоснабжения должна соответствовать давлению, при котором не будет вскипания (например, вода при температуре 150 °С должна иметь давление не ниже 0,4 МПа). Повышение температуры воды в источнике теплоснабжения (у генератора тепла) ведет к снижению массового расхода воды, уменьшению диаметров труб и расходов энергии на перекачку.

Пар в системах теплоснабжения применяется различных давлений. В системах парового отопления низкого давления P = 0,005-0,07 МПа; в системах парового отопления высокого давления P> 0,07.

Для технологических нужд применяется пар более высоких давлений. Теплоотдача пара в системе теплопотребления Qопределяется по формуле, кВт:

Q=mh'-h'' (1.3)

где т– расход пара;

h'' – энтальпия сухого насыщенного пара, кДжкг;

h' – энтальпия конденсата (воды на линии насыщения), кДжкг.

2 Принципиальные схемы источников тепла в системах теплоснабжения

При районном теплоснабжении источник тепла - районная котельная может быть паровой или водогрейной. Тепловая энергия отпускается потребителям в виде пара или горячей воды.

2.1 Схема районного теплоснабжения от водогрейной котельной

I – система горячего водоснабжения; II – система отопления (зависимое присоединение); III – система отопления (независимое присоединение); Э – элеватор; Б – бойлер; ЦН – циркулярный насос.

Рис 2.1 - Схема районного теплоснабжения от водогрейной котельной

На рис. 2.1 приведена схема централизованного теплоснабжения от водогрейной котельной. В котле К, происходит нагрев воды за счет сжигания топлива; нагретая вода по теплопроводам (подающему П и обратному О) тепловой сети циркулирует при помощи сетевых насосов СН. Обратная вода проходит грязевик Гр, где из воды удаляются взвешенные механические примеси (окалина, песок, коррозионные отложения и другие частицы). Потребитель Iпредставляет собой систему горячего водоснабжения; потребители II и III – системы отопления зданий. В котельной предусмотрена химводоочистка (ХВО). В ней подготавливается вода перед заполнением сети в начале эксплуатации и во время эксплуатации; подача воды осуществляется подпиточным насосом ППН автоматически при помощи регулировочного клапана РД. В ХВО вода может умягчаться, освобождаться от растворенных кислорода и углекислоты, а также от нерастворимых механических примесей.

Умягчение воды устраняет интенсивное образование накипи, а удаление из воды кислорода, углекислоты и нерастворимых примесей предотвращает возникновение коррозии и загрязнение элементов систем теплоснабжения.

Подпиточная вода должна удовлетворять следующим требованиям: содержание кислорода не более 0,05–0,1 мг/л; содержание взвешенных веществ не более 5 мг/л; карбонатная жесткость не более 400–700 мкг-экв/л. При наличии водоразбора для горячего водоснабжения (открытая система теплоснабжения) подпиточная вода должна соответствовать по всем показателям питьевой воде.

Умягчение воды осуществляется способами, применяемыми на электрических станциях. Имеется тенденция применения безреагентной обработки, не требующей химических веществ. Чаще всего для снижения временной жесткости, применяется пропуск подпиточной воды через катионитовые фильтры, заполненные сульфоуглем или другими катионными материалами. Известны другие методы умягчения воды: подкисление воды серной или соляной кислотой, микрофосфатирование, присадка сернокислого алюминия. В последнее время в некоторых случаях применяется магнитная обработка воды с целью снижения накипеобразующей способности, при которой поток воды пропускается через магнитное поле.

Деаэрация воды (удаление из нее кислорода и углекислоты) осуществляется в термических деаэраторах атмосферного или вакуумного типа. Могут применяться также методы химической деаэрации, при которых кислород в воде связывается химическим реагентом (сульфитирование).

2.2 Схема районного теплоснабжения от паровой котельной

ГВ – городской водопровод; 1 – пар; 2 – конденсат; 3 – подающий трубопровод; 4 – обратный трубопровод.

Рис. 2.2 - Схема районного теплоснабжения от паровой котельной

Схема централизованного теплоснабжения от паровой котельной представлена на рис. 2.2. В этом случае в котельной подготавливаются два теплоносителя – вода и пар и имеется два различных вида тепловых сетей – паровые и водяные. Пар вырабатывается в паровых котлах К и подается к потребителям тепла по паровым сетям и к подогревателям СП, откуда горячая вода направляется к потребителям горячей воды по водяным сетям.

Циркуляция воды осуществляется сетевыми насосами СН. Потребители тепла в виде воды те же, что и на рис. 2.1. От потребителей пара конденсат поступает по конденсатопроводам в котельную и сливается в конденсатный бак КБ; туда же сливается и конденсат из водоподогревателей. Из бака конденсат питательными насосами ПН подается в котел для повторного парообразования. Остальные обозначения те же, что и на рис. 2.1. Потребителями пара могут быть технологические аппараты промышленных предприятий Iи системы отопления зданий II, III.

2.3 Принципиальная схема теплофикации

К – паровой котел; Т – турбина; Г – электрогенератор; Кд – конденсатор; КН – конденсатный насос; Р – регенеративный подогрев; xxx – пар; --- – конденсат; – – вода.

Рис. 2.3 - Принципиальная схема теплофикации

На рис. 2.3, (а) приводится схема теплофикационной системы с теплоносителем – паром. В турбине, установленной на ТЭЦ, не весь пар поступает в конденсатор Кд, часть пара с давлением 0,6–0,8 МПа отбирается и направляется потребителям. Следовательно, пар совершает работу на диапазоне давлений «начальное» – 0,6 МПа и уже после этого отдается потребителям тепла. Такой пар называется отборным (по сути дела отработавшим) паром и используется как для выработки электроэнергии, так и для выработки тепловой энергии. Этот способ использования пара значительно выгоднее получения пара в районной котельной, так как при теплоснабжении от ТЭЦ пар подается потребителям уже после выработки им электрической энергии. В конечном итоге расходуется значительно меньше топлива. Пар по паропроводам поступает к потребителям пара, где отдает скрытую теплоту парообразования (конденсируется) в технологических аппаратах I, в нагревательных приборах отопительных систем II и в подогревателях водопроводной воды систем горячего водоснабжения III.

Конденсат, полученный из пара, по конденсатопроводам возвращается на ТЭЦ и, пройдя систему регенеративного подогрева и деаэрации, поступает снова в котел для парообразования. Пар двигается по паропроводам за счет потенциальной энергии самого пара, т. е. за счет снижения давления на преодоление сил трения в паропроводе. Возврат конденсата осуществляется при помощи перекачивающих насосов.

Паровые системы теплофикации применяются в России главным образом на промышленных площадках для технологических потребностей, а иногда для отопления и вентиляции промышленных зданий и горячего водоснабжения отдельных цехов.

На рис. 2.3, (б) показана принципиальная схема водяной теплофикационной системы. Здесь отборный пар более низкого давления – 0,12–0,25 МПа поступает в водоподогреватели СП на ТЭЦ, в которых нагревает воду, циркулирующую в тепловой сети и системах потребителей тепла. Отдав в водоподогревателях скрытую теплоту парообразования, пар конденсируется. Конденсат, пройдя систему регенеративного подогрева, т. е. использования тепла отработавшего (отборного) пара турбины в подогревателях питательной воды, поступает в котел. В этой схеме пар не покидает ТЭЦ и весь конденсат остается на ТЭЦ (его не надо собирать у потребителей и подавать на большие расстояния). Указанное обстоятельство повышает экономичность установки и ведет к экономии топлива.

Другим фактором повышения экономичности теплофикации является снижение давления отборного пара до 0,12–0,25 МПа.

Паром указанного давления можно нагреть воду до температуры 115 °С.

Для получения воды более высокой температуры (до 150 °С) применяют нагрев ее в пиковых водогрейных котлах (на рис. 2.3 не показаны).

Горячая вода после водоподогревателей СП по теплопроводу поступает к системам теплопотребления вентиляция, горячее водоснабжение) и, отдав в них тепло и температуру, по обратному теплопроводу подается в водоподогреватели ТЭЦ для последующего нагрева.

Движение воды (циркуляция) осуществляется при помощи сетевого насоса СН, установленного на ТЭЦ.

Потребитель Iпредставляет собой систему горячего водоснабжения, присоединенную к сетям по непосредственной схеме. Потребители II и III – системы отопления, причем система отопления II присоединена по схеме с элеватором, а система отопления III присоединена по независимой схеме с подогревателем (бойлером Б).

Возможные утечки воды из сети или разбор воды восполняются при помощи подпиточного насоса ППН, установленного на ТЭЦ. Восполнение

осуществляется химически подготовленной водой. Подпиточная вода подготавливается в установках тех же типов, как и в районных котельных. Однако они отличаются большей производительностью, и их состав меняется в зависимости от качества исходной воды.

Теплофикационные системы с водяным теплоносителем являются наиболее распространенными в России и применяются в городах и на промышленных площадках. Сравнивая ТЭЦ с обычной конденсационной электрической станцией (КЭС), на которой вырабатывается только электроэнергия, можно прийти к выводу, что на ТЭЦ тепло, затраченное на производство пара, используется значительно полнее.

На КЭС скрытая теплота парообразования отработанного пара турбин передается в конденсаторе охлаждающей воде, которая поступает в реку, градирню или охлаждающий бассейн. КЭС имеет термический КПД η_tдо 40%, на ТЭЦ коэффициент использования теплоты К достигает 80%.

Следовательно, теплофикация повышает использование теплоты топлива и ведет к его экономии. В этом состоит основное преимущество теплофикации по сравнению с теплоснабжением от котельных и электроснабжением от КЭС.

3 Водяные системы теплоснабжения

Водяные системы различают по числу теплопроводов, передающих воду в одном направлении: однотрубные, двухтрубные и многотрубные. Однотрубная система может быть применена, если теплоноситель полностью используется у потребителей и не должен возвращаться в районную котельную или на ТЭЦ. Примером такой системы может служить централизованное снабжение горячей водой на бытовые цели.

Двухтрубные системы с тепловой сетью, состоящей из двух теплопроводов – прямого и обратного, являются самыми распространенными. В этом случае по прямому теплопроводу вода подается к потребителям, а по обратной линии от потребителей охлажденная вода подается на ТЭЦ или в районную котельную. Применение в основном двухтрубных систем вызывается тем, что они пригодны для снабжения теплом однородных потребителей, т. е. систем отопления и вентиляции. При этом вся тепловая энергия подается одного потенциала, т. е. вода одинаковой температуры при заданной температуре наружного воздуха.

Соединение двухтрубной системы теплоснабжения на нужды отопления и вентиляции с однотрубной системой горячего водоснабжения приводит к трехтрубной системе теплоснабжения.

Если система горячего водоснабжения имеет также два теплопровода, причем второй применяется как вспомогательный для создания циркуляции с целью устранить остывание воды при малом водоразборе, вся система теплоснабжения вместе с двумя теплопроводами на отопление и вентиляцию будет называться четырехтрубной.

Трехтрубные или четырехтрубные системы применяются в промышленных районах, где рациональней в ряде случаев выделить горячее водоснабжение и технологические установки на третью трубу, так как источником теплоснабжения для горячего водоснабжения и технологических нужд могут быть отдельные бойлерные группы или утилизационные установки по использованию сбросного тепла.

Водяные системы теплоснабжения по способу присоединения систем горячего водоснабжения разделяются на две группы: закрытые и открытые системы. В закрытых системах вода, циркулирующая в тепловой сети, используется только в качестве греющей среды, т. е. как теплоноситель, но из сетей потребителем не разбирается. В открытых–вода, циркулирующая по тепловым сетям, может частично или полностью разбираться у потребителей горячего водоснабжения.

На рис. 3.1 представлена схема закрытой двухтрубной водяной сети. По прямому теплопроводу Iвода подается к потребителям тепла, а по обратному теплопроводу II охлажденная вода поступает на ТЭЦ или в районную котельную.

Схемы присоединений систем отопления и вентиляции к тепловым сетям могут быть зависимые или независимые. При зависимой схеме вода из тепловых сетей непосредственно поступает в нагревательные приборы систем отопления и вентиляции.

А – система отопления с непосредственным соединением; Б – система соединений с элеватором; В – система отопления с насосным подмешиванием; Г – система отопления с независимым соединением.

Рис. 3.1 - Закрытая двухтрубная водяная система

При независимой схеме вода из тепловой сети доходит только до абонентских вводов местных систем, т.е. до места присоединения последних к тепловой сети, и не попадает в нагревательные приборы, а в специально предусмотренных подогревателях (бойлерах) нагревает вторичную воду, циркулирующую в системах отопления зданий, и возвращается по обратному теплопровода к источнику теплоснабжения. В этом случае применяются два теплоносителя – греющий (вода из тепловых сетей) и нагреваемый (вторичная вода, циркулирующая в местных системах отопления). Очевидно, что в этом случае давление воды в тепловой сети никак не передается на местные системы, в которых давление может быть создано только местным циркуляционным насосом.

Оборудование абонентского ввода при зависимой схеме значительно проще и дешевле, чем при независимой схеме.

Однако существенный недостаток зависимых схем, состоящий в передаче давления из тепловой сети в местные системы и на нагревательные приборы, в ряде случаев заставляет применять независимые схемы присоединения. Последние применяются в тех случаях, когда уровень давления в обратном теплопроводе сети превосходит допускаемый для нагревательных приборов местных систем (чугунные радиаторы выдерживают максимальное избыточное давление 0,6 МПа) и в ряде других случаев.

На рис. 3.1 узлы А, Б и В представляют зависимые схемы присоединения систем отопления к тепловым сетям. На узле А показана схема непосредственного присоединения, при которой температура в подающем теплопроводе тепловой сети не превосходит предела, установленного санитарными нормами для нагревательных приборов местных систем. Указанная схема применяется в основном для систем отопления промышленных зданий. В большинстве случаев применяется схема Б со смесительным устройством (элеватором Э), понижающим температуру воды перед поступлением ее из тепловой сети в местную систему за счет подмешивания обратной воды.

По санитарным нормам вода, поступающая в нагревательные приборы отопительных систем жилых зданий не может превышать 95°С, в то время как температура воды в прямом теплопроводе тепловой сети доходит до 150°С.

Смесительное устройство, установленное на абонентском вводе, подмешивает к горячей воде из тепловой сети обратную воду, прошедшую нагревательные приборы отопительных систем. В результате смешения получается вода пониженной температуры. В качестве смесительного устройства на узле Б применен водоструйный элеватор, а на узле В центробежный насос.

Схема с элеватором получила широкое распространение в России. Большинство вводов жилых зданий в городах оборудовано элеваторами. Вода из прямого теплопровода через подводящий трубопровод 1 (узел Б, рис. 3.1) поступает в элеватор 2. Через патрубок 3 к элеватору подсасывается охлажденная вода после нагревательных приборов отопительной системы. Смешанная вода с температурой ниже, чем температура воды в тепловой сети, по трубопроводу 4 подается к нагревательным приборам отопительной системы.

Для работы элеватора требуется напор на вводе не менее 10–15 м. В случае недостаточного напора вместо элеватора ставится на вводе центробежный насос (узел В). Он ставится на перемычке между прямым и обратным теплопроводами и подмешивает к потоку воды из тепловой сети обратную охлажденную воду из отопительной системы.

Применение элеватора значительно выгоднее насоса, так как для работы последнего требуется затрата электроэнергии, установка электродвигателя и вместе с тем усложняется обслуживание.

На узле Г показана схема независимого присоединения отопительной системы с водоподогревателем. Охлажденная вода по трубе 3 поступает в обратный теплопровод тепловой сети. Циркуляция воды в отопительной системе создается циркуляционным насосом 4.

Как было показано, при закрытой системе расход воды, циркулирующей в тепловой сети, остается неизменным, так как во всех абонентских установках (отопительно-вентиляционные системы и системы горячего водоснабжения зданий) вода выполняет только функции греющего теплоносителя и не отбирается из трубопроводов. Основными недостатками закрытых систем являются: усложнение оборудования абонентских вводов; коррозия в системах горячего водоснабжения зданий, так как в них поступает водопроводная подогретая вода, содержащая кислород (отсутствие деаэрации); выпадение накипи в подогревателях горячего водоснабжения на тепловых вводах при повышенной жесткости водопроводной воды.

Следовательно, основной особенностью открытых систем теплоснабжения является отсутствие на тепловых вводах подогревателей горячего водоснабжения и непосредственный разбор воды из тепловой сети для горячего водоснабжения. В этом случае для горячего водоснабжения используется вода, полностью подготовленная на ТЭЦ (деаэрированная и умягченная).

Для горячего водоснабжения удобно использовать отходящую (сбросную) теплую воду с температурой 15–30°С, которой много на электростанциях и промышленных предприятиях. Они используются на ТЭЦ для подпитки тепловых сетей, предварительно пройдя водоочистительную установку. В этих системах значительно упрощаются абонентские вводы, так как на них отсутствуют громоздкие и дорогие подогреватели горячего водоснабжения. В противовес закрытым системам, для которых величина подпитки не превышает 1…2% от количества циркулирующей воды, в открытых системах, кроме восполнения утечек из-за возможных неплотностей системы, подпитка полностью должна обеспечить расход воды на горячее водоснабжение. Производительность подпиточных устройств доходит до 30…40% от расхода циркулирующей воды.

При использовании сбросной воды и отработавшего пара сбросная вода, пройдя специальные водоочистительные установки, подается в обратный теплопровод.

В случае непосредственного водоразбора вода в системах горячего водоснабжения не вызывает коррозии трубопроводов, так как из нее удален кислород деаэрацией. К недостаткам открытых схем можно отнести: усложнение и увеличение объема водоподготовительных установок на ТЭЦ и в котельной.

4 Паровые системы теплоснабжения

Паровые централизованные системы теплоснабжения применяются в России, как правило, в промышленных районах. В городах их рационально применять при особенно неблагоприятном рельефе местности (большая разность геодезических отметок, наличие оврагов и т. п.), а также в южных районах страны, где невелика продолжительность отопительного периода и можно снизить санитарно-гигиенические требования к теплоносителю.

Паровые системы могут быть с возвратом и без возврата конденсата. На промышленных площадках широко применяется паровая система с возвратом конденсата, изображенная на рис. 4.1.

I – паропровод; II – конденсатопровод; III – вода из водопровода; IV – компрессор; А – паровая система отопления; Б – водяная система отопления с пароводяным подогревателем; В – система горячего водоснабжения с пароводяным подогревателем; Г – технологический потребитель пара с возвратом конденсата; Д – система технологического потребления пара с пароструйным компрессором и возвратом конденсата; pн – давление пара перед компрессором; pс – давление пара в сети; –– – пар; - - - – конденсат.

Рис. 4.1 - Паровая система с возвратом конденсата.

Пар от ТЭЦ или районной котельной поступает в паропровод I, а далее по нему к потребителям тепла. Конденсат от потребителей тепла возвращается по конденсатопроводу II на ТЭЦ. Конденсат возвращается под давлением конденсатных насосов, установленных у абонентов (у каждого, а чаще на группу абонентов).

На рис. 4.1 показаны различные схемы присоединений абонентов – потребителей тепла. На схеме А показано непосредственное присоединение паровой системы отопления к паровой сети. Пар из паропровода поступает в нагревательные приборы 1, в которых отдает теплоту и конденсируется. Конденсат проходит конденсатоотводчик 2 и собирается в бак 3, из которого конденсатным насосом 4 перекачивается по конденсатопроводу к источнику тепла.

Калориферные установки приточных вентиляционных систем и систем кондиционирования воздуха присоединяются по аналогичной схеме.

Схема Б представляет собой водяную систему отопления, присоединенную к паровой сети, с применением пароводяного подогревателя I. В пароводяном подогревателе пар нагревает воду, циркулирующую в системе водяного отопления. Конденсат из подогревателя через конденсатоотводчик сливается в конденсатный бак, откуда насосом перекачивается по конденсатопроводу II к источнику тепла. Циркуляция теплоносителя в водяной системе отопления создается насосом 2.

На схеме В показано присоединение системы ГВС с применением пароводяного подогревателя, аналогично подогревателю в схеме Б.

Технологические потребители пара присоединяются непосредственно (схема Г) или с применением компрессора (схема Д), если давление пара в сети ниже давления, требуемого технологическими потребителями. Конденсат от технологических потребителей возвращается по нормальной схеме, если пар не смешивается с подогреваемой средой. Рентабельность установок может быть повышена применением струйного компрессора на ТЭЦ.

На рис. 4.2 показана паровая система без возврата конденсата. По этой схеме конденсат используется на месте, у потребителя для горячего водоснабжения. В этом случае упрощаются сети, но на ТЭЦ или в паровой районной котельной должна быть смонтирована мощная установка по подготовке питательной воды для котлов.

А – водяная система отопления с пароинжекторным соединением и системой горячего водоснабжения;

Б – паровая система отопления и система горячего водоснабжения; В – система горячего водоснабжения со струйным подогревателем; I – паропровод; II – вода из водопровода.

Рис. 4.2 - Паровая система без возврата конденсата

На схеме А показано присоединение системы водяного отопления к паровой сети с одновременным решением вопроса снабжения горячей водой для бытовых целей. Пар из паропровода поступает в струйный инжектор 1, при помощи которого производится подсасывание воды из обратной магистрали отопительной системы с одновременным подогреванием воды паром. При недостаточном нагреве воды в инжекторе 1 можно включить в работу инжектор 2, что обычно и применяют при низких температурах наружного воздуха.

Избыток воды поступает в расширитель-аккумулятор 3, откуда вода поступает в систему горячего водоснабжения. При давлении пара ниже статического давления отопительной системы инжекторы устанавливаются в верхних частях зданий.

На схеме Б приводится присоединение системы парового отопления и использование конденсата для горячего водоснабжения. Конденсат из нагревательных приборов попадает через конденсатоотводчики КО в аккумулятор и из него в систему горячего водоснабжения.

При низких давлениях пара аккумулятор устанавливается в нижней части здания и конденсат стекает в него самотеком. Для подачи конденсата в систему горячего водоснабжения в этом случае используется насос. По такой же схеме могут присоединяться к паровой сети калориферные установки вентиляционных систем и технологическое оборудование.

На схеме В показано присоединение системы горячего водоснабжения к паровой сети при помощи струйного подогревателя (эжектора). В эжектор поступают пар и водопроводная вода. Подогретая вода поступает в аккумулятор и из него в систему горячего водоснабжения. По этой схеме возможен дополнительный подогрев воды непосредственно в баке-аккумуляторе барботажным способом, т. е. выпуском пара в воду.

Для компенсации потерь конденсата, различного рода утечек пара в паропроводах, продувки пара в котлах, на ТЭЦ и в котельных предусматриваются ХВО. Схема водоочистки выбирается в зависимости от качества исходной воды и требований, предъявляемых к воде для питания котлов. Кроме того, принимаются во внимание качество и количество возвращаемого конденсата. В некоторых случаях качество загрязненного конденсата можно улучшить применением устройств, например, для маслоудаления, удаления прокладочных материалов, попавших в конденсат, от окислов железа и др.

Методы подготовки воды в ХВО для питания паровых котлов несколько отличаются от методов подготовки воды для подпитки тепловых сетей в сторону более полного удаления из воды растворенных солей, газов и окислов железа.

5 Новые типы систем теплоснабжения

В последние годы разработаны новые системы теплоснабжения, которые могут применяться как в промышленных, так и в жилых районах. К ним относятся системы теплоснабжения на базе термальных вод, от газотурбинных станций, тепловых насосов и др.

Наша страна богата скоплениями горячих подземных вод, называемых термальными водами. Они имеются на Камчатке, на обширной территории Западной Сибири и в других географических пунктах страны. Самые приближенные расчеты позволяют оценить ресурсы термальных вод эквивалентными 100 млн. т условного топлива в год.

Термальные воды могут быть использованы для выработки электроэнергии, теплоснабжения зданий, опреснения соленой воды, обогрева теплиц для выращивания овощей и фруктов и других целей. Особенно целесообразны они для теплоснабжения ввиду того, что наиболее часто встречаются с температурами ниже 100°С.

Термальные воды из скважин по тепловым сетям направляются в системы отопления, где охлаждаются до 40°С. После этого охлажденные воды могут быть направлены в парники и теплицы, в плавательные бассейны и др.

Особенно выгодно использование тепла подземных вод в районах, удаленных от мест добычи горючих ископаемых или природного газа. Некоторые трудности при использовании этих вод создают их повышенная минерализация и загазованность, вызывающие выпадение солей в трубопроводах системы отопления и коррозию. Для предотвращения выпадения солей в системах отопления возможно применение поверхностно-активных веществ, удерживающих выпадение солей.

Для систем отопления на термальных водах нецелесообразно применять распространенные типы радиаторов, обладающих большой емкостью, в которых вследствие малых скоростей движения воды могут выпадать осадки. Целесообразно в этих случаях воздушное отопление, поскольку в этих системах протяженность трубопроводов в несколько раз меньше. Особенно целесообразно воздушное отопление, совмещенное с вентиляцией, так как в этом случае термальные воды могут быть охлаждены до более низкой температуры из-за нагрева холодного наружного воздуха.

При температурах термальных вод ниже 70°С следует предусматривать дополнительные высокотемпературные источники тепла, включающиеся при низких температурах наружного воздуха. Таковыми могут быть электроотопительные приборы, пиковые котельные для дополнительного нагрева термальных вод, тепловые насосы. Последние могут применяться при наличии соответствующего оборудования и электроэнергии.

В крупных системах теплоснабжения при использовании термальных вод в некоторых случаях целесообразно использовать два теплоносителя: первичный – термальную воду и вторичный – обычную воду. Термальная вода или непосредственно своим теплом, или с подогревом в пиковых котельных нагревает в специальных теплообменниках вторичный теплоноситель – воду. В этом случае наружные сети и системы отопления выполняются по обычным схемам.

Оборудование пиковых котельных – теплообменники, арматура, насосы и трубопроводы – должно выполняться и эксплуатироваться с учетом особенностей термальной воды.

6 Выбор систем теплоснабжения

Система теплоснабжения выбирается в зависимости от характера теплового потребления и вида источника теплоснабжения.

Водяным системам теплоснабжения отдается предпочтение в случаях, когда тепловые потребители представляют собой системы отопления, вентиляции и горячего водоснабжения. При наличии технологической тепловой нагрузки, требующей теплоты повышенного потенциала, рационально также применять воду в качестве теплоносителя, но при этом предусматривать прокладку третьего обособленного трубопровода.

На промышленных площадках при превалирующей технологической тепловой нагрузке повышенного потенциала и малых нагрузках отопления и вентиляции можно применять паровые системы теплоснабжения.

Однако окончательный ответ по вопросу выбора системы теплоснабжения может быть дан после проведения технико-экономических расчетов, учитывающих технические и экономические показатели по всем звеньям системы теплоснабжения: источнику теплоснабжения, тепловым сетям и установкам теплопотребителей.

Выбор параметров теплоносителя сказывается в первую очередь на экономике систем теплоснабжения. При теплоснабжении от ТЭЦ повышение параметров теплоносителя снижает экономические показатели ТЭЦ, так как уменьшается выработка электроэнергии на тепловом потреблении. В этом случае следует требовать от технологов промышленных предприятий обоснованных технических требований величины давлений пара; определяющим началом должны быть условия ведения технологического процесса, а не завышенные потери давления в паровых сетях промышленного предприятия.

При теплоснабжении от районных котельных вырабатывается только тепловая энергия, поэтому параметры теплоносителей могут быть повышены. Значения параметров теплоносителя в этом случае выбираются в зависимости от условий транспорта и использования тепла в установках потребителей. Повышение параметров теплоносителя приводит к уменьшению диаметров теплопроводов и снижению мощности электродвигателей насосов.

Выбор закрытой или открытой водяной системы теплоснабжения зависит от условий водоснабжения, источника тепла и качества исходной водопроводной воды. При открытой системе требуется подводить к ТЭЦ или крупной котельной специальные водоводы, но при этом разгружаются городские водопроводные сети и сети промышленных районов.

При мягкой исходной воде затраты по водоподготовке снижаются и может быть применима открытая система. При воде средней степени жесткости может применяться как открытая, так и закрытая системы теплоснабжения. При жесткой водопроводной воде рентабельна открытая система, так как без умягчения воды абонентские подогреватели горячего водоснабжения быстро забиваются накипью и делаются непригодными для эксплуатации.

Однако в каждом отдельном случае выбору открытой или закрытой системы теплоснабжения должны предшествовать подробные технико-экономические расчеты, учитывающие многие факторы, помимо качества водопроводной воды.

В эксплуатации открытые системы сложнее закрытых в связи переменным гидравлическим режимом и усложнением контроля за плотностью элементов системы. В промышленных районах по начальным затратам имеют некоторое преимущество открытые системы, так как позволяют использовать различные виды сбросного тепла промышленности для горячего водоснабжения.

Заключение

Техническое состояние источников теплоснабжения, тепловых сетей и др. объектов коммунальной теплоэнергетики на сегодняшний день не отвечает современным требованиям. Необходима техническая реконструкция и модернизация всей системы теплоснабжения и внедрение нового энергоэффективного и экологически чистого теплоэнергетического оборудования.

Работа котельных установок должна быть надежной, экономичной и безопасной для обслуживающего персонала. Для выполнения этих требований котельные установки эксплуатируются в соответствии с правилами устройства и безопасной эксплуатации паровых котлов и рабочими инструкциями, составленными на основе правил Госгортехнадзора с учетом местных условий и особенностей оборудования.

Котел должен быть оборудован необходимым количеством контрольно-измерительных приборов, автоматической системой регулирования важнейших параметров котла, защитными устройствами, блокировкой и сигнализацией.

Режимы работы котла должны соответствовать режимной карте, в которой указываются рекомендуемые технологические и экономические показатели его работы: параметры пара и питательной воды, содержание RO2 в газах, температура и разрежение по газовому тракту, коэффициент избытка воздуха и т.п.

Большинство современных котельных установок полностью автоматизированы. При нарушении нормальной работы котла вследствие неисправностей, которые могут привести к аварии, он должен быть немедленно остановлен.

Капитальный ремонт котлов производится через каждые два-три года. Котел периодически подвергается техническому освидетельствованию по трем видам:

- наружный осмотр (не реже одного раза в год);

- внутренний осмотр (не реже одного раза в четыре года);

- гидравлическое испытание (не реже одного раза в восемь лет).

Список использованных источников

1. СНиП П-35-76*(с изм. 1985 и 1997 г). Котельные установки. - М: ГУЛ ЦПП Госстроя России, 1997.

2. СНиП 41-03-2003 Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов.

3. СНиП 41-02-2003 Тепловые сети.

4. ГОСТ 20995-75. Котлы паровые стационарные давлением до 4 МПа.

5. Правила технической эксплуатации коммунальных отопительных котельных. - М.: НПО ОБТ, 1992.

6. ПБ 03-576-03. Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением. - М.: ПИО ОБТ, 2003.

7. ПБ 10-574-03. Правила устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов. - М.: ПИО ОБТ, 2003.

8. ПБ 10-573-03. Правила устройства и безопасной эксплуатации трубопроводов пара и горячей воды. – М.: ПИО ОБТ, 2003.

9. Шаров Ю.И, Бородихин И.В. Парогазовые установки в системах централизованного теплоснабжения. - Новосибирск, 2003.

10. Делягин Г.Н. Теплогенерирующие установки / Г.Н. Делягин, В.И. Лебедев, Б.А.Пермяков. - М.: Стройиздат, 1986.

11. Лебедев В.И. Расчет и проектирование теплогенерирующих установок / В.И.Лебедев, Б.А. Пермяков, П.А. Хаванов. - М.: Стройиздат, 1992.

Код для цитирования: Скопировать