Мир инженера
информация для инженеров и проектировщиков
Регулирование отпуска теплоты в системе теплоснабжения
Приветствую Вас, дорогие и уважаемые читатели сайта “world-engineer.ru”. Итак, продолжим наш курс лекций. Чтобы в дальнейшем нам хорошо усваивать материал про тепловую нагрузку и расчет тепловой нагрузки на отопление здания. Сегодня поговорим, про регулирование отпуска теплоты в системе теплоснабжения предприятий и жилых районов и начнем строить график тепловых нагрузок.
Методы регулирования тепловых нагрузок
Тепловые нагрузки потребителей теплоты как правило не постоянны. Они могут меняться от климатических условий. К нагрузкам, которые зависят от климатических условий относятся отопительная тепловая нагрузка QО = f(tН, 0 С; VН, м/с), вентиляционная тепловая нагрузка QВ = f(tН, 0 С; VН, м/с). Эти нагрузки также по характеру протекания во времени являются сезонными. Также тепловые нагрузки могут изменяться в зависимости от количества включенных водоразборных приборов, степени их открытия и числа людей, которые ими пользуются. К таким нагрузкам относится тепловая нагрузка на ГВС QГВС = f(NПРИБ, qПРИБ, м). QГВС не зависит от климатических условий и по характеру протекания во времени является круглогодичной.
Также тепловые нагрузки могут изменяться от количества работающего технологического оборудования, степени его загрузки и режима его работы. К таким нагрузкам относится технологическая тепловая нагрузка QТ = f(NОБ, qТ, КОДН, КЗАГР). QТ также не зависит от климатических условий и по характеру протекания во времени является круглогодичной.
Для того, чтобы качественно обеспечивать теплоснабжением необходимо, чтобы все потребители тепловой энергии получали именно то количество теплоты, которое им требуется. И поэтому, чтобы постоянное удовлетворять запросы потребителя тепловые нагрузки должны регулироваться.
Регулирование тепловых нагрузок бывает:
– центральное, которое осуществляется на источнике теплоснабжения одновременно для вех потребителей.
– местное, которое осуществляется только для отдельной группы потребителей на центральных или индивидуальных тепловых пунктах.
– индивидуальное, которое осуществляется непосредственно на нагревательных приборах и установках потребителей теплоты.
Регулирование отопительных нагрузок терморегулирующими клапанами на каждый отопительный прибор.
Тепловая энергия, поступающая из системы теплоснабжения, передается потребителям теплоты в различных теплообменных аппаратах (радиаторы, вентиляционные калориферы, подогреватели ГВС). В любом из этих теплообменных аппаратах количество передаваемой теплоты определяется по выражению:
КТА – коэффициент теплопередачи (кДж/м 3 *t 0 С)
КТА – площадь поверхности нагрева (м 3 )
Δt – средняя разность температуры между греющим теплоносителем и нагреваемой средой (температурный напор)
n – время работы теплообменного аппарата
Поверхность нагрева любого теплообменного аппарата рассчитывается и выбирается по самому неблагоприятному для него режиму работы, в котором для передача требуемого количества теплоты требуется максимальная поверхность нагрева. Этот режим работы теплообменного аппарата называется расчетным. Выбранная для расчетного режима работы максимальная поверхность нагрева во всех остальных режимах работы теплообменного аппарата остается постоянной.
Когда изменяется количество теплоты, проходящей через любой обменный аппарат, то это значит, что данный теплообменный аппарат вынужден работать в нерасчетном режиме (переменном).
Для расчетного режима работы теплообменного аппарата должны быть заданы следующие величины:
- Расчетная (т.е. максимальная) тепловая нагрузка Q Р
- Расчетные температуры греющего теплоносителя и нагреваемой среды на входе/выходе теплообменного аппарата (τ1 Р , τ2 Р ) (t1 Р , t2 Р )
- Расчетный коэффициент теплопередачи теплообменного аппарата, КТА.
Принципиальная схема движения теплоносителей для теплообменного аппарата в расчетном режиме
Противоточный теплообменный аппарат. Расчетные расходы теплоносителей определяются после составления теплового баланса теплообменного аппарата:
GГТ Р – расчетный (максимальный) расход греющего теплоносителя
GНС Р – расход нагреваемой среды
СГТ, СНС – массовые теплоемкости
nТА – КПД теплообменного аппарата.
Изменение режима работы теплообменного аппарата можно осуществлять воздействуя на:
– коэффициент теплообменного аппарата, КТА
– среднюю разность температуры Δt
– время работы аппарата (n, час)
– расход греющего теплоносителя.
В реальности изменять в широких пределах коэффициент теплопередачи теплообменного аппарата сложно, и остается только 3 способа воздействия на количество теплоты передаваемое потребителю.
- Метод качественного регулирования тепловой нагрузки
При этом методе регулирования изменяется температура греющего теплоносителя, подающегося в трубопровод тепловой сети, а расход греющего теплоносителя всегда остается постоянным, т.е. τ1 Р не равно τ1 = var, GГТ Р = GГТ = const.
При изменении температуры греющего теплоносителя меняется, и температура сетевой воды в обратном трубопроводе тепловой сети. Соответственно, по выражению (2)
меняется и тепловая нагрузка, передаваемая теплообменных аппаратом. Следовательно, Q Р не равно Q = var.
График изменения температуры и расхода греющего теплоносителя при качественном методе регулирования тепловой нагрузки
(график зависимости температуры и расхода от температуры наружного воздуха)
tН.РО. = tН.РВ. = tН.Х. Б – температуры наружного воздуха, расчетные для проектирования систем отопления и вентиляции зданий (принимаем по параметрам ”Б”).
tН.О. – температура наружного воздуха соответствующая началу и окончанию отопительного периода.
tН = tВ Р – температура воздуха внутри помещения.
Интервал температуры от tН.РО. до tН.О. – соответствует отопительному периоду, tН.О. до tН – летний период.
Метод качественного регулирования тепловых нагрузок получил широкое распространение при централизованном теплоснабжении и от водяных систем, т.к. снижение τ1 и τ2 позволяют уменьшать давление пара теплофикационных отборов турбин и увеличивать выработку электроэнергии на ТЭЦ по теплофикационному циклу. Увеличение выработки электроэнергии на ТЭЦ приводит к возрастанию экономии топлива. Следующим преимуществом метода качественного регулирования является уменьшение готовых потерь теплоты от тепловых сетей в окружающую среду.
- Метод количественного регулирования тепловой нагрузки
При этом методе изменяется расход греющего теплоносителя, а температура греющего теплоносителя в подающем трубопроводе тепловой сети остается постоянной: GГТ Р не равно GГТ = var; τ1 Р =τ1=const. Изменение расхода греющего теплоносителя приводит к изменению температуры в обратном трубопроводе тепловой сети и соответственно по выражению (2)
измененная тепловая нагрузка, переданная теплообменному аппарату.
Графики изменения температуры и расхода греющего теплоносителя при количественном методе регулирования тепловой нагрузки
Достоинством количественного метода является сокращение потребляемой электроэнергии на перекачку сетевой воды. Экономия электроэнергии достигается либо отключением части работающих сетевых насосов котельной или ТЭЦ, либо установкой на работающих насосах частотно-регулирующего привода.
Недостатком метода является резкое колебание расхода сетевой воды во всей системе теплоснабжения. Это обстоятельство приводит к разрегулированию системы отопления и вентиляции здания и нестабильной работе отопительных приборов и вентиляции калориферов.
- Метод регулирования тепловой нагрузки ”местными пропусками”
При этом методе все теплообменные аппараты систем теплоснабжения зданий работают в расчетном режиме, т.е. остается постоянный расход греющего теплоносителя, а также температуры греющего теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах тепловой сети и, следовательно, по выражению (2), количество теплоты, переданное теплообменному аппарату также должно оставаться постоянным. Но при этом способе регулирования изменяется продолжительность работы теплообменного аппарата в течении суток, т.е. n=var и, следовательно, изменяется количество теплоты, переданное теплообменному аппарату. Q Р не равно Q = var.
Количество теплоты, переданное от теплообменного аппарата в течение суток определяется по выражению:
Q = Q Р *n /24 (кДж/сут)
0 – теплообменник не работает
Q Р – теплообменник работает в расчетном режиме.
Источник
Раздел 4. РЕГУЛИРОВАНИЕ В СИСТЕМАХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
Тепловая нагрузка абонентов не постоянна. Она изменяется в зависимости от метеорологических условий (температуры наружного воздуха, ветра инсоляции и др.), режима расхода тепла на ГВС, работы технологического оборудования и других факторов. Для обеспечения высокого качества теплоснабжения, а также экономичных режимов выработки тепла на станции и транспорта его по тепловым сетям, выбирается соответствующий способ регулирования.
Ступени и способы регулирования в водяных тепловых сетях
В любой системе централизованного теплоснабжения регулирование отпуска теплоты в зависимости от изменяющейся потребности в ней присоединенных систем теплоиспользования осуществляется по меньшей мере как двухступенчатое. Первой ступенью является регулирование отпуска теплоты от теплоисточника (ТЭЦ или котельная). Такое регулирование называется центральным; им определяется график изменение температур, а иногда расходов воды в подающих трубопроводах тепловых сетей. Вместе с тем наряду с центральным необходимо регулирование отпуска теплоты из сетей в различные системы теплоиспользования присоединенных объектов. Такое регулирование называется местным и осуществляется на местных тепловых пунктах (ЦТП или ИТП). В соответствии со способами местного регулирования определяются расходы сетевой воды при ее заданной температуре в подающих трубопроводах, необходимые для отпуска количества теплоты, требуемых системами теплоиспользования при данном режиме. Суммированием таких расходов воды сначала по различным системам теплоиспользования каждого здания, а затем по группам зданий, снабжаемых теплотой через рассматриваемый участок сетей, получаются необходимые при данном режиме расходы воды в подающих трубопроводах соответствующих участков. Тот режим, при котором эти расходы оказываются максимальными в годовом разрезе, называются расчетным, а получаемые применительно к нему расходы воды по участкам являются исходными для гидравлических расчетов сетей, в частности при определении диаметров труб по участкам. В последнее время находит широкое применение индивидуальное регулирование, которое осуществляется на теплопотребляющих приборах абонентов.
Когда тепловая нагрузка однородна (например, только отопление) можно ограничиться только центральным регулированием отпуска теплоты. 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 теплосетями абоненты, расположенные на разном расстоянии от станции, из-за транспортного запаздывания теплоносителя находятся в неодинаковых условиях.
Для обеспечения высокого качества теплоснабжения следует применять комбинированное регулирование, которое должно являться рациональным сочетанием по крайней мере трех ступеней регулирования – центрального, группового или местного и индивидуального, в большинстве случаев регулирование ограничивается только двумя ступенями – центральным и групповым или местным. 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 отношении, например отопление и горячее водоснабжение. Широкое применение нашло центральное регулирование по совмещенной нагрузке отопления и горячего водоснабжения, т.к. при этом возможно удовлетворять нагрузку ГВС без дополнительного увеличения или с незначительным увеличением расхода воды в сети на отопление. Снижение расчетного расхода воды в сети приводит к уменьшению диаметров трубопроводов теплосети, а, следовательно, и 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 производится по усредненному параметру для каждого вида тепловой нагркзк, замеряемому в одной или нескольких контрольных точках установки. При наличии в местной системе регулировки нарушается требуемый температурный режим в отдельных точках, хотя среднее значение регулируемого параметра в контрольной точке системы при этом выдерживается. Для высокого качества теплоснабжения необходима тщательная начальная регулировка абонентской установки (ИТП), обеспечивающая правильное распределение теплоносителя по отдельным приборам системы.
Основное количество теплоты в абонентских системах расходуется для нагревательных целей, поэтому тепловая нагрузка зависит в первую очередь от теплоотдачи нагревательных приборов. Несмотря на все их многообразие, теплоотдача всех нагревательных приборов может быть описана общим уравнением
где Q – количество теплоты, отданное нагревательным прибором за время n; ∆t – средняя разность температур, в первом приближении определяется как разность между среднеарифметическими температурами греющей и нагреваемой среды.
Как видно из (4.1), тепловая нагрузка принципиально может регулироваться путем изменения пяти параметров: коэффициента теплопередачи нагревательных приборов k, площади включенной поверхности нагрева F, температуры греющего теплоносителя на входе в прибор, расхода греющего теплоносителя, длительности работы n.
При использовании воды принципиально возможно использовать три способа центрального регулирования:
1) качественный, заключающийся в регулировании отпуска теплоты путем 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 изменении расхода теплоносителя при постоянной температуре его на входе в регулируемую установку;
3) качественно-количественный, заключающийся в регулировании отпуска теплоты путем одновременного изменения расхода и температуры теплоносителя.
При автоматизации абонентских вводов основное применение в городах имеет в настоящее время центральное качественное регулирование, дополняемое на ЦТП и ИТП количественным регулированием или регулированием пропусками.
При теплоснабжении от ТЭЦ комбинированная выработка электрической энергии при центральном качественном регулировании больше, чем при других способах центрального регулирования, Центральное количественное регулирование уступает качественному в отношении стабильности теплового режима отопительных установок, присоединенных к теплосети по зависимой схеме с элеваторным смешением, без установки дополнительного смесительного насоса. Вследствие переменного расхода воды в сети, расход электроэнергии при количественном регулировании меньше, чем при качественном.
При разнородной тепловой нагрузке, когда при применении одной системы центрального регулирования в течение всего отопительного сезона невозможно сочетать требования различных абонентов, снабжаемых теплотой то единой тепловой сети, приходится изменять метод центрального регулирования на различных диапазонах отопительного сезона.
Следует иметь в виду, что понятие однородной тепловой нагрузки является идеализированным, так как даже при наличии в районе теплоснабжения только одного вида тепловой нагрузки, например отопления, сами тепловые потребители не являются идентичными по внутренним тепловыделениям, инфильтрации, инсоляции, конструктивному исполнению внутренних систем, расчетной внутренней температуре и другим факторам. Поэтому даже в условиях однородной тепловой нагрузки для создания индивидуального комфорта целесообразно независимо от центрального регулирования осуществлять дополнительно местное групповое или индивидуальное регулирование.
В качестве импульса для регулирования отопительной нагрузки на ЦТП и ИТП наиболее целесообразно использовать внутреннюю температуру отапливаемых помещений. Такая схема регулирования позволяет использовать температуру воды в подающей линии теплосети в качестве одного из маневренных параметров системы теплоснабжения.
При использовании регуляторов расхода центральное регулирование закрытых систем по совмещенной нагрузке применяют не в любом районе, а только в том случае, когда у большинства зданий района (не менее 75%) имеются установки ГВС. Как при использовании регуляторов отопления, так и при использовании регуляторов расхода режим центрального качественного регулирования по совмещенной нагрузке рассчитывается из условия постоянного расхода сетевой воды для удовлетворения суточного расхода теплоты на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение абонентов. Центральное регулирование открытых систем по совмещенной нагрузке производится обычно качественным или качественно-количественным способом при свободном располагаемом или постоянном напоре на коллекторах ТЭЦ.
При разнородной тепловой нагрузке нижним пределом температуры греющей (первичной) воды является температура, требуемая для ГВС (обычно 60 °С). Верхний её предел определяется допустимым давлением в подающей линии теплосети из условия невскипания воды.
Центральное регулирование городских районов ориентируют обычно на чисто отопительную нагрузку или же на совмещенную нагрузку отопления и горячего водоснабжения. Неравномерности суточного графика выравниваются за счет теплоаккумулирующей способности строительных конструкций зданий или же путем установки специальных водяных аккумуляторов. При разнородной тепловой нагрузке района независимо от центрального регулирования должно проводиться групповое или местное регулирование, как правило, всех видов тепловой нагрузки. При этом температура воды в подающей линии теплосети не должна снижаться ниже уровня, определяемого условиями ГВС.
Групповое или местное регулирование отопительной нагрузки может проводиться по различным импульсам: по усредненной температуре наружного воздуха за сравнительно длительный период времени (6 – 12 ч); по усредненной внутренней температуре представительных помещений; по внутренней температуре устройства, моделирующего тепловой режим зданий. Регулируемым параметром должен являться суммарный расход сетевой воды на здание или группу зданий или расход сетевой воды на отдельные виды тепловой нагрузки (отопление, вентиляция, ГВС и др.). Система группового или местного автоматического регулирования не должна допускать увеличение суммарного расхода сетевой воды выше заданного расчетного значения. Условия работы системы теплоснабжения существенно изменяются, когда местное или групповое регулирование отопительной нагрузки совсем не производится или же в узлах присоединения устанавливаются регуляторы расхода, которые по принципу работы не контролируют температурный режим отапливаемых помещений. В этом случае выбор системы центрального регулирования отпуска теплоты зависит от структуры тепловой района и гидравлической устойчивости теплосети.
Регулирование паровой тепловой нагрузкизаключается в изменении температуры конденсации путем дросселирования или же в изменении времени n работы прибора, т. е. работа пропусками. Оба способа регулирования являются местными. При теплоносителе пар, уравнение (4.1) имеет вид:
где tк — температура конденсации пара, °С; t1 и t2 – температуры нагреваемой среды на входе и выходе из нагревательного прибора, °С.
Источник
