ЦЕНТРАЛИЗОВАННЫЕ СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Системы теплоснабжения больших жилых массивов, городов, поселков и промышленных предприятий. Источниками теплоты у них служат теплоэлектроцентрали или крупные котельные, имеющие высокие кпд, транспортирующие и распределяющие теплоноситель по тепловым сетям протяженностью 10—15 км, с максимальным диаметром труб 1000—1400 мм, обеспечивающим подачу потребителям теплоносителя в требуемых количествах и с требуемыми параметрами. Мощность ТЭЦ составляет 1000—3000 МВт, котельных 100—500 МВт. Крупные централизованные системы снабжения имеют несколько источников теплоты, связанных резервными тепломагистралями, обеспечивающими маневренность и надежность их функционирования. В централизованные системы снабжения входят и системы теплоснабжения зданий, связанные с ней единым гидравлическим и тепловым режимами и общей системой управления. Однако ввиду многообразия технических решений теплоснабжения зданий их выделяют в самостоятельную техническую систему, называемую системой отопления. Поэтому централизованные системы снабжения начинается источником теплоты и заканчивается абонентским вводом в здание.
Централизованные системы снабжения бывают водяные и паровые. Основное преимущество воды как теплоносителя в значительно меньшем расходе энергии на транспортирование единицы теплоты в виде горячей воды, чем в виде пара, что обусловливается большей плотностью воды. Снижение расхода энергии дает возможность транспортировать воду на большие расстояния без существенной потери энергетического потенциала. В крупных системах температуpa воды понижается примерно на 1° на пути в 1 км, тогда как давление пара (его энергетический потенциал) на том же расстоянии примерно на 0,1—0,15 МПа, что соответствует 5—10°С. Поэтому давление пара в отборах турбины у водяных систем ниже, чем у паровых, что приводит к сокращению расхода топлива на ТЭЦ. К другим достоинствам водяных систем относятся возможность центрального регулирования подачи теплоты потребителям путем изменения температуры теплоносителя и более простая эксплуатация системы (отсутствие конденсатоотводчиков, конденсатопроводов, конденсатных насосов). К достоинствам пара следует отнести возможность удовлетворения и отопительных и технологических нагрузок, а также малое гидростатическое давление. Учитывая достоинства и недостатки теплоносителей, водяные системы используют для теплоснабжения жилых массивов, общественных и коммунальных зданий, предприятий, использующих горячую воду, а паровые — для промышленных потребителей, которым необходим водяной пар. Водяные централизованные системы снабжения — основные системы, обеспечивающие теплоснабжение городов. Централизация теплоснабжения городов составляет 70—80%. В крупных городах с преимущественно современной застройкой уровень использования ТЭЦ в качестве источников теплоты для жилищно-коммунального сектора достигает 50—60%.
В теплофикационных системах пар высоких параметров (давление 13, 24 МПа, температура 565°С), вырабатываемый в энергетических котлах, подается в турбины, где, проходя через лопатки, отдает часть своей энергии для получения электроэнергии. Основная часть пара проходит через отборы и поступает в теплофикационные теплообменники, в которых он нагревает теплоноситель системы теплоснабжения. Таким образом, на ТЭЦ теплота высокого потенциала используется для выработки электроэнергии, а теплота низкого потенциала — для теплоснабжения. Комбинировнная выработка теплоты и электроэнергии обеспечивает высокую эффективность использования топлива, позволяет сократить его расход.
В большинстве централизованных систем снабжения максимальная температура горячей воды принимается 150°С. Температура пара в теплофикационных отборах турбины не превышает 127°С. Следовательно, при низких температуpax наружного воздуха в теплофикационных теплообменных аппаратах подогреть воду до требуемого уровня нельзя. Для этого используют пиковые котлы, которые работают только при низких наружных температуpax, т.е. снимают пиковую нагрузку. Т.к. отопительная нагрузка меняется с изменением наружной температуры, меняется и количество пара, отбираемого из турбины для теплоснабжения. Неотработанный пар проходит через цилиндры низкого давления турбины, отдает свою энергию и поступает в конденсатор, где поддерживается вакуум (давление 0,004—0,006 МПа), которому соответствуют низкие температуры конденсации 30—35°С, а охлаждающая вода имеет еще более низкую температуру, поэтому не используется для теплоснабжения. Таким образом, для теплоснабжения используется только часть пара, проходящая через отборы турбины, что снижает экономический эффект теплофикации. Однако расход топлива на выработку электроэнергии и теплоты для теплоснабжения в среднем за год сокращается примерно на 1/4 — 1/3. Экономический эффект дает и использование в качестве источников теплоты крупных районных котельных установок (тепловых станций), имеющих высокий кпд.
Теплоноситель от источников теплоты транспортируется и распределяется между потребителями по развитым тепловым сетям. В результате тепловые сети охватывают все городские территории, а их сооружение вызывает наибольшие градостроительные и эксплуатаионные трудности. В процессе эксплуатации они подвергаются коррозии и разрушениям. Аварийные повреждения приводят к отказам теплоснабжения, социальному и экономическому ущербам. В результате тепловые сети, являясь основным элементом крупных систем теплоснабжения, становятся и наиболее слабой составляющей их частью, что снижает экономический эффект от централизации теплоснабжения, ограничивает максимальная мощность систем. В зависимости от способа приготовления горячей воды централизованные системы снабжения разделяют на закрытые и открытые. В закрытой системе циркулирующая в ней вода используется только как теплоноситель. Вода нагревается на источнике теплоты, несет свою энтальпию к потребителям и отдает ее на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение. Вода для горячего водоснабжения берегся из городского водопровода и подогревается в поверхностных теплообменных аппаратах циркулирующим теплоносителем до требуемой темературы. Система закрыта по отношению к атмосферному воздуху. В открытых системах горячая вода, которую использует потребитель, отбирается из тепловой сети. Следовательно, горячая вода в системе используется не только как теплоноситель, но и непосредственно как вещество. Поэтому система теплоснабжения является частично циркуляционной, а частично прямоточной. Вода горячего водоснабжения приготовляется на источнике теплоты, прямоточно движется к потребителям и изливается через водоразборные краны в атмосферу.
Для крупных городов централизация теплоснабжения — перспективное направление. Централизованные системы, особенно теплофикационные, расходуют меньше топлива. Сокращение и укрупнение источников теплоты улучшают условия для градостроительства и экологию крупных городов. Меньшее количество источников теплоты позволяет резко сократить число дымовых труб, через которые в окружающую среду выбрасываются продукты сгорания. Исключается необходимость создания множества мелких топливных складов для хранения твердого топлива, откуда при децентрализованных системах теплоснабжения приходится развозить топливо, а из разбросанных по всему городу небольших котельных увозить золу и шлаки. Кроме того, при централизации источников теплоты легче очищать дымовые газы от токсичных компонентов.
Централизованные системы снабжения рационально строить по иерархическому принципу. Для повышения надежности теплоснабжения ТЭЦ состоит из нескольких энергетических котлов и паровых турбин: основные элементы ТЭЦ имеют резервы. Водяной пар из котлов через пароперегреватель поступает в турбины, где отдает часть своей тепловой энергии, которая превращается в механическую и далее, в электрогенераторе, в электрическую. Пар из отборов турбины поступает в теплофикационные подогреватели, в которых нагревает циркулирующий в системе теплоноситель до 120°С. Неотработанный пар поступает в конденсатор, где поддерживаются параметры: 0,005 МПа и 32°С, при которых он конденсируется и отдает свою теплоту охлаждающей воде. Конденсат из конденсатора с помощью конденсатного насоса поступает в деаэратор. На пути к нему он проходит регенеративные подогреватели. В деаэратор поступают подпиточная вода из химиодоочистки и пар из отбора турбины для поддержания требуемой температуры. В деаэраторе из воды выделяются кислород и углекислый газ, которые вызывают коррозию металла. Питательная вода из деаэратора питательными насосами подается в паровые энергетические котлы (парогенераторы). На пути вода подогревается в регенеративных подогревателях высокого давления. Этот подогрев повышает терминальный кпд цикла. Теплофикационная вода, циркулирующая в системе, нагревается в теплофикацонных подогревателях в теплоприготовительной установке ТЭЦ. Нагрев осуществляется паром, который отбирается из турбины и конденсируется в подогревателях. В нижний подогреватель пар поступает более низкого давления (до 0,2 МПа), чем в верхний (до 0,25 МПа). Конденсат из верхнего подогревателя через конденсатоотводчик поступает в нижний подогреватель и далее конденсатным насосом направляется в питательную линию. В теплофикационных подогревателях вода может нагреться примерно до 120°С (при 0,25 МПа температуpa насыщения 127°С). При низких температуpax наружного воздуха догрев воды до 150°С осуществляется в пиковых котлах. Циркуляцию воды обеспечивают циркуляционные насосы, перед которыми в трубопровод поступает подпиточная вода.
Тепловые сети проектируют в виде двух уровней: магистральные теплопроводы — второй иерархии, уровень и разводящие сети микрорайонов и кварталов — третий иерархический уровень. Магистральные тепловые сети резервируют.
При больших диаметрах тепломагистралей ответвления от них присоединяют дублированным способом с двух сторон секционной задвижки. При отказе участка справа от задвижки теплоноситель движется по ответвлению слева и наоборот. Такое присоединение исключает влияние отказов магистральных теплопроводов на надежность теплоснабжения. Вблизи узла присоединения ответвления к магистральному теплопроводу целесообразно устанавливать районный тепловой пункт — основное сооружение системы теплоснабжения микрорайона, которое обеспечивает автоматическое управление эксплуатациоными и аварийными гидравлическими и тепловыми режимами. Управление осуществляется из диспетчерского пункта с помощью телесистемы. К тепловым сетям микрорайонов и кварталов здания присоединяют через индивидуальные тепловые пункты, группы зданий — через центральные тепловые пункты. Эти сети не резервируют и выполняют тупиковыми, поэтому их диаметры ограничивают величиной в 300—350 мм. В индивидуальных тепловых пунктах устанавливают теплообменники горячего водоснабжения и узел присоединения системы отопления и вентиляции, в центральных также устанавливают подогреватели горячего водоснабжения, но узлы присоединения систем отопления и вентиляции располагают в зданиях. Поэтому от централизованных систем теплоснабжения к зданиям идет четырехтрубная система: две трубы с расчетными температурами 150—70°С на отопление и вентиляцию, одна с температурой 60°С и циркуляционная для горячего водоснабжения.
Надежность функционирования системы тепловых сетей проверяют расчетом. Нормативы надежности в конечном счете определяют долю нерезервированных сетей, степень секционирования и дублирования отдельных элементов системы.