XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

В общем случае системой теплоснабжения называется совокупность источников теплоты, устройств для транспорта теплоты (тепловых сетей) и потребителей теплоты.

Основное назначение систем теплоснабжения – обеспечение потребителей необходимым количеством теплоты требуемых параметров.

Системы теплоснабжения централизованные и децентрализованные. Централизованная система теплоснабжения: источник и потребители значительно удалены друг от друга, передача теплоты производится по тепловым сетям. Децентрализованная система теплоснабжения: источник теплоты и теплоприемники потребителей совмещены в одном агрегате или находятся так близко друг от друга, что не требуется специальных устройств для транспорта теплоты (тепловой сети).

Централизованное теплоснабжение разделяется на:

групповое – теплоснабжение группы зданий от одного источника теплоты;

районное – теплоснабжение района города от одного источника теплоты;

городское – теплоснабжение нескольких районов города или города в целом от одного источника теплоты;

межгородское – теплоснабжение нескольких городов от одного источника теплоты.

Централизованное теплоснабжение представляет собой совокупность следующих операций: подготовка теплоносителя, транспорт теплоносителя; использование теплоносителя.

Подготовка теплоносителя производится в теплоподготовительных установках на теплоэлектроцентралях, а также в городских, районных, квартальных или промышленных котельных. Транспортируется теплоноситель по тепловым сетям, а используется в теплоприемниках потребителей.

Децентрализованное теплоснабжение: индивидуальное и местное. Индивидуальное: каждое помещение имеет отдельный собственный источник теплоты (печное или поквартирное отопление). Местное: отопление всех помещений здания производится от отдельного общего источника теплоты (домовой котельной).

Системы теплоснабжения классифицируют:

по виду транспортируемого теплоносителя – паровые, водяные, газовые, воздушные;

по числу параллельно проложенных трубопроводов – одно-, двух- и многотрубные;

по способу присоединения систем горячего водоснабжения к тепловым сетям – закрытые и открытые;

по виду потребителя теплоты – коммунально-бытовые и технологические.

Теплоноситель характеризуется санитарно-гигиеническими, технико-экономическими и эксплуатационными показателями.

Газы: образуются при сгорании топлива, имеют высокую температуру, однако транспортирование газов усложняет систему отопления и приводит к значительным тепловым потерям.

С санитарно-гигиенической точки зрения при использовании газов трудно обеспечить допустимые температуры нагревательных элементов. Однако, будучи перемешаны в определенной пропорции с холодным воздухом, газы в виде теперь уже газо-воздушной смеси могут быть использованы в различных технологических установках.

Воздух: используется в системах воздушного отопления, позволяет довольно просто поддерживать постоянную температуру в помещении. Однако, вследствие малой теплоемкости (примерно в 4 раза меньше воды) масса воздуха, нагревающего помещение должна быть значительной, что приводит к существенному увеличению габаритов каналов (трубопроводов, коробов) для его перемещения, росту гидравлических сопротивлений и расходу электроэнергии на транспортировку. Поэтому воздушное отопление на промышленных предприятиях осуществляется или совмещенным с системами вентиляции, или путем установки в цехах специальных отопительных установок (воздушных завес и т.п.).

Пар: при конденсации в нагревательных устройствах (трубах, регистрах, панелях и т.п.) отдает значительное количество теплоты за счет высокой удельной теплоты преобразования. Поэтому масса пара при данной тепловой нагрузке уменьшается по сравнению с другими теплоносителями. Однако при использовании пара температура наружной поверхности нагревательных устройств будет выше 100°С, что приводит к возгонке пыли, осевшей на этих поверхностях, к выделению в помещениях вредных веществ и появлению неприятных запахов. Кроме того, паровые системы являются источниками шумов; диаметры паропроводов довольно значительны вследствие большого удельного объема пара.

Вода: имеет высокую теплоемкость и плотность, что позволяет передавать большие количества теплоты на значительные расстояния при невысоких тепловых потерях, малых диаметрах трубопроводов и невысоких температурах поверхности нагревательных устройств. Однако перемещение воды требует больших затрат энергии. Используется в качестве теплоносителя для сезонной нагрузки отопления и горячего водоснабжения.

Водяные системы теплоснабжения: закрытые и открытые.

Закрытые: вода циркулирует в замкнутом контуре «источник теплоснабжения – тепловая сеть – потребитель теплоты – источник теплоснабжения». Вода используется только как теплоноситель, из сети не отбирается ни на бытовые, ни на технологические нужды.

Открытые: циркулирующая вода частично разбирается потребителями для горячего водоснабжения.

В зависимости от схемы теплоснабжения в сети может быть минимум одна труба для открытой системы и две – для закрытой.

Основные проблемы теплоснабжения.

Одной из ключевых проблем теплоснабжения в Российской Федерации является снижение теплоотдачи отопительных приборов и теплообменных аппаратов из-за накопления окислов и солей металлов.

В результате:

1. Суммарные потери тепловой энергии в системе составляют до 30 %

Растут потери тепловой энергии и теплоносителя

Растут затраты электрической энергии на циркуляцию теплоносителя

Снижается КПД источника тепловой энергии из-за повышения температуры обратной воды

2. Сокращается нормативный срок эксплуатации внутридомовых тепловых сетей и оборудования с 30 до 10 лет

В масштабах страны это приводит к вынужденным расходам на внеплановые капитальные ремонты на сумму более 23 млрд руб. ежегодно. Основные требования к любой отопительной системе — надежность, долговечность, эффективность, экономичность. Новые, только смонтированные и испытанные системы централизованного и индивидуального отопления работают без сбоев в соответствии с проектной мощностью. По прошествии некоторого времени наблюдается недостаточная теплоотдача, увеличивается расход топлива и электроэнергии.

Практика показывает, что трубопроводы систем отопления в зданиях, где не проводятся профилактические работы более 10 лет, на 40-50 % забиты окислами и солями металлов. Накипь создает термическое сопротивление теплоносителю, что ведет к снижению теплоотдачи, а это, в свою очередь, приводит к ухудшению комфортных условий для проживания жильцов. Поскольку теплопроводность накипи в 40 раз ниже теплопроводности металла в системах отопления, отложения толщиной всего 1 мм снижают теплоотдачу на 15 %. Если процесс не остановить вовремя, произойдет выход из строя теплообменников, трубопроводов, отопительных приборов. Из всех существующих методов, связанных с профилактическими работами по поддержанию теплового оборудования в рабочем состоянии, в России традиционно, уже на протяжении десятилетий, применяются:

дисперсная промывка

механическая очистка

химическая промывка

гидравлическая промывка

гидропневматическая промывка

Данные методы имеют достаточно низкий КПД и значительные ограничения по применению. Главное ограничение по применению состоит в том, что методы можно использовать только в межсезонный период, когда теплоноситель не подается в теплоцентрали. В среднем по России этот период длится всего 3-5 месяцев. В северных территориях России осенне-зимний период заканчивается в конце июня и начинается в середине сентября. Помимо усовершенствования метода промывки внутридомовых тепловых сетей и теплообменного оборудования большое значение имеет реагент, которым промывается объект. В настоящее время шлак удаляется при помощи химической промывки с использованием кислотных и щелочных реагентов. Помимо экологической опасности данные реагенты негативно влияют на трубы, так как вступают в реакцию с металлом, что приводит к его разрушению.

Основная часть

Насосные станции в тепловых сетях предназначены для увеличения располагаемого напора, повышения расхода теплоносителя и изменения давления в трубопроводах теплосети. Автоматизация и телемеханизация насосных станций должны обеспечивать бесперебойную работу станции в отсутствии постоянного обслуживающего персонала. В начальный период эксплуатации (1 – 2 года) насосные станции обычно находятся под постоянным наблюдением эксплуатационного персонала, что необходимо учитывать при компоновке помещений.

В здании насосной станции предусматриваются: машинный зал, в котором размещаются насосные агрегаты; помещение распределительных устройств; щитовое помещение; трансформаторные камеры; мастерская для производства мелкого ремонта; помещения для эксплуатационного персонала; санитарный узел. Расстояние от насосной станции до жилых и общественных зданий принимаются с учетом норм допустимого уровня шума в жилой застройке.

Коллекторы трубопроводов и запорная арматура в насосных станциях тепловых сетей в отличие, например, от насосных станций системы водоснабжения, не резервируются. В подкачивающих насосных в зависимости от режима работы тепловой сети на трубопроводах подающей и обратной сетевой воды могут быть установлены регулятор давления, регулятор рассечки, обратный и сбросной клапаны. Обратные клапаны, а также регулирующие клапаны и другие устройства, в которых происходит потеря давления, устанавливают на напорных трубопроводах насосов. Их не рекомендуется устанавливать на всасывающих линиях насосов во избежание кавитации. Вокруг насосов рекомендуется предусматривать обводную линию для сохранения циркуляции в тепловых сетях в случае остановки насосов. В этом случае на обводной линии устанавливается обратный клапан.

Для защиты от загрязнения оборудования и приборов, перед ними (считая по ходу теплоносителя) располагаются грязевики, фильтры. Запорная арматура позволяет осуществить ремонт или произвести замену оборудования и арматуры без выключения всей насосной. Минимальное число рабочих подкачивающих насосов в насосных станциях принимается равным двум. Независимо от числа рабочих насосов должна быть предусмотрена установка одного резервного насоса.

В установках на тепловых сетях следует предусматривать:

- автоматические регуляторы и блокировки, обеспечивающие заданное давление воды в подающем или обратном трубопроводах водяных тепловых сетей с поддержанием в подающем трубопроводе постоянного давления «после себя» и в обратном – «до себя» (регулятор подпора);

деление (рассечку) водяной сети на гидравлически независимые зоны при повышении давления воды сверх допустимого;

включение подпиточных устройств в узлах рассечки для поддержания статического давления воды в отключенной зоне на заданном уровне;

- отборные устройства с необходимой запорной арматурой для измерения

температуры воды в подающих (выборочно) и обратных трубопроводах перед секционирующими задвижками и, как правило, в обратном трубопроводе ответвлений Dу ≥ 300 мм перед задвижкой по ходу воды;

давления воды в подающих и обратных трубопроводах до и после секционирующих задвижек и регулирующих устройств, и, как правило, в подающих и обратных трубопроводов ответвлений Dу ≥ 300 мм перед задвижкой;

расхода воды в подающих и обратных трубопроводах ответвлений Dу ≥ 400 мм;

давления пара в трубопроводах ответвлений перед задвижкой.

Автоматизация насосных станций должна обеспечивать:

постоянное заданное давление в подающем или обратном трубопроводах насосной при любых режимах работы сети;

включение резервного насоса, установленного на обратном трубопроводе, при повышении давления сверх допустимого во всасывающем трубопроводе насосной или установленного на подающем трубопроводе – при снижении давления в напорном трубопроводе насосной;

автоматическое включение резервного насоса (АВР) при отключении работающего или падении давления в напорном патрубке.

В данной работе рассмотрим принцип работы насосных перекачивающих станций, различные режимы работы, и выберем оптимальный из них. Насосные перекачивающие станции существуют в крупных системах централизованного теплоснабжения. Основная роль- поддержание необходимого перепада по давлению в подающем трубопроводе и обратном трубопроводе, для эффективного использования теплового энергоресурса. Данные НПС устанавливают в том случае, когда сетевые насосы от источника тепла (котельной, ТЕЦ) не могут поддержать необходимый перепад. Такое явление происходит обычно из-за гористой местности, когда источник тепловой энергии находится выше потребителей. НПС устанавливают между источником тепла и потребителями (тепловыми пунктами) нижней зоны, для которых данные насосные станции и создают необходимый перепад. Существуют так же и потребители верхней зоны, которые находятся между НПС и источником тепла. Для данных потребителей необходимый перепад соблюден сетевыми насосами от источника тепла.

Рассмотрим данную систему на примере существующей НПС.

Рис.1 Схема насосной перекачивающей станции.

Принцип работы

Сетевая вода от источника теплоснабжения по подающему трубопроводу заходит в НПС. Встречает на своем пути регулирующий клапан (РК-1). Данный клапан регулирует давление после себя, то есть то, что идет к потребителям. Данный клапан гидравлический, связан с регулятором, не энергозависим. Это означает, что если будет просадка по электрической части, он будет выполнять свои функции. Далее вода с заданным давлением отправляется к потребителю, остывает и возвращается по всасывающему коллектору обратно в НПС. В данном моменте во всасывающем коллекторе должно быть давление соответствующее нужному перепаду. Эту функцию берут на себя циркуляционные насосы, работающие на полную мощность. Количество рабочих насосных агрегатов зависит от расхода теплоносителя. Данные насосные агрегаты разгружают всасывающий коллектор, высасывая из него теплоноситель, и перекачивая его в напорный коллектор, который отправляется к источнику теплоты, в данном случае к отопительной котельной. Так как насосные агрегаты работают на полную мощность, а нужный перепад фиксирован, то они не могут осуществить точный перепад. Эту функцию берет на себя второй регулирующий клапан (РК-2), который регулирует давление до себя. Принцип работы тот же, как и у первого. Он соединен с регулятором через импульсные трубки, полностью не энергозависим. Прошу заметить, что данная насосная станция регулирует давление в подающем трубопроводе после себя и во всасывающем коллекторе до себя. Давление в подающем трубопроводе с котельной до НПС не регулируется и давление в обратном трубопроводе к котельной от НПС тоже не регулируется. В данной системе существует определенная защита. Если по каким-то причинам во всасывающем коллекторе начинает расти давление (вышли из строя насосные агрегаты, пропало питание на насосы), то регулирующий клапан РК-1 идет на закрытие и перекрывает подачу на потребителей, для прекращения роста давления во всасывающем трубопроводе. Данная защита стоит по перепаду между всасывающим коллектором и напорным. Если давление в этих коллекторах начинает сравниваться, то происходит выше сказанное.

Выбор оптимального режима регулирования

В данном случае предлагаю рассмотреть установку в данной системе преобразователей частоты. Смотрим что из этого выйдет.

Назначение преобразователей частоты

Преобразователи частоты (ПЧ) предназначены для регулирования скорости или момента электродвигателя в широком диапазоне и с максимальным КПД.

Преобразователь частоты обеспечивает полную защиту двигателя: от короткого замыкания на землю и между фазами, тепловую защиту от перегрузки по току и моменту.

Преобразователь частоты измеряет, регистрирует, отображает и передаёт по сети АСУ ТП параметры двигателя: ток, скорость, момент, мощность, напряжение, температуру, потреблённую электроэнергию

Частотный преобразователь обеспечивает:

высокий пусковой момент при низком пусковом токе и низких оборотах двигателя (за счёт эффективного управления электромагнитным полем)

высокий перегрузочный момент двигателя

длительный плавный разгон или останов двигателя с высокоинерционной нагрузкой

эффективное динамическое торможение двигателя

управление работой двигателя, как в двигательном, так и в генераторном режиме

максимальный КПД двигателя во всех режимах работы

управление электромагнитным тормозом (в подъёмниках)

ПИД-регулирование переменной процесса

работу двигателя с обратной связью по скорости и положению

локальное управление технологическим процессом (в ПЧ может быть встроен логический контроллер, расширяемые входы для подключения датчиков и выходы для управления исполнительными устройствами).

Цели внедрения преобразователей частоты

Стабилизация технологического процесса

Автоматическое регулирование скорости вращения приводных механизмов (вентиляторов, насосов, конвейеров и др.) позволяет лучше стабилизировать технологический процесс:

Привод быстрее и точнее отрабатывает задание и возмущения

Кривую переходного процесса можно настроить под конкретную задачу.

Энергосбережение

При регулировании технологических параметров (расхода, давления, температуры) традиционным способом (задвижкой, клапаном, шибером) энергопотребление электродвигателя (насоса или вентилятора) изменяется незначительно. Преобразователь частоты регулирует технологические параметры, изменяя скорость вращения двигателя, при этом энергопотребление снижается существенно. Для турбомеханизмов с вентиляторной нагрузкой мощность находится в кубической зависимости от скорости вращения двигателя. Другими словами, если, например, для поддержания требуемого давления насос вращается со скоростью, равной половине номинальной, то энергии он будет потреблять на 87,5% меньше, чем в номинальном режиме.

Повышение надежности работы и увеличение срока службы основного технологического оборудования

При работе насосов и вентиляторов на пониженных скоростях увеличивается срок эксплуатации подшипников, замедляется износ оборудования из-за трения

Плавные пуски и остановы насосов предотвращают прорывы труб из-за гидроударов

Контроль токов и моментов исключает поломки агрегатов из-за механических напряжений, заклинивания и т.п.

Преобразователи частоты при правильной эксплуатации не требуют обслуживания в отличие, например, от механических задвижек с электроприводом

Автоматический пропуск резонансных частот исключает разрушение агрегата из-за механического резонанса

Подхват вращающегося двигателя в обоих направлениях при восстановлении питания.

Увеличение производительности

За счёт улучшения управляемости технологическим процессом и повышения точности регулирования

При определённых условиях двигатель можно разогнать выше номинальной скорости

Повышенные пусковые моменты и интенсивное торможение за счёт более эффективного рассеивания тепла в самом двигателе и на внешнем тормозном резисторе позволяют увеличить производительность автоматической линии.

Снижение простоя оборудования

Например, производительность центробежного сепаратора и крупность выделяемого им материала зависит от скорости воздушного потока, которая регулируется изменением угла наклона лопастей. Такая переналадка занимает много времени. Преобразователь частоты регулирует скорость в непрерывном режиме.

Автоматизация

ПЧ может архивировать в своей памяти, отображать на своём дисплее и передавать для дальнейшей обработки по полевой шине все электрические параметры двигателя, информацию от датчиков, подключенных к ПЧ, рабочие и аварийные сообщения

Снижение человеческого фактора.

Принцип работы при данном режиме

Итак, в данном случае насосное оборудование способно работать не на полную мощность. Что же это означает? Пройдемся сначала: регулирующий клапан (РК-1) остается без изменений, так как в данном случае поддержание заданного давления во всасывающем коллекторе будет регулироваться преобразователями частоты, то регулирующий клапан (РК-2) нам не нужен. Но в данном случае защита все равно нужна. И если раньше защита была по перепаду, то теперь, за неимением РК-2, она будет по соответствующей уставке. То есть, если давление во всасывающем коллекторе (по различным причинам) вырастает выше определенной уставке, то РК-1 действует так же, как и раньше.

Заключение

Подведем итог данного исследования. Увеличилась скорость и точность срабатывания задания, т.к. РК-2 действует намного медленнее. Основной фактор, это конечно же энергосбережение. Если раньше электродвигатели насосных агрегатов работали на номинальную нагрузку, то сейчас, регулируя скорость вращения двигателя, мы в несколько раз снизим расходы на электроэнергию. Из-за низких скоростей уменьшился износ расходных материалов, из-за плавных пусков и остановов уменьшился риск гидроударов и разрыва труб, ПЧ не требуют такого интенсивного обслуживания, как регулирующие клапана. Повышается точность регулирования процесса. Архивация немаловажный фактор, зачастую рабочий персонал не успевает заметить, что и где конкретно случилось, теперь же будет вестись запись основных параметров. Диспечеризация позволит убрать операторов. Я считаю данный подход удачным.

ЛИТЕРАТУРА

1. Array Поквартирное теплоснабжение жилых зданий с теплогенераторами на газовом топливе; Гостехиздат - Москва, 2013. - 987 c.
2. Бродач М.М. Новый англо-русский, русско-английский словарь технических терминов и словосочетаний по отоплению, вентиляции, охлаждению, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизике; АВОК-ПРЕСС - М., 2014. - 258 c.
3. Государственные элементные сметные нормы на строительные и специальные строительные работы. ГЭСН-2001. Часть 24. Теплоснабжение и газопроводы-наружные сети; ФГУ ФЦЦС - М., 2012. - 556 c.
4. Запатрина И. В. Перспективы развития систем теплоснабжения в Украине; Экономика - М., 2013. - 200 c.
5. Ливчак И. Ф., Кувшинов Ю. Я. Развитие теплоснабжения, климатизации и вентиляции в России за 100 последних лет; Издательство Ассоциации строительных вузов - М., 2013. - 778 c.
6. Ливчак, И.Ф.; Кувшинов, Ю.Я. Развитие теплоснабжения, климатизации и вентиляции в России за 100 последних лет; АСВ - М., 2012. - 366 c.
7. Магадеев В. Ш. Источники и системы теплоснабжения; Энергия - М., 2013. - 272 c.
8. Матиящук С. В. Комментарий к Федеральному закону от 27 июля 2010 г. №190-ФЗ "О теплоснабжении"; Юстицинформ - М., 2013. - 160 c.
9. Методика определения фактических потерь тепловой энергии через тепловую изоляцию трубопроводов водяных тепловых сетей систем центрального теплоснабжения; НЦ ЭНАС - М., 2012. - 963 c.
10. Рассел Джесси Схема теплоснабжения; VSD - М., 2013. - 742 c.
11. Рекомендации АВОК. Рекомендации по оценке экономической эффективности инвестиционного проекта теплоснабжения. Общие положения; АВОК-ПРЕСС - М., 2012. - 591 c.
12. Сорокин, И.М.; Кузнецов, А.И.; Александров, Л.М. и др. Наладка систем централизованного теплоснабжения. Справочное пособие; Стройиздат - М., 2016. - 224 c.
13. Шарапов В. И., Ротов П. В. Регулирование нагрузки систем теплоснабжения; Новости теплоснабжения - М., 2013. - 168 c.
14. Шарапов, В.И Декарбонизаторы водоподготовительных установок систем теплоснабжения; АСВ - М., 2016. - 200 c.
15. Яковлев Б. В. Повышение эффективности систем теплофикации и теплоснабжения; Новости теплоснабжения - М., 2013. - 448 c.

Код для цитирования: Скопировать