ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ

РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ. РЕЗЕРВИРОВАНИЕ И СЕКЦИОНИРОВАНИЕ

Надежность тепловых сетей оценивается показателем надежности Ясист (0, величина которого должна быть не менее установленного уров­ня. Так как с ростом системы ущерб, связанный с авариями, прогрессив­но растет, поэтому для Оольших систем уровень надежности устанавли­
вают выше. Вопрос об оптимальном уровне надежности систем тепло­снабжения в настоящее время не решен. Предварительно уровень на­дежности систем теплоснабжения от квартальных котельных и район­ных тепловых станций можно принимать не ниже 0,85, а от ТЭЦ — не ниже 0,90. Такой сравнительно невысокий уровень надежности объясня­ется большими значениями параметра потока отказов элементов тепло­вых сетей.

Из рассмотрения формулы (10.21) следует, что надежность зависит от параметра потока отказов элементов тепловых сетей со, величины системы, расчетного значения времени t и величины относительной теп­ловой нагрузки, отключаемой при аварийных ситуациях на сетях.

Расчетное значение параметра со для элементов тепловых сетей, ко­торые запроектированы и построены соответственно действующим нор­мам, является величиной достаточно устойчивой. Снижения параметра <0 можно добиться путем применения более совершенных материалов и конструкций теплопроводов и оборудования сетей, возможность исполь­зования которых связана с общим техническим прогрессом. При проек­тировании параметр to следует закладывать с учетом прогноза при­менения более совершенных элементов систем теплоснабжения на расчетный период. Следовательно, при обосновании схемы тепловых се­тей в процессе проектирования параметр со является величиной задан­ной и определяющей надежность нерезервированных систем.

За расчетное значение времени t принимают длительность отопитель­ного сезона.

Таким образом, у проектировщика имеются следующие средства по­вышения надежности системы:

1) секционирование, в результате которого уменьшается относитель­ная величина отключаемой нагрузки ЛQJQ&,

2) резервирование, с помощью которого уменьшается число аварий­ных ситуаций I.

При секционировании, связанном с увеличением числа отключаю­щих устройств, требуется меньше дополнительных капитальных вложе­ний, поэтому оно должно применяться в первую очередь. При этом сле­дует отметить, что с увеличением числа задвижек (элементов) тепловой сети увеличивается и число аварийных ситуаций, вследствие чего на­дежность снижается. Однако эффект от снижения величины отключае­мой нагрузки при отказах значительно больше, что в итоге приводит к повышению надежности системы.

Резервирование тепловых сетей осуществляют путем строительства перемычек между магистралями, т. е. путем их кольцевания.

При кольцевании применяют двухтрубные іперемьічки для раздель­ного кольцевания подающей и обратной линий. В МИСИ им. В. В. Куй­бышева была предложена и разработана новая система теплоснабже­ния с кольцеванием магистралей однотрубными перемычками, которые могут резервировать и подающую, и обратную линии. При устройстве однотрубных перемычек сокращаются капиталовложения в тепловую сеть.

Необходимая степень кольцевания, т. е. доля резервированной части тепловой сети, должна определяться в результате расчета надежности с удовлетворением заданного уровня.

Резервировать теплопроводы можно путем дублирования как пода­ющей, так и обратной линии. Но такой метод повышения надежности требует неоправданно больших капитальных вложений. В МИСИ им. В. В. Куйбышева была предложена и разработана трехтрубная система теплоснабжения, которая в ряде случаев оказывается экономичнее коль­цевой.

Расчет надежности тепловой сети ведут в два этапа. На первом эта­
пе обосновывается необходимый структурный резерв, на втором —ре­зерв пропускной способности (мощности) сети.

На первом этапе расчета надежности учитывают только те элемен­ты, ремонт которых длительнее допустимого перерыва в теплоснабже­нии, поэтому трубы и арматура малых диаметров не должны учиты­ваться при расчете системы (предварительно тДОп=5 ч, что соответст­вует трубе диаметром 200 мм).

При расчете надежности следует перенумеровать все элементы тепловой сети, отказы которых приводят к отключению потребителей, определить недоотпуски тепла, связанные с отключением потребителей, и рассчитать показатель надежности системы. При расчете показателя надежности Rcuci(t) необходимо знать шг всех элементов и расчетное время t. Недоотпуски тепла AQj для различных состояний систем опре­деляют по принятой схеме сети без гидравлических расчетов и расчетов потокораспределения.

Для небольших нерезервированных систем полученная величина /?сист(0 может оказаться достаточной, тогда на этом расчет надежности заканчивается.

Второй этап состоит в расчете резерва диаметров трубопроводов для наиболее неблагоприятных аварийных ситуаций. Такие ситуации связа­ны с отключением головных элементов. В результате этих расчетов все неотключенные потребители должны получать в любой аварийной ситу­ации не менее лимитированного количества тепла.

Рассчитаем надежность нерезервированной тепловой сети при сум­марной тепловой нагрузке 1000 МВт. Эта сеть обеспечивает теплоснаб­жение района размером 5X4 км, на территории которого расположено 20 сосредоточенных потребителей. Тепловая нагрузка каждого узла сос­тавляет 50 МВт. Схема сети показана на рис. 10.3 (перемычка в этом расчете не учитывается).

При расчете надежности примем следующие исходные данные: сот = = 0,1 1/км-год — для теплопроводов; со3 = 0,002 1/год — для задвижек, время ^=0,56 года (длительность отопительного периода 205 дней).

Число возможных аварийных ситуаций (считая, что ТЭЦ располо­жена в непосредственной близости от сети), связанных с отключением участков теплопроводов, составляет 10. Протяженность подающих и обратных линий каждого участка, включая ответвления к тепловым уз­лам, составляет 4 км.

Число аварийных ситуаций, связанных с отказами узлов секциони­рующих задвижек, составляет восемь плюс отказ головного узла задвижек. Та­ким образом, общее число рассматрива­емых аварийных ситуаций составляет 19.

Рассчитаем значение параметра по­тока отказов для элементов сети.

1. Для участков теплопроводов, включая ответвления к узловым потре­бителям:

Со — 4-0,1 = 0,4.

2 Для головного узла задвижек:

Со = 4-0,002 = 0,008. 3. Для узлов задвижек:

Со = 2-0,002 = 0,004.

Рис 10 3 Расчетная схема тепловой сети

/ 1 — тепломагистраль, 2 — однотрубная перемычка 1— 10 — номера участков тепловой сети, //—22 —номера секционирующих задвижек

Сумма параметров потока отказов системы составляет: 2 со,- = 0,4-10 + 0,008 + 0,004-8 = 4,04.

Для каждой аварийной ситуации определим по схеме теплоснабже­ния (см. рис. 10.3) недоподачу тепла AQj. Так, например, при отказе го­ловного узла задвижек вся система не получает тепло, следовательно, AQ — Qo='1000 МВт; при отказе участка 4 AQ = 200 МВт, так как для ремонта перекрывается задвижка 14.

Расчеты сведем в табл. 10.2, где перенумеруем все аварийные ситуа­ции, проставим недоподачу тепла для каждой из них AQj, укажем зна­чения параметра потока отказов сог и определим произведение соіАQ3 для каждой аварийной ситуации. В итоге определим HocnAQj для сис­темы.

Показатель надежности рассчитываем по формуле (10.21):

Л Q/ — Е (О. і — 2 со. t

(0 = 1-2* {l~e 1 ) = 1- (1-« » ) X

/=1

2 CO;

1=1

2 Д

_______

Qo S CO;

Полученное значение показателя надежности ниже допустимого. Следовательно, такую систему теплоснабжения нельзя проектировать нерезервированной.

Для оценки влияния секционирующих задвижек на надежность рас­считаем показатель надежности этой системы, но в предположении, что на ней не установлены задвижки. В этом случае отказ любого участка приведет к отказу всей системы и показатель надежности можно опре­делить из выражения:

= е-2'24- 0,1065,

Где

Сort 2 / = 0,1-0,56.40 = 2,24.

Надежность повышается в 0,73 :0,1065-

При секционировании = 6,85 раза.

Определим надежность тепловой сети рассмотренного выше района при условии, что магистрали закольцованы перемычкой (см. рис. 10.3). Общее число отказов, приводящих к отключению потребителей, увели­чится на два (отказы задвижек перемычки) и составит 21.

Все расчеты, так же как и в предыдущем случае, сведем в табл. 10.3. надежности равен: 1=1

2 л (s>i

— 2 (О. t

Ясист (О = 1 - (1-е 1 )

Qo 2 со,-

414,8

= 0,9081,

1000-4,044

Полученное значение показателя надежности соответствует требуе­мому минимальному уровню (0,9) для больших систем теплоснабжения. Надежность системы можно повысить, изменив схему присоединения узловых потребителей. По схеме, показанной на рис. 10.3, каждый уз­ловой потребитель присоединен к одному участку магистрали. По схеме, показанной на рис. 10.4, каждый узловой потребитель присоединен к двум соседним участкам. При таком присоединении потребителей ис­ключается влияние отказов участков магистралей на теплоснабжение узлов. При отказе одного участка магистрали потребитель будет полу­чать тепло от соседнего участка. К отказу теплоснабжения узлового по­требителя приводит отказ или одной из задвижек узла присоединения или ответвлений к нему. Так как задвижки и ответвления по понятию надежности соединены последовательно, параметр потока отказов узла равен сумме параметров потоков отказов его элементов.

Рассчитаем параметр потока отказов узла, считая длину ответвле­ний равной 2 км:

С0уз = 0,002-6 + 2-0,1 == 0,212.

К отказу системы приводят следующие аварийные ситуации:

1) отказы головного узла задвижек с co = 0,002-4 = 0,008 и недопода - чей тепла Q0= 1000 МВт;

2) отказ любого узла присоединения потребителей с о)уз = 0,212 и не - доподачей тепла AQ =1100 МВт (таких ситуаций 10).

Всего аварийных ситуаций 11. Сумма параметров потока отказов равна:

2 со,- = 0,008 + 0,212.10 = 2,128.

Рассчитаем показатель надежности:

100 0,212 , 1000 30,008

= 2,128.0,56) ^

4 /ем

-fx.

U

О

KpiiFFQ

J}?0

Рис 10 5 Схема тептовой сети с пере­мычкой

См подрисуиочную подпись к рис 10.3

Надежность увеличивается в 0,928:0,9081 = 1,022 раза, ненадеж­ность уменьшилась в 0,0993 0,072=1,379 раза. Такие схемы следует при­менять для ТЭЦ с большими тепловыми нагрузками и ответвлениями к теплоснабжаемым узлам большой протяженности.

В результате проведенных расчетов обоснован структурный резерв системы из условия значения показателя надежности не менее 0,9.

Второй этап расчета надежности состоит в определении резерва про­пускной способности (мощности) системы для обеспечения лимитиро­ванного теплоснабжения в любой аварийной ситуации Рассмотрим расчеты этого этапа на примере схемы теплоснабжения, показанной на рис 10 3 Эта схема в двухлинейном изображении приведена на рис 10 5

Первоначально рассчитаем диаметры трубопроводов тепловой сети, считая ее нерезервированной, тупиковой (перемычку не рассматрива­ем) На коллекторах ТЭЦ примем следующие напоры на подающем — 120 м, на обратном-—20 м

Гидравлический расчет магистралей проведем исходя из условия, что напор на концевых участках трубопроводов обратной линии не пре­вышает предела прочности нагревательных приборов системы отопле­ния и для чугунных радиаторов составляет 60 м. Диаметры участков магистралей определим из условия, что суммарная потеря напора в об­ратной магистрали не превышает Д#=60—#0 = 60—20 = 40 м, где Я0— напор в коллекторе обратной магистрали ТЭЦ. Все ответвления от ма­гистрали к контрольно-распределительным пунктам (КРП) примем одинакового диаметра. Для учета потерь напора в местных сопротивле­ниях введем коэффициент 1,25. Расход воды определим исходя из удель­ного расхода 10,75 т/ч на 1 МВт тепла.

Гидравлический расчет тупиковой тепловой сети приведен в табл 10 4

ТАБЛИЦА 10.4. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТУПИКОВОЙ СХЕМЫ (СМ. РИС. 10.5)

П 1

Где diU —диаметр и длина участка; п — число участков.

Материальная характеристика задвижки принималась равной мате­риальной характеристике участка трубопровода соответствующего диа­метра длиной 5 м. При расчете материальной характеристики учитыва­лись диаметры трубопроводов подающей и обратной магистралей, а также ответвлений от магистралей к КРП.

М = 0,92-2000-2 + 0,82-2000-2 + 0,72-2000.2 + 0,63-2000-2 + 0,53-2000-2 + + 0,377-10 000-2 + 10.5.2 = 22 120 м2.

Теперь проведем расчет аварийного режима для рассматриваемой схемы тепловой сети, считая ее закольцованной однотрубной перемыч­кой Я между узлами 5 и 10 (см. рис. 10.5). Наиболее напряженный гид­равлический режим возникает при отказе головного участка обратной магистрали. Из рассмотрения этого режима и определим диаметры тру­бопроводов магистралей, обеспечивающие необходимый резерв пропуск­ной способности. Лимитированный расход теплоносителя примем рав­ным 70% расчетной величины. Следовательно, в аварийной ситуации в каждый КРП будет подаваться 0,7-149=104,3 кг/с воды.

Вследствие симметричности схемы сети, гидравлический расчет ава­рийного режима проводим только для случая отказа трубопровода об-

ТАБЛИЦА 10.4. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ АВАРИЙНОГО РЕЖИМА ОБРАТНОГО ТРУБОПРОВОДА (АВАРИЙНЫЙ УЧАСТОК 6а)

Ратной линии участка 6а. При этом выключаются на время аварии два КРП, присоединенные к участку 6. Охлажденная вода от потребителей участков 7а, 8а, 9а, 10а движется против расчетного направления и че­рез перемычку Я вливается в обратный трубопровод 5а—la.

Гидравлический расчет проводим исходя из условия, что суммарная потеря напора в трубопроводе обратной магистрали в аварийном режи­ме не превышала ДЯ=40 м. Диаметры магистралей и перемычки при­нимаем постоянными.

Результаты гидравлического расчета аварийного режима приведены в табл. 10iJ4.

Пьезометрические графики для подающего и обратного трубопрово­дов, соответствующие аварийным отключениям участков 6а и 6, показа­ны на рис. 10.6.

Материальная характеристика сети, рассчитанная с резервом про­пускной способности, обеспечивающим в любой аварийной ситуации лимитированное теплоснабжение в размере 70% расчетного, равна:

М = 0,92.10 000-2 + 0,92-2000 + 0,377.10 000-2 + 12-5-2 = 26 860 м2.

Таким образом, система теплоснабжения с показателем надежности, равным 0,9081, и лимитированным теплоснабжением в аварийных ситу­ациях в размере 70% расчетного, характеризуется дополнительными капитальными вложениями в размере: 26 860:22 120—1,21, т. е. 21%