Центральное регулирование разнородной тепловой нагрузки

Выбор метода регулирования и вида температурного графика зависит от превалирующей нагрузки в системе теплоснабжения.

В городских системах теплоснабжения основной нагрузкой является отопление. В районах новой жилой застройки существенное значение приобретает нагрузка горячего водоснабжения. В промышленных районах, особенно с развитием новых отраслей промышленности (искусственного волокна, радиоэлектроники и т.д.), большой удельный вес приобретает тепловая нагрузка вентиляционных систем.

В системах теплоснабжения обычно снабжаются теплотой от одних и тех же тепловых сетей разнохарактерные потребители – жилые, общественные и промышленные здания.

Рисунок 18 – Графики температур и расхода воды при качественно-количественном регулировании отопительной нагрузки (обозначения те же, что и на рисунке 16)

Чисто промышленные системы теплоснабжения встречаются исключительно редко. К тому же следует добавить, что даже системы отопления, подключенные к тепловым сетям, обслуживают здания, имеющие различную расчетную температуру воздуха в помещениях (жилые и промышленные здания). Прежде всего, необходимо отметить, что применение только центрального регулирования систем теплоснабжения не может обеспечить качественного и экономичного регулирования разнородных тепловых нагрузок. Центральное регулирование, выполняя грубую регулировку системы теплоснабжения, позволяет снизить нагрузку на системы группового и местного регулирования. Однако наиболее эффективным методом регулирования разнородных тепловых нагрузок является индивидуальное регулирование теплопотребляющих установок, так как только при индивидуальном регулировании можно учесть все факторы, влияющие на тепловые нагрузки. Поскольку в городах основной тепловой нагрузкой является отопление, то центральное регулирование городских районов ориентируют обычно на отопительную нагрузку или же на совмещенную нагрузку отопления и горячего водоснабжения.

В том случае, когда у большинства абонентов района отсутствует нагрузка горячего водоснабжения, центральное регулирование в городах осуществляется по закону изменения отопительной нагрузки.

Если у большинства абонентов в районе наряду с отоплением имеются установки горячего водоснабжения, то центральное регулирование часто осуществляется по закону изменения совмещенной нагрузки отопления и горячего водоснабжения. Неравномерности суточного графика суммарной нагрузки выравниваются за счет теплоаккумулирующей способности строительных конструкций отапливаемых зданий или же путем установки специальных аккумуляторов горячей воды. При разнородной тепловой нагрузке района независимо от центрального регулирования должно проводиться групповое и (или) местное регулирование, как правило, всех видов тепловой нагрузки. При этом температура воды в подающем трубопроводе тепловой сети не должна снижаться ниже уровня, определяемого условиями горячего водоснабжения.

В соответствии со СНиП 2.04.01-85* температура горячей воды в местах водоразбора должна быть не ниже 60 °С при открытой и 50 °С при закрытой системах теплоснабжения.

С учетом снижения температуры воды в местных коммуникациях горячего водоснабжения и перепада температур между греющей и нагреваемой водой в подогревателе горячего водоснабжения минимальная температура воды в подающем трубопроводе тепловой сети как при открытой, так и при закрытой системах теплоснабжения принимается обычно равной или выше 65 °С, т.е. =65 °С. На рисунке 19 приведены графики температур и расходов сетевой воды при комбинированном регулировании отопительной нагрузки, т.е. при применении разных методов регулирования в различных диапазонах наружных температур.

График температур в подающем трубопроводе тепловой сети имеет вид ломаной линии (рисунок 19, б). При наружных температурах , где – наружная температура, соответствующая излому температурного графика, график температур воды в подающей линии строится по законам отопительной нагрузки или совмещенной нагрузки отопления и горячего водоснабжения. При температура воды в подающей линии тепловой сети =const. Регулирование отпуска теплоты в этом случае осуществляют периодическим отключением систем отопления от тепловой сети, называемым регулированием «местными пропусками», или применяется чисто количественное регулирование.

Рассмотрим методику построения графиков температур и расходов воды при двух характерных методах центрального регулирования: 1) по отопительной нагрузке; 2) по совмещенной нагрузке отопления и горячего водоснабжения.

Центральное регулирование по отопительной нагрузке. При центральном регулировании по отопительной нагрузке для поддержания стабильной расчетной внутренней температуры в отапливаемых зданиях в диапазоне наружных температур от до температура воды в подающей линии тепловой сети должна соответствовать графику качественного регулирования отопительной нагрузки, описываемому уравнением (54), а расход сетевой воды на отопление должен быть постоянным.

В диапазоне температур отопительного периода регулирование отопительных установок может проводиться как количественным методом, так и местными пропусками.

При установке на абонентских вводах струйных смесителей (элеваторов) количественное регулирование приводит к разрегулировке отопительных установок. Этот недостаток устраняется при установке на абонентских вводах или групповых тепловых подстанциях кроме струйных смесителей также механических (центробежных насосов). Это позволяет при наружных температурах поддерживать постоянный расход воды в отопительной установке при уменьшении расхода сетевой воды из тепловой сети.

При снижении подачи сетевой воды возрастает подача механического смесительного насоса, а суммарный расход воды в отопительной установке остается постоянным.

1 – количественное регулирование; 2 – регулирование местными пропусками   Рисунок 19 – Графики тепловой нагрузки (а), температур (б) и расходов сетевой воды (в) при комбинированном регулировании отопительной нагрузки

При такой схеме присоединения в самой отопительной установке осуществляется качественное регулирование при переменном расходе воды, поступающей из тепловой сети в отопительную установку. В этом случае температура обратной воды после отопительной установки изменяется по закону качественного регулирования и может определяться по (55). При применении рассмотренного метода количественного регулирования эквивалент расхода сетевой воды на отопление при наружных температурах определяется по формуле: (69) При регулировании отопительной нагрузки в диапазоне наружных температур другим методом – местными пропусками – число часов ежесуточной работы отопительных установок вычисляется как (70) Рассмотрим графики температур и расходов сетевой воды при разнородной тепловой нагрузке района, параллельном присоединении к тепловой сети теплопотребляющих установок (отопления, вентиляции, горячего водоснабжения) и применении в диапазоне наружных температур от до центрального регулирования по отопительной нагрузке, а при при поддержании постоянной температуры в подающей линии тепловой сети.

Построение графика температур и расхода сетевой воды на отопление. На рисунке 19, а показана зависимость отопительной нагрузки от наружной температуры. В диапазоне температур от до (рисунок 19, б) осуществляется качественное регулирование отопительной нагрузки. Температурные графики подающей и обратной линий и построены по (54) и (55). В этом диапазоне эквивалент расхода сетевой воды на отопление является постоянной величиной. При температура сетевой воды в подающем трубопроводе постоянна.

Температура сетевой воды в обратном трубопроводе зависит от метода регулирования отопительной нагрузки при наружной температуре . При рассмотренном методе количественного регулирования, когда расход воды непосредственно в отопительной установке сохраняется постоянным, график температур обратной линии (сплошная линия на рисунке 19, б) строится по (55).

При регулировании отопительной нагрузки при местными пропусками график температур обратной линии (пунктирная линия) может быть принят в виде прямой горизонтальной линии, параллельной графику температур подающей линии. Такому характеру графика соответствует постоянство всех факторов, влияющих на теплоотдачу отопительных приборов (расход теплоты за период реальной работы, температура поступающей сетевой воды, температура внутреннего воздуха). На рисунке 19, в показан расход сетевой воды на отопление.

В диапазоне наружных температур от до эквивалент расхода воды остается постоянным, поскольку осуществляется качественное регулирование отопительной нагрузки.

При расход воды на отопление зависит от наружной температуры. При повышении наружной температуры расход воды на отопление при количественном регулировании изменяется в соответствии с (69) (на рисунке 19, в сплошная линия). При регулировании «местными пропусками» расход сетевой воды через каждую отопительную установку в период ее работы остается постоянным. Однако число одновременно включенных отопительных установок уменьшается по мере повышения наружной температуры прямо пропорционально отношению , поэтому суммарный расход сетевой воды на отопление района сокращается пропорционально числу одновременно включенных установок (на рисунке 19 - штриховая линия).

При количественном регулировании расход сетевой воды изменяется сильнее, чем при регулировании местными пропусками, что объясняется большим перепадом температур сетевой воды в отопительной установке по сравнению с регулированием местными пропусками.

Построение графиков температур и расхода сетевой воды на вентиляцию. По характеру изменения расхода теплоты и температуры в подающей линии режим работы вентиляционных установок можно разделить на три диапазона (рисунок 20):

I - между наружными температурами и ; постоянная температура воды в подающей линии тепловой сети и переменный расход теплоты на вентиляцию;

II - между наружными температурами и ; переменная температура воды в подающей линии и переменный расход теплоты на вентиляцию;

III - между наружными температурами и ; переменная температура воды в подающей линии и постоянный расход теплоты на вентиляцию.

Первый режим осуществляется местным количественным регулированием при помощи авторегуляторов, увеличивающих расход воды в калориферах по мере понижения температуры наружного воздуха. Во втором режиме осуществляется центральное качественное регулирование при постоянном расходе воды.

Рисунок 20 – Графики тепловой нагрузки, температур и расхода сетевой воды при комбинированном регулировании вентиляционной нагрузки

Для третьего режима осуществляется местное количественное регулирование с уменьшением количества воды по мере понижения температуры наружного воздуха. Для осуществления такого режима необходимо, чтобы средняя температура калорифера оставалась постоянной. По мере повышения температуры воды на входе в калорифер должен сокращаться расход воды. Как видно из рисунка 20, расход сетевой воды на вентиляцию остается практически постоянным только в диапазоне II. Как в диапазоне I, так и в диапазоне III расход воды на вентиляцию изменяется с изменением температуры наружного воздуха. Поверхность нагрева калориферов для подогрева вентиляционного воздуха выбирается при температурах воды, соответствующих расчетной температуре наружного воздуха для проектирования вентиляции . Температура обратной воды и расходы воды для режимов, отличающихся от расчетного, определяются по общим уравнениям теплового баланса.

Построение графиков температур и расхода сетевой воды на горячее водоснабжение. Графики температур и расхода сетевой воды на горячее водоснабжение для закрытой системы теплоснабжения и параллельной схемы присоединения установок отопления и горячего водоснабжения приведены на рисунке 21. При построении графиков принято, что аккумуляторы горячей воды выравнивают неравномерности суточного графика и, следовательно, тепловая нагрузка сети по горячему водоснабжению остается постоянной.

По характеру изменения расхода воды в сети отопительный период можно разбить на два диапазона: I - с постоянной температурой воды в подающей линии сети; II - с переменной температурой воды. Поверхность нагрева водоподогревателей выбирается по температурам сетевой воды, соответствующим наружной температуре (в точке «излома» температурного графика).

При постоянной нагрузке горячего водоснабжения расход сетевой воды в диапазоне I остается постоянным. В диапазоне II осуществляется местное количественное регулирование. При повышении температуры в подающем трубопроводе тепловой сети регулятор температуры, установленный на водоподогревательной установке ГТП или МТП, уменьшает расход греющей воды через водо-водяной подогреватель, что замедляет рост средней температуры греющей воды в подогревателе и одновременно уменьшает коэффициент теплопередачи подогревателя. В результате тепловая нагрузка подогревателя сохраняется постоянной, а температура обратной сетевой воды после подогревателя снижается.

Система теплоснабжения - закрытая, схема включения подогревателей горячего водоснабжения - параллельная Рисунок 21 – Графики тепловой нагрузки, температур и расхода сетевой воды при комбинированном регулировании нагрузки горячего водоснабжения

В большинстве случаев у абонентов нет аккумуляторов горячей воды, поэтому расход сетевой воды на горячее водоснабжение изменяется не только в зависимости от температурного режима подающей линии, но и от характера суточного графика нагрузки горячего водоснабжения. Максимальный расход сетевой воды на горячее водоснабжение имеет место при минимальной температуре воды в подающей линии в часы максимальной нагрузки горячего водоснабжения (обычно в вечерние часы предвыходных дней). В эти периоды расход сетевой воды на горячее водоснабжение весьма значителен и нередко превышает расход воды на отопление. Расчетный эквивалент расхода сетевой воды на подогреватель горячего водоснабжения определяют по формуле (71) где - максимальная нагрузка горячего водоснабжения; - температуры воды в подающей линии тепловой сети и после подогревателя при максимальной нагрузке горячего водоснабжения и наружной температуре .

В открытых системах теплоснабжения вода для горячего водоснабжения забирается или из подающей магистрали, или из обратной магистрали, или частично из подающей и частично из обратной линии тепловой сети с таким расчетом, чтобы была обеспечена требуемая температура смеси. Эквивалент суммарного расхода воды на горячее водоснабжение определяется по формулам:

при

(72а)

при

(73б)

Доли расхода воды из подающей и обратной линий сети могут быть определены по формулам:

(74а)

(74б)

В (73)-(74): b и (1 - b) - доли расхода воды на горячее водоснабжение из подающей и обратной линий;

- температуры сетевой воды соответственно в подающей и обратной линиях, горячей и холодной водопроводной воды.

Эквиваленты расхода сетевой воды на горячее водоснабжение из линии сети:

подающей

(75)

обратной

(76)

Чем выше , тем больше воды забирается из обратной линии и соответственно меньше из подающей.

При вся вода для горячего водоснабжения берется только из обратной линии.

На рисунке 22 показан график расхода теплоты и воды на горячее водоснабжение в открытых системах при искусственно выровненной нагрузке горячего водоснабжения. Весь отопительный период можно разбить на два диапазона: I - с постоянной и II - с переменной температурами воды в подающей линии.

Обычно , поэтому в диапазоне I вся вода для горячего водоснабжения отбирается из подающей линии:

(77)

В диапазоне II по мере снижения растет и уменьшается . При некоторой температуре наружного воздуха температура воды в обратной линии становится равной , т.е. ; в этом режиме . В диапазоне наружных температур весь водоразбор идет из обратной линии тепловой сети, т.е. .

Суммарный расход воды в тепловой сети. Суммарный расчетный расход воды в тепловой сети определяется для систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения, составляющих систему теплоснабжения. По этому расходу определяются диаметры теплопроводов, производительность сетевых насосов, расход энергии на перекачку, капитальные затраты на тепловые сети и насосные установки и другие экономические показатели.

Следует отдавать предпочтение таким системам теплоснабжения и методам регулирования, которые обеспечивают наименьшее значение расчетного расхода сетевой воды.

В закрытых системах теплоснабжения расходы воды в подающей и обратной магистралях одинаковы, поскольку вода из тепловой сети не разбирается. Суммарный эквивалент расхода сетевой воды в закрытой тепловой сети при любом режиме ее работы определяется по формуле

(78)

где - эквиваленты расхода сетевой воды соответственно в подающей и обратной линиях тепловой сети, на отопление, вентиляцию, горячее водоснабжение.

Рисунок 22 – Графики тепловой нагрузки и расхода воды на горячее водоснабжение при открытой системе теплоснабжения

1 - отопление; 2 - вентиляция; 3 - горячее водоснабжение; 4 - расход на отопление и горячее водоснабжение; 5 - суммарный расход на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение Рисунок 23 – График суммарного расхода сетевой воды в закрытой системе теплоснабжения

На рисунке 23 представлен график суммарного эквивалента расхода воды в сети при закрытой системе теплоснабжения. Суммарный расход воды в сети (линия 5) изменяется по некоторой кривой. Максимальный расход воды в сети имеет место при в точке «излома» температурного графика в подающем трубопроводе тепловой сети и соответственно в точке перехода с центрального качественного регулирования на регулирование «пропусками». Поскольку нагрузка горячего водоснабжения имеет неровный суточный график, то максимальный суммарный расход воды в сети наблюдается в часы пиковой нагрузки горячего водоснабжения (для жилых зданий - в вечерние часы накануне выходных дней). Для последующего сравнения с другими схемами присоединения абонентов на рисунке 23 показан также суммарный расход воды в сети на отопление и горячее водоснабжение (кривая 4).

На рисунке 24 приведен график суммарного эквивалента расхода воды в сети открытой системы теплоснабжения. В этом случае суммарные расходы воды в подающей и обратной магистралях имеют разные значения; максимальные расходы также наблюдаются в точке перехода с центрального качественного регулирования на режим «пропусков». Расход воды в подающей магистрали всегда выше расхода в обратной линии на величину расхода воды, идущего на горячее водоснабжение.

Расходы воды на отопление и вентиляцию (кривые 1 и 2) имеют те же значения, что и в закрытых системах. В интервале наружных температур от до весь расход воды на горячее водоснабжение отбирается из подающей линии (кривая 3_п). При понижении наружной температуры от до водоразбор из подающей линии сокращается до нуля и соответственно возрастает водоразбор из обратной линии (3_об). В диапазоне наружных температур от до весь водоразбор идет из обратной линии тепловой сети. Абсолютное значение водоразбора несколько уменьшается при снижении наружной температуры от до , поскольку при наружных температурах всегда будет .

Суммарный эквивалент расхода воды в подающей и обратной линиях открытой системы теплоснабжения при любом режиме ее работы определяется по следующим формулам:

(79)

(80)

В диапазоне наружных температур от до b = 1; при наиболее низких наружных температурах (когда ) b = 0.

При одинаковых тепловых нагрузках и одинаковой расчетной температуре воды в подающей линии тепловой сети в открытых системах теплоснабжения расчетный расход воды в подающей линии несколько меньше, чем в закрытой системе, а расчетный расход воды в обратной линии значительно меньше, чем в закрытой системе. Больший расчетный расход воды в закрытых системах по сравнению с открытыми вызывается тем, что в закрытых системах при параллельном включении установок отопления и горячего водоснабжения энтальпия сетевой воды недостаточно полно используется в абонентских установках для удовлетворения нагрузки горячего водоснабжения. При двухступенчатой смешанной схеме присоединения установок горячего водоснабжения улучшается использование энтальпии сетевой воды для горячего водоснабжения. Однако и при этом доля максимальной нагрузки горячего водоснабжения, удовлетворяемая за счет теплоты обратной воды от отопления при наружных температурах , невелика.