Центральное регулирование однородной тепловой нагрузки

Режим регулирования водяных систем теплоснабжения зависит от многочисленных факторов, но основным является вид тепловой нагрузки и схемы узлов вводов абонентов. Регулирование отпуска теплоты значительно упрощается при однородной тепловой нагрузке. В этих случаях можно ограничиться только центральным регулированием.

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 теплоты 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 может быть представлено в виде

, (4.2)

где Q_o – расход теплоты на отопление при текущей температуре наружного воздуха t_н; t_l, t_2,о – соответственно температура сетевой воды в подающем и обратном трубопроводах тепловой сети; k – коэффициент теплопередачи; Dt_о – температурный напор в нагревателе при тех же условиях; Q'_o, t¢₁, t'_2.о, k', Dt'_o – те же величины при расчетной температуре наружного воздуха .

Изменение коэффициента теплопередачи отопительных приборов описывается выражением

, (4.3)

где t_ср – средняя температура теплоносителя в приборе; t_в – температура воздуха в помещении; А и n – константы, зависящие от типа прибора и схемы его установки, принимают n = 0,25.

Заменив в уравнении (4.2) отношение коэффициентов теплопередачи зависимостью (4.3), получим

. (4.4)

Температурный напор при смешении воды в узле ввода определяют по формуле

, (4.5)

, (4.6)

где t₃ – температура воды в подающем трубопроводе отопительной системы после смесительного устройства; u – коэффициент смешения, равный отношению расхода воды из обратного трубопровода G₂ к расходу воды из подающей линии теплотрассы G₁.

Уравнение (4.4) с учетом зависимостей (4.5) и (4.6) запишется в виде

. (4.7)

Коэффициент смешения u определяют из уравнения теплового баланса смесительного устройства :

, (4.8)

где dt¢_о – расчетная разность температур сетевой воды; q¢ – расчетный перепад температур в отопительной системе.

Подставив значение коэффициента смешения u в уравнение (4.7) при n = 0,25, после преобразований получим выражение для определения температуры в подающем трубопроводе

. (4.9)

Температура воды после отопительной установки равна

. (4.10)

Температура воды после смесительного устройства на вводе составит

. (4.11)

Принимая относительный расход теплоты на отопление = 0¸1, можно найти соответствующие значения температуры воды. Общий вид температурного графика при исходных данных t¢₁=150 °С, t¢_2,о=70 °С, t¢₃=95 °С, t_в=18 °С представлен на рис. 4.1. Приведенный график называют отопительным.

Зависимость относительного расхода теплоты на отопление от температуры наружного воздуха можно представить графически (рис. 4.1) с помощью отношения

. (4.12)

Значения температур сетевой воды в подающем и обратном трубопроводах, соответствующие различным относительным расходам теплоты на отопление, приведены в справочной литературе.

Расчетный расход воды на отопление определяют по формуле

. (4.13)

В основе расчетных уравнений современных способов регулирования нагрузки систем теплоснабжения лежит предложенное в 1957 году проф. Е.Я. Соколовым уравнение тепловой характеристики теплообменных аппаратов, выведенное из линейного закона изменения средней разности температур. После приведения к безразмерному виду уравнение для определения удельной характеристики имеет вид

, (4.14)

где e – безразмерная удельная теплопроизводительность теплообменника; W= G×с – водяной эквивалент, Дж/(с×°С), G – расход теплоносителя, кг/с; с – теплоемкость, Дж/(кг×°С);
W_м, W_б – меньшее и большее значения водяных эквивалентов теплоносителей, Дж/(с×°С);
а, b – постоянные коэффициенты, зависящие от схемы движения теплоносителей в теплообменнике; w = kF/W_м – безразмерный режимный коэффициент; k – коэффициент теплопередачи теплообменника, Вт/(м²×°С); F – площадь поверхности теплообменника, м².

В водо-водяных теплообменниках меньшее значение водяного эквивалента имеет греющий теплоноситель, большее – нагреваемый теплоноситель.

При использовании безразмерной удельной характеристики тепловая нагрузка теплообменного аппарата определяется по формуле

, (4.15)

где Q – тепловая производительность теплообменника, Вт; Dt_max =t₁ – t₂ – максимальная разность температур греющего и нагреваемого теплоносителей на входе в аппарат, °С;
t₁– температура греющего теплоносителя на входе в теплообменник; t₂ – температура нагреваемого теплоносителя на входе в теплообменник, °С (индекс «1» соответствует более высокой температуре теплоносителя, чем температура теплоносителя с индексом «2») .

Уравнение (4.15) связывает тепловую нагрузку теплообменных аппаратов с расходом и температурой теплоносителя на входе в аппарат, которые, как правило, известны. Однако использование в процессе вывода уравнения тепловой характеристики линейного закона распределения средней разности температур вносит некоторую погрешность в решение данного уравнения, делая его приближенным. В результате проверки точности уравнения характеристики, т.е. сопоставления с экспоненциальными уравнениями характеристик для основных схем движения теплоносителей, установлено, что максимальная погрешность составляет 6 - 7%, следовательно, приближенное уравнение тепловой характеристики пригодно для практических инженерных расчетов.

Использование приближенного уравнения позволяет получить характеристику системы теплообменных аппаратов, состоящей из нескольких последовательно включенных теплообменников, и аналитически рассчитывать тепловые режимы сложных теплообменных установок. Благодаря простоте и небольшой погрешности по сравнению с экспоненциальными уравнениями тепловой характеристики приближенное уравнение получило широкое распространение для инженерных расчетов.

Для отопительной системы со смешением на вводе, с учетом очень высокого значения эквивалента расхода воздуха по сравнению с эквивалентом расхода воды (W_б=¥, W_м/W_б=0) и при коэффициенте теплопередачи отопительных приборов, отнесенном к среднеарифметической разности температур (a = b = 0,5), уравнение (4.14) принимает вид

, (4.16)

где u – коэффициент смешения; w_o = k_oF/W_o – режимный коэффициент отопительной установки; k_o – коэффициент теплопередачи отопительных приборов; W_o -эквивалент расхода воды, поступающей в систему отопления.

Для упрощения расчета режимов регулирования входящее в уравнение характеристики произведение коэффициента теплопередачи на поверхность теплообмена заменяется выражением:

для водо-водяных подогревателей

, (4.17)

для радиаторных систем отопления

, (4.18)

где Ф – параметр подогревателя;`Q_o – относительный расход теплоты на отопление; Ф₀=Q₀’/Dt’ – параметр системы отопления; Dt₀’=(t₃’+t₂’)/2–t_в’ – расчетный температурный напор в отопительном приборе; t₂’ – температура сетевой воды в обратной магистрали при расчетной тепловой нагрузке.

С учетом уравнений (4.15) и (4.16) выражение (4.14) принимает вид:

для водо-водяных теплообменников

; (4.19)

для радиаторных систем отопления

, (4.20)

где

. (4.21)

На основании уравнения теплообменной характеристики разработаны методики расчета параметров потоков теплоносителей на абонентском вводе при качественном регулировании тепловой нагрузки на ТЭЦ. Эти методики позволяют рассчитать режимы работы открытых и закрытых систем теплоснабжения с зависимым и независимым присоединением отопительных установок к тепловой сети.

При независимых схемах присоединения абонентов к тепловой сети (рис. 4.2) в приборы отопительной системы поступает вода, нагреваемая в отопительном теплообменнике за счет теплоты сетевой воды. Расчетные значения нагреваемой воды t'_1,о принимают 95 – 140 °С, расчетная температура обратной воды t'_2,о равна 70 °С.

Параметры сетевой воды на входе (t₁) и выходе (t₂) из отопительного подогревателя находят из уравнения регулирования:

, (4.22)

где e_п – безразмерная удельная теплопроизводительность подогревателя, определяемая по формуле (4.19);
W_м – меньшее значение эквивалента расхода воды через подогреватель.

При качественном регулировании эквиваленты расхода сетевой и нагреваемой воды неизменны, поэтому величина e_п будет также постоянной.

Из равенства (4.15) следует

, (4.23)

где W_o – эквивалент расхода нагреваемой воды; dt¢_о = t¢_1,о – t¢_2,о – расчетная разность температур нагреваемой воды. Заменив в равенстве (4.23) t¢_2,о выражением (4.10), получим:

. (4.24)

Температура обратной воды на выходе из теплообменника равна

. (4.25)

Постоянный расход воды при центральном качественном регулировании упрощает эксплуатацию системы, поэтому этот метод регулирования нашел применение в существующих системах теплоснабжения от районных котельных.

При количественном регулировании температура сетевой воды в подающем трубопроводе постоянна. Регулирование тепловой нагрузки осуществляется изменением расхода воды. Задачей расчета является определение расхода и температуры обратной воды в зависимости от величины отопительной нагрузки. Расчетные выражения выводятся при условии t¢₁ = const из общего уравнения регулирования

, (4.26)

где Q – текущая тепловая нагрузка; G_п – расход первичного (греющего) теплоносителя; G_в – расход вторичной (нагреваемой) среды; t_l, t₂, t_l, t₂ – температура соответственно первичного и вторичного теплоносителей на входе и выходе из теплообменника; k – коэффициент теплопередачи. Индексом штрих обозначены все величины, относящиеся к расчетным условиям.

Относительный расход сетевой воды и температуру обратной воды определяют из выражений:

; (4.27)

. (4.28)

График регулирования, построенный по формулам (4.27) и (4.28), показан на рис. 4.3. При уменьшении тепловой нагрузки и снижении расхода воды температура обратной воды достигает температуры воздуха помещения. Дальнейшее снижение теплоотдачи приборов происходит за счет частичного заполнения нагревательных приборов водой с температурой t_в.

	Рис. 4.3. Графики: а – количественного регулирования отопительной нагрузки при t¢1 = 150 °С, q¢ =25 °С, tв=18 °С; б – качественно-количественного регулирования отопительной нагрузки: 1 – отопительный график; 2 – качественно-количественное регулирование при плавном изменении расхода воды; 3 – качественно-количественное регулирование при ступенчатом изменении расхода воды
а	б

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 независимым схемам или с помощью смесительных насосных подстанций. При снижении расхода сетевой воды в магистральных сетях смесительные 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 величины отопительной нагрузки. Исследованиями показано, что для устранения переменного влияния естественного давления, вызывающего разрегулировку систем отопления, изменение расхода воды должно происходить по зависимости . Для двухтрубных систем отопления m = 0,33, для однотрубных m = 0,2¸0,25.

Температура воды в подающем и обратном трубопроводах определяется из общего уравнения регулирования с учетом изменения расхода воды по зависимостям

; (4.29)

. (4.30)

Плавное изменение расхода воды практически осуществить сложно, поэтому оно заменяется ступенчатым регулированием (рис. 4.3, б). В результате отопительный сезон делится на несколько диапазонов, в каждом из которых поддерживается постоянный расход воды. В холодный период система теплоснабжения работает с расчетным расходом воды. При повышении температуры наружного воздуха расход воды снижается. Переменный расход обеспечивается работой нескольких насосов с различной производительностью.

Ступенчатое изменение расхода сетевой воды приводит к ступенчатому изменению температуры (рис. 4.3, б). При уменьшении расхода воды температура в подающем трубопроводе должна быть выше, а в обратной линии несколько ниже, чем при отопительном графике. Применение качественно-количественного регулирования снижает расход электроэнергии на перекачку теплоносителя.

Следует отметить, что центральное регулирование даже при однородной отопительной нагрузке не может обеспечить во всех помещениях расчетной температуры воздуха. Это объясняется тем, что при расчете графиков регулирования не учитывается влияние ветра, солнечной радиации, а также различие расчетных температур воздуха в помещениях разного назначения. Поэтому в разветвленных тепловых сетях центральное регулирование дополняется местным и индивидуальным регулированием, учитывающим особенности теплопотребления отдельных абонентов.

2.4.3. Центральное регулирование закрытых систем по
отопительной нагрузке

Современные системы теплоснабжения характеризуются наличием разнородных потребителей, отличающихся как видом теплопотребления, так и параметрами теплоносителя. Наряду с отопительными установками значительное количество теплоты расходуется на горячее водоснабжение, возрастает вентиляционная нагрузка. При одновременной подаче теплоты по двухтрубным тепловым сетям для разнородных потребителей центральное регулирование, выполняемое по преобладающей нагрузке, должно быть дополнено групповым и местным регулированием.

При этом температура сетевой воды в подающем трубопроводе закрытых систем не должна быть ниже 70 °С, так как при более низких температурах нагрев водопроводной воды в теплообменнике до 60 – 65 °С будет невозможен. В результате такого ограничения график температур имеет вид ломаной линии с точкой излома при минимально допустимой температуре воды (рис. 4.4). Температура наружного воздуха, соответствующая точке «излома» или «срезки» графика, обозначается . При температурах наружного воздуха выше центральное регулирование сезонной нагрузки во избежание перегрева помещений дополняется местным регулированием.

В зависимости от соотношения нагрузок горячего водоснабжения и отопления центральное регулирование разнородной нагрузки производится по отопительной нагрузке или по совмещенной нагрузке отопления и горячего водоснабжения.

Центральное качественное регулирование по отопительной нагрузке принимается в системах теплоснабжения со среднечасовой нагрузкой горячего водоснабжения, не превышающей 15% от расчетного расхода теплоты на отопление. Температура воды в подающем трубопроводе определяется по формуле (4.9). Точка излома температурного графика делит отопительный период на два диапазона (рис. 4.4): I – в интервале наружных температур t_н = 8°С¸ , II – в интервале температур – . Граница между диапазонами находится графически в точке пересечения кривой t₁=f(t_н) с горизонтальной линией, соответствующей =70 °С. График температур, приведенный на рис. 4.4, носит название отопительно-бытового.

	Рис. 4.4. График температур, расходов теплоты и сетевой воды: а – при комбинированном регулировании отопительной нагрузки; б – при регулировании вентиляционной нагрузки расходом сетевой воды; МР – местное регулирование; МКР – местное количественное регулирование; ЦКР – центральное качественное регулирование
а	б

При центральном качественном регулировании по отопительной нагрузке расход воды в отопительных системах остается постоянным в течение всего отопительного сезона. Требуемый расход сетевой воды на горячее водоснабжение и вентиляцию устанавливается соответствующими местными регуляторами. В этих условиях присоединение абонентских установок к тепловой сети выполняется обычно по параллельной или двухступенчатой смешанной схеме.

Расчет и построение графиков регулирования рассмотрим отдельно для каждого вида нагрузки.

Графики температур, расходов теплоты и воды на отопление.Температура воды в подающем и обратном трубопроводах определяется по формулам (4.9) и (4.10) с точкой излома температурного графика при минимально допустимой температуре воды в подающей линии =70 °С.

В диапазоне I (рис. 4.4, а) при постоянной температуре воды в подающем трубопроводе регулирование отопительной нагрузки осуществляется обычно местными пропусками. Периодическое отключение систем отопления предотвращает перегрев помещений.

Число часов ежесуточной работы системы определяют из уравнения

. (4.31)

В связи с периодическим отключением отдельных отопительных установок общий расход воды в сети сокращается по мере повышения температуры наружного воздуха. Температуру обратной воды для этого диапазона принимают постоянной и равной .

Регулирование местными пропусками, осуществляемое вручную, приводит к значительным колебаниям температуры воздуха в помещениях и к перерасходу теплоты. Более целесообразным является групповое или местное количественное регулирование, выполняемое автоматически. По мере повышения температуры наружного воздуха расход сетевой воды на отопление сокращается. Смесительные насосы, установленные в ЦТП после подогревателей горячего водоснабжения, увеличивают расход подмешиваемой воды из обратной линии для поддерживания гидравлического и теплового режима системы отопления.

В диапазоне II при t_н< осуществляется центральное качественное регулирование. Расчетный расход воды на отопление определяется по формуле (4.13).

Графики температур и расходов теплоты и воды на вентиляцию. При центральном качественном регулировании по отопительной нагрузке температура воды в подающем трубопроводе в диапазоне от до изменяется в зависимости от температуры наружного воздуха. По характеру изменения температуры воды и расхода теплоты на вентиляцию отопительный период делится на три диапазона (рис. 4.4, б).

В диапазоне I (от t_н = 8 °С до ) при переменной вентиляционной нагрузке температура в подающей линии постоянна.

В диапазоне II (от до ) по мере увеличения вентиляционной нагрузки возрастает и температура воды.

В диапазоне III (от до ) при постоянном расходе теплоты на вентиляцию температура воды в подающей линии переменна.

Как следует из графиков, центральное качественное регулирование вентиляционной нагрузки возможно лишь в диапазоне II, где характер изменения температуры воды соответствует изменению нагрузки. В диапазонах I и III осуществляется местное количественное регулирование изменением расхода сетевой воды или расхода нагреваемого воздуха.

Задачей расчета является определение температуры воды после калориферов и расхода сетевой воды.

Расчет графиков производится отдельно для каждого диапазона, с учетом принятого способа регулирования.

В диапазоне III по мере понижения наружной температуры уменьшается количество наружного воздуха, поступающего в калорифер. Система работает с рециркуляцией.

	Рис. 4.5. Графики температур, расходов теплоты и сетевой воды: а – при регулировании вентиляционной нагрузки расходом воздуха; б – на горячее водоснабжение при параллельной схеме включения подогревателей; ЦР – центральное регулирование
а	б

Графики температур, расходов теплоты и сетевой воды на горячее водоснабжение.Тепловая нагрузка горячего водоснабжения отличается большой суточной неравномерностью. В случае установки аккумуляторов горячей воды расчет графиков регулирования производится по среднечасовой нагрузке горячего водоснабжения. При отсутствии аккумуляторов графики рассчитывают исходя из максимального часового расхода теплоты.

По характеру изменения температуры воды в подающем трубопроводе и при условно принятом для расчета графиков регулирования постоянном расходе теплоты на горячее водоснабжение отопительный период делится на два диапазона (рис. 4.5, б).

В диапазоне I при постоянной нагрузке горячего водоснабжения и постоянной температуре воды расход сетевой воды тоже остается неизменным.

В диапазоне II постоянный расход теплоты на горячее водоснабжение при переменной температуре сетевой воды обеспечивается местным количественным регулированием. С увеличением температуры сетевой воды регулятор РТ прикрывается, уменьшая поступление греющей воды в подогреватель (рис. 4.6). Расчет регулирования сводится к определению температуры обратной воды и эквивалента расхода сетевой воды на горячее водоснабжение. Методика расчета зависит от схемы присоединения подогревателей.

В двухступенчатой смешанной схеме предварительный подогрев водопроводной воды в подогревателе нижней ступени за счет использования теплоты обратной воды снижает расход сетевой воды на горячее водоснабжение.

Рис. 4.7. Присоединение подогревателей горячего водоснабжения по двухступенчатой смешанной схеме и графики температур, расходов теплоты и сетевой воды на горячее водоснабжение при смешанной схеме присоединения подогревателей

В диапазоне I (рис. 4.7) температура сетевой воды на выходе из подогревателя верхней ступени принимается равной температуре обратной воды после системы отопления ( ). Как показывают расчеты, этому условию соответствует минимальная суммарная поверхность нагрева подогревателей.

В диапазоне II вследствие повышения температуры воды после отопления подогрев водопроводной воды в подогревателе ступени I увеличивается. При этом тепловая нагрузка подогревателя ступени II соответственно снижается. Регулятор температуры РТ (рис. 4.7) уменьшает поступление сетевой воды в подогреватель верхней ступени.

Из рис. 4.5, б и 4.7, б видно, что максимальный расход сетевой воды на горячее водоснабжение наблюдается при температуре наружного воздуха в точке излома температурного графика.