Лекция-14

Режимы регулирования систем централизованного теплоснабжения. Классификация методов регулирования отпуска тепла. Тепловые характеристики теплообменных аппаратов. Центральное регулирование однородной и разнородной тепловой нагрузки.

Системы теплоснабжения и потребители теплоты

Потребность в теплоте, необходимой потребителям, изменяется при перемене:

§ метеорологических условий;

§ режимов работы теплопотребляющего оборудования;

§ состояния воздушной среды в промышленных и жилых зданиях;

§ характера разбора воды для горячего водоснабжения.

Однако в каждый момент времени потребители должны получать требующееся количество теплоты.

Так как основное количество полезной теплоты Q_п отпускается через поверхность нагрева разнообразных теплообменных аппаратов и рассчитывается по соотношениям

Q_п= K×F×Δt×n, Q_п=G×(c₁×τ₁- c₂×τ₂),

то регулировать отпуск теплоты можно, воздействуя на любой из сомножителей (здесь K - коэффициент теплопередачи через поверхность нагрева теплообменника; F - площадь поверхности нагрева аппарата; Δt - температурный напор, достаточно точно определяемый как разность средней температуры проходящего через аппарат греющего теплоносителя и средней температуры нагреваемой им среды; n – время работы аппарата за рассматриваемый отрезок времени; G - расход греющего теплоносителя; τ₁ и τ₂- температуры теплоносителя на входе и выходе из аппарата; c₁ и c₂ - удельные теплоемкости теплоносителя при этих температурах).

При индивидуальном регулировании, воздействуя на любой из сомножителей или на их комплекс, можно очень точно удовлетворять запросы потребителя к количеству и качеству теплоты. Однако это потребует установки сложной и дорогостоящей регулирующей аппаратуры на каждом аппарате.

При централизованном регулировании изменение температуры и расхода теплоносителя на выходе из источника теплоты приводит к соответствующим изменениям ∆t и K в каждом присоединенном к СТС теплообменном аппарате. Это позволяет существенно сократить затраты на авторегуляторы, но обеспечивает точное удовлетворение теплотой только одного вида потребителей, использующих одинаковые типы теплообменников. Для потребителей других видов или с другими типами теплообменников количество поступающей теплоты будет отличаться от потребности в ней.

Для достижения высокой точности, при приемлемых экономических показателях, в современных СЦТ используют одновременно три уровня регулирования.

В паровых СЦТ:

§ централизованно регулируют давление пара на выходе из энергетического источника, добиваясь постоянства давления пара на входе в ЦТП при изменениях паропотребления;

§ на ЦТП корректируют давление на входе в распределительные паропроводы к цехам;

§ на входе в каждый аппарат дросселируют пар, изменяя его давление и температуру конденсации для соответствия между подведенной и необходимой теплотой.

В водяных СЦТ:

§ централизованно регулируют температуру и расход горячей воды на выходе из источника теплоснабжения для обеспечения запросов отопительных систем;

§ местное регулирование на ЦТП и ИТП корректирует параметры и расход для всех видов тепловой нагрузки обслуживаемых групп потребителей;

§ индивидуальное регулирование осуществляют изменениями расходов теплоносителей через каждый теплопотребляющий аппарат.

При централизованном регулировании в водяных тепловых сетях используют следующие методы воздействия на ∆t и K:

§ качественный метод, при котором, сохраняя постоянство расходов воды для систем отопления – G_о, изменяют ее температуру на входе в тепловую сеть – τ_о.1;

§ количественный метод, при котором, сохраняя постоянство температуры теплоносителя на входе в тепловую сеть – τ_о.1^р, изменяют ее расход;

§ количественно - качественный метод, при котором на входе в тепловую сеть изменяют и температуру, и расход теплоносителя. Для жилых районов и предприятий, получающих теплоту из двухтрубных водяных тепловых сетей, используется только качественный метод центрального регулирования отопительной нагрузки.

Количественный или количественно-качественный методы используют для корректировочной регулировки различных видов нагрузки на ЦТП, ИТП и теплообменных аппаратах.

Методика 1 – методика получения расчетных зависимостей для изменения параметров теплоносителя при централизованном качественном регулировании отопительной нагрузки включает следующие этапы:

1-А. Выбирают расчетные параметры наружного воздуха и греющего теплоносителя.

Для систем отопления и вентиляции конкретного региона расчетная температура наружного воздуха - t_нх^Б5, °С, принимается из табл.2.7 или из [7] СНиП 23-01-99 «Строительная климатология». При этой температуре определяется необходимая площадь поверхности нагрева отопительных приборов и калориферов,

Расчетное значение температуры теплоносителя на входе в тепловую сеть - τ_о.1^р, °С (при выбранной t_нх^Б5) принимают после технико-экономических обоснований в пределах τ_о.3^р< τ_о.1^р < 150°С. Расчетное значение температуры теплоносителя на входе в отопительные приборы - τ_о.3^р,°С, определяется из табл. 2.3 или [ 3 ]. Расчетное значение температуры теплоносителя на выходе из отопительных приборов - τ_о.2^р, °С, должно выбираться на основе технико-экономических обоснований в пределах t_в.р^о < τ_о.2^р < τ_о.3^р. Однако в зданиях, построенных в настоящее время и в предшествующие периоды, площадь поверхности установленных отопительных приборов позволяет охлаждать сетевую воду только до температуры τ_о.2^р =70 °С. Поэтому для СЦТ с большим количеством функционирующих зданий принимают τ_о.2^р=70 °С.

1-Б. Определяют характеристику изменения коэффициента теплопередачи отопительных приборов - K_о, кДж/(с×м²×°С), при изменениях температуры теплоносителя.

Для отопительных приборов и конвекторов, при постоянстве расхода теплоносителя, изменение K_о подчиняется зависимости

Kо=Ао×Δtоm,

(2.113)

где А_о- постоянный коэффициент, зависящий только от типа отопительного прибора и схемы его подключения, кДж/(с×м²×(°С)^(1+m)); Δt_о=0,5×(τ_о.3+ τ_о.2)-t_в.р^о - разность между средней температурой теплоносителя в отопительном приборе и температурой внутреннего воздуха в отапливаемом помещении, °С; m - безразмерный показатель степени, постоянный для конкретного типа прибора и схемы его подключения. Для разных типов приборов m находится в пределах 0,17 < m < 0,33 [ 3 ].

Для большинства схем подключения и типов приборов m = 0,25, что и принимают для централизованного регулирования. А корректировку для других схем подключения и типов приборов производят у индивидуальных аппаратов.

1-В. Получают расчетные зависимости метода качественного регулирования систем водяного отопления.

Для района с известными значениями V_зд, м³; q_о, кВт/(м³×°С); μ_зд.ж^р, рассчитанными по (2.8) и (2.37а), составляют балансовые уравнения расхода теплоты на отопление жилого здания - Q_о.зд.ж, кВт, при произвольном значении температуры наружного воздуха t_н и при ее расчетном значении t_н.х^Б.5 - Q_о.зд.ж^р:

Qо.зд.ж= qо× Vзд×(tв.ро-tн)×(1+μжср) = G0.3р×c× (τ0.3-τ0.2)=Kо×Fо×[0,5×(τо.3+0.2)-tв.ро]

(2.114)

Qо.зд.жр= qо× Vзд×(tв.ро-tн)×(1+μжср) = G0.3рр×c× (τ0.3р-τ0.2р)=Kор×Fо×[0,5×(τо.3р+0.2р)-tв.ро].

(2.115)

Подставляя (2.113) в (2.114) и (2.115) и деля почленно полученные выражения, получают

(tв.ро-tн)*(1+μжср)/[(tв.ро-tн.хБ.5)*(1+μжр)]=(τ0.3-τ0.2)/[(τ0.3р-τ0.2р)]=[0,5(τ0.3+τ0.2)-tв.ро]/[0,5(τ0.3р-τ0.2р)-tв.ро].

(2.116)

Это система из двух независимых уравнений с тремя неизвестными (t_н,τ_0.3,τ_0.2). Принимая 1+ m = 1,25, решают систему уравнений (2.115) относительно температуры τ_0.2 при различных значениях t_i:

τ0.2= tв.ро- 0,5×(τ0.3р-τ0.2р)×(tв.ро-tн)*(1+μжср)/[(tв.ро-tн.хБ.5)*(1+μжр)]+ +[0,5(τ0.3+τ0.2)-tв.ро]*(tв.ро-tн)*(1+μжср)/[(tв.ро-tн.хБ.5)*(1+μжр)]0,8.

2.117)

Решают систему уравнений (2.115) относительно температуры τ_0.3

τ0.3= tв.ро+0,5×(τ0.3р-τ0.2р)×(tв.ро-tн)*(1+μжср)/[(tв.ро-tн.хБ.5)*(1+μжср)]+ +[0,5(τ0.3+τ0.2)-tв.ро]*(tв.ро-tн)*(1+μжср)/[(tв.ро-tн.хБ.5)*(1+μжр)]0,8.

(2.118)

При присоединении отопительной системы здания к тепловой сети по зависимой схеме через элеватор (рис. 2.2.1, а), сетевая вода от источника теплоснабжения подается с температурой τ_0.1>τ_0.3. Коэффициент инжекции элеватора сохраняет постоянное значение во всем диапазоне качественного регулирования, определяемое уравнением

U=(τ0.1-τ0.3)/(τ0.3-τ0.2).

(2.119)

Вычисляя значение U при t_н.х^Б.5 и известных τ_0.1, τ_0.2, τ_0.3, подставляя в (2.119) уравнения (2.117) и (2.118), а также вычисленное значение U, решают (2.119) относительно τ_0.1 и получают:

τ0.1= tв.ро+(U+ 0,5)×(τ0.3р-τ0.2р)×(tв.ро-tн)*(1+μжср)/[(tв.ро-tн.хБ.5)*(1+μжср)]+[0,5(τ0.3+τ0.2)-tв.ро]*(tв.ро-tн)*(1+μжср)/[(tв.ро-tн.хБ.5)*(1+μжр)]0,8.

(2.120)

Методика 2 – методика регулирования отпуска теплоты в водяных тепловых сетях, одновременно обеспечивающих потребителей с разнородными видами теплопотребления.

В подавляющем большинстве двухтрубных водяных сетей горячая вода из подающей трубы одновременно поступает в системы отопления, вентиляции и горячего водоснабжения

Различие в требованиях к температурам сетевой воды, предъявляемых разнородными потребителями, вводит ограничения на используемые методы централизованного регулирования, вынуждая переходить на их комбинирование в ходе отопительного периода. В таких сетях метод качественного регулирования отопительной нагрузки применяется в интервале изменения температуры наружного воздуха t_н.х^Б.5≤ t_н≤ t_н.и (I зона). Здесь t_н.и - температура наружного воздуха, при которой величина t[[Image:]], вычисляемая по (2.120), (2.121), (2.123), понижается до τ_0.1.и = 70ºС (при использовании закрытой системы горячего водоснабжения) или до τ_0.1.и= 60ºС (при открытой).

В интервале температур наружного воздуха t_н.и≤ t_н≤ t_в.р^о (II зона) потребность отопительных систем в теплоте удовлетворяется при τ_0.1= τ_0.1.и= const и местном изменении продолжительности их подключения к тепловой сети. Температуры τ_0.3= τ_0.3.и и τ_0.2= τ_0.2.и тоже остаются постоянными.

Время подключения отопительной системы здания к тепловой сети - n₀, ч/сут:

n0=24×(tв.ро-tн)/(tв.ро-tн.и).

(2.125)

2-А. Режим потребления теплоты для открытой системы теплоснабжения.

Получают расчетные зависимости регулирования отпуска теплоты для открытой системы горячего водоснабжения (рис. 2.1.1). В открытых системах горячего водоснабжения к потребителям поступает смесь воды из подающей трубы тепловой сети с температурой τ_0.1, определяемой по (2.120) или (2.121) и из обратной трубы с температурой τ_0.2, определяемой по (2.117) или (2.122).

Расход сетевой воды на горячее водоснабжение из подающего трубопровода G_г^п]и из обратного трубопровода G_г^п, кг/с:

G_г^п=Q_г.в^ср.н(t_г-τ_0.2)/[(t_г-t_х)С(τ_0.1-τ_0.2),

G_г^о=Q_г.в^ср.н(τ_0.1-t_г)/[(t_г-t_х)С(τ_0.1-τ_0.2).

2-Б. Режим потребления теплоты для закрытой системы теплоснабжения при параллельном включении подогревателей системы горячего водоснабжения и системы отопления.

В этом случае в систему горячего водоснабжения (рис. 2.4.5) поступает сетевая вода с температурой τ_0.1, определяемой по (2.120) или (2.121); необходимо вычислить температуру воды, сливаемой из системы, – t_г.2 и ее расход G_г. Расчетным значением температуры наружного воздуха для определения минимально необходимой площади поверхности нагрева подогревателей является температура t_н.и . При этой температуре с учетом технико-экономических расчетов задают температуру сливающейся из подогревателей сетевой воды в период прохождения максимальной часовой нагрузки Q_г^р. Обычно эта температура находится в диапазоне t_г.2.и^р= (30–35) ºС.

Определив расчетную разность температур в подогревателях

Δt_г^р=[(τ_0.1.и-t_г)-(t_г.2.и^р-t_х)]/ln[(t_г-t_х)/(t_г.2.и^р-t_х)],

расчетные расходы сетевой G_г.и^р и водопроводной G_г.в^р воды, поступающей в подогреватели

G_г.и^р=Q_г^р/[С(τ_0.1.и-τ_г.2.и^р)]; G_г.в^р=Q_г^р/[С(t_г-t_х],

вычисляют расчетное значение коэффициента теплопередачи – К_г^р=А_г×(G_г.в^р)^0,5×(G_г.и^р)^0,5 и максимально необходимую площадь поверхности нагрева подогревателей F_г= Q_г.1^р/(К_г^р×Δt_г^р).

При изменении в течение суток потребления на цели горячего водоснабжения подогретой водопроводной воды изменяется и потребление сетевой воды – G_г , и ее температура – τ_г.2.и.

График регулирования ориентирован на удовлетворение средненедельной потребности в теплоте – Q_г^ср.н. Для его построения необходимо установить значения τ_г.2.и и Q_г.и^ср.н, в связи с чем составляется отношение уравнения теплового баланса подогревателей при температуре t_н.и в часы прохождения средненедельной тепловой нагрузки Q_г^ср.н к аналогичному уравнению при прохождении расчетного значения тепловой нагрузки Q_г^р:

[Gг.иср.н*С(τ0.1.и-τг.2.и)]/[Gг.ир*С(τ0.1.и-τг.2.ир)]= [Gг.вср.н*С(tг-tх.з)]/[Gг.вр*С(tг-tх.з)]= Аг/Аг*[Gг.иср.н/Gг.ир]0,5*[Gг.вср.н/Gг.вр]0,5*Fгр/Fгр*[(τ0.1.и-tг)-(τг.2.ир-tх.з)]/[Δtгр*ln[(τ0.1.и-tг)/(τг.2.ир-tх.з)]

Отсюда следует

τг.2.и=τ0.1.и- - Кчмакс×Кчсут×(τ0.1.и-τг.2.и)×[(τ0.1.и-tг)-(τг.2.ир-tх)]/[Δtгр*ln[(τ0.1.и-tг)/(τг.2.ир-tх)]2;

G_г.и^ср.н=Q_г.в^ср.н*С(τ_0.1.и-τ_г.2.и).

На основе уравнения теплового баланса подогревателей при средненедельной нагрузке и любом произвольном значении температуры t_н в I зоне, а также аналогичного уравнения при температуре t_н.и получается соотношение

τг.2=τ0.1-(τ0.1.и-τг.2.и)×[(τ0.1-tг)-(τг.2р-tх)]/[Δtг.иср.н*ln[(τ0.1-tг)/(τг.2р-tх)]2

Во II зоне τ_г.2=τ_г.2.и. Характер изменения τ_г.2 в I и II зонах представлен на рис. 2.9.2.

2-В. Режим потребления теплоты для закрытой системы теплоснабжения при последовательно-параллельном включении подогревателей системы горячего водоснабжения и системы отопления.

Как и в случае 2-Б, за расчетную температуру наружного воздуха при проектировании этой системы принимают t_н.и, а расчетная тепловая нагрузка составляет Q_г^р.

При выборе поверхности нагрева подогревателя первой ступени задаются температурой нагрева в ней водопроводной воды t_пр^р=τ_0.2.и^р-(5-10), °С. Определяют: расчетную тепловую нагрузку первой ступени - Q_г.1^р=G_г.в^р×C×(t_пр^р-t_х.з); расчетную нагрузку второй ступени - Q_г.2^р=G_г.в^{р</sup×C×(t}_г^-t_пр^{р) и всей системы горячего водоснабжения - Q}_г^р=G_г.в^{р</sup×C×(t}_г^-t_х.з^{). Затем вычисляют максимальный расход сетевой воды во второй ступени - G}_г.2^{р= Q}_г.2^р/[C×(t_г^-t_пр^{р)]; значения коэффициентов теплопередачи в каждой ступени К}_г.1^р)=А_г^×(G_г.в^{р)0,5× (G}₀^+G_г.2^{р)0,5 и К}_г.2^р)=А_г^×(G_г.в^р)0,5×(G_г.2^{р)0,5, а также температуру сетевой воды после первой ступени - τ}_2.и^{р= τ}_0.2.и^{р- Q}_г.1^{р/ (C×(G}₀^+G_г.2^р)).

Вычислив расчетную логарифмическую разность температур в подогревателях каждой ступени

Δt_г.1^р=[(τ_0.2.и^р-t_пр^р)-(τ_2.и^р-t_х.з)]/[ln[(τ_0.2.и^р-t_пр^р)/(τ_2.и^р-t_х.з)], Δt_г.2^р=[(τ_0.1.и^р-t_г)-(τ_0.2.и^р-t_пр^р)]/[ln[(τ_0.1.и^р-t_г)/(τ_0.2.и^р-t_пр^р)],