СХЕМЫ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТЕПЛОПРОВОДОВ
Важнейшим фактором осуществления управляемой сети является схема сетей, включая систему первичных контрольно-распределительных пунктов. Простое увеличение диаметра магистралей и перемычек между ними в применяемой ныне схеме сетей не может решить вопроса резервирования. Всякое новое распределение сетевой воды при аварийном режиме должно быть проведено очень быстро (например, за 1—3 ч)., так как иначе оно станет бесполезным. Следовательно, вопрос о количестве пунктов распределения сетевой воды, весьма важный при нормальном режиме работы сети, становится особенно ответственным в режиме аварийном.
Вопросы резервирования в тепловых сетях разрабатывались во ВТИ (Н. М. Зингер) и МИСИ (М. Л. Закс, А. А. Ионин и Т. А. Леонтьева).
В работе ВТИ резервирование предложено производить с сохранением 100%-ного расхода воды потребителям. Для этого увеличиваются диаметры магистралей и перемычек, предусматриваются дополнительные на- сосно-перекачивающие станции. Схемы присоединения потребителей рекомендуются в перспективе независимые, тепловая нагрузка контрольно-распределительных пунктов не указывается. Распределение сетевой воды предполагается с помощью регуляторов постоянства расхода (напора), установленных на вводах.
В работах МИСИ расход подаваемой сетевой воды при резервировании предложено снижать примерно до 0,65 от нормы. Для этого на каждом ЦТП устанавливаются регулятор-ограничитель расхода воды и насос для подмешивания. Средняя нагрузка ЦТП в расчетах принята 12 Гкал/ч.
Каковы основные достоинства и недостатки предложенных методов резервирования?
В методе ВТИ резко возрастает стоимость тепловых магистралей (см. далее). Достоинством метода является ориентация на применяемые регуляторы постоянства расхода (напора) прямого действия, однако точность их работы совершенно недостаточна при изменении режима питания. Замена регуляторов более совершенными значительно увеличит и капиталовложения и трудозатраты на эксплуатацию.
В методе МИСИ весьма заманчиво выглядит снижение расхода циркулирующей воды в сети. Однако для этого необходимо не только установить насосы и регуляторы-ограничители на всех ЦТП, но главное — дополнить их системой автоматического или дистанционного включения.
Средняя тепловая нагрузка ЦТП в настоящее время обычно не превосходит 4—6 Гкал/ч вместо принятой в расчетах МИСИ 12 Гкал/ч. При том и другом методах потребители, подключенные к поврежденной секции тепловой магистрали, отключаются на все время устранения повреждения. Оба предложенных метода не решают и даже не ставят основного вопроса в эксплуатации крупных систем теплоснабжения — вопроса об управлении как в нормальном, так и в аварийном режимах.
Исходя из обоснованных выше положений об управлении крупными тепловыми сетями, их схемы следует строить на следующих основных принципах.
Начиная с 1935 г. обычно декларировалась необходимость четкого деления тепловых сетей на магистральные и распределительные. Однако простое деление сетей задвижками, которыми к тому же запрещено регулировать расход воды, естественно не достигало цели. В результате режим давлений в распределительных сетях, а следовательно, и у потребителей полностью повторял режим в магистралях. В распределительных сетях, подключенных к одним, обычно головным, участкам магистралей после ТЭЦ и насосных, перепады давлений и давления в подающих линиях чрезмерны (см. рис. 4-2), а в присоединенных к другим, обычно концевым, участкам — перепады недостаточны и велики давления в обратных линиях. Таким образом, гидравлические параметры в распределительных сетях резко переменны и, как правило, завышены против необходимых, что ставит повышенные требования к аппаратуре на вводах и к местным системам потребителей.
Если каждый распределительный теплопровод присоединить к магистрали через специальный контрольно - регулировочный пункт, то возможно создать в сетях условия, наиболее благоприятные для потребителей и не зависящие от расположения относительно ТЭЦ или насосной.
Согласно действующим правилам тепловые магистрали секционируются через каждый километр по длине задвижками. Если подключить КРП с обеих сторон секционирующих задвижек, то при кольцевой сети или магистралях с резервными перемычками создастся возможность обеспечения каждого КРП независимо от повреждения любой секции магистрали (рис. 5-2). Потребители будут отключаться только при повреждениях на распределительных сетях. Такие повреждения могут устраняться сравнительно быстро. Следовательно, размеры (нагрузка) КРП и определяют размеры отключения потребителей. Другими словами, тепловая нагрузка КРП определяется тем количеством и составом потребителей, которое будет сочтено возможным отключить при повреждении на распределительной сети.
При радиальной сети надежность каждого узла теплоснабжения убывает по мере его удаления от источника тепла. При радиальной сети с перемычками надежность теплоснабжения каждого КРП в общем случае будет определяться исправностью задвижек в узлах подключения КРП к магистрали и длительностью хода сетевой воды- от ТЭЦ до данного КРП (при повышении температуры во время резервирования магистралей).
Чем больше количество районных КРП, тем больше суммарная стоимость сети. Чем больше количество КРП, тем чаще должны устанавливаться секционные задвижки на магистралях. Увеличивая количество районных КРП, можно придти к схеме с групповыми КРП, но для обеспечения равенства условий каждый групповой КРП должен присоединяться к тепловой магистрали самостоятельно, с двух сторон секционных задвижек. Это в значительной мере удорожает данный вариант, но обоснованное решение в конкретном случае может быть получено путем технико-экономического сравнения и по заданной степени надежности снабжения данного узла.
В качестве первого приближения можно принять, что тепловая нагрузка такого районного КРП для городских районов должна лежать в пределах 30—50 Гкал/ч, что соответствует примерно 5—8 тыс. квартир. Такая нагрузка хорошо сочетается со средней плотностью тепловой нагрузки городских магистралей — около 40 Гкал/ч на 1 км трассы. Вполне допустимо и дальнейшее некоторое увеличение нагрузки КРП. Для аналогии можно указать, что согласно Правилам устройства электроустановок [Л. 22] к первой группе потребителей, требующих двустороннего снабжения, относятся городские районы с числом квартир более 10 тыс.
Плотность тепловой нагрузки по длине магистрали, естественно, не является одинаковой, поэтому колебания в нагрузках районных КРП неизбежны. Однако в целях унификации оборудования будет весьма целесообразно сооружение их производить по типовым проектам для данного города или ТЭЦ. Разумеется, проектная практика внесет определенные коррективы как в размеры, так и другие компоненты КРП. Кроме тепловой плотности, определенное влияние окажут рельеф местности, схемы распределительных сетей после КРП (кольцевая, тупиковая и т. д.), а также необходимая степень надежности.
В Московской теплосети общая длина трассы магистральных теплопроводов диаметром 600 мм и более составляла на начало 1972 г. 290 км и количество установленных на ней секционирующих задвижек — 300 пар. Таким образом, как и указывалось, средняя длина трассы между задвижками составляла около 1 км. Длина теплопроводов диаметром 500 мм по трассе определялась в размере 150 км, а количество установленных задвижек — 270, что дает среднее расстояние между ними немногим более 0,5 км.
Все крупные промышленные предприятия должны присоединяться через свои самостоятельные КРП. Особой, повышенной степени надежности требует целый ряд городских потребителей. К ним относятся лечебные и детские учреждения, теплицы и парники, фабрики- кухни и крупные столовые. Обычно они вкраплены в городские кварталы и не могут быть присоединены непосредственно к КРП, имеющим двустороннее питание. Надежное теплоснабжение таких объектов должно решаться за счет резервирования распределительных сетей или местными источниками тепла.
При указанной нагрузке КРП 30—50 Гкал/ч распределительные сети за К.РП будут иметь радиус действия в пределах 1 км. Небольшой радиус действия позволяет выбрать район действия сетей на одних геодезических отметках, что значительно упрощает требования к гидравлическому режиму сети.
Для создания оптимальных условий присоединения потребителей схема КРП должна давать возможность регулирования давления сетевой воды, ее количества и температуры. На рис. 5-3 приведена примерная схема районного КРП. В КРП предусмотрена установка центробежных насосов на обратной линии. Насосы должны иметь 100%-ный резерв с автоматическим включением и двустороннее электропитание. Предусмотрена установка регуляторов давления на подающей и обратной линиях, регулятора температуры, реле утечки, работающего на принципе разбаланса воды между подающей и обратной линиями, а также приборов контроля и учета воды и тепла. Несинхронное закрытие регуляторов на подающей и обратной линиях КРП может повести к повышению давления в сетях и системах потребителей. Для исключения опасности повреждения чугунных радиаторов отопительных систем в схеме КРП предусматривается установка предохранительного устройства. Аварийная остановка насоса страхуется обратными клапанами.
В практике эксплуатации крупных сетей с большими давлениями в подающих теплопроводах нередки случаи повреждения чугунных радиаторов отопительных систем в связи с неправильным манипулированием задвижками при отключении и включении. Если давление в разводящих сетях после КРП не будет превосходить 6— 7 кгс/см2, эти случаи отпадут. Для контроля за водным режимом, особенно в закрытой системе теплоснабжения, желательна установка на обратных линиях КРП солемеров.
Предусмотренная схема КРП позволяет автоматически:
1) поддерживать постоянным давление в обратной линии Р2;
2) поддерживать постоянным перепад давлений Pi—Рг за КРП. При наличии линии связи можно поддерживать перепад Pi—Р2 в любой точке распределительной сети. Такой вариант наиболее желателен;
3) снижать расход воды из внешней сети, оставляя перепад Pt—Р2 на заданном уровне;
4) снижать температуру воды в сетях за КРП до необходимого уровня путем подмешивания воды из обратной линии. Регулирование температуры воды за КРП путем подмешивания воды из обратной магистрали используется при резервировании. Оно дает возможность подачи по магистралям от ТЭЦ уменьшенного количества сетевой воды при повышенной температуре;
5) отсекать КРП от магистрали при повреждениях как во внутренней, так и внешней сетях. Это локализует поврежденный участок сети и тем снижает возможные потери сетевой воды.
Весьма важной является задача телемеханизации, т. е. сигнализации, контроля и управления КРП. Телемеханизация КРП должна обеспечить: сигнализацию основных неисправностей в работе оборудования; отклонения параметров от заданных; контроль за параметрами теплоносителя и работой оборудования; управление насосами и задвижками; регулировку расхода сетевой воды (воздействием на регулятор давления или на задатчик температуры смешанной воды). Надежная работа оборудования и телемеханизация должны обеспечить работу КРП без постоянного персонала. Опыт такой работы насосно-перекачивающих станций в тепловых сетях уже есть. Наличие телемеханизации в КРП позволяет использовать для управления обратные связи и вплотную подойти к организации системы автоматического управления тепловыми сетями.
Районные КРП должны располагаться в отдельных сухих помещениях, иметь удобный вход и быть совершенно недоступными для посторонних. Весьма желательно объединение КРП с павильонами для секционных задвижек на магистралях. Возможно размещение КРП внутри кварталов с расположением их до первого ответвления к потребителю.
Даже при ровном профиле местности протяженные магистрали должны иметь насосно-перекачивающие станции, особенно на обратных магистралях. При неровном профиле число их растет. В некоторых случаях сетевая вода такими насосами перекачивается 2— 3 раза. Наличие в КРП насосов позволяет избежать сооружения насосных станций на обратных теплопроводах и притом сохранить в прежних размерах расход электроэнергии на перекачку сетевой воды.
Аварийное отключение насосно-перекачивающей станции на обратной линии сети обычно вызывает опасный подъем давления у потребителей, расположенных за ней. Во избежание этого в месте присоединения насосной станции на подающей линии устанавливается клапан рассечки, полностью или частично разделяющий сеть на две части. Быстрое срабатывание клапана рассечки, однако, вызывает гидравлический удар, амплитуда которого тем больше, чем больше скорость воды и длина трубопровода. Нагрузка КРП по отношению к магистрали всегда будет незначительной и отключение КРП практически не будет вызывать каких-либо значительных толчков давления.
На рис. 5-4 показана эволюция схем тепловых сетей. Первой (а) приведена схема сети, обычно принимаемая от квартальной котельной. При тепловой мощности 25— 30 Гкал/ч радиус действия сетей редко превышает 1 км, количество присоединенных зданий 60—75, что дает возможность раздельного присоединения каждого здания. При закрытой схеме теплоснабжения в ряде случаев целесообразна четырехтрубная схема сети с отдельными трубами для горячего водоснабжения. Вторая схема, б, находит широкое применение как в сетях от ТЭЦ, так и от районных котельных. Магистрали имеют нагрузку до 100 Г кал и более. Здесь присоединение зданий к тепловой сети осуществляется через центральные тепловые пункты. Тепловая нагрузка ЦТП обычно составляет 3— 5 Гкал/ч. На третьей схеме, в, показана предлагаемая схема сетей от ТЭЦ большой мощности. На магистрали с тепловой нагрузкой 300—800 Гкал/ч сооружается ряд районных контрольно-распределительных пунктов с тепловой нагрузкой 30—50 Гкал/ч. Радиус сетей, объединяемых таким КРП, будет составлять также около 1 км, а количество зданий будет примерно одинаковым с квартальной котельной. Это принципиально дает возможность применить те же схемы присоединения, что и в сетях от квартальных котельных.
Наличие районных КРП значительно изменяет схему крупных тепловых сетей. На рис. 5-5 приведены три скелетные схемы резервирования тепловых магистралей. Во всех схемах каждый КРП подключается к магистрали с двух сторон секционных задвижек, т. е. в среднем через 1 км. На схеме по рис. 5-5, с показано резервирование двух магистралей, идущих от ТЭЦ. Через каждые 3—4 км магистрали соединяются перемычками большого диаметра. Так как одновременное повреждение обоих трубопроводов (подающего и обратного) тепловой магистрали не наблюдалось (см. гл. 1), то по предложению МИСИ перемычки в целях удешевления можно предусматривать однотрубными, но подключать к обеим трубам каждой магистрали (рис. 5-6).
На первый взгляд может показаться, что в качестве перемычек могут использоваться распределительные сети с увеличением их диаметра. Этот вариант показан на конечном участке схемы рис. 5-5. В этом варианте перемычки будут рабочими и, следовательно, резервные линии — нагруженными. Однако в этом случае придется увеличивать диаметры обеих труб — подающей и обратной. Кроме того, все потребители от таких перемычек должны присоединяться через районные КРП. И то и другое значительно увеличивает стоимость этого варианта и повышает рентабельность применения резервных однотрубных перемычек. Такие перемычки при нормальном режиме сети могут находиться под давлением и при температуре обратной линии и поэтому могут сооружаться бесканально с облегченной тепловой изоляцией и даже без нее. Важной особенностью резервных перемычек является и то, что они, увеличивая длину сетей, вместе с тем не снижают надежность основной схемы питания потребителей, как это имеет место при перемычках двухтрубных.
Как легко понять из рассмотрения приведенных схем, надежность резервирования и работы сетей будет во многом определяться надежностью узлов переключения. Важны механическая прочность и плотность задвижек — они должны быть стальными и устанавливаться на сварке. Электроснабжение должно быть резервированным, электродвигатели и пусковая аппаратура — в тропическом исполнении.
Процесс управления сетью в нормальном и аварийном режимах может быть представлен следующим образом. В нормальном эксплуатационном режиме давление и температура воды в каждой магистрали задаются диспетчером раздельно. При задании давления учитывается необходимость поддержания определенного давления в «контрольной точке» данной магистрали, в качестве каковой выбирается КРП с наиболее неблагоприятным гидравлическим режимом. Необходимое давление в подающей магистрали на выводах ТЭЦ поддерживается автоматически. Это наиболее целесообразно выполнять путем регулирования числа оборотов сетевого насоса. Возможно применение обводного регулирования. Давление в обратной магистрали ТЭЦ должно поддерживаться переменным в зависимости от расхода циркулирующей воды по «контрольному» КРП. Это особенно необходимо в открытых системах теплоснабжения, где переменная величина разбора воды из обратной магистрали значительно изменяет давления в ней.
Температура воды, подаваемой в магистраль с ТЭЦ, задается диспетчером по температуре наружного воздуха, но с учетом протяженности магистрали (время «хода» воды) и режима работы КРП. Температура воды должна задаваться с учетом покрытия как графика нагрузки горячего водоснабжения, так и выработки электрической энергии. Режим давлений в подающей и обратной линиях за КРП может поддерживаться регуляторами либо постоянным, либо так же, как и на ТЭЦ, по «контрольным» абонентским вводам. Давление может изменяться диспетчером дистанционно с целью корректировки режима.
Температура воды, подаваемой в распределительные сети за КРП, может быть одинаковой с ТЭЦ или быть ниже ее по дистанционной корректировке диспетчером. При протяженной сети возможность дистанционной корректировки температуры подаваемой воды используется при резких изменениях погодных условий.
Для автоматического контроля параметров теплоносителя на ТЭЦ и в КРП может быть использовано устройство централизованного контроля. Устройство периодически в заданном ритме проводит опрос всех КРП и сигнализирует диспетчеру обо всех отклонениях параметров от заданных значений. Точное соблюдение авторегуляторами заданного режима работы во всех КРП, коррекция этого режима по «контрольным» точкам (обратная связь) и автоматический контроль за режимом создают полную возможность точного распределения циркулирующей воды по установкам потребителей.
В индивидуальных и групповых тепловых пунктах режим теплоснабжения поддерживается регуляторами температуры: воды — на горячее водоснабжение, воздуха — в приточной вентиляции, воздуха — в отапливаемых помещениях. Авторегуляторы в тепловых пунктах работают в узких пределах давлений и поэтому могут выбираться наиболее простыми по принципу действия. В нормальном режиме магистрали работают раздельно , что позволяет определить по показаниям расходомеров на ТЭЦ ту магистраль, на которой появилось повреждение. При закрытой системе теплоснабжения это может также сигнализировать реле утечки, установленное на выводах ТЭЦ. Если повреждение велико и утечка воды в таком размере недопустима, то по разрешению диспетчера теплосети персонал ТЭЦ должен остановить соответствующую частъ сетевых насосов и затем отключить поврежденную магистраль. Одновременно закрываются все секционные задвижки на сети, КРП автоматически отключаются от внешней сети и переводятся на автономную работу.
После выявления и отключения секционными задвижками поврежденной секции магистрали включаются резервирующие перемычки и включаются в работу неповрежденные секции магистрали и все КРП. Расход воды в сети и в КРП устанавливается сниженный в зависимости от давления в концевых точках сети. Одновременно в целях компенсации недоотпуска тепла при сниженном расходе воды соответственно повышается температура подаваемой с ТЭЦ воды, а на КРП включаются смесительные перемычки и с помощью регуляторов устанавливается нужная для данного периода температура воды в сетях за КРП. При повреждениях на распределительных сетях КРП отключаются автоматически с помощью реле утечки с одновременной сигнализацией диспетчеру.
Выше была рассмотрена лишь принципиальная схема построения магистральных сетей и установлены их основные технологические особенности. Однако для того, чтобы доказать приемлемость новой схемы, необходимо определить ее основные технико-экономические показатели и сравнить их с показателями по другим предложенным схемам.
Теперь уже бесспорно, что точное сравнение вариантов может быть получено лишь путем детальной проектной проработки и всякие сравнения по удельным показателям имеют весьма приближенный характер. Именно в этих целях были выполнены расчеты по сравнению вариантов на примере типовой магистральной сети. В качестве таковой была в первом расчете принята идеализированная сеть, изображенная на рис. 5-5, о.
Как известно, выбор типового случая, другими словами, модели для технико-экономического сравнения может в целом ряде случаев иметь решающее значение для его результата. Как видно из рис. 5-5, а, длина радиальной магистрали от ТЭЦ принята 16 км, что исходит из типовой ситуации сооружения протяженного теплопровода начальным диаметром 1 200 мм с тепловой нагрузкой около 700 Г кал 1ч (16 КРП по 40 Гкал/ч плюс тепловые потери в сетях) от мощной ТЭЦ, расположенной на окраине крупного города. Удельный расход сетевой воды принят равным 12,5 т на присоединенную 1 Гкал/ч, повреждение — на подающих линиях.
Первоначально были определены диаметры радиальной сети. Схема сети и график пьезометрических линий приведены на рис. 5-7. Располагаемый напор на выводах ТЭЦ принят 155—10=145 м, в конце магистральной сети 80—45=35 м\ примерно в середине сети предусмотрено сооружение насосно-перекачивающей станции с напором 52 м. Диаметры магистралей: на головных участках—1200 мм, в концевых — 600 мм. Материальная характеристика двух магистралей составляет 58000 м2, а примерная стоимость их прокладки в непроходных каналах при сухих грунтах в ценах 1970 г. с учетом двух насосно-перекачивающих станций составит около 21 млн. руб., или 16,5 тыс. руб. на присоединенную 1 Гкал/ч. Фактическая стоимость сооружения тепловых магистралей в крупных городах на 15—20% выше, так как часть непроходных каналов прокладывается с сопутствующими дренажами, а пересечение железных дорог и основных городских магистралей проводится закрытыми щитовыми проходками.
На рис. 5-8 показана та же магистральная сеть, но с добавлением четырех перемычек. Перемычки предусмотрены в местах изменения диаметров труб. Так как расстояние между магистралями 2 км, то общая длина перемычек составляет 8 км. Размещение и диаметры перемычек определены расчетом. Насосно-перекачиваю- щие станции на магистралях исключены, в результате чего давление в обратных теплопроводах возросло (условия работы сетей после КРП см. далее). Диаметры основных сетей оставлены без изменения. Из-за прокладки перемычек материальная характеристика магистральных сетей в целом возросла на 5 200 ж2, или на 9%, а стоимость сетей — примерно на 10%.
Данный расчет кольцевой сети, так же как и последующие, проводился на ЭЦВМ БЭСМ-4 по программе потокораспределения, разработанной в Сибирском энергетическом институте СО АН СССР.
На рис. 5-9 представлены пьезометрические графики при повреждениях на подающем теплопроводе на участках 1, 5, 9 и 13. Расход сетевой воды во всех вариантах принят одинаковым и равным 70%, хотя в вариантах в и г он мог быть несколько увеличен. Графики показывают, что режим давлений вполне удовлетворителен и, следовательно, диаметры магистралей и перемычек выбраны правильно.
Теоретически возможно этот же метод применить и в индивидуальных тепловых пунктах, особенно при наличии независимых схем присоединения для систем отопления. Однако на нормальное функционирование такой сложной системы вряд ли можно рассчитывать. Такой сетью невозможно управлять. Возможно, конечно, .как это и рекомендовано ВТИ, рассчитывать магистральные теплопроводы на 100% расчетного расхода. Мы ранее отмечали высокую стоимость этого варианта.
Нельзя не отметить возможности раздельного решения двух отмеченных задач. Надо иметь в виду, что решение первой задачи — понижение давления в обратных линиях—связано с постоянной и весьма надежной работой насосных агрегатов, а это влечет значительное усложнение схемы электроснабжения (два независимы источника питания с автоматическим переключением и пр.). В то же время работа при резервировании будет являться редкой и, как правило, кратковременной. Это позволяет понизить требования к надежности электроснабжения (но не к качеству оборудования), а следовательно, и затраты на сооружение и эксплуатацию.
Принцип организации крупных контрольно-распределительных пунктов наиболее трудно осуществить в уже действующих сетях при их реконструкции. Как уже отмечалось выше, в эксплуатируемых сетях обычно от магистралей осуществлено большое количество ответвлений сравнительно небольшого диаметра. Сооружение КРП на каждом таком ответвлении вызовет не только значительные затраты, но и большие трудности в размещении отдельных зданий для них. Очень возможно, что в отдельных случаях практически будет легче увеличить пропускную способность магистралей, доведя ее до 100% при резервировании, чем соорудить КРП по полной типовой схеме. Однако и в этом случае сооружение КРП должно предусматриваться с той разницей, что в них не будет необходима установка циркуляционных насосов. В этом случае можно попытаться разместить КРП либо в хорошо изолированных подземных Камерах, либо даже в подвалах зданий. Главная трудность при размещении КРП в подземных камерах — это предохранение от затопления грунтовыми и особенно «техническими водами» при повреждениях водопровода, водостока, канализации и самого теплопровода.
Самой простой для действующих сетей будет схема КРП с установкой одних измерительных приборов (регистрирующих расходомеров и термометров). Такие контрольные пункты, сооружаемые на всех ответвлениях с мелкими потребителями, весьма благотворно повлияют при проведении и нормальных и аварийных режимов.
Громов Н. К. Городские теплофикационные системы. М., «Энергия», 1974
