ПОТРЕБИТЕЛЬ—ТЕПЛОВАЯ СЕТЬ—ТЭЦ
Рост тепловых мощностей ТЭЦ, радиуса действия тепловых сетей, расширение круга разнородных потребителей в значительной мере усложнили гидравлический и тепловой режимы работы сетей, потребовали большего согласования интересов основных звеньев. Согласование интересов звеньев нужно в равной степени как для создания необходимой надежности теплоснабжения, так и для повышения его экономичности. Необходимость такого согласования требует определенных, часто весьма значительных изменений в технике передачи и регулирования отпуска тепла. В принципе эти изменения должны быть тем больше и значительнее, чем больше радиус действия сетей, чем разнороднее круг потребителей тепла. Согласование интересов трех основных звеньев цепи теплоснабжения вызывает необходимость изменений и в каждом из двух вспомогательных звеньев — теплоприготовительной установке ТЭЦ и, особенно, тепловом пункте потребителя.
Техническая структура теплоснабжающей системы и режим ее работы должны быть получены в результате оптимизации всех ее звеньев. Всякое нарушение этого принципа ведет к потерям в народном хозяйстве даже в том случае, если это и дает какую-то выгоду одному из звеньев цепи. Если расчетные параметры отборов турбин на ТЭЦ, тепловой сети и установок потребителей не согласованы между собой, это всегда вызовет неоправданное увеличение расчетных затрат. Нарушение в подаче тепла на ТЭЦ, неправильное распределение циркулирующей воды по сети, завышение расхода воды потребителем неизбежно вызывают потери топлива.
ТЭЦ и тепловая сеть создаются для теплоснабжения потребителя. Потребитель—главное звено в цепи теплоснабжения, его интересы и потребности должны быть учтены в первую очередь. Но интересы потребителя не однозначны, они различны для различных видов потребления. В какой-то степени различны интересы потребителей даже внутри одного вида потребления; так, системы отопления с радиаторами и с конвекторами, системы воздушного отопления с калориферами требуют различного графика подачи тепла. Наиболее просто рассмотреть возможные принципиальные схемы и режим систем теплоснабжения, начиная с источника тепла. ТЭЦ как источник тепла заинтересована, во-первых, в наибольшей загрузке отборов греющего пара и притом при наименьшем давлении, во-вторых, в наибольшей увязке теплового и электрического графика нагрузки. По мере роста теплоснабжающих систем растет количество ТЭЦ, а отсюда по условиям топливоснабжения и ремонта оборудования растет и потребность во взаимосвязанной работе отдельных ТЭЦ, в текущем перераспределении тепловых нагрузок между ними.
Полная загрузка отборов пара на ТЭЦ, основа ее экономичной работы, определяется, как известно, быстрым набором присоединенной тепловой нагрузки потребителей. Основное значение здесь имеет, конечно, точное плановое согласование сроков ввода оборудования на ТЭЦ, сооружения магистральных и распределительных сетей, строительства объектов теплоснабжения и присоединения их к тепловым сетям. В крупных системах теплоснабжения, в которых работает несколько ТЭЦ, широкое применение может получить способ временной передачи тепловых нагрузок с одной ТЭЦ на другую для более быстрого набора нагрузки вновь введенного оборудования( см. гл. 4).
При большом удельном весе ТЭЦ в покрытии графика электрических нагрузок все более необходимой становится разгрузка ТЭЦ ночью и максимальное использование ее мощности в часы электрического максимума.
На рис. 5-1 приведены в качестве примера графики нагрузок системы Мосэнерго за рабочие сутки в зимний и летний периоды.
Вообще говоря, график тепловой нагрузки городских потребителей при значительной доле горячего водоснабжения и вентиляции совпадает по конфигурации с графиком нагрузки электрической. Однако его покрытие ТЭЦ зависит от принятой системы теплоснабжения. При открытой системе увеличение разбора воды потребителями практически мгновенно (при отсутствии аккумуляторов) восполняется ТЭЦ, поднимая ее тепловую нагрузку. В ночные часы водоразбор и тепловая нагрузка ТЭЦ резко снижаются. В закрытой системе при современной системе центрального регулирования с постоянным расходом воды колебания в расходе тепла на бытовые нужды вызывают соответствующее повышение тепловой нагрузки ТЭЦ только через несколько часов. Таким образом, графики тепловой и электрической нагрузки при этом уже не совпадают.
Потребитель — главное звено в цепи теплоснабжения, заинтересован в точном совпадении графика подачи тепла с графиком потребления. Чем более совпадают графики, тем проще схема теплового пункта. Это относится полностью к нагрузке вентиляции, к нагрузке горячего водоснабжения (из-за отсутствия аккумуляторов) и в определенной степени — к нагрузке отопления. По мере снижения абсолютного веса строящихся зданий, увеличения процента остекления снижается их аккумулирующая способность и, следовательно, растут требования к точности соответствия подачи и потребления гепла и на отопление.
При водяных сетях потребитель заинтересован в подаче ему нужного количества воды с нужной температурой. Потребитель заинтересован в стабильности режима давлений На своем вводе, в том, чтобы пределы возможного диапазона давлений лежали в сравнительно узкой зоне. Эти прёделы для зданий в 5—12 этажей можно оценить как 2,5—4,0 кгс/см2 в обратной линии и не более 5—6,5 кгс/см2 в подающей (здания высотой более 12 этажей следует присоединять через подогреватели). Всякое превышение этих давлений неизбежно ведет к росту стоимости применяемого оборудования, к повышению опасности при разрывах и повреждениях.
Протяженные тепловые сети, работающие с центральным регулированием при постоянном расходе воды, как ясно из предыдущего изложения, не могут решить задачу полноценного обеспечения теплом потребителя и обеспечить интересы ТЭЦ. Прежде (см. гл. 1) мы установили, что для этого нужно применить резервирование. Теперь мы приходим к выводу, что необходимо изменить температурный и гидравлический режимы сетей с тем, чтобы в наибольшей степени увязать взаимные интересы ТЭЦ, тепловых сетей и потребителей. Для этого прежде всего необходимо сделать тепловые сети управляемыми.
Каждая большая система, в том числе и теплоснабжающая, для нормального функционирования должна обладать управляемостью. Под управляемостью здесь понимается свойство системы, позволяющее выбирать и проводить режим ее функционирования в зависимости от различных условий. В теплоснабжающих системах управляемость определяется возможностью согласованного изменения режима работы всех трех основных элементов, ее составляющих,—ТЭЦ, тепловой сети и установок потребителей. В водяных системах теплоснабжения режим работы потребителя и всей системы в целом определяется количеством циркулирующей и поступающей на разбор (при открытой схеме теплоснабжения) сетевой воды и ее температурой. Выбор режима системы в данный момент, следовательно, связан с необходимостью изменения этих основных параметров. Естественно, что необходимый в данный момент вариант может быть и не оптимальным по соображениям экономики. Если теплоснабжающая система должна работать лишь по одному наперед заданному режиму работы и не может работать по другому необходимому в данный момент режиму, она является неуправляемой.
Необходимость в изменении режима ТЭЦ и сетей возникает практически ежедневно. Это — изменение тепловой нагрузки ТЭЦ в связи с неравномерным графиком нагрузки электрической, резервирование одного участка сети другим для ремонта и профилактики, резервирование одной ТЭЦ другой ТЭЦ или котельной во время планового и непланового ремонта основного оборудования. Чем крупнее и разветвленнее тепловая сеть, чем разнообразнее круг ее потребителей, тем больше возникает потребностей в изменении режима работы, тем большие требования к управляемости.
В настоящее время лишь ТЭЦ потенциально приспособлена к изменениям режима работы. Тепловые сети и потребители пока могут работать лишь с определенным, заранее рассчитанным, постоянным в течение суток гидравлическим режимом. Тепловой режим сетей (температура подаваемой воды) должен соответствовать температуре наружного воздуха. Какой бы график регулирования ни применялся — по отопительной или по суммарной нагрузке отопления и горячего водоснабжения, часовой график подачи сетевой воды в закрытой сети или суточный график в открытой сети сохраняется практически постоянным. Компенсация количества подаваемой воды ее температурой невозможна. Также невозможны сколько-нибудь значительные изменения в абсолютных давлениях воды или в перепаде давлений, так как это немедленно отражается на режиме распределительной сети и вызывает нарушения в теплоснабжении потребителей.
Широкий круг разнообразных потребителей тепловых сетей объективно требует переменного по часам суток и дням недели режима работы сети. Невозможность работы современных сетей по этому графику покупается ценой потери экономичности (повышение температуры возвращаемой на ТЭЦ сетевой воды) и невозможностью полного использования электрической мощности теплофикационных турбогенераторов в утренние часы.
Гидравлическая неуправляемость тепловых сетей особенно проявляется в сетях закрытых, что связано с подачей тепла на бытовые нужды через подогреватели. В сетях открытых график водоразбора вызывает незамедлительно изменения в тепловой нагрузке ТЭЦ (с учетом баков-аккумуляторов горячей воды). Однако и в этих сетях влияние периодической работы установок приточной вентиляции будет проявляться весьма значительно. у
Управление тепловой сетью возможно лишь через гидравлический режим. Возможность регулирования гидравлического режима, т. е. возможность точного распределения сетевой воды по установкам потребителей в широком диапазоне вариантов работы ТЭЦ и тепловых магистралей полностью обеспечивает и управляемость тепловой сети в целом.
Гидравлическая управляемость тепловой сети определяется тремя факторами:
1. Наличием авторегуляторов в первичных по ходу воды контрольно-регулировочных пунктах (КРП). При наличии хорошо работающих авторегуляторов всякая сеть будет гидравлически управляемой.
2. Гидравлической устойчивостью самой тепловой сети. Чем меньше гидравлическая устойчивость, тем меньше управляемость сети при прочих равных условиях.
3. Количеством первичных КРП. Чем меньше количество КРП, тем легче управлять такой сетью.
О схемах сетей чаще всего говорят, как о взаимосвязи тепловых магистралей, отходящих от ТЭЦ; отсюда понятия радиальная сеть, радиальная сеть с перемычками, кольцевая сеть. Ясно, что одного такого определения для полной характеристики тепловой сети недостаточно. Тепловая сеть создается не только для транспорта теплоносителя, но и для правильного его распределения по потребителям. А такое распределение зависит не только от взаимосвязи магистралей, но и от количества и схем устройства пунктов распределения теплоносителя.
Намечая, проектируя и сооружая тепловую сеть, необходимо не только определить рациональную конфигурацию самой сети, но и систему распределения воды, размещение, размеры и схему тех контрольно-распределительных пунктов, по которым первично будет распределяться теплоноситель. В дальнейшем этот теплоноситель будет доведен до отдельных систем и их элементов, но прежде всего должен быть решен вопрос о первоначальном распределении воды, именно от него зависит степень управляемости сети. Чем больше размер тепловой сети, тем большее значение приобретают эти вопросы.
В идеализированном виде возможны две принципиально отличные схемы сетей.
Первая — это обезличенная сеть, к которой параллельно друг другу подключаются все потребители, независимо от их тепловой нагрузки. В качестве такого потребителя может быть как любое отдельное коммунальное здание, так и комплекс из них, объединенный общим запроектированным тепловым пунктом. По такому принципу проектируются тепловые сети в настоящее время. Потребители, как правило, присоединяются к распределительным сетям, но сами распределительные сети имеют тот же режим работы, что и тепловые магистрали.
Вторая — секционированная сеть, в которой каждая распределительная сеть, отходящая от тепловой магистрали, составляет как бы самостоятельную секцию со своим гидравлическим (а в необходимых случаях и своим тепловым) режимом. Для создания самостоятельного режима в точке ответвления распределительной сети сооружается специальный контрольно-распределительный пункт. Все потребители подключаются только к распределительным сетям.
Управление режимом системы в первом случае должно производиться через местные тепловые пункты в зданиях, во втором — в основном через районные КРП, количество которых может быть, например, в 100 раз меньше, чем индивидуальных тепловых пунктов. Вполне естественно, что принципиально управляемость сети второго типа будет значительно выше, чем первого. Конечно, установки авторегуляторов в зданиях избежать нельзя и во второй схеме. Например, нельзя не иметь авторегуляторов на вводах горячего водоснабжения, на установках приточной вентиляции. Несомненно, потребуют в дальнейшем установки регуляторов и системы отопления. Однако между авторегуляторами, необходимыми для обезличенной и секционированной схем, всегда будет большая разница. Разница в рабочих давлениях для запорных органов регуляторов и отсюда в их стоимости. Разница в принципе устройства и действия: большие колебания в давлении теплоносителя будут вызывать дополнительные элементы при обезличенной схеме сети. В секционированной сети авторегуляторы на вводах в зданиях могут быть принципиально проще по схеме устройства и их установка может быть отнесена на более поздний срок (на вводах отопления).
Принципиально каждый тепловой пункт является контролъно-регулировочным, так как в этом и состоит его основное назначение. В соответствии с количеством объединяемых коммунальных зданий КРП могут быть разделены на следующие условные группы: индивидуальные, обслуживающие 1 здание; групповые на 5—10 зданий; районные на 50—150 зданий. При закрытой системе теплоснабжения в индивидуальных и групповых КРП обычно устанавливаются подогреватели горячего водоснабжения (индивидуальный и центральный тепловые пункты в современной терминологии). Принципиально такое совмещение может быть выполнено и в районном КРП. Однако такое совмещение для групповых и районных КРП не является обязательным.
Необходимость организации групповых и районных КРП определяется прежде всего масштабами тепловой сети, главным образом радиусом действия, количеством, сложностью схемы и надежностью выпускаемых авторегуляторов. При прочих равных условиях очень важно разместить регуляторы в меньшем количестве пунктов и обеспечить удобные условия для их обслуживания. С точки зрения обслуживания, контроля и ремонта лучше иметь десять авторегуляторов в одном помещении, чем три в разных.
При отсутствии, недостаточном количестве или недостаточной надежности авторегуляторов, что характерно для настоящего времени, гидравлическая управляемость тепловой сети определяется гидравлической устойчивостью сети, количеством и характеристикой примененных КРП. Характеристика примененных КРП также влияет на количество и сложность авторегуляторов: применение районных и групповых КРГ1 снижает или даже полностью исключает применение некоторых видов авторегуляторов, необходимых на индивидуальных КРП, дает возможность постепенного внедрения таких авторегуляторов. Необходимость и характеристика авторегуляторов также зависят от гидравлической устойчивости тепловой сети. Чем более устойчива сеть, тем стабильнее в нормальных условиях ее гидравлический режим, тем меньше необходимость в авторегуляторах гидравлического режима и проще конструкции авторегуляторов теплового режима, например регуляторов температуры воды на бытовые нужды, на калориферах приточной вентиляции.
Гидравлическая устойчивость радиальной сети У чаще всего определяется соотношением между потерей давления в концевом КРП АРкрп (включая ответвление к нему от сети АР0тв) и потерей давления в наружных сетях АР с и КРП:
Чем больше величина У, тем устойчивее сеть.
Здесь и далее устойчивость радиальной тепловой сети определена по наиболее «дальнему» в гидравлическом отношении узлу. Принципиально наиболее правильно определять устойчивость каждого узла тепловой сети отдельно. Для каждого такого узла в зависимости от его расположения относительно ТЭЦ и насосно-перекачивающих станций устойчивость будет различной. Чем ближе к ТЭЦ или насосно-перекачивающей станции (на стороне с повышенным перепадом давлений), тем , больше будет устойчивость данного узла. Однако с учетом различной устойчивости отдельных узлов наиболее протяженная сеть все же имеет и наибольшее количество узлов с пониженной устойчивостью. Именно с этой позиции здесь и далее употребляется термин «гидравлическая устойчивость» в целом для тепловой сети.
Максимальную устойчивость имеет сеть, в которой все КРП подключены непосредственно от коллектора ТЭЦ, где отсутствуют потери давления.
Чем меньше радиус действия тепловой сети, тем при прочих равных условиях возможно обеспечить большую гидравлическую устойчивость сети. И, наоборот, при большом радиусе действия тепловой сети практически нет возможности обеспечить достаточную гидравлическую устойчивость сети. В табл. 5-1 определены коэффициенты гидравлической устойчивости У для четырех типовых случаев. Как видно из таблицы, гидравлическая устойчивость сети значительно падает в зависимости от
радиуса ее действия, несмотря на снижение удельных потерь на трение в протяженных трубопроводах.
В тепловой магистрали от квартальной котельной с радиусом действия 1 км коэффициент устойчивости составляет 0,7, что позволяет обойтись двумя ступенями регулирования — на источнике тепла и в индивидуальном КРП . В тепловых магистралях от районных котельных и ТЭЦ малой мощности с радиусом действия 2—3 км это коэффициент при сохранении двух ступеней регулирования снижается до 0,55, в сетях от ТЭЦ средней мощности с радиусом действия 5—7 км — до 0,42 и, наконец, в сетях ТЭЦ большой мощности с радиусом действия 20—25 км — даже до 0,27.
В первом приближении можно принять (см. далее), что для обеспечения управляемости тепловой сети при отсутствии авторегуляторов устойчивость сети не должна быть ниже 0,7—0,75. В этом случае уже во второй типовой сети (от районной котельной) необходимо перейти к трем ступеням регулирования, применяя дополнительно к индивидуальным КРП также групповые. Такая схема трехступенчатого регулирования нашла широкое применение как в сетях закрытых (ЦТП с подогревателями горячего водоснабжения), так и в открытых — групповые пункты с регуляторами давления.
При организации регулирования через групповые КРП значительно сокращается количество пунктов регулирования для распределения расхода сетевой воды по внешней сети. Так, для тепловой магистрали от ТЭЦ средней мощности пункты первоначальной регулировки сокращаются с 400—500 до 40—70, т. е. в 8—-10 раз.
Однако применение трехступенчатого регулирования с групповыми и индивидуальными КРП, как показывает табл. 5-1, при сетях большого радиуса действия также недостаточно (У=0,33). При такой крайне низкой устойчивости ручное регулирование на групповых КРП становится весьма трудным, а количество их очень значительным. Фактическое положение в современных крупных системах, как показывает табл. 5:1, значительно хуже, так как в действующих сетях наряду с ЦТП работают многочисленные самостоятельные индивидуальные КРП.
Управление тепловой сетью, особенно большой и разветвленной, невозможно без обратной связи. Даже при стабильном гидравлическом режиме диспетчеры тепловой сети обычно периодически получают по телефону информацию о параметрах теплоносителя из контрольных абонентских вводов. При переменном гидравлическом режиме такая ограниченная обратная связь, конечно, совершенно недостаточна. Она, во-первых, должна быть быстродействующей и, во-вторых, более значительной по количеству контрольных точек. Этим требованиям может в наибольшей степени отвечать система телеконтроля и телесигнализации об отклонении параметров от заданных пределов.
Громов Н. К. Городские теплофикационные системы. М., «Энергия», 1974
