К ВОПРОСУ О ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ПЕРЕХОДА ОТ КАЧЕСТВЕННОГО К КОЛИЧЕСТВЕННОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ ОТПУСКА ТЕПЛА В СИСТЕМАХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

К вопросу о целесообразности перехода от качественного к количественному регулированию отпуска тепла в системах

теплоснабжения

С.В. Улазовский, Р. А. Королев, Э. С. Киников, В. И. Карапузов Волгоградский государственный технический университет

Аннотация: Обосновывается возможность и целесообразность перехода от качественного регулирования отпуска тепла на количественное в централизованных системах теплоснабжения.

Ключевые слова: теплоснабжение, способы регулирования, температура теплоносителя, расход теплоносителя, котельная, тепловая сеть, насос, частотно-регулируемый привод, гидравлические режимы, экономия тепловой энергии.

Исторически сложилось, что самым распространённым методом регулирования отпуска тепла в водяных тепловых сетях в нашей стране, является качественное регулирование. Этот способ представляет собой изменения отпуска тепла путем регулирования температуры теплоносителя при постоянном его расходе. Основным достоинством качественного регулирования является постоянный гидравлический режим и минимальное количество средств регулирования в тепловой сети, что значительно удешевляет ее [1].

К недостатком такого регулирования можно отнести: большие затраты топлива на источнике для подогрева воды; необходимость установки большого количества компенсирующих устройств от температурного расширения трубопровода вследствие изменения температуры теплоносителя, что сильно повышает металлоемкость сети и приводит к увеличению гидравлического сопротивления; переменные тепловые режимы работы оборудования на источнике; работу насоса по максимальному расходу, что приводит к большему потреблению двигателем электроэнергии на перекачку теплоносителя; при регулировании температуры теплоносителя по средней за несколько часов температуре наружного воздуха снижается качество теплоснабжения, что приводит к колебанию внутреннего воздуха;

большое транспортное запаздывание системы, что не позволяет в полной мере использовать местное и индивидуальное регулирование для обеспечения комфортных условия в помещениях зданий и экономии расхода тепла [2,3].

В настоящее время, когда имеется в большом количестве оборудование, что позволяет поддерживать постоянный гидравлический режим у потребителей при изменении расхода теплоносителя, появляется возможность использовать количественный метод регулирования. Этот метод представляет собой изменения отпуска тепла путем регулирования расхода воды в сети. Использование данного способа в тепловых сетях, позволяет: снизить температуру теплоносителя, использовать меньшее количества топлива на источнике для подогрева теплоносителя; обеспечить работу оборудования на источнике с постоянным температурными режимами; снизить количество или вовсе отказаться от установки компенсирующих устройств; обеспечить малую инерционность тепловой сети, т.к. система теплоснабжение быстрее реагирует на изменения расхода, чем изменение температуры теплоносителя, что очень важно для автоматического регулирования современных тепловых систем.

Плавное изменение расхода теплоносителя в широких диапазонах осуществляется путем установки специальных контроллеров, что позволяет реализовать частотно-регулируемый привод насоса в тепловых сетях[4].

Для существующей тепловой сети от районной котельной микрорайона №1364 г. Волгограда, были выполнены расчеты в четыре этапа: пересчет тепловых нагрузок по потребителей при различных температурах наружного воздуха, поверочный гидравлический расчет; расчет внутренних сопротивлении системы; определения гидравлического режима.

На основание данных по тепловым нагрузкам потребителей микрорайона №1364 предоставляемый ООО «Концессия теплоснабжения» г.

и

Волгограда, определяем тепловые нагрузки в зависимости от температуры наружного воздуха [5]:

'-в

где Q0 — тепловая нагрузка потребителя на систему отопления в рабочем режиме, кВт; — температура внутреннего воздуха в помещении, °С; ¿н, ^ — следовательно, температура наружного воздуха расчетная и фактическая, °С.

Расходы воды в тепловой сети определяется по формуле [5]:

3,6 ■ (?0

со=~71-гт>т/ч (2)

с(*т - О

где с — теплоемкость воды, кДж/(кг ■ °С); — температура воды в подающем трубопроводе, °С; — температура воды в обратном трубопроводе, °С.

По найденным расходам воды от тепловых нагрузок производится поверочный гидравлический расчет. Скорость движения теплоносителя не должна превышать 3,5 м/с.

По известным диаметрам трубопроводов тепловой сети, определяем фактические удельные потери давления на участках и скорость потока теплоносителя [5]:

Дл = 0,0894 ■ кэ0'25 ■ в2/а5'25 ■ р, Па/м (3)

V = 4 ■ в/{а2 ■ р ■ тт), м/с (4)

где й — внутренний диаметр трубопровода, м.

По известной фактической удельной потери давления, определяем потери давления на трения по формуле [5]:

Р = Дл ■ I ■ (1 + а), Па (5)

где а — коэффициент, учитывающий долю потерь давления в местных сопротивлениях, принимается в зависимости от условного диаметра по [5].

Для сети от районной котельной выполняется расчет характеристик внутренних сопротивлении системы.

и

Расчет базируется на основных уравнениях гидродинамики. В тепловых сетях, как правило, имеет место квадратичная зависимость падения давления АР (Па) от расхода [5]:

АР = 5К2, Па (6)

где S - характеристика сопротивления, представляющая собой падение

л

давления при единице расхода теплоносителя, Па/(т/ч) ; V - расход теплоносителя, т/ч [5].

АР

5 = — ,Па/(т/ч)2 (7)

На последовательных участках характеристика сопротивления равна сумме сопротивления на этих участках и определяется по формуле [5]. 5 = 51 +52 + 53, Па/ (т/ч)2 (8)

На параллельных участках, где потери давления равны (АР = APt = АР2 = А Р3) определяется величина, которая представляет собой гидравлический показатель, называемый проводимостью, равен расходу воды при перепаде давления в 1 Па [5].

Villi а = — = — = —+ — + —,(т/ч)/Па (9) л/ЛР л/5 V^ V^

На основе известных сопротивлений последовательных и параллельных участков определяется характеристика сопротивления всей тепловой сети вместе с ее ответвлениями.

При расчете перераспределение потока теплоносителя в сети, было выявлено расхождение расхода воды от требуемых значении на ±5% при использовании количественного регулирования отпуска тепла. Установка балансировочных клапанов в узловых точках позволит компенсировать излишки или нехватку тепла потребителя.

По расчетам потерь давления в сети при максимальном, среднем и минимальном расходах при количественном регулировании построены пьезометрические графики для тепловой сети от районной котельной №1364

г. Волгограда, определен гидравлический режим потребителей и подобран сетевой насос с частотно-регулируемым приводом.

По располагаемому напору на выходе из котельной, был подобран насос КЯМ 100-80-315/299-8а-К01-4-УХЛ3ЛЛ8Л, рассчитаны его внутренние характеристики, и построен график гидравлических режимов под разные частоты вращения рабочего колеса насоса рис. 1.

Н, м

42 38

вв

I _ОА__

Рис.1 - Гидравлические режимы системы при разной частоте вращения. где А - точка пересечения кривой 1 и кривой 2, показывающая гидравлический режим при частоте вращения рабочего колеса при температуре наружного воздуха в рабочем режиме —2 2 °С; В - точка пересечения кривой 1 и кривой 3, при п2 = 1 0 1 1 о б /м, ^ = — 1 0 °С; С - точка пересечения кривой 1 и кривой 4, при п2 = 3 5 2 о б / м, ^ = + 8 °С; Яоа, Нов, НоС - условные напоры насоса при расходе О = 0 зависимости от частоты вращения пх, п2, п 3 , м; На, Нв, НС - потери напора в тепловой сети в точках А, В, С, м.; Оа, Ов, ОС - расход воды в тепловой сети в точках А, В, С, т/ч.

При изменении частоты вращения центробежного насоса изменяется его характеристика: объемный расход, напор и требуемая мощность насоса связаны следующей зависимостью с частотой вращения [5,6]:

и

Щ

Щ ^

N

N

N.

Ж ™

где С1,Н1,Ы1 — подача, напор и мощность при частоте вращения НI, Ы — те же показатели при частоте вращения щ.

Кривые характеристики тепловой сети и внутренние характеристики насоса имеют квадратичную зависимость и определяются по формулам [5]:

нА = 5сса2, (11)

— — 50С2.

где я0 — условное внутреннее сопротивления насоса; бс — гидравлическое сопротивления всей тепловой сети включая ее ответвления; Н0 — условный напор насоса при расходе О = 0.

Тогда как, для определения гидравлических режим в других точках с А на В, то определяется из (10) частота вращения насоса для гидравлического режима в точке В. Потом определяются кривые сети и насоса по данному гидравлическому режиму по формуле [5,6]:

2

Щ

2

Щ 2

нов =:гт(яо )< (13)

Нв = 5ссв', (14)

Аналогично определяется гидравлический режим в точке С по отношению частоты вращению колеса с А на С.

В итоге, можно сказать, что реализация перехода с качественного на количественный метод регулирования отпуска тепла в существующей системе теплоснабжения возможна без серьезных гидравлических вмешательств [7,8]. Так как, частотный способ регулирования является самым перспективным и широко используемых способов регулирования частоты вращения рабочего колеса [9,10]. Потому-что, позволяет не только регулировать отпуск тепла путем изменения расхода теплоносителя под постоянной температурой, а также экономить электроэнергию потребляемым

самим насосом, но при этом поддерживать требуемый гидравлический режим у потребителя. Помимо этого, за счет снижения максимальной температуры теплоносителя, реализуются все преимущества современных предизолированных трубопроводов в пенополиуретановой изоляции.

Литература

1. Горбунова Т.Г., Ванькова Ю.В., Политова Т.О. Расчет и оценка показателей надежности при проектировании тепловых сетей // Инженерный вестник Дона, 2014, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2014/2228.

2. Шарапов В.И., Орлов М.Е., Ротов П.В. Технологии обеспечения пиковой мощности систем теплоснабжения URL: ro steplo. ru/Tech_stat/stat_shablon. php? id=3890

3. Тихомиров С.А., А.И. Василенко. Проблемы перехода на закрытые системы теплоснабжения // Инженерный вестник Дона, 2014, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2318.

4. Шарапов В.И., Ротов П.В. Регулирование нагрузки систем теплоснабжения. URL: rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php? id=2574

5. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети - 7-е изд, стереот. М.: Издательство МЭИ, 2001. - 472 с.

6. Щекин Р. В. Справочник по теплоснабжению и вентиляции. Книга 1. Отопление и теплоснабжение. и др. - 4-е изд. Киев: Будивельник, 1976. -416 с.

7. Масандилов Л. Б., Москаленко В. В. Регулирование частоты асинхронных двигателей. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1978. - 98 с., ил. (Б-ка электромонтера; Вып. 469).

8. Культяев С.Г., Левин А.С. Регулирование отпуска теплоты в период осенне-весенних перетопов //Ресурсоэнергоэффективные технологии в

строительном комплексе региона. 2012. №2. С. 140-144. - URL:

elibrary.ru/item.asp?id=22487870

9. Andrews D. et al. Background Report on EU-27 District Heating and Cooling Potentials, Barriers, Best Practice and Measures of Promotion. Joint Research Centre of Scientific and Policy Reports, 2012. URL: researchgate.net/publication/319931174

10. Wang Hai, Wang Haiying, Zhu Tong. A new hydraulic regulation method on district heating system with distributed variable-speed pumps. Energy Conversion and Management, 2017. no. 147, pp. 174-189. URL: researchgate.net/publication/317246618

References

1. Gorbunova T.G., Vankova Yu.V., Politova T.O. Inzhenernyj vestnik

Dona, 2014, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2014/2228.

2. SHarapov V.I., Orlov M.E., Rotov P.V. URL: ro steplo .ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=3890

3. Tixomirov S.A., Vasilenko A.I., Inzhenernyj vestnik Dona, 2014, №1.

URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2318.

4. SHarapov V.I., Rotov P.V. Teplofikaciya i teplovy'e seti [Load regulation of heat supply systems]. URL: rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=2574

5. Sokolov E.YA. Teplofikaciya i teplovy'e seti [Heat supply and heat networks] 7-e izd, stereot. M.: Izdatel'stvo MEI, 2001. 472 p.

6. SHCHekin R. V. Spravochnik po teplosnabzheniyu i ventilyacii [Handbook of heat supply and ventilation. Book 1. Heating and heat supply. and etc]. 4-e izd. Kiev: Budivel'nik, 1976. 416 p.

7. Masandilov L. B., Moskalenko V. V. Regulirovanie chastoty' asinxronnyx dvigatelej [Frequency control of asynchronous motors] 2nd ed.,

M Инженерный вестник Дона, №6 (2023) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n6y2023/8478

revised. and additional.] M.: Energiya, 1978. p. 98. (B-ka elektromontera; Vyp. 469)

8. Kul'tyaev S.G., Levin A.S. Resursoenergoeffektivnue tehnologii v stroitelnom komplekse regiona. 2012. №2. pp. 140-144. URL: elibrary.ru/item.asp?id=22487870

9. Andrews D. et al. Joint Research Centre of Scientific and Policy Reports, 2012. URL: researchgate.net/publication/319931174

10.Wang Hai, Wang Haiying, Zhu Tong. Energy Conversion and Management, 2017. no. 147, pp. 174-189. URL: researchgate.net/publication/317246618