ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ

ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ. Системы теплоснабжения

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 [3] подразделяются на централизованные и децентрализованные. В децентрализованных системах 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). В централизованной системе теплоснабжения источник и потребители значительно удалены друг от друга, поэтому передача теплоты производится по тепловым сетям.

Системы децентрализованного теплоснабжения подразделяются на индивидуальные и местные. В индивидуальных системах теплоснабжение каждого помещения обеспечивается от отдельного собственного источника (печное или поквартирное отопление). В местных системах отопление всех помещений здания обеспечивается от отдельного общего источника (домовой котельной).

Централизованное теплоснабжение можно подразделить: на групповое - теплоснабжение от одного источника группы зданий; районное - теплоснабжение от одного источника района города; городское - теплоснабжение от одного источника нескольких районов города или даже города в целом;

межгородское - теплоснабжение от одного источника нескольких городов.

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.

Помимо изложенного системы теплоснабжения классифицируют также по следующим признакам:

- 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.

При выборе вида теплоносителя необходимо учитывать его санитарно­гигиенические, технико - экономические и эксплуатационные показатели.

Газы образуются при сгорании топлива, они имеют высокую температуру и энтальпию, 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 - легкоподвижный теплоноситель, используется в системах воздушного отопления, позволяет довольно просто регулировать 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 обладает высокой теплоемкостью и плотностью, что позволяет передавать большие количества теплоты на значительные расстояния при невысоких тепловых потерях и малых диаметрах трубопроводов. Температура поверхности водяных нагревательных устройств соответствует санитарно­гигиеническим требованиям. Однако перемещение воды сопряжено с большими затратами энергии.

Как правило, для удовлетворения сезонной нагрузки отопления и горячего водоснабжения в качестве теплоносителя используется вода, для промышленной технологической нагрузки - пар.

Водяные системы теплоснабжения применяются двух типов: закрытые и открытые. В закрытых системах вода, циркулирующая в замкнутом контуре по схеме: источник теплоснабжения - тепловая сеть - потребитель теплоты - источник теплоснабжения используется только как теплоноситель, но из сети не отбирается ни на бытовые, ни на технологические нужды.

В открытых системах 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.

На рис. 10 показана закрытая двухтрубная водяная система. По подающей линии I тепловой сети прямая (горячая) вода поступает в абонентские установки (абонентские вводы или индивидуальные тепловые пункты - ИТП), по обратной линии II охлажденная вода возвращается на ТЭЦ или в котельную (источник теплоты). Потребители присоединяются к тепловой сети по различным схемам (рис. 10, а...г) в зависимости от характера абонентского ввода или ИТП и режима работы тепловой сети.

На рис. 10 приведены: зависимая схема присоединения потребителя теплоты со струйным смешением (а), независимая схема присоединения потребителя теплоты (б), зависимая схема со струйным смешением с узлом подготовки воды для горячего водоснабжения (в), независимая схема с узлом подготовки горячей воды последовательно в двух теплообменниках (г).

Цифрами на рис. 10 обозначены: 1 - регулятор подпитки; 2 -

подпиточный насос; 3 - сетевой насос; 4 - водо - водяной теплообменник; 5 - насос рециркуляции горячей воды; 6 - водогрейный котел; 7 - воздушный кран; 8 - нагревательное устройство; 9 - расширительный бак; 10 - устройство для раздачи горячей воды, 11, 21 - насосы; 12, 16 - первая и вторая ступени подогрева воды в линии горячего водоснабжения; 13, 22 - подогреватель воды в контуре отопления; 14, 23 - регулятор температуры воздуха в помещениях; 15, 19 - регулятор температуры воды в линии горячего водоснабжения; 17 - регулятор расхода воды из прямого трубопровода I; 18, 25 - элеватор; 20 - подогреватель воды, подаваемой на горячее водоснабжение; 24 - регулятор расхода греющего теплоносителя.

Тепловые пункты принято подразделять на ИТП вентиляции, горячего водоснабжения (ГВС) и технологических теплоиспользующих установок одного здания или его части и на центральные тепловые пункты (ЦТП), сооружаемые для двух или более зданий или одного здания при устройстве в нем нескольких ИТП. Устройство ИТП для каждого здания обязательно, независимо от наличия ЦТП.

На ЦТП осуществляется присоединение теплопотребляющих установок группы жилых и общественных зданий к тепловой сети. Обычно ЦТП размещают в отдельных специальных зданиях. В ЦТП устанавливаются блоки подогревателей горячего водоснабжения (при независимой схеме); групповая смесительная установка сетевой воды; подкачивающие насосы холодной водопроводной воды, а при необходимости и сетевой; регуляторы и контрольно - измерительные приборы (КИП).

При использовании ЦТП уменьшаются затраты на сооружение подогревательной установки горячего водоснабжения, насосных установок и систем автоматического регулирования, но возрастают затраты на сооружение участка тепловой сети между ЦТП и отдельными зданиями, так как вместо двухтрубной сети требуется сооружать четырехтрубную или трехтрубную при тупиковой схеме ГВС.

На рис. 11 изображена схема ЦТП, к которому с помощью

четырехтрубной сети присоединены потребители отопления и горячего водоснабжения. ЦТП связан с источником прямым (I) и обратным (II) трубопроводами тепловой сети. Отопление осуществляется по подающему (ПО) и обратному (ОО) трубопроводам отопления, а горячее водоснабжение - по подающему (ПГВС) и обратному (ОГВС) трубопроводам ГВС. Сырая вода из водопровода в систему ГВС подается по трубопроводу СВ. Цифрами на рис. 11 обозначено следующее оборудование: 1 - обратный клапан; 2, 7 - подогреватели сырой воды для ГВС; 3 - смесительный насос; 4 - насос системы ГВС; 5 - регулятор отопления; 6 - регулятор температуры горячей воды в системе ГВС; 8, 9 - трубопроводы подачи и рециркуляции горячей воды у потребителей; 10 - смесительный насос - элеватор; 11 - нагревательное устройство отопления.

Теплопотребляющие установки могут присоединяться к сети по зависимой и независимой схемам. В первом случае вода из тепловой сети непосредственно поступает в отопительные устройства потребителей (рис. 10, а, б), во втором случае - проходит через теплообменник, в котором нагревает вторичный теплоноситель, используемый в нагревательных устройствах потребителя (рис. 10, в, г). Установки ГВС в закрытых системах

присоединяются к тепловой сети только по независимой схеме (рис. 11, 12).

Смеситель - элеватор (18 и 25 на рис. 10 и 10, 17 на рис. 11, 12) подмешивает к горячей воде охлажденную воду из обратной линии для снижения температуры воды, поступающей к нагревательным устройствам.

Для обеспечения постоянной температуры горячей воды в системе ГВС (не ниже 50°С) применяется циркуляционная схема ГВС. Циркуляция производится насосом 4 (рис. 11). Во время малого расхода горячей воды (ночное и дневное время) давление воды перед обратным клапаном 1 повышается и возрастает циркуляция воды в системе ГВС. В случае большого водоразбора давление перед клапаном 1 снижается, и уменьшается циркуляционный расход, но возрастает расход воды в подающей линии СВ и стояках 8, поэтому снижается выстывание воды по пути к потребителю.

Основными недостатками закрытых систем являются:

1. Сложность оборудования и эксплуатации систем ГВС вследствие установки водо - водяных подогревателей;

2. Накипеобразование в подогревателях и трубопроводах ГВС при использовании водопроводной воды, имеющей высокую карбонатную жесткость Жк;

3. Коррозия установок подготовки горячей воды в ИТП и ЦТП вследствие использования в них недеаэрированной водопроводной воды.

Открытые системы. Основными типами открытых систем являются двухпроводные системы теплоснабжения.

Возможные варианты присоединения потребителей к таким системам приведены на рис. 12. На этом рисунке цифрами обозначены: 1 - регулятор подпитки; 2 - подпиточный насос; 3 - сетевой насос; 4 - подогреватель обратной воды; 5 - водогрейный котел; 6 - потребители горячей воды в системе ГВС; 7 - потребители теплоты в системе отопления; 8 - воздушные краны; 9 - аккумулятор горячей воды в системе ГВС; 10 - расширительный бак в системе отопления; 11 - подогреватель воды в независимой системе отопления; 12 - насос циркуляции воды в системе отопления; 13, 18 (19) - регуляторы температуры воздуха в помещениях; 14 - обратные клапаны; 15, 20, 23, 25 - регуляторы температуры горячей воды у потребителей 6; 16 - насос для циркуляции воды в отопительной системе при отключении тепловой сети (насоса 3); 17 - элеватор; 21 - постоянное сопротивление (дроссельная шайба);

воды в системе ГВС; 26 - смеситель.

Отопительные установки присоединяются к тепловой сети по тем же схемам, как и в закрытых системах теплоснабжения. Схемы присоединения установок ГВС принципиально отличаются от рассмотренных ранее (рис. 10). Горячее водоснабжение потребителей производится водой непосредственно из тепловой сети (рис. 12, а). Вода из подающей линии I поступает через клапан регулятора температуры 25 в смеситель 26 (рис. 12, б). В этот же смеситель поступает вода из обратной линии II через обратный клапан 14; в смесителе 26 поддерживается постоянная температура (около 60°С). Обратный клапан препятствует попаданию воды из линии I в линию II. Зарядка аккумулятора горячей воды 9 производится под напором воды в тепловой сети при малом водоразборе потребителями 6. При увеличении водоразбора горячая вода из аккумулятора 9 под статическим напором поступает к потребителям. Регулятор расхода 22, установленный на общей подающей линии абонентского ввода (ИТП), поддерживает постоянный расход воды на ГВС и отопление (рис.12, в). Во время повышенного разбора воды на ГВС снижается подача воды на отопление. Недоданная на отопление теплота компенсируется в часы малого отбора воды на ГВС. На схемах (рис. 12, г, д) местное регулирование отопительной нагрузки производится по температуре воздуха в помещениях (по зависимой и независимой схемам).

Значительная часть воды из тепловой сети расходуется на ГВС, вследствие чего требуются большие расходы воды, подогретой примерно до 70°С, на подпитку сети, это позволяет использовать в значительных количествах отходящие теплые воды с температурой 15...30°С, имеющиеся на электростанциях и промышленных предприятиях, что дает экономию топлива. При открытых системах упрощается оборудование ИТП (отсутствуют водо­водяные подогреватели ГВС).

Недостатки открытых систем:

а) усложнение и удорожание подготовки воды в источнике теплоснабжения;

б) нестабильность воды ГВС по запаху, цветности и санитарным качествам;

в) усложнение эксплуатации из-за нестабильного гидравлического режима тепловой сети вследствие переменного расхода воды обратной линии;

г) сложность контролирования непроизводительных утечек воды;

д) увеличение объема санитарного контроля воды в системе теплоснабжения.

Паровые системы бывают двух типов: с возвратом конденсата и без возврата конденсата. На практике широко применяется однотрубная паровая система с возвратом конденсата, приведенная на рис. 13. На этом рисунке приведены: 1 - источник пара; 2 - паровой клапан; 3 - воздушный кран; 4 - паровое обогревательное устройство; 5 - конденсатоотводчик; 6 - обратный клапан; 7 - конденсатосборник; 8 - конденсатный насос; 9 - циркуляционный насос; 10 - пароводяной теплообменник; 11 - расширительный бак; 12 - водяное обогревательное устройство; 13 - регулятор температуры воды в системе ГВС; 14 - аккумулятор горячей воды; 15 - потребители горячей воды в системе ГВС; 16 - редукционное устройство; 17 - потребители пара на предприятии; 18 - механический термокомпрессор.

транспортируется по ней к тепловым потребителям. Конденсат от потребителей возвращается к источнику теплоты по конденсатопроводу II. Схема присоединения потребителей к паровой сети зависит от пароиспаряющей установки. На схеме а) показан случай, когда пар подается непосредственно в обогревательные устройства, после которых сконденсировавшийся пар (конденсат) скапливается в конденсатоотводчике 5 и через обратный клапан 6 сливается в конденсатный бак 7, откуда конденсатным насосом перекачивается к источнику пара 1. В качестве источника пара, подаваемого в паровую сеть I, может быть либо паровой котел, либо специальные промышленные отборы пара от работающей турбины электростанции.

Если пар не может быть подан непосредственно в отопительные установки (рис.13, а) или в установки подготовки горячей воды для ГВС, то присоединение выполняется по независимым схемам (рис. 13, б, в).

Технологические паропотребляющие установки 17 промышленных предприятий присоединяются либо непосредственно к паровой сети, либо через редукционные устройства (РУ) 16 (рис.13, г, д).

Возврат конденсата, температура которого 40...90°С, позволяет значительно повысить экономичность источника пара. Повышение экономичности достигается вследствие:

- экономии топлива на подогрев замещающей конденсат сырой воды;

- уменьшения расхода сырой воды;

- уменьшения затрат на химическую очистку сырой воды.

В тех случаях, когда давление пара в паровой сети меньше, чем требуемое для технологического процесса, оно может быть повышено при помощи компрессора 18 с электрическим или механическим приводом.

Системы парового отопления по сравнению с водяными имеют некоторые преимущества:

- возможность быстрого нагрева помещений и быстрого отключения;

- меньшие гидравлические сопротивления;

- меньшие капитальные затраты и эксплуатационные расходы.

Недостатки паровых систем:

- невозможность центрального регулирования;

- высокие температуры нагревательных устройств (100.150°С);

- быстрая коррозия труб, особенно конденсатопроводов;

- повышенные тепловые потери;

- шум в паропроводах.

Воздушные системы. При обогреве производственных помещений воздухом, последний нагревается в специальных установках - калориферах теплотой пара, горячей воды или дымовых газов.

Системы воздушного отопления могут выполняться:

- с естественным движением нагреваемого воздуха и с принудительным (при помощи вентиляторов);

- с местным приготовлением горячего воздуха и с центральным.

По качеству подаваемого воздуха системы воздушного отопления (рис. 14) делятся на три типа: прямоточные (а), с полной рециркуляцией (б) и с

частичной рециркуляцией (в). На рис.14 обозначены: 1 -

воздухонагревательная установка; 2 - подающие воздуховоды; 3 - удаляющие воздуховоды; 4 - рециркуляционные воздуховоды; 5 - отапливаемое

помещение.

В прямоточных схемах нагревается и подается в помещение только наружный воздух. В системах с полной рециркуляцией нагревается и подается только воздух, забираемый из помещения. В системах с частичной рециркуляцией нагревается и подается в помещение смесь наружного и рециркуляционного воздуха, причем часть воздуха помещения в количестве, равном количеству наружного воздуха, удаляется из помещения.

Системы с рециркуляцией применяются при условии, что в воздухе помещения не содержатся вредные вещества. При наличии их применяются прямоточные схемы с полной сменой воздуха в помещении.