Основные принципы проектирования систем теплоснабжения

СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ 3.1. Классификация систем теплоснабжения

Система теплоснабжения — совокупность технических устройств, агрегатов и подсистем, обеспечивающих приготовление теплоносителя, его транспортировку и распределение в соответствии со спросом на теплоту по отдельным потребителям. Последними являются системы отопления, вен­тиляции, горячего водоснабжения, а также технологические установки промышленных предприятий.

В городах и населенных пунктах средства обеспечения тепловой энер­гией коммунально-бытовых и производственных потребителей непосредст­венно влияют на санитарное состояние территории, чистоту воздушного бассейна, экономику, а также на степень благоустройства зданий и соору­жений.

Все системы теплоснабжения можно объединить в группы по следую­щим признакам: по степени централизации, по режиму работы (круглого­дичные и сезонные), по виду вырабатываемого и отпускаемого теплоноси­теля, по способу подачи воды на горячее водоснабжение, по количеству трубопроводов тепловой сети.

В зависимости от типа и мощности источника теплоснабжение бывает:

- централизованное от тепловых и атомных электростанций (ТЭЦ и
АТЭЦ) - теплофикация;

- централизованное от районных или квартальных котельных (приме­
няется как в больших жилых массивах, так и в отдельных жилых кварталах
и поселках);

- местное от групповых котельных (применяется для теплоснабжения
одного или группы зданий);

- автономное от теплогенераторов, устанавливаемых непосредственно
в отапливаемых зданиях (предназначено для отопления, а иногда и горячего
водоснабжения отдельных домов и помещений).

Централизованное теплоснабжение потребителей осуществляется по протяженным и разветвленным тепловым сетям от теплоэлектроцентралей на базе комбинированной выработки тепловой и электрической энергии (теплофикация), а также от крупных районных и других источников тепло­снабжения.

Для автономных систем теплоснабжения характерна малая протя­женность или даже полное отсутствие тепловых сетей от источника тепло­снабжения к потребителям тепловой энергии. Автономное теплоснабжение осуществляется от источников теплоснабжения малой мощности, автоном­ных квартирных теплогенераторов и печей. Автономная (децентрализован­ная) система теплоснабжения состоит из источника теплоты, который совмещен с нагревательным прибором потребителя или соединен с ним внут­ренними тепловыми сетями. Большие здания имеют развитые внутренние тепловые сети, которые называются системами отопления. Так как система теплоснабжения небольшой группы зданий мало отличается от системы отопления одного здания, в энергетике к децентрализованным относят сис­темы мощностью менее 58 МВт [24].

Автономные системы делятся на две группы:

- системы, у которых источник теплоснабжения соединен с приемни­
ками (нагревательными приборами, калориферами, водоразборной армату­
рой и пр.), внутренними тепловыми сетями (системы отопления, вентиля­
ции, местные системы горячего водоснабжения);

- системы, у которых источник теплоснабжения и нагревательные по­
верхности объединены в одном агрегате (отопительные печи, теплогенера­
торы).

Автономные (децентрализованные) системы первого типа находят применение в городах и сельской местности, второго типа - в малых насе­ленных пунктах.

Существуют также поквартирные системы отопления и системы, обес­печивающие отопление и горячее водоснабжение квартиры.

Перечисленные системы теплоснабжения характеризуются различны­ми показателями качества, надежности работы и экономичности. При строительстве новых городов и населенных пунктов целесообразную сис­тему теплоснабжения выбирают на основании технико-экономических рас­четов, главными критериями при этом являются величина и концентрация тепловой нагрузки.

Решение по выбору типа системы теплоснабжения - централизованной или децентрализованной - зависит от величины и пространственной струк­туры населенного пункта, плотности тепловых нагрузок и размещения або­нентов, вида поставляемого топлива, а также от уровня социальных и сани­тарно-гигиенических требований, предъявляемых к условиям эксплуатации и функционирования системы.

К преимуществам централизованных систем теплоснабжения часто от­носят меньшие расходы топлива при выработке теплоты в котельных.

Приведенный тезис не вызывает сомнения; однако, при сравнении энергетической эффективности систем теплоснабжения он не должен рас­сматриваться как отвлеченный, так как в централизованной системе неиз­бежны затраты на собственные нужды котельной, на перекачку теплоноси­теля, потери теплоты с утечками в тепловых сетях и на охлаждение тепло­носителя, т.е. сравнение теплотехнической эффективности должно прово­диться не по источнику теплоснабжения, а по системе в целом.

В табл. 3.1 на основе анализа данных по ряду проектов с учетом регла­ментируемых величин приведены результаты сравнения энергетической эффективности систем теплоснабжения.

Проведенное сравнение показывает, что теплотехнические характе­ристики автономного теплоснабжения превышают в целом показате­ли централизованных систем.

Автономные системы, несмотря на ряд присущих им недостатков (зна­чительные затраты времени и труда на обслуживание, более низкие сани­тарные условия в помещении, низкий КПД теплоемких отопительных пе­чей и теплогенераторов, выпускаемых отечественной промышленностью, трудности обеспечения теплотой многоквартирных зданий), имеют и опре­деленные достоинства:

- меньшие, чем при централизованных системах, единовременные ка­
питальные вложения;

- возможность поэтапного ввода в работу оборудования, по мере за­
вершения строительных работ;

- независимое обеспечение тепловой нагрузки объектов и возможность
местного регулирования работы системы;

- возможность разработки полностью автономных систем, не требую­
щих электропривода отдельных устройств системы (системы с естествен­
ной циркуляцией теплоносителя и теплогенераторы на естественной тяге);

- в случае применения крышных котельных достигается снижение за­
нимаемой площади территории населенного пункта;

- привлечение средств населения (возможно, частичное) для сооруже­
ния системы.

Необходимо отметить, что на сегодняшний день автономные теплоге­нераторы, предлагаемые на рынке теплотехнического оборудования целым рядом зарубежных фирм, имеют очень высокие показатели коэффициента полезного действия, санитарно-гигиенические характеристики эксплуата­ции, малые (а иногда вовсе отсутствующие) затраты времени и труда на обслуживание. Однако такие теплогенераторы имеют достаточно высокую стоимость.

Как уже говорилось выше, в городах к децентрализованным системам относят системы с мощностью до 58 МВт. Для малых населенных пунктов под децентрализованным теплоснабжением должно пониматься обеспече­ние теплотой группы потребителей от одной системы, включающей тепло-генерирующую установку, единую тепловую сеть к потребителям, местные системы теплопотребления внутри зданий. К системе могут быть подклю­чены часть или все здания жилой зоны поселков, а также производственные объекты.

Под децентрализованным теплоснабжением понимается обеспечение потребителей теплотой от местных (автономных) теплогенераторов по внут-ридомовым или внутриквартальным сетям теплоснабжения (см. п. 3.2.). Внешние тепловые сети при этом отсутствуют, а теплогенератор (один или несколько) устанавливается непосредственно в здании или квартире.

Результаты сравнения энергетической эффективности систем теплоснабжения

Показатели	Тип системы
Централизованная, закры­тая, двухтрубная	Децентрализованная от автономного тепло­генератора
твердое топ­ливо	природный газ	твердое топливо	природный газ
Эксплуатационный КПД котла (теплогенератора), брутто, %*	75-81,5	85-90,5	63-75	78-90
Эксплуатационный КПД ко­тельной, нетто, %**	65-75	80-85	60-70	75-85
Расход электроэнергии:
- на собственные нужды ко­тельной (с учетом сетевых на­сосов), кВт/МВт; - в пересчете на эквивалентную тепловую энергию, кВт/МВт*** - в пересчете на эквивалентную тепловую энергию, % - принято в расчете, %	15-25 42,8-71,4 4,3-7,1 5	6-8 17,1-22,9 1,7-2,3 2	-	-
Потери теплоты: - в тепловых сетях с утечками теплоносителя - в окружающую среду, %****		3 7	-	-
Теоретический КПД системы, %	50-60	68-73	63-75	78-90

* Меньшее значение - при установке в котельной чугунных секционных котлов, большее - стальных водогрейных котлов серии КВ.

** Для автономных теплогенераторов КПД увеличен на значения тепловых потерь от внешнего охлаждения q₅ = 3-5%,так как теплогенератор устанавливается в пре­делах общей площади помещения.

*** КПД отпуска электроэнергии по теплоте принят 35%. **** Принято как среднее для систем 5-9% [55].

Существующая структура расселения и архитектурно-планировочная организация малых населенных пунктов характеризуется рядом специфи­ческих особенностей: малые значения тепловых нагрузок как в целом по населенным пунктам (2-15 МВт), так и по отдельным абонентам (11-35 кВт); низкая плотность жилого фонда с дальнейшей тенденцией ее сниже­ния в связи с увеличением предельных размеров приусадебных участков; низкая плотность тепловых нагрузок (90-140 кВт/га); дефицит квалифици­рованного эксплуатационного и обслуживающего персонала; трудности снабжения топливом и оборудованием из-за удаленности от магистралей и промышленных центров; выборочный характер нового строительства.

По технико-экономическим показателям централизованные системы в малых населенных пунктах рациональны в застройке зоны общественных центров и примыкающих к ним жилых зданий. Децентрализованными сис­темами теплоснабжения следует оборудовать одно- и двухэтажные здания селитебной зоны. Тем не менее, во всех случаях для окончательного выбора той или иной системы теплоснабжения (степени ее централизации) для ка­ждого конкретного случая необходимым является проведение технико-экономических расчетов.

По виду энергоносителя системы теплоснабжения делятся на паровые и водяные.

Водяные системы используются для обеспечения тепловой энергией объектов жилищно-коммунального хозяйства (отопление, вентиляция, кон­диционирование воздуха, горячее водоснабжение), а также с целью снаб­жения промышленных предприятий горячей водой на технологические ну­жды. В ряде случаев тепловые сети системы теплоснабжения могут вклю­чать, кроме трубопроводов жилищно-коммунального назначения, и трубо­проводы пароснабжения технологических потребителей паром низкого давления (до 1,4 МПа).

Расположение России в северной климатической зоне и стремление защитить автономные сети от размораживания при аварийных отключениях электроэнергии или при периодической работе инженерных систем часто являются причиной замены воды, используемой в качестве теплоносителя, на «незамерзающий» теплоноситель [60].

В качестве «незамерзающего» теплоносителя часто используется ши­рокий спектр водных смесей на основе моноэтиленгликоля с комплексными присадками, обеспечивающими стабильность свойств, низкую коррозион­ную активность, антивспенивание, антиокислительные свойства и безна-кипный режим работы системы.

Необходимо, однако, отметить, что в ряде случаев возможность при­менения этого теплоносителя ограничена, а в случае использования необ­ходима его регулярная замена - не реже одного раза в два года - в связи со «старением» и снижением активности присадок.

Паровые системы теплоснабжения распространены на промышленных предприятиях, где пар используется в качестве энергоносителя в техноло­гических процессах, а также для нужд санитарно-технических систем в пределах этих предприятий.

По способу подачи воды на горячее водоснабжение водяные системы теплоснабжения подразделяются на закрытые и открытые.

В закрытых системах воду из тепловых сетей используют только в качестве энергоносителя в теплообменниках для подогрева холодной водо­проводной воды, поступающей в местную систему горячего водоснабже­ния.

В открытых системах вода непосредственно из тепловой сети забира­ется для приготовления и подачи ее в систему горячего водоснабжения по­требителя.

По количеству трубопроводов тепловой сети тепловые сети делятся на одно-, двух-, трех и четырехтрубные.

Наибольшее распространение получили двух- и четырехтрубные теп­ловые сети, однако, возможно применение одно- и трехтрубных тепловых сетей. Системы теплоснабжения большой и средней мощности с точки зре­ния экономичности предпочтительно выполнять двухтрубными - с общим подающим трубопроводом горячей воды для отопления, вентиляции и го­рячего водоснабжения и общим обратным трубопроводом.

Использование четырехтрубных тепловых сетей упрощает процессы подготовки теплоносителя для потребителей теплоты, так как сети вклю­чают два подающих трубопровода для подачи горячей воды на нужды ото­пления, вентиляции и горячего водоснабжения и два обратных трубопрово­да от потребителей (из систем отопления, вентиляции и циркуляционного трубопровода горячего водоснабжения).

Тепловые потребители могут присоединяться непосредственно к теп­ловым сетям через центральные тепловые пункты (ДТП) или индивидуаль­ные тепловые пункты (ИТП, абонентские вводы), в которых осуществляет­ся приготовление и подача горячей воды нужных параметров для отопле­ния, вентиляции и горячего водоснабжения потребителей. ЦТП и ИТП в общем случае включают подогреватели, элеваторы, насосы, запорно-регулирующую арматуру и средства автоматического регулирования рас­хода и параметров теплоносителей и т.д.

Тепловые сети являются одним из наиболее трудоемких и дорогостоя­щих элементов систем теплоснабжения. Это сложные сооружения, состоя­щие из соединенных между собой труб, тепловой изоляции, компенсаторов линейных температурных деформаций, подвижных и неподвижных опор, запорной и регулирующей арматуры, строительных конструкций, узлов от­ветвлений трубопроводов (камер и колодцев), дренажных устройств. Тепло­вые сети дополняют насосные и дроссельные станции, тепловые пункты.

Схемы теплоснабжения городов и промышленных районов разрабаты­ваются на перспективу развития данного города или района с учетом эта­пов строительства тепловых сетей. Первоочередной задачей проектирова­ния тепловых сетей является выбор трассы, конструкций теплопроводов и способа прокладки. Проектное решение принимается на основании мате­риалов гидрогеологических изысканий и съемки местности, перспективно­го развития системы теплоснабжения и очередности строительства тепло­вых сетей, а также технико-экономического сравнения отдельных возмож­ных решений с учетом последних достижений науки и техники в этой об­ласти в соответствии с требованиями [49,50].

В тепловых сетях городов и поселков для отопления, вентиляции и го­рячего водоснабжения коммунальных систем теплоснабжения в качестве теплоносителя должна применяться вода.

Водяные тепловые сети, как правило, выполняют двухтрубными с со­четанием подающих трубопроводов для подачи горячей воды от источников теплоснабжения (ИТ) до систем теплоиспользования и обратных тру­бопроводов для возврата охлажденной в этих системах воды к ИТ для по­вторного подогрева. Циркуляция воды в сетях поддерживается сетевыми насосами, устанавливаемыми в ИТ, а при больших дальностях транспорта воды - и на трассах сетей (насосные станции).

В зависимости от принятой схемы присоединения к сетям систем горя­чего водоснабжения различают закрытые и открытые системы теплоснаб­жения. Открытые системы применяются при обеспечении ИТ от городского водопровода достаточным количеством воды, удовлетворяющим требова­ниям ГОСТ «Вода питьевая». В противном случае применяется закрытая система с местным подогревом водопроводной воды у потребителей в во-до-водяных подогревателях. Немаловажным преимуществом независимой схемы присоединения сети отопления при теплоснабжении жилых микро­районов является возможность контроля за утечками во внутренних сетях отопления, что значительно увеличивает надежность и экономичность теп­лоснабжения. Схемы тепловых сетей, особенно коммунальные, проектиру­ются тупиковыми.

В отдельных случаях водяные тепловые сети выполняются трех- и да­же четырехтрубными. Эта схема облегчает регулирование отпуска теплоты в системы различного назначения, но вместе с тем приводит к значитель­ному увеличению капитальных вложений в сети.

В зависимости от назначения предусматривается подразделение тепло­вых сетей на три категории:

- магистральные (от ИТ до вводов в микрорайоны, кварталы или пред­
приятия);

- распределительные (от магистральных сетей до сетей к отдельным
зданиям);

- сети к отдельным зданиям в виде ответвлений от распределительных
(или в отдельных случаях от магистральных) сетей до узлов присоединения
к ним систем теплоиспользования отдельных зданий. Присоединение от­
дельных потребителей непосредственно к магистральным теплопроводам
диаметром 400 мм и выше не рекомендуется, за исключением крупных по­
требителей.

Крупные тепловые районы с нагрузкой 348 МВт (300 Гкал/ч) и более рекомендуется снабжать теплотой от двух магистралей, соединенных рас­пределительными сетями (перемычками). В этом случае может быть созда­на объединенная кольцевая тепловая сеть с несколькими ИТ. Кольцевые тепловые сети являются самыми дорогостоящими, однако, по результатам некоторых исследований [1], дополнительные затраты на сооружение коль­цевых сетей, выполненных из труб постоянного диаметра, иногда компен­сируются снижением капитальных вложений на установку меньших сум­марных резервов мощностей ИТ.

Системы централизованного теплоснабжения характеризуются со­четанием трех основных звеньев: источников теплоснабжения ИТ, тепло­вых сетей и местных систем теплопотребления отдельных зданий или сооружений. В качестве ИТ могут выступать ТЭЦ, ГЭС, котельные, атомные станции теплоснабжения и т. п.

В системах централизованного теплоснабжения ИТ располагаются в отдельно стоящих зданиях, а транспорт теплоты от них осуществляется по трубопроводам тепловых сетей, к которым присоединены системы тепло-использования отдельных зданий. В большинстве централизованных сис­тем теплоснабжения максимальная температура горячей воды принимается равной 150 °С.

Масштабы систем централизованного теплоснабжения могут изме­няться в широких пределах: от небольших, обслуживающих несколько со­седних зданий, до крупных, охватывающих ряд жилых или промышленных районов и даже город в целом.

В основу классификации систем теплоснабжения жилых массивов по их масштабу целесообразно положить принятое в нормах планировки и застройки городов [41] членение территории селитебной зоны на группы соседних зданий (или кварталы в районах старой застройки), объединяемые в микрорайоны с численностью населения 4—6 тыс. чел. в малых городах (с населением до 50 тыс. чел.) и 12-20 тыс. чел. в 'городах остальных катего­рий. Предусматривается [41] также формирование из нескольких микро­районов жилых районов с численностью населения 25-80 тыс. чел. Соот­ветствующие системы централизованного теплоснабжения можно охарак­теризовать как групповые (квартальные), микрорайонные и районные. ИТ, обслуживающие эти системы, по одному на каждую систему, могут быть отнесены соответственно к категории групповых (квартальных), микрорай­онных и районных котельных. В крупных и крупнейших городах (с числен­ностью населения соответственно 250—500 тыс. чел.) нормами предусмат­ривается объединение нескольких смежных жилых районов в планировоч­ные районы, ограниченные естественными или искусственными рубежами. В таких городах возможно появление наиболее крупных межрайонных сис­тем коммунального теплоснабжения.

Принятие решений о сооружении новых систем централизованного те­плоснабжения, а также расширении и реконструкции существующих сис­тем требует специальной проработки, исходя из перспектив развития соот­ветствующих населенных пунктов на ближайший период (10-15 лет) и рас­четный срок эксплуатации(25-30 лет).

Нормами [37] предусматривается разработка специального предпро-ектного документа, а именно схемы теплоснабжения данного населенного пункта. Согласно этим нормам, должны прорабатываться несколько вари­антов технических решений систем теплоснабжения, и на основе технико-экономического сопоставления обосновывается выбор предлагаемого ре­шения. Последующая разработка проектов ИТ и тепловых сетей должна [37] производиться только на основе решений, принятых в утвержденной схеме теплоснабжения данного населенного пункта. Технико-экономическому выбору вариантов должно предшествовать приведение их в сопоставимый вид, а именно: приведение к одинаковому производственному (энергетическому) эффекту; принятие оптимальных решений для ка­ждого из сравниваемых вариантов; учет взаимосвязей, имеющихся в народ­ном хозяйстве, при определении экономических показателей вариантов; учет фактора времени при определении технико-экономических показате­лей; обеспечение тождественности учета социальных характеристик срав­ниваемых вариантов; обеспечение тождественности методик количествен­ной оценки отдельных показателей.

Определение категорий тепловых сетей, данное в п. 3.2, целесообразно уточнить применительно к принятой в п. 3.1 классификации систем центра­лизованного теплоснабжения по их масштабу и контингенту обслуживае­мых потребителей. Если в небольших системах от одного ИТ осуществля­ется подвод теплоты лишь к группе жилых и общественных зданий в пре­делах микрорайона или производственных зданий одного предприятия, то необходимость в магистральных тепловых сетях отпадает, и все сети от таких ИТ следует рассматривать как распределительные. Такое положение характерно [14] для использования в качестве теплоисточников групповых (квартальных) и микрорайонных котельных, а также промышленных, об­служивающих одно предприятие. При переходе от таких небольших систем к районным, а тем более к межрайонным, появляется категория магист­ральных тепловых сетей, к которым присоединяются распределительные сети отдельных микрорайонов или предприятий одного промышленного района. Присоединение отдельных зданий непосредственно к магистраль­ным сетям, помимо распределительных, по ряду причин крайне нежела­тельно, а потому применяется очень редко.

Крупные ИТ районных и межрайонных систем централизованного те­плоснабжения должны размещаться за пределами селитебной территории в целях сокращения влияния их выбросов на состояние воздушного бассейна этой зоны, а также упрощения систем подачи к ним топлива.

В таких случаях появляются начальные (головные) участки магист­ральных сетей значительной протяженности, в пределах которых отсутст­вуют узлы присоединения распределительных сетей (транзитные участки). Наличие транзитных участков сетей существенно ухудшает технико-экономические показатели транспорта теплоносителя, особенно при протя­женности этих сетей 5-10 км и более.

Деление тепловых сетей на магистральные и распределительные явля­ется вполне четким и однозначным только в тех случаях, когда магистраль­ные сети имеют более высокие расчетные параметры, чем принятые для присоединенных к ним распределительных сетей. Другим признаком маги­стральных тепловых сетей является транзит теплоты в них. Однако оба эти признака в тепловых сетях выражены гораздо слабее, чем, например, в га­зовых сетях.

Общее направление трассы магистральных тепловых сетей следует принимать с учетом ее минимальной протяженности и прокладки в районах с наиболее плотной тепловой нагрузкой. Теплоноситель поступает из маги­стральных тепловых сетей в распределительные сети, по которым подается через центральные тепловые ЦТП или индивидуальные тепловые пункты (ИТП) к теплопотребляющим установкам абонентов (рис. 3.1). Считается, что оптимальным является отпуск теплоты от центральных тепловых пунк­тов в пределах 4—10 МВт.

Схема тепловой сети от ТЭЦ с индивидуальными

и центральными тепловыми пунктами: 1 - ТЭЦ; 2 - ЦТП; 3 - ИТП;

4 - насосные подстанции

Подавляющее большинство систем отопления жилых зданий в на­стоящее время присоединено и продолжает присоединяться к тепловым сетям по зависимой схеме с элеватором (рис. 3.2). Преимуществом этой схемы является ее низкая стоимость и высокая степень надежности элева­тора как смесительного устройства, так как элеватор позволяет поддержи­вать практически постоянным коэффициент смешения, независимо от ко­лебаний перепада давлений перед ним. (В целях упрощения на рис. 3.1 за­порная арматура, контрольно-измерительные приборы и системы отопле­ния не показаны).

Значительно большие возможности по регулированию систем отопле­ния создает применение для смешения теплоносителя центробежных насо­сов (рис. 3.3). В концевых участках тепловой сети применяют схемы при­соединения со смесительными насосами на обратной линии, так как в таких случаях часто имеют место повышенные давления в обратных линиях [14].

При теплоснабжении высотных зданий (14 этажей и выше) целесооб­разной является [14] схема с насосом на подающей линии, либо применяет­ся независимая схема присоединения отопительных систем. Для этой цели разработаны бесфундаментные насосы, характеризующиеся компактно­стью, надежностью и малошумностью (бесшумностью) работы.

-m-

Рисунок 3.2. Схема присоединения системы отопления с элеватором

Рисунок 3.3. Схемы присоединения системы отопления с насосом: а - насос на перемычке; б - насос на падающей линии; в - насос на обратной линии

Выбор схемы присоединения систем горячего водоснабжения опреде­ляется принятой при проектировании ИТ системы теплоснабжения, ее тем­пературным режимом. При закрытой системе теплоснабжения установки горячего водоснабжения присоединяются через поверхностные подогрева­тели. Для жилых домов эти схемы можно проектировать без баков-аккумуляторов. В этом случае подогреватели и тепловая сеть рассчитыва­ются на максимум горячего водоснабжения.

Циркуляция в системах горячего водоснабжения при индивидуальном присоединении зданий к распределительным тепловым сетям может осу­ществляться насосом, который располагается в помещении теплового пунк­та (групповые системы горячего водоснабжения). При работе тепловой сети по отопительному графику выбор схемы присоединения следует произво­дить на основе технико-экономического расчета путем сравнения парал­лельной и смешанной схем. При коротких тепловых сетях от котельных результаты технико-экономического сравнения могут быть в пользу парал­лельной схемы [14]. По данным различных авторов обе схемы - смешанная и параллельная - равноэкономичны [36, 56].

В зданиях с числом этажей 16 и более системы горячего водоснабже­ния выполняются двухзонными (рис. 3.4). Каждая зона представляет собой самостоятельную систему со своими подогревателями и насосами [24].

L.

Схема двухзонной системы: а, б - при высоком и низком давлениях в

подающих линиях; 1 - подающий трубопровод; 2 - водозаборные стояки;

3 - главные стояки зон; 4 - догребающий теплообменник;

5 - регулятор давления; 6 - повысительный насос

Чем больше мощность ИТ и радиус действия тепловых сетей, тем принципиально более сложными должны становиться схемы центральных тепловых пунктов, поскольку возрастают абсолютные давления, усложня­ется гидравлический режим, начинает сказываться транспортное запазды­вание. В схемах появляется необходимость применения подкачивающих насосов, средств защиты и сложной аппаратуры авторегулирования. Все это не только удорожает сооружение центральных тепловых пунктов, но и усложняет их обслуживание. Наиболее рациональным признано [14, 56] сооружение центральных тепловых пунктов для группы зданий. Этот спо­соб наиболее применим в жилых микрорайонах с однотипными характери­стиками систем отопления и горячего водоснабжения, а, следовательно, однотипными схемами центральных тепловых пунктов.

Разработан ряд типовых проектов ЦТП в отдельно стоящих зданиях. Главными элементами такого пункта являются: общий подогреватель для групповой системы горячего водоснабжения с циркуляционными насосами, подкачивающие насосы водопровода, общий узел контроля и учета тепло­ты. Значительную долю в общих затратах по теплоснабжению жилого мик­рорайона составляет стоимость сооружения здания ЦТП, не зависящая от мощности ЦТП. Сооружение более крупных ЦТП снижает удельные капи­тальные вложения в здания, дает возможность применения более совер­шенных схем контроля и регулирования, а также снижает затраты на авто­матизацию работы систем теплоснабжения в целом. Тепловая мощность ЦТП должна соответствовать тепловой нагрузке жилого микрорайона. При тепловой мощности ЦТП 30-50 МВт радиус действия распределительных сетей составляет 600-800 м. Однако разрозненность и долговременность застройки микрорайонов заставляет искать альтернативный вариант.

Принципиально возможные варианты размещения ЦТП показаны на рис. 3.5 и 3.6. Схема сетей отопления и горячего водоснабжения в секцио­нированном жилом здании показана.

Рисунок 3.5. Схема центрального теплового пункта для жилого микрорайона: 1 - задвижка с электроприводом; 2 - грязевики; 3,4- подогреватели горячего во­доснабжения первой и второй ступеней; 5 - регуляторы температуры воды; 6 - цир-куляционно-подающие насосы; 7 - подогреватель отопления; 8 - регулятор темпе­ратуры воды для отопления; 9 - циркуляционные насосы сети отопления; 10 - под-питочные насосы для сети отопления; 11 - регулятор давления; 12 - теплосчетчик

Здания, имеющие 14 и более этажей, должны присоединяться по неза­висимой схеме [14] через подогреватели. Основной признак децентрализо­ ванной системы теплоснабжения - отсутствие (или совсем малая протя­женность) внешних тепловых сетей. Децентрализованная система тепло­снабжения обеспечивает теплотой помещение, квартиру или здание.

Для водяных тепловых сетей с тепловой мощностью до 5,8 МВт (5 Гкал) допускается применение расчетной температуры горячей воды в по­дающей линии тепловой сети +95° С.

Децентрализованное (местное) горячее водоснабжение применяют в тех случаях, когда экономически нецелесообразным является сооружение централизованной системы горячего водоснабжения, например, при не­большой плотности тепловых нагрузок (коттеджная застройка, малые горо­да, сельские населенные пункты и т. п.). Для такой системы водоснабжения характерно размещение установок по приготовлению горячей воды в непо­средственной близости от мест ее потребления.

Рисунок 3.6. Схема групповых тепловых пунктов в жилом микрорайоне с четырех-трубными сетями: 1 - задвижка с электроприводом; 2 - грязевики; 3 - измеритель­ная диафрагма к расходомеру; 4 - то же к ограничителю-расходомеру максимально­го расхода воды; 5 - регуляторы температуры воды; 6 - регулятор давления; 7 -смесительные насосы; 8 - обратные клапаны; 9 - счетчики воды; 10 - подогреватели горячего водоснабжения; 11 - подогреватель отопления; 12 - элеватор; 13 - разрывная мембрана

Достоинствами децентрализованного горячего водоснабжения являются:

- меньшие единовременные капитальные вложения;

- возможность вводить в работу оборудование по мере роста потребле­
ния теплоты.

К недостаткам такой системы можно отнести невозможность исполь­зования низкопотенциальной теплоты.

Схема сетей отопления и горячего водоснабжения в секционированном жилом здании

При устройстве децентрализованного горячего водоснабжения можно
использовать единый ИТ для систем отопления и горячего водоснабжения.
Однако такое решение не является обязательным. Иногда [9] совместное
использование одного ИТ имеет определенные неудобства. Это объясняет­
ся тем, что режим теплопотребления систем отопления и горячего водо­
снабжения существенно различается. Системы отопления в течение дня
имеют стабильное теплопотребление, в то время как горячее водоснабжение характеризуется неравномерностью нагрузки с резко выраженными «пиками» в утренние и вечерние часы.

Согласно тепловым расчетам и практическим данным, пиковое по­требление теплоты системой горячего водоснабжения превышает отопи­тельную нагрузку. Поэтому при использовании одного ИТ в период макси­мального водоразбора горячей воды систему отопления приходится отклю­чать, и ИТ работает лишь для целей горячего водоснабжения. Если устано­вить в доме теплоисточник на суммарную тепловую нагрузку отопления и горячего водоснабжения, то его установленная мощность окажется завы­шенной, и ИТ будет работать с пониженной экономичностью. Поэтому за­служивают внимания системы с раздельными источниками теплоснабже­ния, где для горячего водоснабжения предлагается использовать емкостные электроводонагреватели с режимом потребления электроэнергии в ночное время по льготному тарифу.

Принципы построения схем тепловых сетей. В комплексной систе­ме централизованного теплоснабжения тепловая сеть является не только соединительным звеном между ИТ и абонентом-потребителем, но и средст­вом, определяющим надежность теплоснабжения, режим работы и показа­тели всей системы теплоснабжения в целом.

В настоящее время требованиям надежности теплоснабжения могут удовлетворять лишь сети небольшой протяженности с ограниченным чис­лом потребителей, т. е. тепловые сети от котельных небольшой тепловой мощности. Отмечается целесообразность устройства групповых тепловых пунктов с точки зрения технико-экономических и местных градостроитель­ных условий. Это объясняется тем, что тепловая устойчивость и точность распределения циркулирующей сетевой воды определяется гидравлической устойчивостью тепловой сети, что зависит, в конечном счете, от соотноше­ния давлений теплоносителя в конце и начале сети. Создать такую устой­чивость в магистральных сетях [24] можно лишь для радиуса действия не более 600-800 м. Надежное теплоснабжение потребителей первой катего­рии, к которым относятся и жилые микрорайоны, обеспечивается только при наличии резервируемых магистралей или резервирующих перемычек между магистралями. Соотношения между продолжительностью отключе­ния тепловой сети в результате аварии, диаметром поврежденного тепло­провода, расчетной температурой воздуха и тяжестью последствий приве­дены в табл. 3.2 и 3.3.

Зависимость продолжительности отключения и количества жителей района от диаметра трубопровода теплосети

Наименование	Условный диаметр трубопровода, мм
Расчетная тепловая нагрузка, МВт	25-30	100-120	190-220	400-440
Расчетная продолжительность отключения, ч
Количество жителей в отключенных зданиях, тыс. чел.	12-15	50-60	95-100	200-220

Выбор распределительной сети, снабжаемой через центральные (групповые) тепловые пункты, должен осуществляться на основе технико-экономических сравнений вариантов при полном учете местных условий: количества и дислокации тепловых пунктов, их тепловой нагрузки. Анали­зу схем проектирования распределительных тепловых сетей посвящены работы многих авторов: Н.И. Дунаевского, Н.И. Жирнова, М.Л. Закса, Н.М. Зингера, Б.М. Кагановича, С.Ф. Копьева, Л.Б. Кроля, И.С. Ланина, Т.К. Леонтьевой, Л А. Мелентьева, А.П. Меренкова, В.Б. Пакшвера, Е.Я. Соколова, Е.В. Сенновой, В.А. Стенникова, М.Ф. Филиппова, В.Я. Хасилева, Е.П. Шубина и др.

Время восстановления трубопровода тепловой сети, ч, при подземной прокладке в зависимости от диаметра [17]

Этап работы	Время выполнения этапа при диаметре трубы, мм
100-200	250-400	500-700	800-900	1000-1400
Отключение участка сети
Вызов представителей, под­воз механизмов
Разрытие шурфов для обна­ружения места аварии
Спуск воды из трубы
Вскрытие канала, откачка воды из трассы, вырезка поврежденной трубы
Подгонка новой трубы (за­платы) одним-двумя свар­щиками
Наполнение участка сети
Включение и восстановле­ние теплоснабжения
Всего

Данные табл. 3.2 приведены для средних условий эксплуатации. Кри­тическая длина магистрали, свыше которой резервирование становится не­обходимым, может быть в первом приближении принята равной 1,5-2,0 км.

Проведенные расчеты по резервированию магистральных сетей пока­зывают, что наименьшее их удорожание достигается при симметричных схемах: одинаковая тепловая нагрузка и параллельное прохождение маги­стралей. Значительное удорожание магистральных сетей имеет место в том случае, если схемы сетей несимметричны или резервирование потребите­лей осуществляется от источников теплоты, работающих навстречу друг другу. В начальный период строительства сетей теплоснабжения микрорайонов магистральные сети предлагается делать тупиковыми, а впоследст­вии - резервировать перемычками.

Мелентьевым Л.А. была обоснована целесообразность параллельной работы ИТ с точки зрения надежности и экономичности теплоснабжения. Им была рекомендована для теплоснабжения система регулирования, пре­дусматривающая разделение всей тепловой сети на магистральную с пере­менным расходом теплоносителя и распределительную с постоянным рас­ходом теплоносителя. Центрально-групповое регулирование дает возмож­ность поддерживать в сетях гидравлический режим, обеспечивающий па­раллельную работу на общий температурный график нескольких теплоге-нерирующих и теплоутилизационных установок. В работах В.Я. Хасилева были проанализированы гидравлические режимы для различных схем па­раллельной работы, связи гидравлических режимов с режимами работы оборудования ИТ, вопросы энергетической и экономической эффективно­сти совместной работы крупных районных котельных. Рассматривались четыре возможных схемы параллельной работы ИТ:

- схема с независимым присоединением абонентов;

- схема с элеваторным присоединением абонентов и регуляторами рас­
хода на вводах в здания;

- схема со смесительными насосными станциями (схемы Л.А. Мелен-
тьева, и С.Ф. Копьева);

- схема с централизованным смешением потоков теплоносителя.

При этом было доказано, что полностью экономические преимущества параллельной работы можно использовать в случае применения схем со смесительными насосными и централизованным смешением потоков.

Дунаевским Н.И. [22] была выдвинута идея об использовании для по­крытия пиковых нагрузок водогрейных котлов.

Соколовым Е.Я. [52] проанализированы возможные режимы совмест­ной работы районных котельных и даны рекомендации по их применению.

По мнению Б.М. Кагановича, методика технико-экономических расче­тов распределительных тепловых сетей должна быть разработана таким образом, чтобы она имела возможность легко учитывать динамику разви­тия системы теплоснабжения во времени, которая сама по себе является предпосылкой к объединению нескольких, возникающих на разных этапах развития системы, ИТ.

Если вначале сооружена достаточно крупная котельная или ТЭЦ, а по­том проектируются в параллельную работу к ней еще несколько мелких котельных, то при этом в отдельных узлах системы может возникнуть не­равномерный рост тепловых нагрузок, что вызовет необоснованное омерт­вление капитальных вложений. В таких сложных случаях развития и эксплуатации систем теплоснабжения при решении вопросов оптимизации тепловых сетей необходимо применять дискретные, а не аналитические методы расчета. Дискретные методы достаточно просто реализуются на ЭВМ. Одновременно дискретная методика позволяет в самом процессе ав­томатизированного проектирования решать многие другие вопросы с уче­том местных условий, которые при существующей практике проектирова­ния решаются проектировщиком с учетом универсальных нормативов (СНиП, РУ, СН и др.) и их индивидуального и коллективного опыта. По­лезность системной комплексной оптимизации тепловых сетей обусловли­вается одновременным удовлетворением не только общеэкономических, но и эксплуатационных требований. При выборе проектного варианта должна быть предусмотрена возможность обеспечения минимума допускаемых расходов теплоносителей у всех потребителей. Выбранный вариант должен также соответствовать минимуму денежных затрат по сравнению с другими вариантами, удовлетворяющими эксплуатационным требованиям.

По мнению А. П. Меренкова и других исследователей, с учетом поло­гого характера изменения величины общих расчетных затрат при прибли­жении к минимуму, расчет тепловых сетей должен производиться не по оптимальной точке, соответствующей этому минимуму, а по некоторой «зоне» вокруг нее. С помощью ЭВМ можно в пределах этой «зоны» обес­печить варьирование оптимальными параметрами сети с целью удовлетво­рения как экономическим, так и эксплуатационным требованиям. В этом состоит идея системного комплексного подхода к выбору экономически эффективного варианта системы теплоснабжения. Выбор оптимальной сте­пени централизации системы теплоснабжения может служить инструмен­том формирования такой схемы теплоснабжения, которая может учитывать интересы всех участников инвестиционного проекта и условий практиче­ской эксплуатации выбранного проектного решения.

Действующие системы теплоснабжения должны рассматриваться с со­блюдением комплексного подхода к решению вопросов как собственно теплоснабжения, так и топливоснабжения (в частности, снабжения газом как основным и наиболее экологичным видом топлива на территории РФ), электрической защиты подземных трубопроводов сетей тепло- и газоснаб­жения, а также экологических и экономических показателей.

Дата добавления: 2013-12-13