Основные принципы проектирования систем теплоснабжения
СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ 3.1. Классификация систем теплоснабжения
Система теплоснабжения — совокупность технических устройств, агрегатов и подсистем, обеспечивающих приготовление теплоносителя, его транспортировку и распределение в соответствии со спросом на теплоту по отдельным потребителям. Последними являются системы отопления, вентиляции, горячего водоснабжения, а также технологические установки промышленных предприятий.
В городах и населенных пунктах средства обеспечения тепловой энергией коммунально-бытовых и производственных потребителей непосредственно влияют на санитарное состояние территории, чистоту воздушного бассейна, экономику, а также на степень благоустройства зданий и сооружений.
Все системы теплоснабжения можно объединить в группы по следующим признакам: по степени централизации, по режиму работы (круглогодичные и сезонные), по виду вырабатываемого и отпускаемого теплоносителя, по способу подачи воды на горячее водоснабжение, по количеству трубопроводов тепловой сети.
В зависимости от типа и мощности источника теплоснабжение бывает:
- централизованное от тепловых и атомных электростанций (ТЭЦ и
АТЭЦ) - теплофикация;
- централизованное от районных или квартальных котельных (приме
няется как в больших жилых массивах, так и в отдельных жилых кварталах
и поселках);
- местное от групповых котельных (применяется для теплоснабжения
одного или группы зданий);
- автономное от теплогенераторов, устанавливаемых непосредственно
в отапливаемых зданиях (предназначено для отопления, а иногда и горячего
водоснабжения отдельных домов и помещений).
Централизованное теплоснабжение потребителей осуществляется по протяженным и разветвленным тепловым сетям от теплоэлектроцентралей на базе комбинированной выработки тепловой и электрической энергии (теплофикация), а также от крупных районных и других источников теплоснабжения.
Для автономных систем теплоснабжения характерна малая протяженность или даже полное отсутствие тепловых сетей от источника теплоснабжения к потребителям тепловой энергии. Автономное теплоснабжение осуществляется от источников теплоснабжения малой мощности, автономных квартирных теплогенераторов и печей. Автономная (децентрализованная) система теплоснабжения состоит из источника теплоты, который совмещен с нагревательным прибором потребителя или соединен с ним внутренними тепловыми сетями. Большие здания имеют развитые внутренние тепловые сети, которые называются системами отопления. Так как система теплоснабжения небольшой группы зданий мало отличается от системы отопления одного здания, в энергетике к децентрализованным относят системы мощностью менее 58 МВт [24].
Автономные системы делятся на две группы:
- системы, у которых источник теплоснабжения соединен с приемни
ками (нагревательными приборами, калориферами, водоразборной армату
рой и пр.), внутренними тепловыми сетями (системы отопления, вентиля
ции, местные системы горячего водоснабжения);
- системы, у которых источник теплоснабжения и нагревательные по
верхности объединены в одном агрегате (отопительные печи, теплогенера
торы).
Автономные (децентрализованные) системы первого типа находят применение в городах и сельской местности, второго типа - в малых населенных пунктах.
Существуют также поквартирные системы отопления и системы, обеспечивающие отопление и горячее водоснабжение квартиры.
Перечисленные системы теплоснабжения характеризуются различными показателями качества, надежности работы и экономичности. При строительстве новых городов и населенных пунктов целесообразную систему теплоснабжения выбирают на основании технико-экономических расчетов, главными критериями при этом являются величина и концентрация тепловой нагрузки.
Решение по выбору типа системы теплоснабжения - централизованной или децентрализованной - зависит от величины и пространственной структуры населенного пункта, плотности тепловых нагрузок и размещения абонентов, вида поставляемого топлива, а также от уровня социальных и санитарно-гигиенических требований, предъявляемых к условиям эксплуатации и функционирования системы.
К преимуществам централизованных систем теплоснабжения часто относят меньшие расходы топлива при выработке теплоты в котельных.
Приведенный тезис не вызывает сомнения; однако, при сравнении энергетической эффективности систем теплоснабжения он не должен рассматриваться как отвлеченный, так как в централизованной системе неизбежны затраты на собственные нужды котельной, на перекачку теплоносителя, потери теплоты с утечками в тепловых сетях и на охлаждение теплоносителя, т.е. сравнение теплотехнической эффективности должно проводиться не по источнику теплоснабжения, а по системе в целом.
В табл. 3.1 на основе анализа данных по ряду проектов с учетом регламентируемых величин приведены результаты сравнения энергетической эффективности систем теплоснабжения.
Проведенное сравнение показывает, что теплотехнические характеристики автономного теплоснабжения превышают в целом показатели централизованных систем.
Автономные системы, несмотря на ряд присущих им недостатков (значительные затраты времени и труда на обслуживание, более низкие санитарные условия в помещении, низкий КПД теплоемких отопительных печей и теплогенераторов, выпускаемых отечественной промышленностью, трудности обеспечения теплотой многоквартирных зданий), имеют и определенные достоинства:
- меньшие, чем при централизованных системах, единовременные ка
питальные вложения;
- возможность поэтапного ввода в работу оборудования, по мере за
вершения строительных работ;
- независимое обеспечение тепловой нагрузки объектов и возможность
местного регулирования работы системы;
- возможность разработки полностью автономных систем, не требую
щих электропривода отдельных устройств системы (системы с естествен
ной циркуляцией теплоносителя и теплогенераторы на естественной тяге);
- в случае применения крышных котельных достигается снижение за
нимаемой площади территории населенного пункта;
- привлечение средств населения (возможно, частичное) для сооруже
ния системы.
Необходимо отметить, что на сегодняшний день автономные теплогенераторы, предлагаемые на рынке теплотехнического оборудования целым рядом зарубежных фирм, имеют очень высокие показатели коэффициента полезного действия, санитарно-гигиенические характеристики эксплуатации, малые (а иногда вовсе отсутствующие) затраты времени и труда на обслуживание. Однако такие теплогенераторы имеют достаточно высокую стоимость.
Как уже говорилось выше, в городах к децентрализованным системам относят системы с мощностью до 58 МВт. Для малых населенных пунктов под децентрализованным теплоснабжением должно пониматься обеспечение теплотой группы потребителей от одной системы, включающей тепло-генерирующую установку, единую тепловую сеть к потребителям, местные системы теплопотребления внутри зданий. К системе могут быть подключены часть или все здания жилой зоны поселков, а также производственные объекты.
Под децентрализованным теплоснабжением понимается обеспечение потребителей теплотой от местных (автономных) теплогенераторов по внут-ридомовым или внутриквартальным сетям теплоснабжения (см. п. 3.2.). Внешние тепловые сети при этом отсутствуют, а теплогенератор (один или несколько) устанавливается непосредственно в здании или квартире.
Результаты сравнения энергетической эффективности систем теплоснабжения
Показатели | Тип системы | |||
Централизованная, закрытая, двухтрубная | Децентрализованная от автономного теплогенератора | |||
твердое топливо | природный газ | твердое топливо | природный газ | |
Эксплуатационный КПД котла (теплогенератора), брутто, %* | 75-81,5 | 85-90,5 | 63-75 | 78-90 |
Эксплуатационный КПД котельной, нетто, %** | 65-75 | 80-85 | 60-70 | 75-85 |
Расход электроэнергии: | ||||
- на собственные нужды котельной (с учетом сетевых насосов), кВт/МВт; - в пересчете на эквивалентную тепловую энергию, кВт/МВт*** - в пересчете на эквивалентную тепловую энергию, % - принято в расчете, % | 15-25 42,8-71,4 4,3-7,1 5 | 6-8 17,1-22,9 1,7-2,3 2 | - | - |
Потери теплоты: - в тепловых сетях с утечками теплоносителя - в окружающую среду, %**** | 3 7 | - | - | |
Теоретический КПД системы, % | 50-60 | 68-73 | 63-75 | 78-90 |
* Меньшее значение - при установке в котельной чугунных секционных котлов, большее - стальных водогрейных котлов серии КВ.
** Для автономных теплогенераторов КПД увеличен на значения тепловых потерь от внешнего охлаждения q5 = 3-5%,так как теплогенератор устанавливается в пределах общей площади помещения.
*** КПД отпуска электроэнергии по теплоте принят 35%. **** Принято как среднее для систем 5-9% [55].
Существующая структура расселения и архитектурно-планировочная организация малых населенных пунктов характеризуется рядом специфических особенностей: малые значения тепловых нагрузок как в целом по населенным пунктам (2-15 МВт), так и по отдельным абонентам (11-35 кВт); низкая плотность жилого фонда с дальнейшей тенденцией ее снижения в связи с увеличением предельных размеров приусадебных участков; низкая плотность тепловых нагрузок (90-140 кВт/га); дефицит квалифицированного эксплуатационного и обслуживающего персонала; трудности снабжения топливом и оборудованием из-за удаленности от магистралей и промышленных центров; выборочный характер нового строительства.
По технико-экономическим показателям централизованные системы в малых населенных пунктах рациональны в застройке зоны общественных центров и примыкающих к ним жилых зданий. Децентрализованными системами теплоснабжения следует оборудовать одно- и двухэтажные здания селитебной зоны. Тем не менее, во всех случаях для окончательного выбора той или иной системы теплоснабжения (степени ее централизации) для каждого конкретного случая необходимым является проведение технико-экономических расчетов.
По виду энергоносителя системы теплоснабжения делятся на паровые и водяные.
Водяные системы используются для обеспечения тепловой энергией объектов жилищно-коммунального хозяйства (отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха, горячее водоснабжение), а также с целью снабжения промышленных предприятий горячей водой на технологические нужды. В ряде случаев тепловые сети системы теплоснабжения могут включать, кроме трубопроводов жилищно-коммунального назначения, и трубопроводы пароснабжения технологических потребителей паром низкого давления (до 1,4 МПа).
Расположение России в северной климатической зоне и стремление защитить автономные сети от размораживания при аварийных отключениях электроэнергии или при периодической работе инженерных систем часто являются причиной замены воды, используемой в качестве теплоносителя, на «незамерзающий» теплоноситель [60].
В качестве «незамерзающего» теплоносителя часто используется широкий спектр водных смесей на основе моноэтиленгликоля с комплексными присадками, обеспечивающими стабильность свойств, низкую коррозионную активность, антивспенивание, антиокислительные свойства и безна-кипный режим работы системы.
Необходимо, однако, отметить, что в ряде случаев возможность применения этого теплоносителя ограничена, а в случае использования необходима его регулярная замена - не реже одного раза в два года - в связи со «старением» и снижением активности присадок.
Паровые системы теплоснабжения распространены на промышленных предприятиях, где пар используется в качестве энергоносителя в технологических процессах, а также для нужд санитарно-технических систем в пределах этих предприятий.
По способу подачи воды на горячее водоснабжение водяные системы теплоснабжения подразделяются на закрытые и открытые.
В закрытых системах воду из тепловых сетей используют только в качестве энергоносителя в теплообменниках для подогрева холодной водопроводной воды, поступающей в местную систему горячего водоснабжения.
В открытых системах вода непосредственно из тепловой сети забирается для приготовления и подачи ее в систему горячего водоснабжения потребителя.
По количеству трубопроводов тепловой сети тепловые сети делятся на одно-, двух-, трех и четырехтрубные.
Наибольшее распространение получили двух- и четырехтрубные тепловые сети, однако, возможно применение одно- и трехтрубных тепловых сетей. Системы теплоснабжения большой и средней мощности с точки зрения экономичности предпочтительно выполнять двухтрубными - с общим подающим трубопроводом горячей воды для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения и общим обратным трубопроводом.
Использование четырехтрубных тепловых сетей упрощает процессы подготовки теплоносителя для потребителей теплоты, так как сети включают два подающих трубопровода для подачи горячей воды на нужды отопления, вентиляции и горячего водоснабжения и два обратных трубопровода от потребителей (из систем отопления, вентиляции и циркуляционного трубопровода горячего водоснабжения).
Тепловые потребители могут присоединяться непосредственно к тепловым сетям через центральные тепловые пункты (ДТП) или индивидуальные тепловые пункты (ИТП, абонентские вводы), в которых осуществляется приготовление и подача горячей воды нужных параметров для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения потребителей. ЦТП и ИТП в общем случае включают подогреватели, элеваторы, насосы, запорно-регулирующую арматуру и средства автоматического регулирования расхода и параметров теплоносителей и т.д.
Тепловые сети являются одним из наиболее трудоемких и дорогостоящих элементов систем теплоснабжения. Это сложные сооружения, состоящие из соединенных между собой труб, тепловой изоляции, компенсаторов линейных температурных деформаций, подвижных и неподвижных опор, запорной и регулирующей арматуры, строительных конструкций, узлов ответвлений трубопроводов (камер и колодцев), дренажных устройств. Тепловые сети дополняют насосные и дроссельные станции, тепловые пункты.
Схемы теплоснабжения городов и промышленных районов разрабатываются на перспективу развития данного города или района с учетом этапов строительства тепловых сетей. Первоочередной задачей проектирования тепловых сетей является выбор трассы, конструкций теплопроводов и способа прокладки. Проектное решение принимается на основании материалов гидрогеологических изысканий и съемки местности, перспективного развития системы теплоснабжения и очередности строительства тепловых сетей, а также технико-экономического сравнения отдельных возможных решений с учетом последних достижений науки и техники в этой области в соответствии с требованиями [49,50].
В тепловых сетях городов и поселков для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения коммунальных систем теплоснабжения в качестве теплоносителя должна применяться вода.
Водяные тепловые сети, как правило, выполняют двухтрубными с сочетанием подающих трубопроводов для подачи горячей воды от источников теплоснабжения (ИТ) до систем теплоиспользования и обратных трубопроводов для возврата охлажденной в этих системах воды к ИТ для повторного подогрева. Циркуляция воды в сетях поддерживается сетевыми насосами, устанавливаемыми в ИТ, а при больших дальностях транспорта воды - и на трассах сетей (насосные станции).
В зависимости от принятой схемы присоединения к сетям систем горячего водоснабжения различают закрытые и открытые системы теплоснабжения. Открытые системы применяются при обеспечении ИТ от городского водопровода достаточным количеством воды, удовлетворяющим требованиям ГОСТ «Вода питьевая». В противном случае применяется закрытая система с местным подогревом водопроводной воды у потребителей в во-до-водяных подогревателях. Немаловажным преимуществом независимой схемы присоединения сети отопления при теплоснабжении жилых микрорайонов является возможность контроля за утечками во внутренних сетях отопления, что значительно увеличивает надежность и экономичность теплоснабжения. Схемы тепловых сетей, особенно коммунальные, проектируются тупиковыми.
В отдельных случаях водяные тепловые сети выполняются трех- и даже четырехтрубными. Эта схема облегчает регулирование отпуска теплоты в системы различного назначения, но вместе с тем приводит к значительному увеличению капитальных вложений в сети.
В зависимости от назначения предусматривается подразделение тепловых сетей на три категории:
- магистральные (от ИТ до вводов в микрорайоны, кварталы или пред
приятия);
- распределительные (от магистральных сетей до сетей к отдельным
зданиям);
- сети к отдельным зданиям в виде ответвлений от распределительных
(или в отдельных случаях от магистральных) сетей до узлов присоединения
к ним систем теплоиспользования отдельных зданий. Присоединение от
дельных потребителей непосредственно к магистральным теплопроводам
диаметром 400 мм и выше не рекомендуется, за исключением крупных по
требителей.
Крупные тепловые районы с нагрузкой 348 МВт (300 Гкал/ч) и более рекомендуется снабжать теплотой от двух магистралей, соединенных распределительными сетями (перемычками). В этом случае может быть создана объединенная кольцевая тепловая сеть с несколькими ИТ. Кольцевые тепловые сети являются самыми дорогостоящими, однако, по результатам некоторых исследований [1], дополнительные затраты на сооружение кольцевых сетей, выполненных из труб постоянного диаметра, иногда компенсируются снижением капитальных вложений на установку меньших суммарных резервов мощностей ИТ.
Системы централизованного теплоснабжения характеризуются сочетанием трех основных звеньев: источников теплоснабжения ИТ, тепловых сетей и местных систем теплопотребления отдельных зданий или сооружений. В качестве ИТ могут выступать ТЭЦ, ГЭС, котельные, атомные станции теплоснабжения и т. п.
В системах централизованного теплоснабжения ИТ располагаются в отдельно стоящих зданиях, а транспорт теплоты от них осуществляется по трубопроводам тепловых сетей, к которым присоединены системы тепло-использования отдельных зданий. В большинстве централизованных систем теплоснабжения максимальная температура горячей воды принимается равной 150 °С.
Масштабы систем централизованного теплоснабжения могут изменяться в широких пределах: от небольших, обслуживающих несколько соседних зданий, до крупных, охватывающих ряд жилых или промышленных районов и даже город в целом.
В основу классификации систем теплоснабжения жилых массивов по их масштабу целесообразно положить принятое в нормах планировки и застройки городов [41] членение территории селитебной зоны на группы соседних зданий (или кварталы в районах старой застройки), объединяемые в микрорайоны с численностью населения 4—6 тыс. чел. в малых городах (с населением до 50 тыс. чел.) и 12-20 тыс. чел. в 'городах остальных категорий. Предусматривается [41] также формирование из нескольких микрорайонов жилых районов с численностью населения 25-80 тыс. чел. Соответствующие системы централизованного теплоснабжения можно охарактеризовать как групповые (квартальные), микрорайонные и районные. ИТ, обслуживающие эти системы, по одному на каждую систему, могут быть отнесены соответственно к категории групповых (квартальных), микрорайонных и районных котельных. В крупных и крупнейших городах (с численностью населения соответственно 250—500 тыс. чел.) нормами предусматривается объединение нескольких смежных жилых районов в планировочные районы, ограниченные естественными или искусственными рубежами. В таких городах возможно появление наиболее крупных межрайонных систем коммунального теплоснабжения.
Принятие решений о сооружении новых систем централизованного теплоснабжения, а также расширении и реконструкции существующих систем требует специальной проработки, исходя из перспектив развития соответствующих населенных пунктов на ближайший период (10-15 лет) и расчетный срок эксплуатации(25-30 лет).
Нормами [37] предусматривается разработка специального предпро-ектного документа, а именно схемы теплоснабжения данного населенного пункта. Согласно этим нормам, должны прорабатываться несколько вариантов технических решений систем теплоснабжения, и на основе технико-экономического сопоставления обосновывается выбор предлагаемого решения. Последующая разработка проектов ИТ и тепловых сетей должна [37] производиться только на основе решений, принятых в утвержденной схеме теплоснабжения данного населенного пункта. Технико-экономическому выбору вариантов должно предшествовать приведение их в сопоставимый вид, а именно: приведение к одинаковому производственному (энергетическому) эффекту; принятие оптимальных решений для каждого из сравниваемых вариантов; учет взаимосвязей, имеющихся в народном хозяйстве, при определении экономических показателей вариантов; учет фактора времени при определении технико-экономических показателей; обеспечение тождественности учета социальных характеристик сравниваемых вариантов; обеспечение тождественности методик количественной оценки отдельных показателей.
Определение категорий тепловых сетей, данное в п. 3.2, целесообразно уточнить применительно к принятой в п. 3.1 классификации систем централизованного теплоснабжения по их масштабу и контингенту обслуживаемых потребителей. Если в небольших системах от одного ИТ осуществляется подвод теплоты лишь к группе жилых и общественных зданий в пределах микрорайона или производственных зданий одного предприятия, то необходимость в магистральных тепловых сетях отпадает, и все сети от таких ИТ следует рассматривать как распределительные. Такое положение характерно [14] для использования в качестве теплоисточников групповых (квартальных) и микрорайонных котельных, а также промышленных, обслуживающих одно предприятие. При переходе от таких небольших систем к районным, а тем более к межрайонным, появляется категория магистральных тепловых сетей, к которым присоединяются распределительные сети отдельных микрорайонов или предприятий одного промышленного района. Присоединение отдельных зданий непосредственно к магистральным сетям, помимо распределительных, по ряду причин крайне нежелательно, а потому применяется очень редко.
Крупные ИТ районных и межрайонных систем централизованного теплоснабжения должны размещаться за пределами селитебной территории в целях сокращения влияния их выбросов на состояние воздушного бассейна этой зоны, а также упрощения систем подачи к ним топлива.
В таких случаях появляются начальные (головные) участки магистральных сетей значительной протяженности, в пределах которых отсутствуют узлы присоединения распределительных сетей (транзитные участки). Наличие транзитных участков сетей существенно ухудшает технико-экономические показатели транспорта теплоносителя, особенно при протяженности этих сетей 5-10 км и более.
Деление тепловых сетей на магистральные и распределительные является вполне четким и однозначным только в тех случаях, когда магистральные сети имеют более высокие расчетные параметры, чем принятые для присоединенных к ним распределительных сетей. Другим признаком магистральных тепловых сетей является транзит теплоты в них. Однако оба эти признака в тепловых сетях выражены гораздо слабее, чем, например, в газовых сетях.
Общее направление трассы магистральных тепловых сетей следует принимать с учетом ее минимальной протяженности и прокладки в районах с наиболее плотной тепловой нагрузкой. Теплоноситель поступает из магистральных тепловых сетей в распределительные сети, по которым подается через центральные тепловые ЦТП или индивидуальные тепловые пункты (ИТП) к теплопотребляющим установкам абонентов (рис. 3.1). Считается, что оптимальным является отпуск теплоты от центральных тепловых пунктов в пределах 4—10 МВт.
Схема тепловой сети от ТЭЦ с индивидуальными
и центральными тепловыми пунктами: 1 - ТЭЦ; 2 - ЦТП; 3 - ИТП;
4 - насосные подстанции
Подавляющее большинство систем отопления жилых зданий в настоящее время присоединено и продолжает присоединяться к тепловым сетям по зависимой схеме с элеватором (рис. 3.2). Преимуществом этой схемы является ее низкая стоимость и высокая степень надежности элеватора как смесительного устройства, так как элеватор позволяет поддерживать практически постоянным коэффициент смешения, независимо от колебаний перепада давлений перед ним. (В целях упрощения на рис. 3.1 запорная арматура, контрольно-измерительные приборы и системы отопления не показаны).
Значительно большие возможности по регулированию систем отопления создает применение для смешения теплоносителя центробежных насосов (рис. 3.3). В концевых участках тепловой сети применяют схемы присоединения со смесительными насосами на обратной линии, так как в таких случаях часто имеют место повышенные давления в обратных линиях [14].
При теплоснабжении высотных зданий (14 этажей и выше) целесообразной является [14] схема с насосом на подающей линии, либо применяется независимая схема присоединения отопительных систем. Для этой цели разработаны бесфундаментные насосы, характеризующиеся компактностью, надежностью и малошумностью (бесшумностью) работы.
-m-
Рисунок 3.2. Схема присоединения системы отопления с элеватором
Рисунок 3.3. Схемы присоединения системы отопления с насосом: а - насос на перемычке; б - насос на падающей линии; в - насос на обратной линии
Выбор схемы присоединения систем горячего водоснабжения определяется принятой при проектировании ИТ системы теплоснабжения, ее температурным режимом. При закрытой системе теплоснабжения установки горячего водоснабжения присоединяются через поверхностные подогреватели. Для жилых домов эти схемы можно проектировать без баков-аккумуляторов. В этом случае подогреватели и тепловая сеть рассчитываются на максимум горячего водоснабжения.
Циркуляция в системах горячего водоснабжения при индивидуальном присоединении зданий к распределительным тепловым сетям может осуществляться насосом, который располагается в помещении теплового пункта (групповые системы горячего водоснабжения). При работе тепловой сети по отопительному графику выбор схемы присоединения следует производить на основе технико-экономического расчета путем сравнения параллельной и смешанной схем. При коротких тепловых сетях от котельных результаты технико-экономического сравнения могут быть в пользу параллельной схемы [14]. По данным различных авторов обе схемы - смешанная и параллельная - равноэкономичны [36, 56].
В зданиях с числом этажей 16 и более системы горячего водоснабжения выполняются двухзонными (рис. 3.4). Каждая зона представляет собой самостоятельную систему со своими подогревателями и насосами [24].
L. |
Схема двухзонной системы: а, б - при высоком и низком давлениях в
подающих линиях; 1 - подающий трубопровод; 2 - водозаборные стояки;
3 - главные стояки зон; 4 - догребающий теплообменник;
5 - регулятор давления; 6 - повысительный насос
Чем больше мощность ИТ и радиус действия тепловых сетей, тем принципиально более сложными должны становиться схемы центральных тепловых пунктов, поскольку возрастают абсолютные давления, усложняется гидравлический режим, начинает сказываться транспортное запаздывание. В схемах появляется необходимость применения подкачивающих насосов, средств защиты и сложной аппаратуры авторегулирования. Все это не только удорожает сооружение центральных тепловых пунктов, но и усложняет их обслуживание. Наиболее рациональным признано [14, 56] сооружение центральных тепловых пунктов для группы зданий. Этот способ наиболее применим в жилых микрорайонах с однотипными характеристиками систем отопления и горячего водоснабжения, а, следовательно, однотипными схемами центральных тепловых пунктов.
Разработан ряд типовых проектов ЦТП в отдельно стоящих зданиях. Главными элементами такого пункта являются: общий подогреватель для групповой системы горячего водоснабжения с циркуляционными насосами, подкачивающие насосы водопровода, общий узел контроля и учета теплоты. Значительную долю в общих затратах по теплоснабжению жилого микрорайона составляет стоимость сооружения здания ЦТП, не зависящая от мощности ЦТП. Сооружение более крупных ЦТП снижает удельные капитальные вложения в здания, дает возможность применения более совершенных схем контроля и регулирования, а также снижает затраты на автоматизацию работы систем теплоснабжения в целом. Тепловая мощность ЦТП должна соответствовать тепловой нагрузке жилого микрорайона. При тепловой мощности ЦТП 30-50 МВт радиус действия распределительных сетей составляет 600-800 м. Однако разрозненность и долговременность застройки микрорайонов заставляет искать альтернативный вариант.
Принципиально возможные варианты размещения ЦТП показаны на рис. 3.5 и 3.6. Схема сетей отопления и горячего водоснабжения в секционированном жилом здании показана.
Рисунок3.5. Схема центрального теплового пункта для жилого микрорайона: 1 - задвижка с электроприводом; 2 - грязевики; 3,4- подогреватели горячего водоснабжения первой и второй ступеней; 5 - регуляторы температуры воды; 6 - цир-куляционно-подающие насосы; 7 - подогреватель отопления; 8 - регулятор температуры воды для отопления; 9 - циркуляционные насосы сети отопления; 10 - под-питочные насосы для сети отопления; 11 - регулятор давления; 12 - теплосчетчик
Здания, имеющие 14 и более этажей, должны присоединяться по независимой схеме [14] через подогреватели. Основной признак децентрализованной системы теплоснабжения - отсутствие (или совсем малая протяженность) внешних тепловых сетей. Децентрализованная система теплоснабжения обеспечивает теплотой помещение, квартиру или здание.
Для водяных тепловых сетей с тепловой мощностью до 5,8 МВт (5 Гкал) допускается применение расчетной температуры горячей воды в подающей линии тепловой сети +95° С.
Децентрализованное (местное) горячее водоснабжение применяют в тех случаях, когда экономически нецелесообразным является сооружение централизованной системы горячего водоснабжения, например, при небольшой плотности тепловых нагрузок (коттеджная застройка, малые города, сельские населенные пункты и т. п.). Для такой системы водоснабжения характерно размещение установок по приготовлению горячей воды в непосредственной близости от мест ее потребления.
Рисунок 3.6.Схема групповых тепловых пунктов в жилом микрорайоне с четырех-трубными сетями: 1 - задвижка с электроприводом; 2 - грязевики; 3 - измерительная диафрагма к расходомеру; 4 - то же к ограничителю-расходомеру максимального расхода воды; 5 - регуляторы температуры воды; 6 - регулятор давления; 7 -смесительные насосы; 8 - обратные клапаны; 9 - счетчики воды; 10 - подогреватели горячего водоснабжения; 11 - подогреватель отопления; 12 - элеватор; 13 - разрывная мембрана
Достоинствами децентрализованного горячего водоснабжения являются:
- меньшие единовременные капитальные вложения;
- возможность вводить в работу оборудование по мере роста потребле
ния теплоты.
К недостаткам такой системы можно отнести невозможность использования низкопотенциальной теплоты.
Схема сетей отопления и горячего водоснабжения в секционированном жилом здании
При устройстве децентрализованного горячего водоснабжения можно
использовать единый ИТ для систем отопления и горячего водоснабжения.
Однако такое решение не является обязательным. Иногда [9] совместное
использование одного ИТ имеет определенные неудобства. Это объясняет
ся тем, что режим теплопотребления систем отопления и горячего водо
снабжения существенно различается. Системы отопления в течение дня
имеют стабильное теплопотребление, в то время как горячее водоснабжение характеризуется неравномерностью нагрузки с резко выраженными «пиками» в утренние и вечерние часы.
Согласно тепловым расчетам и практическим данным, пиковое потребление теплоты системой горячего водоснабжения превышает отопительную нагрузку. Поэтому при использовании одного ИТ в период максимального водоразбора горячей воды систему отопления приходится отключать, и ИТ работает лишь для целей горячего водоснабжения. Если установить в доме теплоисточник на суммарную тепловую нагрузку отопления и горячего водоснабжения, то его установленная мощность окажется завышенной, и ИТ будет работать с пониженной экономичностью. Поэтому заслуживают внимания системы с раздельными источниками теплоснабжения, где для горячего водоснабжения предлагается использовать емкостные электроводонагреватели с режимом потребления электроэнергии в ночное время по льготному тарифу.
Принципы построения схем тепловых сетей. В комплексной системе централизованного теплоснабжения тепловая сеть является не только соединительным звеном между ИТ и абонентом-потребителем, но и средством, определяющим надежность теплоснабжения, режим работы и показатели всей системы теплоснабжения в целом.
В настоящее время требованиям надежности теплоснабжения могут удовлетворять лишь сети небольшой протяженности с ограниченным числом потребителей, т. е. тепловые сети от котельных небольшой тепловой мощности. Отмечается целесообразность устройства групповых тепловых пунктов с точки зрения технико-экономических и местных градостроительных условий. Это объясняется тем, что тепловая устойчивость и точность распределения циркулирующей сетевой воды определяется гидравлической устойчивостью тепловой сети, что зависит, в конечном счете, от соотношения давлений теплоносителя в конце и начале сети. Создать такую устойчивость в магистральных сетях [24] можно лишь для радиуса действия не более 600-800 м. Надежное теплоснабжение потребителей первой категории, к которым относятся и жилые микрорайоны, обеспечивается только при наличии резервируемых магистралей или резервирующих перемычек между магистралями. Соотношения между продолжительностью отключения тепловой сети в результате аварии, диаметром поврежденного теплопровода, расчетной температурой воздуха и тяжестью последствий приведены в табл. 3.2 и 3.3.
Зависимость продолжительности отключения и количества жителей района от диаметра трубопровода теплосети
Наименование | Условный диаметр трубопровода, мм | |||
Расчетная тепловая нагрузка, МВт | 25-30 | 100-120 | 190-220 | 400-440 |
Расчетная продолжительность отключения, ч | ||||
Количество жителей в отключенных зданиях, тыс. чел. | 12-15 | 50-60 | 95-100 | 200-220 |
Выбор распределительной сети, снабжаемой через центральные (групповые) тепловые пункты, должен осуществляться на основе технико-экономических сравнений вариантов при полном учете местных условий: количества и дислокации тепловых пунктов, их тепловой нагрузки. Анализу схем проектирования распределительных тепловых сетей посвящены работы многих авторов: Н.И. Дунаевского, Н.И. Жирнова, М.Л. Закса, Н.М. Зингера, Б.М. Кагановича, С.Ф. Копьева, Л.Б. Кроля, И.С. Ланина, Т.К. Леонтьевой, Л А. Мелентьева, А.П. Меренкова, В.Б. Пакшвера, Е.Я. Соколова, Е.В. Сенновой, В.А. Стенникова, М.Ф. Филиппова, В.Я. Хасилева, Е.П. Шубина и др.
Время восстановления трубопровода тепловой сети, ч, при подземной прокладке в зависимости от диаметра [17]
Этап работы | Время выполнения этапа при диаметре трубы, мм | ||||
100-200 | 250-400 | 500-700 | 800-900 | 1000-1400 | |
Отключение участка сети | |||||
Вызов представителей, подвоз механизмов | |||||
Разрытие шурфов для обнаружения места аварии | |||||
Спуск воды из трубы | |||||
Вскрытие канала, откачка воды из трассы, вырезка поврежденной трубы | |||||
Подгонка новой трубы (заплаты) одним-двумя сварщиками | |||||
Наполнение участка сети | |||||
Включение и восстановление теплоснабжения | |||||
Всего |
Данные табл. 3.2 приведены для средних условий эксплуатации. Критическая длина магистрали, свыше которой резервирование становится необходимым, может быть в первом приближении принята равной 1,5-2,0 км.
Проведенные расчеты по резервированию магистральных сетей показывают, что наименьшее их удорожание достигается при симметричных схемах: одинаковая тепловая нагрузка и параллельное прохождение магистралей. Значительное удорожание магистральных сетей имеет место в том случае, если схемы сетей несимметричны или резервирование потребителей осуществляется от источников теплоты, работающих навстречу друг другу. В начальный период строительства сетей теплоснабжения микрорайонов магистральные сети предлагается делать тупиковыми, а впоследствии - резервировать перемычками.
Мелентьевым Л.А. была обоснована целесообразность параллельной работы ИТ с точки зрения надежности и экономичности теплоснабжения. Им была рекомендована для теплоснабжения система регулирования, предусматривающая разделение всей тепловой сети на магистральную с переменным расходом теплоносителя и распределительную с постоянным расходом теплоносителя. Центрально-групповое регулирование дает возможность поддерживать в сетях гидравлический режим, обеспечивающий параллельную работу на общий температурный график нескольких теплоге-нерирующих и теплоутилизационных установок. В работах В.Я. Хасилева были проанализированы гидравлические режимы для различных схем параллельной работы, связи гидравлических режимов с режимами работы оборудования ИТ, вопросы энергетической и экономической эффективности совместной работы крупных районных котельных. Рассматривались четыре возможных схемы параллельной работы ИТ:
- схема с независимым присоединением абонентов;
- схема с элеваторным присоединением абонентов и регуляторами рас
хода на вводах в здания;
- схема со смесительными насосными станциями (схемы Л.А. Мелен-
тьева, и С.Ф. Копьева);
- схема с централизованным смешением потоков теплоносителя.
При этом было доказано, что полностью экономические преимущества параллельной работы можно использовать в случае применения схем со смесительными насосными и централизованным смешением потоков.
Дунаевским Н.И. [22] была выдвинута идея об использовании для покрытия пиковых нагрузок водогрейных котлов.
Соколовым Е.Я. [52] проанализированы возможные режимы совместной работы районных котельных и даны рекомендации по их применению.
По мнению Б.М. Кагановича, методика технико-экономических расчетов распределительных тепловых сетей должна быть разработана таким образом, чтобы она имела возможность легко учитывать динамику развития системы теплоснабжения во времени, которая сама по себе является предпосылкой к объединению нескольких, возникающих на разных этапах развития системы, ИТ.
Если вначале сооружена достаточно крупная котельная или ТЭЦ, а потом проектируются в параллельную работу к ней еще несколько мелких котельных, то при этом в отдельных узлах системы может возникнуть неравномерный рост тепловых нагрузок, что вызовет необоснованное омертвление капитальных вложений. В таких сложных случаях развития и эксплуатации систем теплоснабжения при решении вопросов оптимизации тепловых сетей необходимо применять дискретные, а не аналитические методы расчета. Дискретные методы достаточно просто реализуются на ЭВМ. Одновременно дискретная методика позволяет в самом процессе автоматизированного проектирования решать многие другие вопросы с учетом местных условий, которые при существующей практике проектирования решаются проектировщиком с учетом универсальных нормативов (СНиП, РУ, СН и др.) и их индивидуального и коллективного опыта. Полезность системной комплексной оптимизации тепловых сетей обусловливается одновременным удовлетворением не только общеэкономических, но и эксплуатационных требований. При выборе проектного варианта должна быть предусмотрена возможность обеспечения минимума допускаемых расходов теплоносителей у всех потребителей. Выбранный вариант должен также соответствовать минимуму денежных затрат по сравнению с другими вариантами, удовлетворяющими эксплуатационным требованиям.
По мнению А. П. Меренкова и других исследователей, с учетом пологого характера изменения величины общих расчетных затрат при приближении к минимуму, расчет тепловых сетей должен производиться не по оптимальной точке, соответствующей этому минимуму, а по некоторой «зоне» вокруг нее. С помощью ЭВМ можно в пределах этой «зоны» обеспечить варьирование оптимальными параметрами сети с целью удовлетворения как экономическим, так и эксплуатационным требованиям. В этом состоит идея системного комплексного подхода к выбору экономически эффективного варианта системы теплоснабжения. Выбор оптимальной степени централизации системы теплоснабжения может служить инструментом формирования такой схемы теплоснабжения, которая может учитывать интересы всех участников инвестиционного проекта и условий практической эксплуатации выбранного проектного решения.
Действующие системы теплоснабжения должны рассматриваться с соблюдением комплексного подхода к решению вопросов как собственно теплоснабжения, так и топливоснабжения (в частности, снабжения газом как основным и наиболее экологичным видом топлива на территории РФ), электрической защиты подземных трубопроводов сетей тепло- и газоснабжения, а также экологических и экономических показателей.