Методы регулирования

Тепловая нагрузка абонентов является непостоянной. 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.

Однако индивидуальное регулирование непосредственно на теплопотребляющих приборах требует применения большого количества индивидуальных регуляторов. В основном регулирование систем теплоснабжения и режимов отпуска теплоты ограничивается только двумя-тремя ступенями – центральным и групповым и (или) местным, а в системах теплоснабжения малой мощности – одной ступенью на источнике теплоты.

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.

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

(38)

где Q – количество теплоты, отданное за время n;

– произведение коэффициента теплопередачи нагревательных приборов на их поверхность нагрева;

– средняя разность температур между греющей и нагреваемой средами;

– эквивалент расхода первичной (греющей) среды;

и – 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:

(39)

где – средняя температура нагреваемой среды;

, – температуры вторичной (нагреваемой) среды на входе в нагревательный прибор и на выходе из него.

Как следует из уравнений (38) и (39),

(40)

(41)

Из совместного решения находим

. (42а)

Как видно из (42а), 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 , эквивалента расхода греющего теплоносителя и времени работы прибора n.

Регулирование отпуска теплоты в широких пределах воздействием на коэффициент теплопередачи практически трудно осуществить, поскольку коэффициент теплопередачи k является величиной достаточно устойчивой.

Изменение теплоотдачи включением или выключением части поверхности нагрева F возможно только у потребителей; и в этом случае невозможно воспользоваться выгодами центрального регулирования. Изменение времени работы нагревательных приборов n с целью регулирования теплоотдачи может применяться в системах теплоснабжения, однако при разнородной тепловой нагрузке построить центральное регулирование на этом принципе невозможно. Этот метод может быть применен только при местном регулировании.

Таким образом, для центрального регулирования из этих пяти параметров практически можно использовать только и . При этом необходимо учитывать, что возможный диапазон изменения и в реальных условиях ограничен рядом обстоятельств.

При разнородной тепловой нагрузке нижним пределом является обычно температура, требуемая для горячего водоснабжения (60 °С). Верхний предел определяется допустимым давлением в подающей линии тепловой сети из условия невскипания воды. Верхний предел определяется располагаемым напором на ГТП или МТП и гидравлическим сопротивлением абонентских установок.

Если в качестве теплоносителя используется насыщенный пар, то, поскольку =1/2, a , уравнение (42а) принимает вид

(42б)

где t – 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 n 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 и температуры теплоносителя .

При автоматизации абонентских вводов основное применение в городах получило центральное качественное регулирование, дополняемое на ГТП или МТП количественным регулированием или регулирование пропусками.

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.

При разнородной тепловой нагрузке, когда применение центрального регулирования в течение всего отопительного сезона не дает возможности сочетать требования различных абонентов, снабжаемых теплотой от единой тепловой сети, приходится менять метод центрального регулирования на различных диапазонах отопительного периода.

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.

Для всех систем непрерывного регулирования действительны следующие зависимости, базирующиеся на уравнениях теплового баланса и теплопередачи:

(43)

В ряде случаев при расчете режимов регулирования с переменным расходом воды приходится задаваться зависимостью расхода или эквивалента расхода воды в сети от тепловой нагрузки. Эту зависимость удобно описывать эмпирическим уравнением

(44а)

или

(44б)

Принципиально уравнение (44б) применимо при всех системах регулирования.

При качественном регулировании, т.е. при постоянном расходе сетевой воды, m = 0, = 1. Как видно из (43), в этом случае

(45)

1 – качественное регулирование; 2 – качественно-количественное регулирование; 3, 4 – количественное регулирование

Рисунок 12 – Зависимость

При количественном регулировании m ≥ 1. Тогда, как видно из уравнения (44б)

(46)

При качественно-количественном регулировании 0 £ m £ 1. Как видно из выражения (44б), в этом случае

(47)

На рисунке 12 показана зависимость при различных системах регулирования.

Перейдем теперь к отдельным методам центрального регулирования.

Сначала рассмотрим задачу применительно к однородной тепловой нагрузке, при которой теоретически можно ограничиться только одним центральным регулированием. Затем изучим возможные методы регулирования разнородной тепловой нагрузки, когда при применении двухтрубных тепловых сетей невозможно качественное и экономичное теплоснабжение без дополнительного группового, местного и (или) индивидуального регулирования.