Общие сведения о теплоснабжении. Тепловые сети и способы прокладки трубопроводов в ппу изоляции
Теплоснабжение - снабжение жилых домов, общественно-коммунальных зданий и промышленных предприятий теплоносителем : горячей водой (до 85-95°С), перегретой водой (до 150-200° С) и водяным паром для целей отопления, горячего водоснабжения, вентиляции и для технологических процессов.
Теплоснабжение зданий различного назначения осуществляется по тепловым сетям. Тепловые сети соединяют источник тепловой энергии с ее потребителями жилыми, общественными и производственными зданиями.
В зависимости от вида теплоносителя тепловые сети, делятся на водяные и паровые . В водяных сетях теплоноситель (вода) циркулирует по трубопроводам между источником тепла местом приготовления горячей воды и потребителями, отдав часть своего тепла, теплоноситель возвращается к источнику тепла. В паровых сетях теплоноситель (пар) направляется от источников тепла по паропроводу к потребителям, затем, отдав часть своего тепла, в виде конденсата по конденсатопроводу возвращается к источнику тепла.
После подогрева охлажденной воды в котлах источника тепла или преобразования конденсата в пар теплоноситель вновь подается к потребителям, а затем вновь возвращается к источнику тепла. Цикл повторяется.
Источником тепла служат местные котельные, которые обслуживают одно или несколько строений, централизованные (групповые) районные или квартальные котельные, обслуживающие строения района или квартала города, и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), вырабатывающее комбинированно тепловую и электрическую энергии. ТЭЦ обслуживают весь город, населенный пункт или значительную часть районов больших городов. Снабжение потребителей от ТЭЦ называется теплофикацией.
По характеру потребителей тепловые сети подразделяются на промышленные, коммунальные и смешанные .
Водяные сети делятся на однотрубные, двухтрубные и многотрубные. Как правило, водяные тепловые сети строят двухтрубными.
По конфигурации тепловые сети бывают тупиковые и кольцевые.
Системы тепловых сетей могут быть открытыми, если производится непосредственный водоразбор из теплопроводов, и закрытыми, если непосредственного водоразбора из тепловых сетей нет, и, таким образом, в сетях циркулирует постоянное количество воды.
В зависимости от длины и диаметра трубопроводов, а также количества передаваемой по ним тепловой энергии тепловые сети подразделяются на :
магистральные - от источника тепла до микрорайона (квартала) или до предприятия;
распределительные - от магистральных сетей до сетей к отдельным зданиям, при расположении распределительных сетей внутри квартала эти сети называются внутриквартальными или разводящими сетями;
сети к отдельным зданиям - ответвления от распределительных или магистральных сетей до узлов присоединения местных систем потребителей тепла или до индивидуальных тепловых пунктов зданий; эти ответвления называют также вводами.
1. Системы теплоснабжения производственных предприятий
2. Виды тепловых нагрузок
3. Классификация систем теплоснабжения
По схеме подачи тепла потребителю (децентрализованные и централизованные);
По виду теплоносителя (паровые системы и водяные системы);
По способу отпуска теплоты потребителю;(для отопления: зависимые и независимые ; для горячего теплоснабжения: закрытые и открытые )
По числу параллельно идущих теплопроводов;
По числу ступеней присоединения.
4. Схемы тепловых сетей (Тупиковая, Радиальная, Кольцевая)
5. Паровые системы теплоснабжения (ПСТ).
6. Оборудование тепловых сетей
Системы теплоснабжения предприятий (СТСПП) - это комплекс устройств по выработке, транспортированию и обеспечению потребителей необходимым количеством теплоты требуемых параметров.
Система теплоснабжения (рис. 1) включает в себя:
1. Источник (ТЭЦ, котельная);
2. Магистральные сети (тепловые);
3. Распределительные сети (тепловые);
4. Потребители тепла (промышленные потребители,
жилые и общественные объекты ЖКХ);
5. Абонентский ввод (тепловой узел, местный тепловой пункт МТП, элеваторный узел);
6. Центральный тепловой пункт ЦТП.
Рис.1. Система теплоснабжения.
Виды тепловых нагрузок:
· Потребление тепловых нагрузок:
2- вентиляцию (тепло в калорифере (теплообменнике);
3- горячее водоснабжение;
4- технологические нужды п.п.
· Тепловые нагрузки различают:
1- сезонные (отопление, вентиляция);
2- круглогодичные (горячее водоснабжение, технологические нужды).
Классификация систем теплоснабжения:
1- по схеме подачи тепла потребителю;
2- по виду теплоносителя;
3- по способу отпуска теплоты потребителю;
4- по числу параллельно идущих теплопроводов;
5- по числу ступеней присоединения.
1. По схеме подачи тепла потребителю :
Децентрализованные – источник тепла на месте потребления. В этом случае отсутствуют тепловые сети; применяются в районах с малой концентрацией тепловой нагрузки, когда небольшие здания расположены на неплотно застраиваемых участках, а также при технико-экономических обоснованиях.
Централизованные – источник теплоснабжения (ТЭЦ или котельная) располагаются на значительном расстоянии от потребителей теплоты. Поэтому каждая СТС состоит из трех звеньев (источник теплоты – тепловые сети – местные системы теплоснабжения). Местные СТС – тепловые подстанции и теплоприемники.
Централизованные системы отопления имеют преимущества перед децентрализованными, и в настоящее время ЦCТ определяют ведущую роль в развитии теплоснабжения крупных городов и промышленных предприятий. В г. Петрозаводске ТЭЦ введена в строй в 1977 году.
2. По виду теплоносителя:
Паровые системы (теплоноситель – водяной пар);
Водяные системы (теплоноситель – горячая вода).
Горячая вода используется для удовлетворения нагрузок на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение. Водяной пар используется на предприятиях для технологических нужд (редко используют перегретую воду). При требуемой температуре теплоносителя у потребителя до 150˚С используют горячую воду, а при более высоких параметрах – водяной пар. К теплоносителям предъявляют специальные требования:
а. санитарно – гигиенические (в помещениях ЖКС температура нагреваемых приборов не допускается выше 90˚С, в промышленных цехах она может быть и выше);
б. технико – экономические (стоимость материала, монтажа и эксплуатации должна быть оптимальной);
в. эксплуатационные (теплоноситель должен обладать качествами, которые позволяли бы производить централизованную регулировку теплоотдачи систем потребления).
Сравнительная характеристика воды и пара как теплоносителя:
Преимущества воды: диапазон изменения температур в широких пределах (от 25˚до 150˚С); возможность транспортирования на большие расстояния без уменьшения ее теплового потенциала (15-20 км); возможность централизованного регулирования температуры теплоносителя на источнике; простота присоединения местных систем к тепловым сетям.
Недостатки воды: требуется значительный расход электроэнергии на работу насосов по перекачке тепла; температура теплоносителя может быть меньше заданной.
Преимущества пара: применяют как для тепловых потребителей, так и для силовых и технологических нужд; быстрый прогрев и остывание системы, что ценно для помещений, где периодически требуется отопление; в паровых системах можно не учитывать гидростатическое давление по причине низкой объемной массы (в 1650 раз меньше объема воды). Паровые системы могут применяться в гористой местности и в многоэтажных зданиях; отсутствие расхода электроэнергии на транспортировку пара (без насосов); простота начальной регулировки вследствие саморегулировки пара.
Недостатки пара: при транспортировке на значительные расстояния имеют место большие потери температуры и давления, поэтому радиус паровых систем всего 6-15 км, а водяных – от 30 до 60 км. Срок службы паровых систем значительно ниже, чем водяных из-за коррозии труб.
3. По способу отпуска теплоты потребителю :
Для отопления – схемы подключения ТС: зависимые и независимые;
Для горячего теплоснабжения – схемы подключения ТС: закрытые и открытые.
Зависимая схема подключения – когда вода из теплосети непосредственно поступает в нагревательные приборы местной отопительной системы (МОС).
Независимая схема подключения – когда имеется два раздельных контура (первичный – вода, циркулирующая в тепловой сети, и вторичный – собственный контур дома, вода, циркулирующая в МОС), при этом, вода из теплосети через теплообменник отдает тепло воде собственного контура. Вода из ТС доходит только до тепловой подстанции МОС (тепловая подстанция – это ЦТП или МТП), где в подогревателях (теплообменниках ТА) нагревают воду, которая циркулирует в МОС. В этом случае имеет место два теплоносителя: греющий (вода из ТС) и нагреваемый (вода в МОС). Давление первичного контура никак не передается на давление вторичного, который работает за счет собственного циркуляционного насоса.
Открытый водоразбор – напрямую из тепловой сети. Закрытый водоразбор – через теплообменник вода из ТС нагревает воду питьевого водопровода.
Оборудование тепловой подстанции при зависимой схеме проще и дешевле, чем при независимой, однако, необходимо учитывать, что в зависимых схемах давление передается из тепловой сети в МОС, которая выдерживает давление до 6-10 атм. в зависимости от типа нагревательных приборов. Пример: чугунные радиаторы выдерживают 6 атм.
Схемы присоединения систем отопления к тепловым сетям:
· Зависимая схема без смешения (рис.2).
Т 1 – подающий теплопровод ТС,
1 -1 Т 2 – обратный трубопровод ТС,
1 – арматура отключающего устройства.
Рис. 2. Зависимая схема без смешения
Температура в подающем трубопроводе ТС не превышает предела, установленного санитарными нормами для приборов местных систем. Это возможно в случае малого источника тепла, когда котельная вырабатывает теплоноситель параметрами 95˚-70˚С или в системе отопления промышленных зданий t ≥ 100˚ С, но она допустима.
· Зависимая схема с элеваторным смешением (рис. 3).
→ 130˚С → 90-95˚С
Рис. 3. Зависимая схема с элеваторным смешением Рис. 4. Элеватор
Вода из подающего трубопровода Т 1 с t = 130˚C поступает в элеватор (рис. 4), через патрубок к элеватору подсасывается вода из обратной местной сети Т 2 t =70˚C. Благодаря соплу, которое встроено в элеватор, и по принципу инжекции, происходит смешение t= 130˚C и t=70˚C, смешанная вода t = 90˚С поступает в нагревательные приборы. Элеваторы рассчитываются, и подбирается диаметр сопла. У нас в стране большинство вводов в здания снабжено элеваторами там, где по теплосетям транспортируют перегретую воду. Необходимо учитывать, что для работы элеватора требуется напор на воде 15 м водного столба.
· Зависимая схема с насосным смешением (рис. 5).
В случае недостаточного напора ставят
центробежный насос на перемычке между
90˚С 70˚С ↓ подающим и обратным трубопроводом и он
← как элеватор подмешивает к подающей воде
обратную охлажденную воду. Но насос
дорогостоящее оборудование.
130˚С Существует схема и с элеватором и с насосом.
Рис. 5. Зависимая схема с насосным смешением
· Независимая схема (с теплообменником) (рис.6).
Независимая схема делит МОС на два контура, не допуская колебаний давлений. Оба контура гидравлически изолированы и независимы друг от друга. В данной схеме легко учитывать потребность в тепле, регулировать подачу тепла, т.е. устранять проблему перетопа, а, следовательно, экономить.
1. Местная отопительная система;
2. Циркуляционный насос;
→ 3. Теплообменник;
4. Расширенный бак;
5. Отключающая арматура.
Рис. 6. Независимая схема (с теплообменником)
Схемы подключения ГВС к тепловым сетям.
· В закрытых системах теплоснабжения теплоноситель полностью возвращается к
источнику теплоснабжения (за исключением утечек). Теплоноситель используют как греющую среду в теплообменных аппаратах. Закрытые системы гидравлически изолированы от тепловых сетей, что обеспечивает стабильное качество воды в ГВС, т.к. нет выноса шлаковых отложений в систему ГВС (это плюс). Однако, в систему ГВС (в трубы) поступает вода из холодного водопровода, который не подвергается деаэрации (удалению кислорода и углекислого газа), нагревается и усугубляет коррозионную активность, следовательно, быстрее происходит разрушение труб от коррозии, чем в открытых схемах. Поэтому в закрытых системах рекомендуют применять неметаллические, пластиковые трубы.
Закрытые схемы различают одноступенчатые и многоступенчатые. Выбор схемы зависит от соотношения расхода тепла на отопление и ГВС. Выбор схемы присоединения производится на основании расчета.
· В открытых системах ГВС используют не только теплоту, подводимую
теплоносителем из тепловой сети в местную сеть, но и сам теплоноситель. В открытых схемах трубы ГВС коррозируют в меньшей степени, чем в закрытых системах, т.к. вода поступает из тепловой сети после химводочистки (ХВО), но при этом возможно нарушение стабильности санитарных норм показателей воды. Открытые схемы дешевле. Чем закрытые, т.к. не требуются затраты на теплообменники и насосное оборудование.
Схемы присоединения систем горячего водоснабжения зданий к тепловым сетям.
· Одноступенчатые схемы (рис. 7, 8):
Один теплообменник и нагрев на ГВС происходит перед МОС).
Рис. 7. Одноступенчатая предвключенная
Рис. 8. Одноступенчатая параллельная
· 
Многоступенчатые схемы (рис. 9, 10):
Т = 30˚С Т = 5˚С
Рис. 9. Последовательная двухступенчатая
Рис. 10. Смешанная двухступенчатая
Двухступенчатые схемы эффективны в применении тем, что происходит глубокое снижение температуры обратной воды, а также имеет место независимый расход тепла на отопление и ГВС, т.е. колебание расхода в системе ГВС не отражается на работе МОС, что может происходить в открытых схемах.
4. По числу параллельно идущих теплопроводов.
В зависимости от числа труб, передающих теплоноситель в одном направлении различают одно-, двух- и многотрубные системы ТС. По минимальному числу труб может быть:
Открытая однотрубная система – применяется при централизованном отоплении на технологические и бытовые нужды, когда вся сетевая вода разбирается потребителями при подаче теплоты на отопление, вентиляцию и ГВС, т.е. когда Q от + Q вент. =Q гвс. Такие ситуации характерны для южных районов и технологических потребителей (редко встречаются).
Двухтрубная система – самая распространенная, состоит из подающего (Т1) и обратного (Т2) трубопроводов.
Трехтрубная – состоит из соединения двухтрубной системы водоснабжения на отопление и вентиляцию и третьей трубы для целей ГВС, что не очень удобно.
Четырехтрубная – когда добавляется циркуляционный трубопровод на ГВС.
Условные обозначения трубопроводов в соответствии с ГОСТом:
1. подающий трубопровод (Т 1),
2. обратный трубопровод (Т 2),
3. трубопровод ГВС (Т 3),
4. циркуляционный трубопровод ГВС (Т 4),
5. трубопровод технологических нужд (Тт).
5. По числу ступеней присоединения.
Различают одноступенчатые и многоступенчатые схемы систем теплоснабжения.
Одноступенчатая схема (рис. 11) – когда потребители теплоты присоединяются к тепловым сетям при помощи МТП.
Рис. 11. Одноступенчатая схема
1- потребители тепла,
2- местные тепловые узлы (МТП),
3- элемент промышленной котельной с паровыми и водогрейными котлами,
4- водогрейный котел (пиковый),
5- сетевой паро- водяной подогреватель,
6- перемычка с отключающей арматурой для создания различных режимов работы (для отключения водогрейного котла),
7- сетевой насос,
Двухступенчатая схема (рис. 12).
Рис. 12. Двухступенчатая схема
Многоступенчатая схема – когда между источником теплоты и потребителями размещают ЦТП и групповые тепловые пункты (ГТП). Эти пункты предназначены для приготовления теплоносителей требуемых параметров, для регулирования расхода теплоты и распределения по местным системам потребителей, а также для учета и контроля расхода теплоты и воды.
Схемы тепловых сетей
Схемы тепловых сетей зависят от:
· Размещения источников теплоты по отношению к району потребления;
· От характера тепловой нагрузки;
· От вида теплоносителя (пар, вода).
При выборе схемы тепловых сетей исходят из условий надежности, экономичности, стремясь к получению наиболее простой конфигурации сети и наименьшей длины трубопроводов.
Тепловые сети делятся на категории:
1. Магистральные сети;
2. Распределительные сети;
3. Внутриквартальные сети;
4. Ответвления к потребителям (зданиям).
Тепловые сети проектируются по следующим схемам:
1. Тупиковая (рис. 13) – наиболее простая, имеет распространение в поселках и малых городах:
1-источник,
2-магистральные сети,
3-распределительные сети,
4-квартальные сети,
5-ответвления,
6- потребители,
7-перемычка.
Рис. 13 Тупиковая схема
2. Радиальная (рис. 14) – устраивается, когда нет возможности предусмотреть кольцевую, но перерыв в теплоснабжении недопустим:
Рис. 14 Радиальная схема
3. Кольцевая – наиболее дорогая, сооружается в крупных городах, обеспечивает бесперебойное теплоснабжение, для чего должен быть предусмотрен второй источник тепловой энергии:
Рис. 15 Кольцевая схема
Паровые системы теплоснабжения (ПСТ).
Паровые системы теплоснабжения применяются в основном на крупных промышленных предприятиях и могут иметь место на объектах, окружающих промышленных потребителей, а так же в городах с неблагоприятным рельефом местности.
Виды паровых систем:
1-однотрубные (рис. 16) (нет возврата конденсата в систему):
1-источник (паровой котел),
2-стена промышленного потребителя – граница абонентского ввода потребителя,
3-калорифер,
5-пароводяной теплообменник для МОС,
6-технологический агрегат,
Рис. 16 Однотрубная паровая система 7-конденсатоотводчики,
8- сброс конденсата в дренаж.
Рис. 17 Автоматический конденсатоотводчик.
Однотрубную схему целесообразно применять, когда по условиям технологического процесса конденсат имеет значительные загрязнения и качество этих загрязнений неэффективно для очистки. Данная схема применяется для прогрева мазута, пропарки железобетонных изделий.
2-двухтрубные (рис. 18):
1-источник (паровой котел),
2-стена промышленного
потребителя – граница
абонентского ввода потребителя,
3-калорифер,
4-пароводяной теплообменник для
5-пароводяной теплообменник для
6-технологический агрегат,
7-конденсатоотводчики,
Рис. 18 Двухтрубная паровая система 8-конденсатопровод,
9-конденнсатный бак,
10-конденсатный насос.
Двухтрубные системы с возвратом конденсата применяют, если конденсат не содержит агрессивных солей и других загрязнений (т.е. он условно-чистый). Схемы прокладывают как правило, таким образом, что в конденсатный бак конденсат поступает самотеком.
3-многотрубные (рис. 19): 
Рис. 19 Трёхтрубная паровая система
Трехтрубная (многотрубная) схема применяется, когда потребителю требуется пар различных параметров. Котельная вырабатывает пар с максимальным давлением и температурой, которые требуются одному из потребителей. Если имеются потребители, которым требуется пар с более низкими параметрами, то пар пропускают через редукционную установку (РУ), в которой пар снижает только давление или через редукционную охладительную установку (РОУ), если необходимо понизить и давление, и температуру.
Оборудование тепловых сетей
Различают следующие способы прокладки тепловых сетей:
1. Надземная (наземная) прокладка – имеет место на территории промышленных предприятий, при пересечении дорог и препятствий, в районах вечной мерзлоты;
2. Подземная прокладка бывает:
В непроходных каналах,
В полупроходных каналах,
В проходных каналах (коллекторах),
Бесканальная.
Коллекторы и полупроходные каналы имеют место в крупных городах, на территории промышленных предприятий, где имеет смысл прокладывать различные инженерные сети (коммуникации) совместно. Этот способ прокладки удобен в обслуживании сетей, но дорогостоящий. Трубы тепловых сетей, прокладываемые в непроходных каналах и бесканально, не обслуживаются. Таким образом, выбор прокладки сетей зависит от условий территории, вида грунта, застройки и технико-экономического обоснования.
Глубина прокладки тепловых сетей зависит от места прокладки. Максимальная глубина в непроезжей части составляет 0,5 м до верха канала, в проезжей части – 0,7 м. Тепловые сети прокладываются с уклоном ί min =0.002 (ί min =h/L).
Оборудование тепловых сетей, которое требует постоянного контроля и обслуживания, устанавливается в теплофикационных камерах (рис. 20). Это: задвижки, дисковые затворы, регулирующие клапаны, устройства для выпуска воздуха и спуска воды (опорожнения сети). Как правило, совместно с камерой сооружают неподвижные опоры. Необходимо сооружать (в водонасыщенных грунтах) дренажные сети (на песчаную подготовку укладывают трубы с отверстиями сверху и по бокам и засыпают щебнем).
1. железобетонный лоток (канал),
2. 
плиты перекрытия,
3. бетонная подушка,
4. скользящая опора (высота скользящей опоры выше толщины изоляции),
5. тепловая изоляция,
7. дренажный трубопровод (в водонасыщенных грунтах)
Рис. 20 Теплофикационная камера
В тепловых сетях применяют электросварные или бесшовные трубы, а также возможны варианты и чугунные трубы из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.
Для дворовых сетей при рабочем давлении Р раб до 1,6 МПа и температурой Т до 115˚С можно применять неметаллические (пластиковые) трубы.
Опорные конструкции.
Различают: - подвижные (свободные) опоры,
Неподвижные (мертвые) опоры.
Подвижные опоры предназначены для восприятия веса трубы и обеспечения свободного перемещения труб (при температурных удлинениях). Количество подвижных опор определяется по таблицам в зависимости от диаметра и веса трубы. По принципу свободного перемещения подвижные опоры различаются на: скользящие опоры (скользячки), катковые, шариковые, подвижные.
Подвижные опоры используют во всех способах прокладки, кроме бесканальной.
Неподвижные опоры служат для восприятия температурной деформации методом закрепления трубопровода, а также для разграничения участков компенсации тепловых удлинений. Различают неподвижные опоры:
Щитовые (при подземной прокладке),
На балке, на фундаменте, на стойках (при наземной прокладке или в тоннелях).
Компенсация тепловых удлинений.
Компенсаторы предназначены для восприятия температурных удлинений теплопровода и разгрузки труб от температурных напряжений и деформаций. В тепловых сетях применяют следующие виды компенсаторов:
1. 
гибкие (п-образные):
1- вылет компенсатора,
2- спинка компенсатора,
3- сварные крутоизогнутые отводы,
4- подвижные опоры,
5- стяжные болты,
Устанавливаются на Рис. 21 Гибкая (П-образная) опора стяжных хомутах.
∆l = α∙L (τ max -τ min), где α – коэффициент линейного расширения,
L – длина между неподвижными опорами (участок компенсации).
П- образные компенсаторы растягиваются на половину тепловых удлинений. Растяжку делают на первых сварных стыках от компенсатора.
П-образные компенсатора, как и углы поворота не требуют обслуживания.
2. углы поворота трассы (самокомпенсация),
3. сильфонные, линзовые (одна или много гофр),
Компенсирующая способность сильфонного компенсатора
составляет 50-150 мм.
Сильфонный трехволновый компенсатор.
4. 
сальниковые (рис. 22):
3-сальниковая набивка,
4-грунтбукса,
5-фланец нажимной,
6-стяжной болт.
Рис. 22 Сальниковый компенсатор
Сальниковый компенсатор может быть односторонним и двухсторонним.
Углы поворота трассы и п-образные компенсаторы работают как радиальные, а сильфонные, линзовые и сальниковые – как осевые.
Бесканальная прокладка.
Для тепловых сетей бесканальной прокладки используют трубопроводы с пенополиуретановой изоляцией (ППУ-изоляция). Россия – страна с самым высоким уровнем централизованного теплоснабжения, протяженность тепловых сетей в нашей стране составляет примерно 260 тысяч километров, а в Карелии – примерно 999 тыс. метров. Из них 50% тепловых сетей требуют капитального ремонта. Тепловые сети теряют 30% отпускного тепла, что составляет примерно 80 млн. тут/год. Для решения этих проблем предлагается бесканальная прокладка с ППУ-изоляцией. Преимущества данной прокладки:
Повышение долговечности с 10 до 30 лет,
Снижение теплопотерь с 30% до 3%,
Снижение эксплуатационных расходов в 9 раз,
Снижение расходов на ремонт теплотрасс в 3 раза,
Снижение сроков строительства,
Наличие системы оперативно-дистанционного контроля (ОДК) за увлажнением изоляционного слоя.
Статистика накопленных дефектов:
38% -повреждение сторонними лицами системы ОДК,
32%-повреждение стальных оболочек,
14%- повреждение стыковых соединений,
8%-ошибки сборки ОДК,
2%-некачественная сварка,
6%-внутренняя коррозия металла.
При бесканальной прокладке используют полиэтиленовую оболочку.
В.З. Дмитриев, Д.В. Жуков Омский филиал ОАО «Территориальная генерирующая компания № 11»
АННОТАЦИЯ
Образование сложных систем теплоснабжения выдвинуло серьезные проблемы, связанные с вопросами надежности, резервирования, качества, экологии, экономичности, которые не удовлетворяют современным требованиям. Недостаточно внимания уделяется технической оснащенности, принципам построения и вопросам резервирования тепловых сетей. Увеличение сложности и масштабности систем централизованного теплоснабжения (СЦТ) не сопровождается изменением их структуры и конфигурации, которые не отвечают требованиям надежности и экономичности теплоснабжения. Существенную сложность при исследовании и расчетах оптимальной конфигурации теплоснабжающей системы вносят тепловые сети. Рассмотрение сетевой составляющей с нелинейными гидравлическими и экономическими характеристиками элементов делает задачу оптимального синтеза СЦТ мегаполиса города Омска сложной нелинейной задачей сетевого характера.
1. ВВЕДЕНИЕ
Система централизованного теплоснабжения Омского филиала включает пять теплоисточников, три из которых работают в режиме ТЭЦ и два - в режиме котельных, протяженность магистральных тепловых сетей более 260 км при среднем диаметре 600 мм, 13 перекачивающих насосных станций (ПНС) и более 12,5 тысяч тепловых пунктов.
Омскому предприятию «Тепловые сети» около 70 лет. Исторически тепловые сети прокладывались от теплоисточников по радиальной схеме. По мере необходимости и текущей целесообразности от разных ТЭЦ сети соединялись перемычками. В настоящее время перемычками связаны четыре теплоисточника из пяти, входящих в энергокомпанию.
2. ФОРМИРОВАНИЕ КОНФИГУРАЦИИ СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
Сегодня тепловые сети города Омска «закольцованы», но конфигурация сетей не позволяет решать проблемы, которые для сложных систем теплоснабжения имеют принципиальное значение , это вопросы:
Надежности;
Резервирования;
Экономичности;
Системы менеджмента качества (СМК);
Системы экологического менеджмента (СЭМ);
Обеспечения подключения перспективных тепловых нагрузок растущего города и другие.
Все эти требования могла бы решить комплексная программа развития системы теплоснабжения с перспективой развития города на 20-25 лет. Но такой программы нет. На ее реализацию требуются
значительное время, силы и финансовые средства. Администрация Омска понимает необходимость разработки комплексной программы для города, но практическое решение пока остается в перспективе . В нашей компании разрабатывается концепция развития энергетических мощностей, которая звучит как «Энергетическое обследование структурных подразделений, разработка направлений дальнейшего развития и возможных мероприятий по увеличению установленной и располагаемой мощности». Но всем понятно, что решение этой проблемы сдерживает несовершенство конфигурации тепловых сетей. А между тем на сегодняшний день это самая актуальная проблема. Необходим переход на кольцевую систему СЦТ на базе научного анализа, разработка структурного формирования конфигурации СЦТ с проведением многовариантных расчетов тепловых потоков от всех теплоисточников .
Один из примеров. При интенсивной застройке левобережной части города Омска возник острый дефицит тепловых мощностей, что негативно сказалось на развитии зоны застройки. Не имея разработанной и утвержденной комплексной схемы теплоснабжения, городская администрация пошла путем строительства мелких газовых котельных мощностью 20-40 мВт. Так, в спальных районах города построены несколько котельных, внедрение которых в жилых массивах города экологически, экономически и технически не верно . О «котельнизации» России написано немало статей. Авторами многих из них являются омские энергетики.
Отсутствие перспективной комплексной схемы теплоснабжения послужило основанием для компромиссного решения: было достигнуто соглашение между администрацией города и ресурсоснабжающими организациями о распределении зон теплоснабжения на перспективной площадке между энергокомпанией и другими мелкими собственниками. Под это соглашение в Омском филиале ОАО «ТГК-11» был разработан проект инвестиционной программы по декомпозиции СЦТ на базе серьезных научных проработок с учетом требований надежности, резервирования, СМК, СЭМ и экономичности. Инвестиционный проект включает следующие разделы:
1) поэтапное строительство новой протяженной теплотрассы в районе перспективного строительства Левобережной части города по мере его застройки;
2) удовлетворение требований надежности, резервирования при работе новой теплотрассы от различных теплоисточников с учетом СМК И СЭМ;
3) реконструкция теплофикационной установки одной из ТЭЦ, находящейся на правом берегу, где в результате сокращения промышленного потребления пара выявлена возможность реализации дополнительной тепловой мощности 300 Гкал/ч, что позволяет увеличить выработку электроэнергии на ТЭЦ по теплофикационному циклу и снизить себестоимость производства электрической и тепловой энергии, увеличить финансовую прибыль;
4) перераспределение тепловых нагрузок между теплоисточниками Омского филиала в рамках существующей конфигурации тепловых сетей из условия наибольшей эффективности;
5) создание резерва располагаемой тепловой мощности для подключения дополнительных тепловых нагрузок в активно развивающейся центральной части города, что позволяет снять вопрос дефицита тепловых мощностей в ближайшие два-три года.
Реализация этого проекта решила актуальные проблемы в рамках СЦТ города только частично.
Следующий пример. Удалённая на значительное расстояние от города ТЭЦ имеет большой резерв тепловой мощности, но из-за отсутствия транзитной тепломагистрали нет возможности использовать эти мощности. Реализация «запертых» тепловых мощностей удаленной ТЭЦ позволит увеличить выработку электрической энергии по теплофикационному циклу, что значительно повысит эффективность и улучшит экономические показатели, обеспечив финансовую прибыль. «Переброска» тепла на большое расстояние через реку Иртыш имеет стратегическое значение, так как позволит отодвинуть строительство новой ТЭЦ на левом берегу на 10-12 лет, перевести левобережную районную котельную в пиковый режим работы, значительно улучшить экологическую и социальную обстановку в городе.
На нашем предприятии тепловых сетей мы ежегодно занимаемся выявлением и устранением существующих узких мест путем решения вопросов декомпозиции схемы тепловых сетей, используя научные методы анализа и синтеза, проводя глубокие исследования и многовариантные расчеты для усовершенствования СЦТ города .
Исследования и анализ многовариантных расчетов показали возможность устранения одного из узких мест в конфигурации тепловых сетей. Из множества возможных вариантов наиболее предпочтительным с точки зрения решения всего комплекса проблем был выявлен вариант реконструкции большей части существующей тепломагистрали от самой крупной ТЭЦ, пролегающей через центр города. Для этого потребовалось увеличить пропускную способность магистральных трубопроводов и выполнить реконструкцию ПНС. Общая стоимость этого проекта - около 200 млн руб., при существующих тарифах на тепловую энергию срок его окупаемости составит около трех лет.
Но как оказалось, даже на этот фрагмент изменения конфигурации СЦТ не хватило средств, и мы вынуждены проводить его поэтапно. В текущем году была освоена лишь половина. Заменено более 3 км магистральных тепловых сетей, и, не взирая на
финансовые ограничения, вопросы надежности, качества и резервирования на этом участке были успешно решены с использованием новых материалов и технологий. Но финансовую прибыль нам не удастся получить до окончания реализации этого проекта в полном объеме и реконструкции ПНС, которая запланирована лишь на следующий год.
Необходимо признать, что оптимизация конфигурации СЦТ крупного промышленного города на основе научного анализа и превращение ее из преимущественно радиальной в настоящую полномасштабную функциональную кольцевую, требует огромных интеллектуальных и капитальных затрат. Финансовая выгода при этом значительно превосходит вложенные средства при коротком сроке окупаемости. Однако финансовый кризис сдерживает темпы строительства в городе и отражается на сокращении инвестиций в развитие СЦТ .
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Несмотря на кризисную ситуацию, а скорее для ее быстрейшего преодоления, нужно постоянно заниматься научным анализом и синтезом, что позволит выполнить структурное формирование конфигурации СЦТ крупного города с решением всех или большинства существующих проблем. Это вытекает из определяющей роли электроэнергетики в промышленности. Для решения данного вопроса необходимы общие усилия государственной власти, ре-сурсоснабжающих организаций и инвесторов . До тех пор, пока решение этого вопроса не станет необходимостью для всех заинтересованных сторон, вышеозначенные проблемы будут решаться локально, без высокого экономического и социального результата.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Надежность систем теплоснабжения: Справочник. Том 4 / под ред. Е.В. Сенновой. Новосибирск: Наука, 2000. 350 с.
2. Кузник И.В. Централизованное теплоснабжение. М.: Издательский дом МЭИ, 2008. 155 с.
3. Николаев Ю.Е., В до вен ко И.А. Сравнительный анализ вариантов реконструкции городских систем теплоснабжения // Промышленная энергетика. 2009. № 11. С. 6-10.
4. Богданов А.Б. Котельнизация России - беда национального масштаба // Новости теплоснабжения. 2007. № 4, № 5. С. 28-33, 50-54.
5. Яковлев Б.В. Повышение эффективности систем теплофикации и теплоснабжения // Новости теплоснабжения, 2008. 447 с.
6. Дмитриев В.З. Сети ловят тепло // Энергосбережение и энергетика в Омской области. 2006. № 2. С. 48-49.
7. Дмитриев В.З. О теплотрассах в районах жилой и общественной застройки // Российское теплоснабжение. М.: Новости теплоснабжения, 2007.
8. Лебедев В.М. Системный подход в решении проблем энергосбережения как стратегия развития // Энергосбережение и энергетика в Омской области. 2005. № 1. С. 26-32.
Назначение тепловых сетей - соединение источников тепла с местами его потребления. Наружными тепловыми сетями (при централизованном теплоснабжении) называют сети, соединяющие источник тепла с пунктами, распределяющими тепло, в отличие от теплопроводов, прокладываемых внутри зданий и называемых теплопроводами внутренней разводки.
Наружные тепловые сети прокладывают, как правило, в земле (в проходных, полупроходных и непроходных каналах, бесканально), открыто (на кронштейнах по стенам строений, на бетонных, железобетонных и металлических опорах, на отдельных конструкциях мостов при переходах через железнодорожные пути и водные преграды) и дюкером. Тепловые сети, проходящие по подвалам или по техническим подпольям, т. е. внутри зданий, именуются также наружными сетями, поскольку соединяют, как указывалось выше, источник тепла с тепловыми пунктами, в которых устанавливаются элеваторные и тепловые узлы, подогреватели и прочие устройства, распределяющие тепло.
Теплопроводы от этих узлов до мест потребления тепла (отопительных панелей и радиаторов, калориферов, кондиционеров, технологических установок и т. д.) относятся к теплопроводам внутренней разводки (системы центрального отопления и горячего водоснабжения, разводки внутри зданий котельных, теплоэлектроцентралей).
Наружные тепловые сети разделяются на магистральные - от источника тепла до микрорайона (квартала) или до промышленного предприятия, на распределительные - от магистральных тепловых сетей до ответвлений (вводов) к отдельным строениям и на ответвления (вводы) - от распределительных или магистральных тепловых сетей до узлов присоединений систем потребителей тепла.
Транспортируемый теплоноситель используется для отопления, горячего водоснабжения и вентиляции, а также для производственно-технологических нужд. В зависимости от вида теплоносителя сети делятся на паровые и водяные. При теплоносителе паре к источнику тепла от мест его потребления возвращается конденсат. Сети, в которых циркулирует постоянное количество теплоносителя (без разбора его у потребителей), называются закрытыми; сети с непосредственным разбором воды - открытыми.
По характеру потребителей тепловые сети делятся на промышленные, коммунальные и смешанные. В настоящее время приняты двухтрубные и многотрубные системы теплоснабжения. По конфигурации тепловые сети могут быть лучевыми и кольцевыми. Кольцевые сети обеспечивают лучший гидравлический режим и позволяют отключать для ремонта отдельные линии сетей, не прерывая снабжения теплом потребителей.
10. Потребление тепла жилыми районами .
Тепловые потребители классифицируются по двум основным категориям:
а) потребление тепла для коммунально-бытовых нужд (для обеспечения комфортных условий труда и быта в жилых, общественных и производственных помещениях);
б) потребление тепла для технологических нужд (для обеспечения выпуска промышленной или сельскохозяйственной продукции заданного качества).
29. Центральное качественное регулирование однородной тепловой нагрузки при зависимых схемах присоединения. Температурный график сетевой воды и его расчет.
Центральное регулирование отопительной нагрузки применяют в системах теплоснабжения с децентрализованным горячим водоснабжением. В таких системах отопление является основной тепловой нагрузкой. Центральное регулирование осуществляется в соответствии с потребностью тепла для отопления зданий при различных наружных температурах воздуха.
При качественном регулировании задача расчета состоит в определении температуры воды в зависимости от тепловой нагрузки. Расход воды остается постоянным в течение всего отопительного сезона.
Общее уравнение для регулирования отопительной нагрузки при зависимых схемах присоединения отопительных установок к тепловой сети:
20.Открытые и закрытые тепловые сети. Схемы присоединения потребителей горячей воды.
В открытых тепловых сетях осуществляется непосредственный водоразбор из тепловых сетей на ГВС.
Расход теплоты, передаваемой по тепловым сетям при открытой системе теплоснабжения.
МВт (Гкал/ч)
где G 1, G 2 – расходы воды в подающем и обратном трубопроводах, кг/с (кг/ч);
с – теплоемкость воды, кДж/(кг · °С); t 1, t 2 –температуры сетевой воды в подающем и обратном трубопроводах, °С.
В закрытых системах дополнительно устанавливаются водоводяные подогреватели ГВС. На предприятиях возможна установка пароводяных подогревателей ГВС. В систему ГВС поступает водопроводная (питьевая) вода после подогревателя. Подогреватели ГВС могут быть включены в соответствии с одной из трех схем (параллельная схема, двухступенчатая смешанная схема, двухступенчатая последовательная схема)
Расход теплоты, передаваемой по водяному теплопроводу, при закрытой системе теплоснабжения
МВт (Гкал/ч)
30. Температурный график сетевой воды при количественном и качественно-количественном регулировании.
Основным достоинством количественного регулирования является сокращение расхода электроэнергии на перекачку теплоносителя. Это преимущество может быть использовано в магистральных трубопроводах двухступенчатых сетей, к которым абоненты присоединены по не- зависимым схемам или с помощью смесительных насосных подстанций. При снижении расхода сетевой воды в магистральных сетях смеси- тельные насосы, работающие с переменным коэффициентом смешения, увеличивают подачу воды из обратной магистрали. Благодаря этому в системах отопления сохраняется необходимый расход воды и тем самым устраняется основной недостаток количественного регулирования – разрегулировка отопительных систем.
При качественно-количественном регулировании осуществляется изменение расхода и температуры сетевой воды в зависимости от вели- чины отопительной нагрузки.
5. Показать схему одноступенчатой системы теплоснабжения. Ее преимущества и недостатки.
В одноступенчатых системах теплоснабжения потребителей тепла присоединяют непосредственно к тепловым сетям (рис. 2.5). Узлы при- соединения потребителей тепла к тепловым сетям называются абонент- скими вводами. На абонентском вводе каждого здания устанавливают подогреватели горячего водоснабжения, элеваторы, циркуляционные насосы, регулирующую арматуру для параметров и расходов теплоно- сителя по местным отопительным и водоразборным приборам, кон- трольно-измерительные приборы. Поэтому часто абонентский ввод на- зывают местным тепловым пунктом
(МТП). 
Схема одноступенчатой системы теплоснабжения: 1 – магистральные трубопроводы; 2 – ответвления; МТП – местный тепловой пункт; ТП – теплофика- ционный подогреватель; ПК – пиковый котел; СН – сетевой насос
й подогреватель; ПК – пиковый котел; СН – сетевой насос
Если абонентский ввод сооружается для отдельной, например, тех- нологической установки, то его называют индивидуальным тепловым пунктом (ИТП).
Непосредственное присоединение отопительных приборов ограни- чивает пределы допустимого давления в тепловых сетях, т. к. высокое давление, необходимое для транспорта теплоносителя к конечным по- требителям, опасно для радиаторов отопления. В силу этого односту- пенчатые системы применяют для теплоснабжения ограниченного чис- ла потребителей от котельных с небольшой длиной тепловых сетей.
СХЕМЫ, ПРОКЛАДКИ И КОНСТРУКЦИИ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ
Схема тепловой сети определяется размещением источников теплоты (ТЭЦ или котельных) по отношению к району теплового потребления, характером тепловой нагрузки потребителей района и видом теплоносителя. Основные принципы, которыми следует руководствоваться при выборе схемы теплосети, - это надежность и экономичность. При выборе конфигурации теплосетей, как правило, стремиться к получению наиболее простых решений и наименьшей длины теплопроводов.
Пар в качестве теплоносителя используется главным образом для технологических нагрузок промышленных предприятий. Основная нагрузка паровых сетей обычно концентрируется в сравнительно небольшом количестве узлов, которыми являются цехи промышленных предприятий. Поэтому удельная протяженность паровых сетей на единицу расчетной тепловой нагрузки, как правило, невелика. Когда по характеру технологического процесса допустимы кратковременные (до 24 ч) перерывы в подаче пара, наиболее экономичным и то же время достаточно надежным решением является прокладка однотрубного паропровода с конденсатопроводом.
Следует иметь в виду, что дублирование сетей приводит к значительному возрастанию их стоимости и расхода материалов и в первую очередь стальных трубопроводов. При укладке вместо одного трубопровода, рассчитанного на 100% нагрузки, двух параллельных, рассчитанных на 50% нагрузки, площадь поверхности трубопроводов возрастает на 56%. Соответственно возрастают расход металла и начальная стоимость тепловой сети.
Более сложной задачей является выбор схемы водяных теплосетей, поскольку их нагрузка, как правило, менее концентрирована. Водяные теплосети в современных городах обслуживают большое количество потребителей, измеряемое нередко тысячами и даже десятками тысяч присоединенных зданий, расположенных на территориях, измеряемых часто многими десятками квадратных километров.
Водяные сети менее долговечны по сравнению с паровыми главным образом из-за большей подверженности наружной коррозии стальных трубопроводов подземных водяных сетей по сравнению с паропроводами. Кроме того, водяные теплосети более чувствительны к авариям из-за большой плотности теплоносителя. Аварийная уязвимость водяных систем теплоснабжения особенно заметно проявляется в крупных системах теплоснабжения при зависимом присоединении отопительных установок к теплосети, поэтому при выборе схемы водяных теплосетей вопросам надежности и резервирования теплоснабжения необходимо уделить особое внимание.
Водяные теплосети должны четко разделяться на магистральные и распределительные. К магистральным сетям обычно относятся теплопроводы, соединяющие источники теплоты с районами теплового потребления, а также между собой. Теплоноситель поступает из магистральных сетей в распределительные сети и по ним подается через ЦТП или ИТП к теплопотребляющим установкам потребителей. Непосредственное присоединение потребителей теплоты к магистральным сетям допускать не следует, за исключением случаев присоединения крупных промышленных предприятий.
В узлах присоединения распределительных сетей к крупным магистралям сооружаются так называемые секционирующие камеры (СК), в которых размещаются: секционирующие задвижки, головные задвижки распределительных сетей, задвижки на блокирующих связях между смежными магистралями, а также между магистралями и резервными источниками теплоснабжения (например, районными котельными). Секционирующие задвижки устанавливаются обычно на магистральных сетях через 2-3 км. Благодаря разделению магистральных сетей на секции уменьшаются потери воды из теплосети при аварии, т.к. место аварии локализуется секционирующими задвижками. Это облегчает и ускоряет включение в работу сети после аварии. Задвижки, установленные в СК, должны быть оборудованы электро- или гидроприводом и иметь телемеханическую связь с центральным диспетчерским пунктом. Распределительные сети должны иметь двустороннее присоединение к магистрали с обеих сторон секционирующей задвижки с тем, чтобы можно было обеспечить бесперебойное теплоснабжение абонентов при авариях на любом секционированном участке магистрали.
В секционировании паровых магистралей нет необходимости, так как масса пара, требующаяся для заполнения длинных паропроводов, невелика.
Блокировочные связи между магистралями могут выполняться однотрубными. Соответствующей схемой их присоединения к магистральной сети может быть предусмотрено использование блокирующей связи как для подающей, так и обратной линии.
Распределительные тепловые сети отводимые от СК, при диаметре этих сетей 700 мм и меньше, а также магистральные сети диаметром 700 мм и меньше выполняются обычно тупиковыми. Это объясняется тем, что максимально допустимая длительность аварийного прекращения теплоснабжения для большинства абонентов водяных тепловых сетей, за исключением зданий первой категории теплоснабжения (больницы, детские учреждения, государственные музеи и др.), может быть установлена в пределах до 24 ч, так как за такой период благодаря аккумулирующей способности зданий не возникает опасности их размораживания при наличии автономной циркуляции воды в абонентских отопительных установках.
Объединение магистральных тепловых сетей нескольких источников теплоты наряду с резервированием теплоснабжения позволяет уменьшить суммарное резервирование котлов на ТЭЦ и увеличить степень использования наиболее экономичного оборудования в системе за счет оптимального распределения нагрузки между источниками теплоты.
