3 лекция режимы регулирования СТС
.docРЕЖИМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
МЕТОДЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ
Тепловая нагрузка абонентов непостоянна. Она изменяется в зависимости от метеорологических условий (температуры наружного воздуха, скорости ветра, инсоляции), режима расхода воды на горячее водоснабжение, режима работы технологического оборудования и других факторов. Для обеспечения высокого качества теплоснабжения, а также экономичных режимов выработки теплоты на ТЭЦ или в котельных и транспортировки ее по тепловым сетям выбирается соответствующий метод регулирования.
В зависимости от пункта осуществления регулирования различают центральное, групповое, местное и индивидуальное регулирование. Центральное регулирование выполняется на ТЭЦ или в котельной; групповое — на групповых тепловых подстанциях (ГТП); местное — на местных тепловых подстанциях (МТП), называемых часто абонентскими вводами; индивидуальное — непосредственно на теплопотребляющих приборах. В большинстве случаев тепловая нагрузка в районе разнородна. В одном и том же районе и даже на одном и том же абонентском вводе к тепловой сети присоединяется разнородная тепловая нагрузка, например: отопление и горячее водоснабжение; отопление, вентиляция и горячее водоснабжение и т.д. Кроме того, в крупных городах с протяженными тепловыми сетями абоненты, расположенные на разном расстоянии от ТЭЦ, из-за транспортного запаздывания теплоносителя находятся в неодинаковых условиях.
Для обеспечения высокой экономичности теплоснабжения следует применять комбинированное регулирование, которое должно являться рациональным сочетанием, по крайней мере, трех ступеней регулирования — центрального, группового или местного и индивидуального.
Эффективное регулирование может быть достигнуто только с помощью соответствующих систем автоматического регулирования (САР), а не вручную, как это имело место в начальный период развития централизованного теплоснабжения.
Центральное регулирование ведется по типовой тепловой нагрузке, характерной для большинства абонентов района. Такой нагрузкой может быть как один вид нагрузки, например отопление, так и два разных вида при определенном их количественном соотношении, например отопление и горячее водоснабжение при заданном отношении расчетных значений этих нагрузок.
В 1970—1980 гг. нашло широкое применение центральное регулирование по совмещенной нагрузке — отопления и горячего водоснабжения, так как эти нагрузки являются основными в современных городах и при рассматриваемом методе регулирования можно удовлетворять нагрузку горячего водоснабжения без дополнительного увеличения или с незначительным увеличением расчетного расхода воды в сети по сравнению с расчетным расходом воды на отопление. Снижение расчетного расхода воды в сети приводит к уменьшению диаметров трубопроводов тепловых сетей, а следовательно, и к снижению начальных затрат на их сооружение.
Как при групповом, так и при местном регулировании используются САР, управляющие подачей теплоты в группы однотипных теплопотребляющих установок или приборов. При таком решении значительно сокращается количество устанавливаемых авторегуляторов, однако подача теплоты проводится по усредненному параметру для каждого вида тепловой нагрузки, измеряемому в одной или нескольких контрольных точках установки. При наличии в местной системе разрегулировки нарушается требуемый температурный режим в отдельных точках, хотя среднее значение регулируемого параметра в контрольной точке системы при этом выдерживается. Для обеспечения высокого качества и экономичности теплоснабжения необходима тщательная начальная регулировка абонентской установки, обеспечивающая правильное распределение теплоносителя по отдельным приборам местной системы.
Основное количество теплоты в абонентских системах расходуется для нагревательных целей, поэтому тепловая нагрузка зависит в первую очередь от режима теплоотдачи нагревательных приборов. Нагревательные приборы абонентских установок весьма разнообразны по своему характеру, конструкции и техническому оформлению: это отопительные приборы, отдающие теплоту воздуху излучением и свободной конвекцией; вентиляционные калориферы, нагревающие воздух, движущийся с большой скоростью вдоль поверхности нагрева; различные технологические аппараты, в которых пар или вода нагревают вторичный агент. Несмотря на все многообразие, теплоотдача всех видов нагревательных приборов может быть описана общим уравнением
где Q — количество теплоты, отданное за время; kF— произведение коэффициента теплопередачи нагревательных приборов на их поверхность нагрева; t — средняя разность температур между греющей и нагреваемой средой; Wn — эквивалент расхода первичной (греющей) среды; t1 и t2 — температуры первичной (греющей) среды на входе в нагревательный прибор и на выходе из него.
Средняя разность температур может быть представлена в первом приближении как разность между среднеарифметическими температурами греющей и нагреваемой среды:
c
где tср - средняя температура нагреваемой среды; t2, t1 — температуры вторичной (нагреваемой) среды на входе в нагревательный прибор и на выходе из него.
Как следует из уравнений (4.1) и (4.2),
Из совместного решения находим
Как видно, тепловая нагрузка принципиально может регулироваться за счет изменения пяти параметров: коэффициента теплопередачи нагревательных приборов k, площади включенной поверхности нагрева F, температуры греющего теплоносителя на входе в прибор 1, эквивалента расхода греющего теплоносителя Wn, времени работы прибора п.
Для центрального регулирования из этих пяти параметров практически можно использовать только 1 и Wn. При этом необходимо учитывать, что возможный диапазон изменения 1, и Wn в реальных условиях ограничен рядом обстоятельств.
При разнородной тепловой нагрузке нижним пределом 1 является обычно температура, требуемая для горячего водоснабжения (обычно 60 °С). Верхний предел 1 определяется допустимым давлением в подающей линии тепловой сети из условия невскипания воды. Верхний предел Wn определяется располагаемым напором на ГТП или МТП и гидравлическим сопротивлением абонентских установок. Что же касается параметров k, F и п, то ими можно пользоваться для изменения расхода теплоты, как правило, только при местном регулировании.
Если теплоносителем служит насыщенный пар, то, уравнение принимает вид
где — температура конденсации пара, °С.
Основной метод регулирования тепловой нагрузки нагревательных приборов при использовании пара заключается в изменении температуры конденсации посредством дросселирования или же в изменении времени работы прибора, т.е. работа так называемыми «пропусками». Оба метода регулирования являются местными.
В водяных системах централизованного теплоснабжения (СЦТ) принципиально возможно использовать три метода центрального регулирования:
1) качественный, заключающийся в регулировании отпуска теплоты за счет изменения температуры теплоносителя на входе в прибор при сохранении постоянным количества (расхода) теплоносителя, подаваемого в регулируемую установку;
2) количественный, заключающийся в регулировании отпуска теплоты путем изменения расхода теплоносителя при постоянной температуре его на входе в регулируемую установку;
3) качественно-количественный, заключающийся в регулировании отпуска теплоты посредством одновременного изменения расхода Gn(Wn) и температуры теплоносителя 1.
При автоматизации абонентских вводов основное применение в городах получило центральное качественное регулирование, дополняемое на ГТП или МТП количественным регулированием или регулирование пропусками.
Качественная работа отопительных установок жилых и общественных зданий при применении количественного регулирования или регулирования пропусками возможна только при присоединении этих установок к тепловой сети по независимой схеме или по зависимой схеме со смесительным насосом, так как только при этих схемах присоединения в местных отопительных установках может поддерживаться расчетный расход воды независимо от ее расхода из тепловой сети.
При присоединении отопительных установок к тепловой сети по зависимой схеме с элеватором без дополнительного смесительного насоса снижение расхода сетевой воды вызывает пропорциональное изменение ее расхода в местной системе. При уменьшении расхода воды в отопительной установке увеличивается перепад температур воды в отопительных приборах и возрастает гравитационный перепад, что приводит к вертикальной разрегулировке отопительных систем. Это обстоятельство ограничивает использование количественного регулирования в двухтрубных отопительных установках жилых зданий, имеющих, как правило, значительную высоту и небольшую потерю напора при расчетном расходе воды.
Разрегулировка в отопительных установках возникает также при регулировании пропусками, так как при периодических выключениях и включениях циркуляции отопительные приборы, находящиеся на различном расстоянии от узла регулирования, находятся в неодинаковых условиях.
При теплоснабжении от ТЭЦ комбинированная выработка электрической энергии при центральном качественном регулировании больше, чем при других методах центрального регулирования. Центральное количественное регулирование уступает качественному в отношении стабильности теплового режима отопительных установок, присоединенных к тепловой сети по зависимой схеме с элеваторным смешением без установки дополнительного смесительного насоса. Вследствие переменного расхода воды в сети расход электроэнергии на перекачку при количественном регулировании меньше, чем при качественном.
Центральное регулирование отпуска теплоты принципиально может осуществляться как при непрерывной, так и при периодической подаче теплоты абонентам — «пропусками». В последнем случае увязка графиков подачи и использования теплоты осуществляется с помощью различных теплоаккумулирующих установок.
ТЕПЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ И УСТАНОВОК
Оборудование абонентских установок состоит из различного рода теплообменных аппаратов, нагревательных приборов, водо-водяных подогревателей, калориферов и т.п.
Расчет регулирования современных систем централизованного теплоснабжения проводится по уравнениям, описывающим работу различного типа теплообменных аппаратов в нерасчетных условиях. В таких условиях обычно известны только температуры теплоносителей на входе в теплоиспользующие установки и неизвестны температуры теплоносителей на выходе из них.
Поэтому уравнение тепловой нагрузки теплообменных аппаратов в форме Q = kFt неудобно для расчета режимов регулирования, так как заранее неизвестно значение t, которое в этом случае приходится определять методом последовательных приближений.
Расчет регулирования проводится при использовании тепловых характеристик теплообменных аппаратов.
Тепловая нагрузка всех видов конвективных теплообменных аппаратов может быть определена по уравнению характеристики
где — коэффициент эффективности теплообменного аппарата или удельная тепловая нагрузка на единицу меньшего эквивалента расхода WM и на 1°С максимальной разности температур , или; WM = (Gc)M — меньшее значение эквивалента расхода теплообменивающихся сред, Дж/(с·К); G — расход теплоносителя, кг/с или кг/ч; с — теплоемкость теплоносителя, Дж/(кг • К); = 1 — t2 — максимальная разность температур между греющим и нагреваемым теплоносителями, т.е. разность температур греющего и нагреваемого теплоносителей на входе в аппарат, °С; 1 — температура греющего теплоносителя; t2 — температура нагреваемого теплоносителя; индекс 1 соответствует «горячему концу» теплоносителя, т.е. греющему на входе в аппарат и нагреваемому на выходе из него; индекс 2 — «холодному концу» теплоносителя, т.е. греющему на выходе из аппарата и нагреваемому на входе в него.
При использовании наиболее простых схем теплообменных аппаратов, когда движение теплообменивающихся сред происходит по принципу противотока или прямотока, эти уравнения имеют следующий вид:
противоточный аппарат
прямоточный аппарат
где = kF/WM — режимный коэффициент; kF— произведение коэффициента теплопередачи теплообменного аппарата на площадь его поверхности нагрева; Wм, Wб — меньшее и большее значения эквивалентов расхода теплообменивающихся сред; е = 2,718 — основание натуральных логарифмов.
Рис. 1. Изменение температуры теплоносителей в противоточных и прямоточных аппаратах
а, б — противоточные аппараты; в, г — прямоточные аппараты; Wn — эквивалент расхода первичного (греющего) теплоносителя; WK — эквивалент расхода вторичного (нагреваемого) теплоносителя
При всех практически применяющихся схемах движения теплоносителей в теплообменных аппаратах может быть использована зависимость между температурой греющей и нагреваемой среды:
где t — средняя разность температур между греющей и нагреваемой средами, °С; t— перепад температур теплоносителя в теплообменном аппарате, °С; для греющего теплоносителя t=1 -2, для нагреваемого t=t1 -t2; индекс «б» соответствует большему перепаду температур теплоносителя, индекс «м» — меньшему; а и b — постоянные коэффициенты, зависящие от схемы движения теплоносителя в теплообменнике.
При всех схемах значение коэффициента b постоянно и равно 0,65.
Значения коэффициента а для рассматриваемых схем движения теплоносителей:
Противоток (см. рис. 4.2, а и б)................ 0,35
Перекрестный ток (см. рис. 4.3, а и б)...... 0,425
То же (см. рис. 4.3, в)................................. 0,5
То же (см. рис. 4.3, г нд)........................... 0,55
Прямоток (см. рис. 4.2, в и г).................... 0,65
При использовании данной линейной зависимости для средней разности температур уравнение для расчета коэффициента эффективности имеет вид
где * — коэффициент эффективности теплооб-менного аппарата с бесконечно большой поверхностью нагрева (F —).
При противотоке, а также в тех случаях, когда в процессе теплообмена изменяется фазовое состояние одного или обоих теплоносителей (конденсация, кипение), е* = 1;
1 при прямотоке
Когда в процессе теплообмена имеет место изменение фазового состояния одного из теплоносителей (пароводяные подогреватели, паровоздушные калориферы, испарители с водяным обогревом и др.), т.е. когда wб = коэффициент эффективности определяется
Если в процессе теплообмена меняется фазовое состояние обоих теплоносителей, т.е. когда W6 = WM = уравнение характеристики принимает вид
Если учитывать режим работы смесительного узла присоединения к тепловой сети , то коэффициент эффективности установки определяется
где и — коэффициент смешения в узле присоединения; = k0F/ W0 — режимный коэффициент; k0F— произведение коэффициента теплопередачи нагревательных приборов установки на площадь их поверхности нагрева ; W0 — эквивалент расхода сетевой воды, поступающей в узел присоединения отопительной установки.
При отсутствии смесительного устройства в узле присоединения отопительной установки, т.е. при и = О коэффициент эффективности
Для упрощения расчетов режимов регулирования режимный коэффициент определяется расчетным или опытным путем только для одного произвольно выбранного режима работы аппарата, который называется основным. При расчете водо-водяных подогревателей режимный коэффициент определяется по формуле
где Ф — параметр водо-водяного подогревателя, для данного подогревателя величина практически постоянная,
Как показали проведенные исследования, значение параметра секционных водо-водяных подогревателей прямо пропорционально их длине:
где Фу — удельный параметр, отнесенный к единице длины подогревателя; / — длина подогревателя, м.
Удельный параметр Ф зависит в основном от отношения площадей сечений трубного и межтрубного пространств и практически не зависит от удельной площади поверхности нагрева, приходящейся на единицу длины подогревателя, т.е. от номера или диаметра корпуса подогревателя. Параметр подогревателя остается практически постоянным в широком диапазоне изменения Wб и Wм.
Для всех типоразмеров секционных водо-водяных подогревателейможно практически принимать одно и то же значение удельного параметра Ф = 0,1 1/м при чистой поверхности нагрева, т.е. при отсутствии на ней накипи и загрязнений.
Можно также принимать для всех типоразмеров пластинчатых подогревателей практически одно и то же значение удельного параметра одного канала Фу = 1 1/м.
Формула для расчета коэффициента эффективности противоточных водо-водяных подогревателей