ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ КОНДЕНСАТОПРОВОДОВ

После теплообменных устройств у потребителей сконденсировав­шийся пар проходит через конденсатоотводчики и поступает в кон - денсатопровод. По конденсатопроводу конденсат движется к сборно­му конденсатному баку, откуда насосами перекачивается к источнику тепла или подается в паровой котел. В конденсатоотводчике имеется суженное отверстие, через которое проходит конденсат. В этом от­верстии, как в гидравлическом сопротивлении, срабатывается пере­пад давления

A P = Pi — Рг,

Где pi — давление в пароприемнике; р2 — давление после конденсатоотводчика.

Если через отверстие конденсатоотводчика вытекает непереохлаж - денный конденсат, тогда за ним давление не падает ниже критиче­ского Р2~ Ркр л;0,5рі. вследствие этого давление после конденсатоот­водчика может оказаться больше давления в конденсатопроводе.

При протекании через конденсатоотводчики непереохлажденного конденсата в результате падения давления происходит вторичное его вскипание с образованием пара. Пар образуется также по мере движе­ния конденсата по конденсатопроводу, так как из-за гидравлических со­противлений давление в нем падает. Вторичное вскипание приводит к тому, что по конденсатопроводу движется пароводяная смесь, плотность которой меньше плотности воды.

При гидравлическом расчете конденсатопроводов учитывают сред­нюю плотность пароводяной смеси, получающейся в результате вскипания конденсата.

Количество пара вторичного вскипания определяют по падению энтальпии конденсата:

*= t/~~t/ , (7.16)

П

Где х= Gu/G — степень сухости пара (здесь Gn и G — массовые расходы пара вскипа­ния и конденсата, поступающего в конденсатопровод); it и it у —энтальпия воды на линии насыщения при рг и р3 г, — скрытая теплота парообразования при р3.

Плотность пароводяной смеси определяют как отношение общей се массы к сумме объемов жидкости и сухого пара при давлении

Рр т. е.

G р у р у

PCM - G — Gg ~ X (ру — ру) + Pj (7Л7)

Где р • и р.- — плотности воды на линии насыщения и сухого пара при давлении р}.

Гидравлический расчет конденсатопроводов производят так же, как и теплопроводов, с учетом средней плотности пароводяной смеси. От участка к участку давление будет падать и плотность изменяться, что следует учитывать в расчете.

Располагаемое падение давления Ар определяют с учетом разно­сти геодезических отметок начала и конца расчетного участка. Она равно:

А Р= [(Ра — Рк) +Рсм g (2Н— 2К)], (7.18)

Где рн, рк — давление в начале и конце участка; рсм — плотность движущейся парово­дяной смеси; g — ускорение свободного падения; Zh, 2к — геодезические отметки нача­ла и конца участка.

Пример 7.3 Рассчитать конденсаголровод, показанный на рис 7.6 Давление в теплообменниках потребителей pt = 0,6 МПа (абсолютное). Давление в сборном кон - денсатном баке рсб=0,12 МПа (абсолютное). Расходы конденсата от потребителей: Gi=l,5 т/ч; Gu — 2 т/ч. Разность геодезических отметок мест расположения потреби­телей и сборного конденсатного бака составляет 3 м (zH—2К = 3 м). Решение.

1. Давление после конденсатоотводчиков в конденсатопроводе принимаем равным критическому значению, т. е.

Р2 = 0,5 pi = 0,5-0,6 = 0,3 МПа (абсолютное).

2. Рассчитаем участок 3—4. Расход конденсата через конденсатоотводчик Gi= = 1,5 т/ч=0,417 кг/с. Давление в начале участка р3 — 0,3 МПа (абсолютное). Опреде­лим удельные потери давления на участке 3—4. Предварительно примем плотность па­ровоздушной смеси в конденсатопроводе рсм = 20 кг/м3. Тогда допустимые потери дав­ления на участках 3—4—5 будут равны:

Д р = 0,3 — 0,12 + 20-9,81-3-Ю-6 = 0,3 — 0,12 + 0,00061 = 0,18061 Па

Здесь 3 — разность геодезических отметок, но, как видно из расчета, ввиду малой плотности пароводяной смеси влияние разности гидростатических давлений невелико.

/ 0,00061 Эта разность составляет всего 0,3% I—^^—-10 = 0,328 Допустимых потерь давления.

Допустимые удельные потери давления равны

Ар 0,18061

10е = 586 Па/м

1,1-280

(коэффициент 1,1 учитывает местные сопротивления).

Диаметры рассчитываем по таблицам для расчета водяных сетей, пересчитывая их на плотность пароводяной смеси рсм по формуле

D—dT (—) t V Рсм /

Или по таблицам для расчета конденсатопроводов. Расчет примера будем вести па таблицам, составленным для рт=958,4 кг/м3 (/гэ = 0,001)[29]. Пересчитываем удельные потери давления:

Д р Ар рсм 5g6 _20—= 12>2 Па/м [1,24 кгс/(м2-м)і.

I Jт / рт 958,4

Ж Р}

-Л-txM^txh— | ^ 1

Ь;230м

Рис 7 6. Схема конденсатопровода /, II — абоненты; 1—5 — узловые точки

Находим диаметр для полученных удельных потерь давления и расхода конден­сата GT—1,5 т/ч:

, Jy = 50 мм (57x3,5); wT = 0,22 м/с; = 2,33-9,81 = 22,85 Па/і,

Ар ( А р рт 958,4 „

_ н_ І _н_ УТ = 22,85 --------------- — = 1095 Па/м.

I h Рем 20

Предварительное значение давления в точке 4 будет: р4=0,3—0,001095-1,1-50== = 0,24 МПа (коэффициент 1,1 учитывает местные сопротивления).

Определяем среднюю плотность паровоздушной смеси на участке 3—4. Долю пара вторичного вскипания рассчитаем по формуле (7.16):

Ij = 670,6 кДж/кг [при р! = 0,6 МПа (абсолютное)];

= 529,9 кДж/кг [при р4 = 0,24 МПа (абсолютное)];

Г4 — 2185 кДж/кг [при р4 = 0,24 МПа (абсолютное)];

670,6 — 529,9

Х —------ !-------------- = 0,064.

2185

Рассчитываем плотность смеси:

Р4 = 938,2 кг/м3 (плотность воды при р4); р][ = 1,339 кг/м3 (плотность пара при р4);

938,2-1,339 п

Рсм =-------------------- 2----------------------- = 20,51 кг/м3,

Гсм 0,064 (938,2— 1,339) + 1,339- ! "

Что соответствует предварительно принятому значению.

Определяем коэффициент пересчета табличных данных на фактические:

958,4

Пересчитываем скорость и удельные потери давления:

W = ф аъ = 46,8-0,22 = 10,3 м/с;

Ар' ( А р н ф —) = 46,8-22,85 = 1069 Па/м.

I I

Рассчитываем эквивалентную местным сопротивлениям длину:

Отводы гнутые 90° (2 шт.)............................................................. 2-0,5=1

Тройник при слиянии потоков (проход) . . . ._________________ 1^5________

2g = 2,5

Используя табл. 7.2, определяем эквивалентную длину /э = 2,5-1,24=3,1 м. Приве­денная длина /Пр = 53,1 м Определяем потери давления на участке 3—4.

А р= 1069-53,1 = 56 764 Па я 0,0568 МПа.

Давление в точке 4:

Р4 = 0,3 — 0,0568 +20,5-9,81-3-10~6 = 0,2427 МПа. Остальные участки рассчитываем аналогично. Все расчеты сводим в табл. 7К

Los

§ 38. РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКИХ ДИАМЕТРОВ ТЕПЛОПРОВОДОВ ПО ОПТИМАЛЬНЫМ ПОТЕРЯМ ДАВЛЕНИЯ

Для заданных условий теплоснабжения всегда можно предложить большое число вариантов технических решений тепловых сетей, кото­рые будут в одинаковой мере удовлетворять поставленным задачам, т. е. будут вариантами технически равноценными. Отличаться они будут экономическими показателями. В связи с этим возникает зада­ча отыскания экономически наивыгоднейшего, т. е. оптимального, ва­рианта. В качестве критерия для сравнения вариантов используют приведенные затраты 5, руб/год, определяемые по следующему вы­ражению:

3 = И+ ± К = И + ЕК,

Где И — издержки на эксплуатацию, руб/год; Т — нормативный срок окупаемости, го­ды (Т—8,33 года); К — капитальные вложения (стоимость строительства), руб.: £== 1/Г—нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений

Одной из основных задач технико-экономического расчета тепло­вой сети является выбор таких диаметров участков сети, при которых приведенные затраты были бы минимальными. Приведенные затраты вычисляются по укрупненным показателям. При расчете тепловых сетей учитывают следующие статьи затрат: 1) на теплопроводы; 2) на перекачку теплоносителя; 3) связанные с потерями тепла трубопро­водами. t

Рассмотрим методику определения затрат на тепловые сети.

Затраты на теплопроводы. Стоимость теплопроводов зависит от стоимости труб, изоляции, каналов и стоимости производства строи­тельных работ. Все перечисленные затраты с некоторым. приближе­нием можно разделить на две части: не зависящие от диаметра и пропорциональные диаметру. Так, основная составляющая стоимости теплопровода — стоимость труб — пропорциональна диаметру, а стои­мость земляных работ мало зависит от диаметра. Для различных условий прокладки теплопроводов и разных диаметров составляют сметы и полученные данные аппроксимируют аналитической зависи­мостью. Для тепловых сетей удовлетворительную точность расчета дает линейная зависимость ctohmqcth от диаметра:

KTC = a + bd, (7 19)

Где krc — стоимость 1 м труб одной линии теплопровода, руб/м; а и 6 — коэффици­енты стоимости соответственно в руб/м и руб/м3; d— диаметр трубопровода, м.

Стоимость всей сети определяют как сумму стоимостей всех участ­ков і сети, т. е.

П п

КтоbЈdili' (7-20)

1 1

Где /Стс — стоимость всей сети, руб ; л —число участков; /»—длина участка, подаю­щего и обратного, м.

Если для всех участков сети принята одна и та же конструкция теплопроводов и условия прокладки одинаковы, формула (7.20) упро­щается:

П п

А'тс = а 2 Іі + Ь 2 dih - (7'20а)

1 1

Значения коэффициентов а и Ь приведены в табл. 7.9.

П

Величину М= 2 м2> называют материальной характеристикой

Эксплуатационнце издержки, связанные с ремонтом и обслужива - ванием тепловой сети, определяют как долю /тс от капитальных вло­жений в сеть:

^ТС = fте ^СтС - (7.25)

Величина /тс включает амортизационные отчисления — 5%, расхо­ды на текущий ремонт—18% амортизационных отчислений; обще­сетевые расходы — 27% суммы амортизационных отчислений и расхо­дов на текущий ремонт. Следовательно,

/тс = 0,05 + 0,18-0,05 + 0,27 (0,05 + 0,18-0,05) =0,075.

Затраты на перекачку теплоносителя. Основную долго расходов, связанных с перекачкой теплоносителя, составляет стоимость электро­энергии, которую определяют по следующей формуле:

Gc р Д р

И„= ------------ п Сэ, (7.26)

Р Vy

Где Ип — стоимость израсходованной электроэнергии за год, руб/год; Gcp — средний за год расход теплоносителя, кг/с; Ар — перепад давлений, создаваемый циркуляцион­ным насоСом, Па, р — плотность теплоносителя, кг/м3, в среднем р = 975 кг/м3 "Пн у— КПД насосной установки, в среднем т]н у= 0,6 0,7; п — число часов работы насосов за год; Сэ — стоимость электроэнергии, руб/(Вт-ч).

Давление, создаваемое насосами, расходуется на преодоление гидравлических сопротивлений на станции Арст, в тепловой сети Артс И в абонентском узле Араб» Т. е.

А р — А рст + А ртс + А раб. (7.27)

При технико-экономическом расчете Арст И Араб остаются постоян­ными и при отыскании оптимума в процессе дифференцирования они выпадут. В связи с этим в расчетах следует учитывать только пере­менную часть расходов, т. е.

. GCp А ртс

И --------------- пСэ {7 28)

Р Чн. у

Потери давления в сети можно связать с удельным линейным па­дением давления:

А р

А ртс—------------- L (1 + а) = RL (1 +а), (7.29)

* L

Где R — удельное линейное падение давления, Па/м; L — длина главной магистрали (подающей и обратной линий), м; а — коэффициент, учитывающий потери в местных 'сопротивлениях.

Окончательно формула для переменной части эксплуатационных издержек примет вид:

Gcp RL (1 + а) и — пСэ (7 30)

РЧн. у

Затраты, связанные с потерями тепла трубопроводами. При тех­нико-экономических расчетах потери тепла трубопроводами можно определять по приближенной зависимости, считая их пропорцио­нальными площади поверхности трубы. В таком случае коэффициент теплопередачи относят к площади поверхности трубы. Расчетная за­висимость имеет следующий вид:

-/Сер (tcp — г'окр) 2 Kdili (1 + Р) тСт' (7'31)

Где #тп — стоимость годовых теплопотерь, руб/год; /Сер — среднее значение коэффи­циента теплопередачи, отнесенного к площади поверхности труб, Вт/(м2-°С); тСр—
среднегодовая температура теплоносителя, С; гокр — температура грунта или окружа­ющей среды, °С; dxlt — диаметр и длина участка і (подающего и обратного), м; Р— коэффициент, учитывающий теплопотери через неизолированные части тепловых сетей (арматуру, фасонные части); т — число часов работы тепловой сети за год; Ст — стоимость тепла, руб/(Вт-ч).

П

Суммарная площадь поверхности трубопроводов ^ ndilt может

І

Быть определена через материальную характеристику сети:

Я 2 dt Ц = я М = я М0 (,Рр д )°'19 • (7-32)

С учетом уравнения (7.32) формула (7.31) примет следующий вид:

/ Ро Д Ро °>19

ИТП = лМ0КсР (Тср-^окр) [ р А р ) О+Р) mCr. (7.33)

Зависимость (7.33) можно выразить через R:

I Ро Яо �'19

Ятп = я М0 Кср (tcp - /окр) у ° ^ J (1 + Р) m Ст. (7.33а)

Расчет экономического удельного падения давления в тепловой сети. Один из приближенных методов 'технико-экономического расче­та теплопроводов состоит в определении оптимального значения удель­ного падения давления по магистрали*. В этом методе сопоставляют­ся приведенные затраты на теплопроводы, на перекачку теплоносите­ля и связанные с потерями тепла трубопроводами. С увеличением удельного падения давления R уменьшаются приведенные затраты на теплопроводы, так как уменьшаются их диаметры; уменьшаются эксп­луатационные расходы, связанные с теплопотерями, так как уменьша­ется площадь поверхности трубопроводов, но увеличиваются расходы на перекачку теплоносителя. Экономически оптимальному значению 7?эк отвечает минимум суммарных затрат.

Рассматриваемый метод предполагает такую последовательность расчета. Для намеченной схемы сети задаются потокораспределением. Для принятого значения Др0 или R0 рассчитывают диаметры сети и определяют материальную характеристику М0. Для тупиковых раз­ветвленных сетей потокораспределение однозначно и, используя зна­чения ро и М0, можно рассчитать оптимальное значение 7?эк. Для коль­цевых сетей использовать метод оптимального гидравлического укло­на нельзя, так как кольца должны быть рассчитаны на аварийные режимы и их диаметры принимают примерно постоянными. В то' же время для них можно использовать метод пересчета материальной ха­рактеристики. Но в этом случае есть рассчитывают на какой-то принятый расчетный перепад давления Др0. Диаметры трубо­проводов в кольцах определяют из условия аварийных режимов. Да­лее находят узловые давления в кольцах и рассчитывают по постоян­ному гидравлическому уклону тупиковые ответвления, присоединенные к этим узлам. Установленную таким образом материальную характе­ристику и закладывают в расчет экономического перепада давления Дрэк.

На основании - приведенных выше зависимостей выводятся расчетные уравнения, в которых учитывают только переменную часть расходов.

Задача в общем виде формулируется так:

3= (/тс + Е) К'тс + И'п + Ятп = min. (7.34)

* Соколов Е. Я. Тепловые сети. М., Госэнергоиздат, 1948. Копьев С. Ф. Тепло­снабжение. М., Стройиздат, 1953. 496 с. Соколов Е. Я. Теплофикация и тепловые сети. 4-е изд. М., Энергия, 1975. 376 с.

Решение уравнения (7.34) относительно R дает выражение Яж для тупиковых разветвленных сетей:

, РоЯо �.19 Gcp R L (1 - f - а)

З ~ (/тс + Е) ЬМ0 -------------- — +------------------------ —------------------ псэ +

9 R J Р Лн. у

+ пМ0 Кср (tcp-W (~т|^)0,19 тСт' - (7-

Продифференцируем уравнение (7.35) по R, приравняем первую производную нулю и найдем Яэк - Исследование функции 3 показы­вает, что в точке Яэк функция имеет минимум. Следовательно, /?эк яв­ляется оптимальным значением:

I MqR - lv—L

/

0,19 riH у р [я /Сср ( Ч-ср ^окр) (1+Р) тСт-- (/тс - f- Е) b]

Где ф = ----------------------------------------------------- ------- —------------------- ~~ *

V Gcp(l+a)nC3

При выводе было принято р=р0.

Сомножитель M0Rq'19 /а зависит от схемы тепловой сети и потоко - распределения. Он не зависит от принятого в предварительном рас­чете значения До, так как произведение MR0'19 является величиной постоянной для данной сети.

Коэффициент ф зависит от характеристик оборудования ("Пну, /Сер, а, р), режима работы сети (тср, m, п, р, Gcp), показателей стоимости (Ст, Сэ, b) и климатических условий (?<»ф).

Для определения экономических диаметров кольцевых сетей рас­четное уравнение следует выразить через Ар. Решение получится ана­логичным:

А Рж = (ФМ0 Ар?'19)0'84. (7 37)

Коэффициент ф определяется тем же уравнением, что и для тупи­ковых сетей.