Особенности гидравлически устойчивого регулирования теплового

Особенности гидравлически устойчивого регулирования теплового потока у потребителей тепловой сети
В практике проектирования и эксплуатации абонентских вводов централизованных систем
теплоснабжения у нас и за рубежом используется система регулирования теплового потока, которую можно
назвать гидравлически неустойчивой. Ее Суть состоит в количественном регулировании расхода сетевой воды,
при котором клапан перекрывает поток теплоносителя на регулируемом абонентском вводе.
Идеология общепринятой системы регулирования состоит в том, что при срабатывании регулирующего
клапана на одном из абонентских вводов, автоматические устройства всех остальных абонентских вводов
зданий, присоединенных к тепловой сети, должны адекватно отреагировать, сохранив на неизменном уровне
располагаемое давление перед потребителем. Предполагается, что на всех абонентских вводах тепловой сети
установлены регуляторы перепада давления, обеспечивающие гидравлическую стабильность местной системы
теплопотребления, и эти регуляторы всегда исправно выполняют свою функцию. Если же регуляторы перепада
давления установлены не везде, или они не вполне исправны, то регулятор теплового потока, способный
сократить потребление тепла на одном объекте, решает только локальную задачу энергосбережения на этом
объекте. Сетевая вода в этом случае просто перераспределяется между абонентскими вводами зданий, а
общий объем теплопотребления системы и расходы топлива на теплогенераторе остаются неизменными.
Общепринятый метод регулирования эффективно работает в Европе, где системы централизованного
теплоснабжения изначально оборудовались необходимой автоматикой, постоянно поддерживающейся в
рабочем состоянии. Отечественные системы теплоснабжения, которые строились еще в ту пору, когда Европа,
изобильно и бездумно сжигавшая дешевый газ, еще и не помышляла о технологиях теплофикации, начисто
лишены какой-либо автоматики. Поэтому установка на отдельных наших объектах регуляторов теплового потока
обычного типа не только не экономит газ, но и создает дополнительные проблемы для теплоснабжающих
организаций, финансовая выручка которых уменьшается, в то время как газ приходится покупать в неизменном
объеме.
В этой ситуации тратить бюджетные средства государства на модернизацию отдельных
абонентских вводов существующих зданий по общепринятой схеме было бы ничем неоправданным
расточительством.
Вместе с тем, автоматизация абонентских вводов тепловой сети могла бы реально экономить топливо,
если бы она производилось по методу гидравлически устойчивого регулирования, который был предложен [1] в
2007 году.
Принципиальная схема гидравлически устойчивого регулирования представлена на рис. 1.
Если при относительно теплой погоде, контролируемой датчиком наружного воздуха 6, температура воды в
обратном трубопроводе системы отопления 2, фиксируемая датчиком температуры 5, превысит заданное
контроллером 7 значение, будет дана команда на изменение положения регулирующего органа
электрического трехходового клапана 4. При этом часть сетевой воды из подающего трубопровода направится в
теплообменник 3, где теплоноситель охладится до нужной температуры в результате теплообмена с водой из
обратного трубопровода системы отопления. В этом же теплообменнике вода
обратного
трубопровода
подогреется, после чего возвратится через теплосеть 1 в котельную с более высокой, чем обычно,
температурой, и операторы котельной будут вынуждены сократить расход газа, чтобы температура в подающем
трубопроводе тепловой сети не поднималась выше заданного уровня.
Рис. 1 Схема, реализующая метод гидравлически устойчивого регулирования
1 - городская теплосеть, 2 -система отопления, 3 - теплообменник, 4 - трехходовой регулирующий клапан, 5 датчик температуры в обратном трубопроводе, 6 - датчик температуры наружного воздуха, 7-'контроллер
Во время стояния морозов трехходовой кран не будет пропускать греющую воду через
теплообменник, но во время оттепелей, а также в начале и в конце отопительного периода, по команде датчиков
температуры, установленных на наружном воздухе и в обратном трубопроводе, теплообменник с нова
включится в работу, уменьшая тепловой поток.
Схема может быть реализована в любом тепловом пункте, но самый быстрый эффект может быть
достигнут на крупном объекте, например, на ЦТП, где при помощи одного устройства можно сэкономить сразу
много газа. В Запорожье по такой схеме уже эффективно работают регуляторы в шести крупных ЦТП общей
тепловой мощностью более 50 Гкал/ч. За один только отопительный сезон они сэкономят около 2 млн. м3
природного газа.
Схему регулирования, представленную на рис. 1, можно применить и в индивидуальных тепловых пунктах
зданий, но в существующих жилых домах с элеваторами можно существенно упростить ее (рис. 2).
Рис. 2 Схема ИТП, реализующая метод гидравлически устойчивого регулирования системы отоплений
жилого жома старой постройки
1 - квартальная тепловая сеть, 2— существующая система отопления, 3• — элеватор, 4 - электромагнитный клапан, 5
— датчик температуры в обратном трубопроводе, 6 - датчик температуры наружного воздуха, 7 - контроллер, 8,9
- дроссельные шайбы.
При относительно теплой погоде, контролируемой датчиком наружного воздуха 6, температура воды в обратном
трубопроводе системы отопления 2, фиксируемая датчиком температуры 5 превысит заданное контроллером 7
значение, и он даст команду на открытие нормально закры того электромагнитного клапана 4. При этом вода из
подающего трубопровода пойдет мимо системы отопления 2 в обратный трубопровод тепловой сети 1.
В инерционной отопительной системе, то как показали эксперименты [2], позиционное регулирование при помощи
электромагнитных клапанов безупречно выполняет свои функции. В схеме 2 теплообменник не используется, и потому
стоимость такого абонентского ввода будет невелика.
Конечно, при отсутствии теплообменника невозможно обеспечить полную гидравлическую устойчивость при
регулировании, потому что гидравлический режим отопительной системы становится резко переменным, а гидравлическая
устойчивость тепловой сети с абонентскими вводами такого типа зависит от правильного выбора диаметра отверстий
дроссельных диафрагм.
Для оценки влияния дроссельных шайб на гидравлическую устойчивость тепловой сети, выполним небольшое
исследование.
Для этого нам нужно выявить зависимость характеристики сопротивления S, кПа/(т/ч) дроссельной шайбы от
диаметра d, мм, ее отверстия. Известно, что
где G — расход теплоносителя, т/ч;
АР — потеря давления, кПа, на дроссельной шайбе.
Если возвести обе части уравнения в четвертую степень, получим:
Гидравлическая характеристика S выражается уравнением:
АР
S = ^
(3)
Отсюда следует:
105
5 = —
(4)
Обратимся теперь опять к рис. 2. При открытии электромагнитного клапана 4 часть
теплоносителя Gi, т/ч, пройдет мимо элеватора 3 непосредственно в обратный трубопровод. При
этом через сопло элеватора пройдет расход, равный G - Gi, т/ч.
Распределение потока теплоносителя по параллельным участкам происходит [3]
согласно зависимости
G-Gx
где Sc - характеристика сопротивления
сопла элеватора вместе с системой
отопления.
Поскольку
величина
гидравлического сопротивления элеватора на
порядок больше величины сопротивления системы отопления, последнюю можно не учитывать.
ESu - суммарная характеристика сопротивления двух параллельных участков, — сопла
элеватора с характеристикой Sc и байпасной линии с электромагнитным клапаном и
дроссельной шайбой поз. 9 (рис. 2): Характеристику сопротивления байпасной линии
принимаем численно равной* характеристике сопротивления дроссельной шайбы,
обозначив ее Бщ9- Величина суммарной характеристики сопротивления двух
параллельных участков определяется по формуле
Tz ■
(6)
Принимая во внимание уравнение (4), подставляем в формулы (5) и (6)
„
10s
„
10s
. . .
значения Sc — —5- и 5Ш9 = — и после преобразовании получим простую
"С
"ш9
зависимость:
G-G1
1
Обозначим величину ---------- числом а и назовем это число коэффициентом
пропуска теплоносителя в систему отопления, в режиме регулирования. Если, например,
а = 0,3, то это означает, что в режиме регулирования в систему отопления попадает
через элеватор 30 % расхода теплоносителя, в то время как 70 % пройдет по байпасу
через открытый электромагнитный клапан. Для того, чтобы подобрать нужный диаметр
отверстия дроссельной шайбы 9, исходя из желаемой величины а, удобно преобразовать
формулу (7) к виду:
(8)
Пользоваться
формулой (8) чрезвычайно удобно. Например,
если нужно, чтобы в режиме регулирования через систему отопления проходило 20 %
общего расхода теплоносителя (а = 0,2), по формуле (8) находим: .
d m = 2d c
(9)
Таким образом, если диаметр сопла существующего элеватора 5 мм, то диаметр
отверстия дроссельной шайбы должен быть равен 10 мм.
Но, приходится считаться еще и с тем, что в результате пропуска части
воды через байпасную линию общее гидравлическое сопротивление системы
уменьшится, а расход теплоносителя увеличится. Чтобы оценить влияние
байпасной линии на гидравлическую устойчивость системы теплоснабжения,
определим
суммарную
характеристику
сопротивления
элеваторной
системы
отопления вместе с байпасом по формуле (6), подставив в нее значения 5^ =
ю5
_ io s
.
.
■
с
10s
При наличии на абонентском вводе общей дроссельной шайбы поз. 8 (рис. 2) с
диаметром отверстия duis, общая характеристика сопротивления абонентского ввода
SAB при закрытом электромагнитном клапане определяется формулой
S AB = 10 5 (-^ + ^) ,
(11)
а в режиме регулирования, при открытом электромагнитном клапане, - формулой
,(12)
Расчетный расход теплоносителя G, т/ч, при располагаемом давлении АР, кПа,
определяется
по
формуле
G=
В
том
режиме
же
(13)
регулирования расход теплоносителя G p , т/ч, при
располагаемом давлении АР, кПа, определяется по формуле
АР
(14)
Расход теплоносителя в режиме регулирования увеличится в отношении
(15)
"ш8
Если принять диаметр отверстия дроссельной шайбы 9 из формулы (9), то
формула (15) несколько упростится:
(16)
Зависимость (16) позволяет рассчитывать увеличение расхода, исходя только из диаметров сопла
элеватора и дроссельной шайбы, перед ним установленной.
Используя возможности электронных таблиц Excel, формула (16) преобразована к виду:
-^ = 0,981(^)2-0.732-^+1.141
G
ас
(17)
ас
Вычисления по упрощенной формуле (17) с высокой степенью точности соответствуют вычислениям по
точной формуле (16) в интервале практически
используемых значений 0,3<—<1,3.
"с
Для упрощения вычислений по формуле (17) построена номограмма (рис. 3).
Пунктирной линией обозначена область, в которой схему, изображенную на рис. 2, применять нельзя, потому
что расход сетевой воды в режиме регулирования увеличивается более, чем на 30 %. Это означает, что область
применения схемы ограничивается абонентскими вводами с избыточным располагаемым давлением в тепловой сети,
если это давление погашается установленной перед элеватором дроссельной шайбой, диаметр отверстия
которой меньше диаметра сопла элеватора. Если шайба перед элеватором вообще не установлена, то
вычисления (при ёш = оо) по формуле (16) показывают, что расход сетевой воды увеличится в 5 раз, что совершенно
недопустимо.
15
Gp
1,8- G
1,61,41,21,0
0,3 0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
Рис. 3 Зависимость коэффициента увеличения расхода сетевой воды от диаметров сопла элеватора dc и
отверстия дроссельной шайбы (поз. 8) dm, установленной перед элеватором, при регулировании по схеме рис. 2 .
Можно было бы расширить сферу применения схемы, изображенной на рис. 2, установив вместо шайбы
поз. 8 современный регулятор постоянства расхода, но, поскольку речь идет о жилых домах старой постройки, в
которых трудно рассчитывать на квалифицированную эксплуатацию автоматики, то для
осуществления гидравлически устойчивого, регулирования при
— > 0,8
■•■■•■■■
■ .
■
■
dc
рекомендуется применять схему, изображенную на рис. 4. При этом характеристика сопротивления байпасной линии с
установленным на ней электромагнитным клапаном должна быть примерно, в десять раз меньше
характеристики сопротивления системы отопления.
Рис. 4 Схема ИТП, реализующая , метод гидравлически устойчивого регулирования системы отопления
жилого жома старой постройки при недостаточном располагаемом давлений в трубопроводах тепловой сети
1 — квартальная тепловая сеть, 2 - существующая система отопления, 3 - элеватор, 4 - электромагнитный клапан, 5
- датчик температуры в обратном трубопроводе, 6 - датчик температуры наружного воздуха, 7 - контроллер
Выводы:
■■:■
1. На
абонентских
вводах
жилых
домов
старой
применять метод гидравлически устойчивого регулирования теплового потока.
2. Наиболее
совершенная
схема,
реализующая
метод
регулирования, изображена на рис. 1.
постройки
целесообразно
гидравлически
устойчивого
3. При
высоких
значениях
располагаемого
давления
на
вводе
тепловой
сети
в
жилых
домах
старой
постройки
допускается
применять
упрощенную
схему,
изображенную на рис. 2.
4. При
недостаточном
располагаемом
давлении
теплосети
допускается
применять
упрощенную схему, изображенную на рис. 4. *
,
Литература:
1.
Сокращать
потребление
газа
в
котельных
можно
«Энергосбережение в зданиях» №3 (№33) за 2007 год
2. Безупречное регулирование. «Энергосбережение в зданиях» №4 (№27) за 2005 год
3. Гершкович В.Ф. Расчегы систем отопления на Excel. Изд. «Энергоминимум» 2002
прямо
сейчас.