ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ

ПЬЕЗОМЕТРИЧЕСКИЕ ГРАФИКИ. ТРЕБОВАНИЯ К РЕЖИМУ ДАВЛЕНИЙ

Из-за большой плотности вода оказывает значительное гидростати­ческое давление на трубы и оборудование, поэтому гидравлический расчет водяных систем теплоснабжения включает две части первую — собственно гидравлический расчет, при котором определяют диаметры теплопроводов, и вторую — проверку соответствия гидравлического ре­жима предъявляемым требованиям.

Проверяют режим при статическом состоянии системы (гидростати­ческий режим), когда циркуляционные насосы не работают, и при дина­мическом состоянии системы (гидродинамический режим) с учетом гео­дезических высот проложения трубопровода. В результате определяют линии максимальных давлений в подающем и обратном теплопроводах из условия механической прочности элементов системы и линии мини­мальных давлений из условия предотвращения вскипания высокотемпе­ратурного теплоносителя и образования вакуума в элементах системы. Пьезометрические линии проектируемого объекта не должны выходить за эти крайние границы. При разработке гидродинамического режима тепловой сети выявляют параметры для подбора циркуляционных насо­
сов, а при разработке гидростатического режима — для подбора подпи - точного насоса.

При гидравлическом расчете паровых сетей ввиду малой плотности пара разностью высотных отметок отдельных точек паропровода прене­брегают.

Для изучения режима давлений в тепловых сетях и местных системах зданий широко используют пьезометрические графики. На графиках в определенном масштабе наносят рельеф местности jio разрезам вдоль тепловых трасс, указывают высоту присоединяемых зданий, показывают напор в подающих и обратных линиях теплопроводов и в оборудовании теплоподготовительной установки. Роль пьезометрического графика при разработке гидравлических режимов систем теплоснабжения очень ве­лика, так как он позволяет наглядно показать допустимые границы дав­лений и фактические их значения во всех элементах системы.

Рассмотрим график напоров в теплопроводе, проложенном под зем­лей (рис. 8.1). В населенных пунктах тепловые сети заглубля­ют примерно на 1 м. Ввиду малого заглубления при вычерчивании про­филя трассы-теплопровода его ось условно совмещают с поверхностью земли.

За горизонтальную плоскость отсчета принята плоскость 00, прохо­дящая через нулевую отметку. Все геодезические отметки нрофиля трас­сы соответствуют масштабу, указанному на шкале слева. Таким образом, величина Zi показывает геодезическую высоту оси трубопровода в точке і над плоскостью отсчета.

Так как движение теплоносителя в трубопроводах носит стационар­ный характер, для определения напоров и давлений в теплопроводе воспользуемся уравнением Бернулли и напишем его в механической форме для сечений 1 и 2 (см. рис. 8.1). Энергию теплоносителя в сече­ниях 1 и 2, баланс которой отражает уравнение Бернулли, отнесем к единице силы — ньютону (Н). В таком случае каждый член уравнения будет измеряться в Дж/Н = Н-м/Н=,м, что очень удобно для построе­ния пьезометрических графиков, так как геометрические высоты и удельные энергии будут иметь одну и ту же единицу — метр и их можно изображать в масштабе графика.

Уравнение Бернулли для сечений 1 и 2 имеет вид

О»? Pi w р2 Д р

Гі+—+---------- = г2-Ь-— +-------- +------ . (8.1)

Pg 2g рg pg

Каждый член уравнения (8.1) отражает удельную энергию жид­кости в данном сечении (отнесенную к единице силы), которую называ­ют напором (высотой):

Г — геометрическая высота, м, отражающая удельную потендиальнук) энергию ПОЛО­ГЕ)2

Жения, ———скоростной напор (высота), м, отражающий кинетическую энергию по - р

Тока,------ *=Я— пьезометрический напор (высота), м, отражающий потенциальную

98

А р

Энергию давления,------- =АН — потерц напора на трение и в местных гидравлических

Р g

Сопротивлениях, м, соответствующие потерям потенциальной энергии давления Поте­рянная энергия превращается в теплоту и повышает энтальпию жидкости.

Уравнение (8.1) написано для жидкости с неизменной плотностью при движении.

На графике рис. 8.1 показаны напоры (высоты) для сечений 1, 2, 3. Полный напор теплоносителя для любого сечения трубопровода равен

И)а р W2

■ и = Z +--------------- + Я (8 2)

2g pg 2g

Если рассматривать идеальную систему без потерь энергии, тогда полный напор Я Полн для всех сечений трубопровода будет одинаковым. С изменением геометрической высоты z один вид потенциальной энер­гии будет преобразовываться в другой. Так, с подъемом трубопровода от сечения 1 к сечению 3 потенциальная энергия положения потока (г) будет расти, а потенциальная энергия давления — пьезометрический напор Я— уменьшаться. Полный напор будет неизменным. Если се­чение трубы будет уменьшатся, тогда скоростной напор будет расти за счет пьезометрического напора.

В тепловых сетях скоростной напор несоизмеримо меньше пьезомет­рического и мало изменяется по длйне трубопровода, поэтому в расчетах его не учитывают. В таком случае полный напор Яп0лн будет равен сум­ме геометрической высоты z и пьезометрического напора Я

Я полн = г + Я (8 3)

Потери энергии на преодоление гидравлических сопротивлений АН определяются как разность полных напоров в начале и конце рассмат­риваемого участка. Для участка трубопровода, показанного на рис 8 1, потери напора равны:

АН' — Яполн j Яполн2

Или, пренебрегая скоростным напором,

Д Я = Яполн 1 — Яполн 2. (8 4)

Пьезометрический напор Н соответствует манометрическому давле­нию р и отсчитывается от оси трубопровода. Таким образом, пьезомет­рический напор определяется избыточным давлением в трубе и его воз­можное максимальное значение зависит от прочности трубопровода.

Пьезометрический напор измеряется в метрах. Давление, соответст­вующее данному напору Я, будет прямо пропорционально удельному весу 7 жидкости: p = Hpg=<Hy. Оно может быть измерено столбом жидкости, текущей по трубопроводу. Так, если в теплопроводе, по кото­рому протекает вода, пьезометрический напор равен 10 м, тогда избы­точное давление в нем будет равно 10 м вод ст, или 0,0981 МПа« «0,1 МПа (1 кгс/см2).

Если в уравнении Бернулли энергию отнести к единице объема, его члены будут измеряться в единицах давления:

Дж Н-м Н

-------- - г-------- — = —— = Па.

М3 м3 ма

Уравнение (8.1) будет иметь следующий вид:

«і + P + Pi = z2 р g +— Р + Ра+ ДР. (8-5>

W2

Где zpg=zy — удельная энергия положения, Па; р— скоростное давление, Па;

Р — пьезометрическое (статическое) давление, Па; Ар — потери давления на преодо­ление гидравлических сопротивлений, Па.

1—111 — абоненты; 1,2,3 — узлы; П — подающая линия; О —обратная линия; Н — напоры; Т —

Теплоподготовнтельная установка; СН — сетевой насос; РД — регулятор давления - Д — точка от­бора импульса для РД; ПН — подпиточный насос, Б— бак подпиточной воды; Дк — дренажныв клапан

Рассмотрим пьезометрический график для тепловой сети, располо­женной на местности со спокойным рельефом (рис. 8.2). Плоскость с нулевой отметкой совмещена с отметкой расположения теплоподготови - тельной установки. Профиль основной магистрали 1—2—3—III совме­щен с вертикальной плоскостью, в которой вычерчен пьезометрический график. В точке 2 к магистрали присоединено ответвление 2—/. Это от­ветвление имеет свой профиль в плоскости, перпендикулярной основной магистрали. Для возможности изображения профиля ответвления 2—I на пьезометрическом графике повернем его на 90° против часовой стрел­ки вокруг точки 2 и совместим с плоскостью профиля основной маги­страли. После совмещения плоскостей профиль ответвления займет на графике положение, отображаемое линией 2—/'. Аналогично строим профиль и для ответвления 3—II.

Рассмотрим работу двухтрубной системы теплоснабжения, принци­пиальная схема которой показана на рис. 8.2, в. Из теплоподготовитель - ной установки Т высокотемпературная вода с £=150°С поступает в по­дающий теплопровод в точке П1 с полным напором в подающем коллек­торе источника теплоснабжения Нпі =#нач—АЯТ [здесь Янач — на­чальный полный напор после сетевых насосов (точка К); А#т — потери напора сетевой воды в теплоподготовительной установке]. Так как гео­дезическая отметка установки сетевых насосов Zi = 0, полные напоры в начале сети равны пьезометрическим напорам и соответствуют избыточ­ным давлениям в коллекторах источника теплоснабжения. Горячая вода по подающей магистрали 1—2—3—III и ответвлениям 2—I и 3—II по­ступает в местные системы потребителей тепла I, II, III. Полные напоры в подающей магистрали и ответвлениях изображены графиками напоров ПІ—ПІІІ, П2—ПІ, ПЗ—ПН. Охлажденная вода по обратным трубопро­водам направляется к источнику теплоснабжения. Графики полных дав­лений в обратных теплопроводах изображены линиями ОІІІ—01, ОН— 03, 01—01.

Разность напоров АП в подающей и обратной линиях для любой точ­ки сети называется располагаемым напором. Так как подающий и обрат­ный трубопроводы в любой точке имеют одну и ту же геодезическую от­метку, располагаемый напор равен разности полных или пьезометриче­ских напоров:

КНі — (Нт + г,) - (Я0г + zt) = Нш - Н01. (8.6)

У абонентов располагаемые напоры равны А#і = # п —Н0г, АНц = — Hi711 —Поіґ, АНці = Нти—Нот. Полный напор в конце обратной линии перед сетевым нассом на обратном коллекторе источника тепло­снабжения равен #оі. Следовательно, располагаемый напор в коллек­торах теПЛОПОДГОТОВИТелЬНОЙ уСТаНОВКИ А#і=#У71 —Hoi.

Сетевой насос повышает давление воды, поступающей из обратной линии, и направляет ее в теплоподготовительную установку, где она на­гревается до ^=150°С. Насос развивает напор Ннас.

Потери напора в подающей и обратной линиях равны разности пол­ных напоров в начале и конце трубопровода. Для подающей магистрали они равны А#п =Нп—Нпии а для обратной АН0 = Н0т—Н01.

Описанный гидродинамический режим наблюдается при работе се­тевого насоса. Положение пьезометрической линии обратного трубопро­вода в точке 01 поддерживается постоянным в результате работы под - питочного насоса ПН и регулятора давления РД. Напор, развиваемый подпиточным насосом при гидродинамическом режиме, дросселируется клапаном РД таким образом, чтобы в точке отбора импульса давления Д из байпасной линии сетевого насоса поддерживался напор Нет, рав­ный полному напору, развиваемому подпиточным насосом.

На рис. 8.3 показаны график напоров в линии подпитки и в байпас­ной линии, а также принципиальная схема подпиточного устройства.

Перед подпиточным насосом полный напор условно принимаем равным нулю. Подпиточный насос ПН развивает напор Яст. Этот напор будет в трубопроводе до регулятора давления РД. Потерями напора на трение на участках 1—2 и 2—3 пренебрегаем ввиду их малости. В байпасной линии теплоноситель движется от точки 3 к точке 2. В задвижках А и В срабатывается весь напор, развиваемый сетевым насосом. Степень за­крытия этих задвижек регулируют таким образом, чтобы в задвижке А был сработан напор АНА и полный напор после нее был равен Н ст — = Ннгч—АНА. В задвижке В срабатывается напор АЯВ, причем Я0і = = ЯСТ —ЛЯВ (здесь Hoi — напор после РД). Регулятор давления под­держивает постоянное давление в точке Д между задвижками А и В. При этом в точке 2 будет поддерживаться напор Н0ь а на клапане РД будет срабатываться напор ДЯрд = ЛЯВ.

При увеличении утечки теплоносителя из сети давление в точке Д начинает снижаться, клапан РД приоткрывается, увеличивается подпит­ка тепловой сети и давление восстанавливается. При сокращении утечки давление в точке Д начинает повышаться и клапан РД прикрывается. Если при закрытом клапане РД давление будет продолжать расти, на­пример в результате прироста объема воды при повышении ее темпера­туры, в работу включится дренажный клапан ДК, поддерживающий по­стоянное давление «до себя» в точке Д, и сбросит избыток воды в дре­наж. Так работает подпиточное устройство при гидродинамическом ре­жиме. При остановке сетевых насосов прекращается циркуляция тепло­носителя в сети и во всей системе напор падает вплоть до Яст. Регуля­тор давления РД открывается, а подпиточный насос ПН поддерживает во всей системе постоянный напор Яст.

Таким образом, при втором характерном гидравлическом режиме — статическом — во всех точках системы теплоснабжения устанавливается полный напор, развиваемый подпиточным насосом. В точке Д как при гидродинамическом, так и при статическом режимах поддерживается постоянный напор Яот. Такая точка называется нейтральной.

Ввиду большого гидростатического давления, создаваемого столбом воды, и высокой температуры транспортируемой воды возникают жест­кие требования к допустимому диапазону давлений как в подающем, так и в обратном трубопроводах. Эти требования накладывают ограни­чения на возможное расположение пьезометрических линий как при статическом, так и при гидродинамическом режимах.

•Для исключения влияния местных систем на режим давления в сети будем считать, что они присоединены по независимой схеме, при которой гидравлические режимы тепловой сети и местных систем автономны. В таких условиях к режиму давлений в сети предъявляются излагаемые ниже требования.

Давление не должно превышать максимального значения из условия
прочности трубопроводов, арматуры, теплообменников и другого обору­дования. Допустимое избыточное давление в стальных трубопроводах и арматуре тепловых сетей зависит от характеристики применяемых труб и оборудования и в большинстве случаев составляет 1,6—2 МПа, что со­ответствует 160—200 м пьезометрического напора (напора, отсчитанно­го от геодезической отметки места расположения оборудования).

Во избежание вскипания теплоносителя его давление на выходе из теплоподготовцтельной установки и во всех точках подающих трубопро­водов должно быть выше давления насыщения водяного пара при тем­пературе воды в системе. Это требование относится лишь к гидродинами­ческому режиму, так как при переходе на статический режим перед ос­тановкой циркуляционных насосов можно снизить температуру теплоно­сителя до уровня, обеспечивающего его невскипание. Требование невскипания теплоносителя устанавливает нижний предел пьезометри­ческого напора в теплоподготовительной установке и подающих трубо­проводах. При температуре подаваемой воды 150°С минимальный пьезометрический напор в подающих линиях равен 40 м.

Поскольку невскипание обеспечивают избыточные давления, для оборудования, имеющего большую высоту, проверку на невскипание следует проводить для верхних точек. Так, верхний коллектор пикового водогрейного котла располагается выше его нижней точки на 10—15 м. Учитывая возможный местный перегрев воды в отдельных трубах котла выше расчетной температуры, минимальный пьезометрический напор оп­ределяют по температуре воды, превышающей расчетное значение на 30°С. Если /і = 150°С, тогда пьезометрический напор следует определять исходя из температуры 150 + 30= 180°С. Этой температуре соответствует пьезометрический напор 92 м. Его отсчитывают от верхней точки котла. Минимальный пьезометрический напор, отсчитываемый от низа котла, будет равен 92+ 15= 107 м.

Так как максимальное и минимальное давления в подающей линии определяются избыточными давлениями, зона допустимых напоров рас­полагается между двумя кривыми, повторяющими профиль теплотрассы. На рис. 8.4 построены предельные кривые, определяющие зону возмож­ного расположения пьезометрической линии подающего теплопровода. В пределах теплоподготовительной установки максимальное давление определяется прочностью пикового котла. Допустимое давление для во­догрейных котлов составляет 2,5 МПа. Потери напора в котле 30 м. Следовательно, максимально допустимый пьезометрический напор _на выходе из котла составляет 220 м. Максимальное допустимое давление в трубопроводах считают равным 1,6 МПа. Следовательно, максималь­ные напоры в подающем теплопроводе определяли пьезометрической линией, расположенной выше геодезических отметок земли на 160 м На рис. 8.4 линия максимально допустимых напоров в подающем трубопро­воде, повторяющая рельеф местности, обозначена Я б.

Линии минимальных избыточных давлений, определяемых условием невскипания воды, в пределах теплоподготовительной установки соответ­ствует пьезометрический напор в 107 м, а в пределах подающего тепло­провода напор в 40 м (/=150°С). Эта линия на рис. 8 4 обозначена Ям. Пьезометрическая линия подающего теплопровода не должна выходить за пределы зоны, ограниченной линиями Я б и Ям.

Диаметры ответвлений от тепломагистралей к потребителям тепла рассчитываются из условия полного использования избыточного давле­ния и обеспечения достаточного располагаемого напора для преодоле­ния гидравлического сопротивления водоводяных подогревателей або­нентов. Ввиду того, что потери напора в абонентских установках невели­ки, можно считать, что давление в водоводяных подогревателях равно давлению в обратной линии тепловой сети в месте присоединения або-

Л пьезометрический график; б — принципиальная схема двухтрубной тепловой сети; /—V/ — або­ненты; я б і Пк — предельные линии максимального и минимального напоров в подающем тепло­проводе; О g, О б предельные линии максимального напора в обратном трубопроводе соответст­венно гри независимом и зависимом присоединении абонентов, О, Ом — предельные линин ми­нимального напора в обратном теплопроводе соответственно из условия исключения в нем разре­жения и залива местных систем водой; П, О — пьезометрические линии подающего и обратного теплопроводов, 1 — бак подпиточной водыд 2 — подпиточный насос; 3 — регулятор подпитки, 4 — предвключенный насос, 5 — теплофикационные пароводяные подогреватели; 6 — сетевой насос, 7 — точка отбора нмпульса для подпиточного насоса, 8 — пнковый водогре'йный котел

Нента. Следовательно, максимальное давление в обратной линии опре­деляется давлением, на которое рассчитаны теплообменники, т. е. их механической прочностью. Водоводяные подогреватели рассчитаны на 10 МПа, поэтому максимальный пьезометрический напор в обратной линии должен быть не более 100 м. Теплофикационные пароводяные подогреватели рассчитаны на 1,4 МПа, поэтому допустимый пьезометри­ческий напор перед ними равен 140 м (см. рис. 8.4).

Во всех точках обратной линии должно быть некоторое избыточное давление для предотвращения кавитации в насосах и подсоса воздуха в систему. При невыполнении этого условия нарушается циркуляция воды в системе, а под воздействием проникающего в трубопроводы кислорода начинаются активные коррозионные процессы. В качестве минимально­
го избыточного давления, принимают давление в 0,05 МПа, чему соответ­ствует пьезометрический напор в 5 м. Это требование определяет нижний предел расположения пьезометрической линии обратного теплопровода. Она должна находиться выше уровня земли не менее, чем на 5 м.

На рис. 8.4 линия максимального пьезометрического напора в обрат­ном теплопроводе обозначена Об, а линия минимального напора — О м-

Выше были рассмотрены ограничения в расположении пьезометриче­ских линий подающего и обратного теплопроводов при независимом присоединении потребителей. При таком присоединении гидравлический режим абонентов изолирован от режима тепловой сети, поэтому единст­венным ограничением, связанным с присоединением абонентов, является предел максимального давления в обратной линии, обусловленный проч­ностью водоводяных подогревателей. При зависимом присоединении по­требителей гидравлические режимы сетей и абонентов взаимосвязаны,- что выдвигает дополнительные требования к расположению пьезометри­ческих линий. При таком присоединении давление в обратном трубопро­воде местной системы на выходе из нее равно давлению в обратной ли­нии тепловой сети в месте присоединения потребителя. Давление на входе в местную систему выше давления в ее обратной линии на величи­ну потерь давления, связанных с циркуляцией воды в системе. Избы­точное давление в подающем теплопроводе дросселируется при входе в местную систему в соплах элеваторов или в дроссельных диафрагмах. Так как гидравлические потери в местной системе по сравнению с мак­симальными напорами в обратных теплопроводах невелики, можно счи­тать как и для водоводяных подогревателей при независимом присоеди­нении, что местные системы, присоединенные к тепловой сети по зависи­мой схеме, находятся под давлением обратной линии. Следовательно, при зависимом присоединении абонентов максимальное допустимое дав­ление в обратной линии тепловой сети определяется механической проч­ностью нагревательных приборов потребителей как^їаименєе-йрочного элемента местных систем. Для чугунных радиаторов максимальный пьезометрический напор составляет 60 м. Пьезометрическая линия, со­ответствующая 60 м, обозначена на рис. 8.4 Об.

Чтобы во всех точках местных систем имелось избыточное давление (для исключения разрежения в трубопроводах и частичного опорожне­ния местной системы), пьезометрическая линия обратного трубопровода должна располагаться выше верхней точки самого высокого здания не менее чем на 5 м. Это — дополнительное ограничение, накладываемое на положение пьезометрической линии обратного теплопровода при зависи­мом присоединении абонентов (линия Ом на рис. 8.4).

На рис. 8.4 показаны пьезометрические линии подающего и обратного теплопроводов, удовлетворяющие предъявляемым требованиям. Напор на выходе из теплоподготовительной установки принят равным 160 м, минимальный напор в обратной линии — 30 м. Потери напора в подаю­щем и обратном теплопроводах составляют 110 м. Располагаемый напор перед последним абонентом (VI) составляет 20 м, т. е. достаточен для элеваторного присоединения абонента. Для обеспечения принятого на­пора в 160 мв выходном коллекторе источника теплоснабжения с уче­том потерь напора в пиковом котле в 30 м сетевой насос должен созда­вать напор 190 м, что превышает допустимый пьезометрический напор в теплофикационных теплообменниках. В связи с этим для обеспечения циркуляции воды в системе последовательно установлены два насоса. Предвключенный насос 4 развивает напор, обеспечивающий невскипа­ние воды после теплообменников 5, но не более 140 м. Основной насос 6 повышает напор теплоносителя до 190 м.

Здесь следует отметить, что обоснование расположения пьезометриче­ских линий является первостепенной и важнейшей задачей гидравличе­ского расчета. Технико-экономический расчет оптимизирует диаметры при соблюдении изложенных выше ограничений на расположение пьезо­метрических линий.

Выше были изложены требования к расположению пьезометрических линий при гидродинамическом режиме, когда работают циркуляцион­ные насосы. При остановке насосов циркуляция воды прекращается и система переходит в статический режим. Выбор напора при статическом режиме производят в предположении, что теплоноситель'имеет темпера­туру 100°С. Линия статического давления должна быть расположена таким образом, чтобы у всех абонентов давление не превышало макси­мального допустимого значения. При зависимом присоединении абонен­тов и использовании в качестве нагревательных приборов в системах отопления радиаторов, максимальный пьезометрический напор составля­ет 60 м. Следовательно, линия статических напоров должна располагать­ся не выше 60 м от уровня земли. Положение статической линии на пьезометрическом графике определяет низшая геодезическая отметка, где расположены здания. На рис. 8.4 линия статических напоров обозна­чена 5 — 5. Чтобы в верхних точках систем отопления зданий не обра­зовывался вакуум и не происходило частичного опорожнения системы, линия статических напоров должна располагаться выше самого высоко­го здания примерно на 5 м.

Особенностью построения пьезометрических графиков паропроводов по сравнению с водяными трубопроводами является возможность не учитывать геодезических отметок профиля трассы из-за малой плот­ности пара.