2 Расчет магистральной тепловой сети

2.1 Определение расхода cетевой воды

При выполнении данной контрольной работы, для транспортировки теплоносителя от источника теплоснабжения к району теплопотребления. Принимается двухтрубная водяная закрытая тепловая сеть надземной прокладки.

Ориентировочное значение расчетного расхода теплоносителя в тепловой сети для удовлетворения суммарной тепловой нагрузки, кг/с

где Q_сум^мах - суммарный расчетный расход теплоты на отопление вентиляцию и горячее водоснабжение района теплоснабжения (таблица 7), кВт

с - теплоёмкость воды при температуре t₁(приложение Е),кДж/кг.град);

t₁ , t₂ - температуры воды в подающей и обратной линиях во­дяной тепловой сети при температуре наружного воздуха t_но , ^о С

k_p - коэффициент, учитывающий утечки водs из сети,

k_p = I ,005 .

Температура воды в подающем трубопроводе двухтрубных водяных сетей при температуре t_но принимается t₁ = 150°С. Допускается применение воды с более низкой (до 95°С) или более высокой (до 200°С) температурой .

При одновременной подаче теплоты по двухтрубным водяным теп­ловым сетям на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение для закрытых систем теплоснабжения температура воды в обратной линии принимается t₂ = 70°С ,

2.2 Краткий гидравлический расчет тепловой сети

Задачами гидравлического расчета водяной тепловой сети является определение диаметров трубопроводов на всех участках, определение падения давления (напора) в подающей и обратной линиях, определение напора сетевого насоса. Расчет диаметров водяных сетей производился по максимальной тепловой нагрузке на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжениө в зимнее время. Собственно гидравлический расчет разделяется на два этапа: предварительный и проверочный.

2.2.1 Предварительный расчет

Местные сопротивления предварительно оцени­ваются по средней доле местных потерь

где G_р - расход теплоносителя в тепловой сети, кг/с;

z - постоянный коэффициент, зависящий от вида теплоносите­ля. Для воды рекомендуется принимать z = 0,030,05.

Предварительное значение удельного линейного падения дав­лений, т.е. падение давления на единицу длины трубопровода, Па/м

где l - расстояние от ТЭЦ до района теплоснабжения, м

ΔР_тс - суммарное падение давления в прямой и обратной линиях тепловой сети, Па. Падение давления зависит от напора сетевой воды на ТЭЦ и схемы присоединения абонентов к тепловой сети. Рекомендуется предварительно принимать в пределах (7580)·10⁴Па.

Затем определяется предварительное значение диаметра трубо­провода, м

2.2.2 Проверочный расчет

Предварительное значение диаметра трубопровода округляется до ближайшего большего стандартного внутреннего диаметра d_в (приложение З).

Вычисляется количество компенсаторов установленных на магистральной трубопроводе в зависимости от расстояния между не­подвижными опорами

где l_x - расстояние между неподвижными опорами (таблица 8),м.

Таблица 8 - Предельные расстояния между неподвижными опорами для водяных тепловых сетей при установке П-образных компенсаторов .

Диаметр условного прохода трубопровода, мм	Расстояние между неподвижными опорами, м
80-100	80
125	90
150-175	100
200-300	120
350	140
400- 450	160
500	180
600-1000	200

При установке П-образных компенсаторов общая длина трубо­провода увеличивается на величину

где Н - вылет (плечо) компенсатора, м.

Вылет П-образного компенсатора можно определить по формуле

где с_х - коэффициент конфигурации теплопровода, рекомендуется принимать с_х= 0,3 ,

Е - мoдуль упругости первого рода (таблица 9), МН/м²;

d_Н - наружный диаметр трубопровода, м;

σ - максимальное допустимое напряжение при расчете

уси­лий тепловых удлинений, рекомендуется принимать σ = 100МН/м²

Δl_x - расчетное тепловое удлинение трубопровода, м.

Таблица 9 - Характеристики трубных сталей

Температура стенки, ºС	Модуль упругости, МН/м^2	Коэффициент линейного расширения, мм/(м·град)
20	205000	0,0118
75	199000	0,0120
100	197500	0,0122
125	195000	0,0124
150	193000	0,0125
175	191500	0,0127
200	187500	0,0128

Расчётное тепловое удлинение трубопровода определяется по формуле

где k₁ - расчётный коэффициент. Принимается равным 0,5 при температуре теплоносителя до 250°С /7/;

α₁ - коэффициент линейного расширения материала трубо­провода (таблица 9), мм/м.град);

t₁- максимальная температура теплоносителя, принимается равной температуре в подающей линии, °С; t₀ - температура окружающей среды, °С. При надземной прок­ладке тепловой сети принимается равной средней темпе­ратуре за отопительный период (приложение В).

Затем вычисляется уточненное значение удельных линейных потерь в трубопроводе, Па/м

Уточненное значение суммарного падения давления в тепловой сети, Пa

где α - средняя доля местных потерь.

Тогда потеря напора в тепловой сети, м

где ρ - объёмная плотность воды при средней температуре теплоносителя (приложение Е), кг/м³;

g - ускорение свободного падения, м/с.

2.3. Тепловой расчет теплопроводов

Основными задачами теплового расчета является определение тепловых потерь теплопроводами и выбор толщины тепловой изоляции.

Расчет выполняется отдельно для подающей и обратной линий. Толщина изоляции трубопроводов определяется исходя из предвари­тельно принятых норм тепловых потерь. Норма потери тепла 1 метром трубопровода q_l^' определяется в зависимости от наружного диаметра трубопровода и среднегодовой температуры теплоносителя. Нормы потерь тепла для надземной прокладки теплопроводов приведены в приложении И. После выбора нормы тепловых потерь опреде­ляется предварительное значение тепловых сопротивлений теплопро­вода, м·с·град/кДж

где t_т - температура теплоносителя (в подающей или обратной линии),°С;

t₀ - температура окружающей орды, принимается равной сред­ней температуре за отопительный период (приложение В), °С

Затем вычисляется условный параметр

где λ_из - коэффициент теплопроводности основного слоя изоляции, кДж/(с.м.град); R_c - сумма термического сопротивления защитного покрытия и сопротивления теплоотдаче от поверхности изоляций к окружающему воздуху (приложение К), с.м.град/кДж. Коэффициент теплопроводности изоляции λ_из определяется по приложению Л в зависимости от средней температуры изоляцион­ного слоя t_сл. Значения средней температуры изоляционного слоя принимаются из приложения М в зависимости от температуры тепло­носителя и температуры окружающей среды t_о.

П

А

Р

А

М

Е

Т

Р

k_из

↑

5 10 15 20 25 30 40 50 70 100 150 200

→ Толщина изоляции δ_из, мм

Рисунок 2 - График для определения толщины изоляции.

Используя график на рисунке 2, по условному параметру k_из принимается толщина основного слоя тепловой изоляции теплопрово­дов δ_из . Определив таким образом основные размеры теплоизоляции, переходят к определению действительных значений тепловых потерь.

Суммарные тепловые потери теплопроводов (кВт) определяются отдельно для подающей и обратной линий по формуле

где q_l - действительные удельные тепловые потери изолированным теплопроводом, кДж/(с·м);

l- расстояние между ТЭЦ и районом теплоснабжения, м; l_k - суммарная длина компенсаторов, м;

β- коэффициент местных потерь тепла, учитывающий потери фланцев, фасонных частей и арматуры. При надземной прокладке магистральных тепловых сетей принимается β =1,2

Действительные удельные тепловые потери изолированным теплопроводом определяются по формуле

где R_т – действительное полное термическое сопротивление изолированного теплопровода, м ·с·град/кДж.

Величина действительного полного термического сопротивления изолированного трубопровода определяется в зависимости от способа прокладки теплопроводов.

где R_из – термическое сопротивление основного изоляционного слоя, м·с ·град /кДж;

R_с- термическое сопротивление защитного покрытия,

м·с ·град /кДж;

R_Н - термическое сопротивление теплоотдаче от поверхности изоляции к окружающему воздуху, м·с ·град /кДж;

Термическое сопротивление основного слоя изоляции определяется по формуле

где d_из – наружный диаметр основного слоя изоляции.м;

d_н – наружный диаметр трубопровода, м;

λ_из – коэффициент теплопроводности основного слоя изоляции (приложение Л), кДж /(с·м·град).

Наружный диаметр основного слоя изоляции, м

Термическое сопротивление теплоотдаче от поверхности изоляции к окружающему воздуху определяется по формуле

где d_к – наружный диаметр защитного покрытия изоляции, равен d_к= d_из+( 0,010,02), м;

α_н – коэффициент теплоотдачи от поверхности изоляционной конструкции к окружающей среде, кДж /(с·м² ·град). Принимается по таблице 10 в зависимости от скорости ветра, которая определяется по приложению В.

Таблица 10 - Коэффициент теплоотдачи от поверхности изоляционной конструкции в окружающую среду [8]

Условия прокладки трубопроводов	Коэффициент теплоотдачи, кДж/(с∙м^2∙град)
Надземная прокладка – при скорости ветра 5 м/с	0,0209
- при скорости ветра 10м/с	0,0291
- при скорости ветра 15м/с	0,0349

Действительная температура на поверхности изоляции определяется по формуле

Если действительная температура на поверхности изоляции превышает допустимую, то необходимо увеличить толщину основного слоя изоляции и затем повторить тепловой расчет теплопроводов.

3 Выбор теплофикационного оборудования

3.1 Выбор сетевых подогревателей

Характер теплофикационного оборудования зависит от профиля ТЭЦ и типа системы теплоснабжения, а также от того входит ТЭЦ в энергосистему или работает отдельно. Для водяных систем теплоснабжения, кроме подпиточных установок, основное теплофикационное оборудование включает в себя пароводяные подогреватели и сетевые насосы.

Подогрев горячей воды, направляемой в тепловую сеть, производится на ТЭЦ в специальных подогревательных установках, обогреваемых паром из отборов турбин, а на некоторых ТЭЦ частично в водогрейных котлах. На ТЭЦ с турбогенераторами малой мощности устанавливается общая центральная подогревательная установка. Наиболее простой является одноступенчатая схема включения подогревателей.

Суммарная теплопроизводительность подогревателей и водогрейных котлов должна быть равна максимальному расходу теплоты на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение. Резервные подогреватели и водогрейные котлы не устанавливаются. Распределение тепловой нагрузки между ступенями производится с учетом коэффициента теплофикации.

Тепловая производительность основного подогревателя, кВт

- максимальный расход теплоты на отпление, вентиляцию и горячее водоснабжение, кВт

α_ТЭЦ – оптимальный коэффициент теплофикации района, для ориентировочных расчетов можно принимать в пределах 0,4- 0,6 [7]

По известной теплопроизводительности подогревателя определяется необходимая площадь поверхности нагрева, м²

По известной теплопроизводительности подогревателя определяется необходимая площадь поверхности нагрева, м²

где k_п – коэффициент теплопередачи подогревателя, рекомендуется принимать k_п = 3 – 4 кДж/ /(см²·град)

Средний температурный напор в подогревателе при противотоке теплоносителей определяется по формуле

где t_п – температура пара на входе в подогреватель, t_п= 170200ºС;

t_k – температура конденсата на выходе из подогревателя, t_k= 100120ºC;

t₁ – температура сетевой воды на выходе из подогрвателя (в подающей линии тепловой сети), ºC;

t₂ - температура сетевой воды на входе в подогрватель (в обратной линии тепловой сети), ºC;

По необходимой площади поверхности нагрева подбирается подогреватель из числа выпускаемых промышленностью. На ТЭЦ с турбоагрегатами единичной мощностью до 50 МВт преимущественно применяются вертикальные пароводяные подогреватели с прямыми трубками (приложение Н).

3.2 Выбор сетевых насосов

Сетевые насосы служат для подачи горячей воды в теплофикационные сети коммунальных и промышленных систем теплоснабжения. Задача выбора насосов заключается не только в определении типа и размеров насоса, но и в выяснении необходимого количества их. Для выбора типа насоса по результатам гидравлического расчета определяется необходимый напор насосов и их производительность (подача). Рабочий напор сетевых насосов закрытой водяной сети при суммарных расчетных расходах воды должен быть равен, м

где ∆Н_т – потеря напора в подогревательной установке источника теплоснабжения (приложение Н), м;

∆Н_тс – потеря напора в тепловой сети, м;

∆Н_аб – потеря напора в узле присоединения абонентов, м. При зависимом присоединении отопительных и вентиляционных установок без применения элеватора, а также при независимом присоединении с помощью поверхностных подогревателей ∆Н_аб= 6 10м [7].

Производительность сетевых насосов для закрытых систем теплоснабжения определяется по суммарному расчетному часовому расходу воды во время отопительного периода. В общем случае подача переменна во времени и может покрываться несколькими насосами. Характеристики сетевых насосов приведены в приложении О. Для любого заданного графика подач наиболее простым будетвариант с одним рабочим насосом, который покрывает все заданные расходы (от минимального до максимального). При этом установка должна состоять их двух насосов – рабочего и резервного, т.е. при одном рабочем насосе требуется резерв 100%. Следует иметь в виду, что установка одного рабочего насоса при неравномерном графике расходов экономически невыгодна по причине высокой стоимости резерва и потерь энергии при эксплуатации.

Увеличение количества рабочих ансосов уменьшает аварийный резерв установки и обеспечивает более эффективную эксплуатацию. В большинстве случаев насосные установки выполняются в видеряда насосов, включенных в сеть параллельно, при этом характеристики насосов суммируются по производительности.

Если гидравлические сопротивления в тепловой сети превышают напор развиваемый насосами, то требуется установка промежуточных насосных станции на магистрали.