Партнерский проект с компанией Руспроектэксперт

Тел.: 8-495-771-14-07

Проектирование


ВВЕДЕНИЕ

Системы централизованного теплоснабжения стали в городах СССР такими же обычными, как и системы электро-, газо- и водоснабжения, которые возникли задолго до появления первых источников централизованного теплоснабжения и тепловых сетей.

В первые роды системы централизованного теплоснабжения развивались преимущественно как теплофикационные. Начало теплоснабжения городов от ТЭЦ в СССР принято считать по времени пуска первой тепловой сети от Ленинградской ГЭС № 1 в конце 1924 г. Таким образом, длительность существования городских тепловых сетей к настоящему времени примерно в 2—2,5 раза меньше, чем других инженерных сетей в городах — электрических, газовых, водопроводных.

В последнее десятилетие наряду с развитием ТЭЦ широкое распространение получили котельные как средней (20—40 Гкал/ч), так и большой мощности (150 Гкал/ч и более). Темпы развития систем централизованного теплоснабжения весьма велики. Только от ТЭЦ общего пользования, входящих в систему Минэнерго, в 1970 г. было отпущено 507 млн. Г кал тепла, что в 39 раз превосходит уровень 1940 г. По данным Промэнергопроекта [Л. 10] всего за 1970 г. системами централизованного теплоснабжения было отпущено свыше 670 млн. Гкал тепла.

Наряду с быстрым ростом количества систем централизованного теплоснабжения современный период их развития характеризуется также ростом их мощностей. Такое развитие особенно характерно для теплофикационных систем и объясняется процессом укрупнения мощностей ТЭЦ как по причинам экономического характера, так и из-за больших трудностей размещения ТЭЦ в городах.

Теперь уже далеко не редкими являются ТЭЦ с тепловой мощностью более 1000 Гкал/ч и тепловые сети от них с радиусом действия, превышающим 10 км при диаметре на головных участках 1000 мм и более. Так, например, в Москве девять городских ТЭЦ имеют установленную тепловую мощность более 13 тыс. Гкал/ч. Из 38 тепловых магистралей, отходящих от ТЭЦ, диаметр 1000 мм и более имеют И, а радиус действия более 10 км — 8 магистралей.

Развитие централизованного теплоснабжения приносит народному хозяйству СССР громадную экономию топлива. Только за счет комбинированной выработки тепла и электроэнергии на ТЭЦ Минэнерго за 1970 г. получена экономия условного топлива в размере, превышающем 20 млн. т. Каждая отпущенная 1 Гкал тепла позволяет, например, на Московских ТЭЦ выработать на тепловом потреблении около 400 квт-ч электроэнергии и сэкономить тем самым около 80 кг условного топлива. Удельная выработка на тепловом потреблении будет расти и дальше по мере роста удельного веса ТЭЦ на параметрах 130—240 кгс/см2 и снижения среднего уровня температуры греющего пара из отборов турбин.

Велико значение систем централизованного теплоснабжения в деле повышения производительности общественного труда. Вытеснение профессии кочегара домовой котельной наряду с повышением производительности труда обеспечивает улучшение условий труда, рост профессиональной квалификации.

Все большая централизация источников тепла позволяет располагать их преимущественно в промышленных и подсобных зонах, в отдалении от жилой застройки. Этим достигается более тесная увязка интересов теплоснабжения и благоустройства, снижается вредное влияние выбросов золы и серы на заселенные территории. Однако в большинстве крупных городов централизация теплоснабжения не превосходит пока 40—50%; одновременно производится массовое жилищное, коммунальное и промышленное строительство. Отсюда ясны перспективы интенсивного роста крупных систем теплоснабжения. Только по Москве мощность ТЭЦ за 1971—1975 гг. должна вырасти на 8000 Гкал/ч.

Концентрация тепловых нагрузок в сравнительно небольшом количестве крупных городов хорошо видна из данных Промэнергопроекта [J1. 10].

Таблица показывает, что наряду с общим значительным ростом теплового потребления городов (более, чем на 70%) будет происходить дальнейшая концентрация тепловых нагрузок. Количество городов с единичной тепловой нагрузкой свыше 1 тыс. Гкал/ч возрастет с 88 в 1970 г. до 172 в 1980 г. Их тепловая нагрузка соответственно увеличится с 230 тыс. до 506 тыс. Гкал/ч, г. е. более чем в 2,2 раза. Удельный вес крупных городов в суммарной тепловой нагрузке возрастет к 1980 г. до 61,4 % по сравнению с 48,3 % в 1970 г. Таким образом, концентрацию тепловых нагрузок нужно рассматривать как устойчивую тенденцию развития.


Быстрый рост количества и, особенно, мощности систем централизованного теплоснабжения городов значительно острее ставит теперь вопросы качества теплоснабжения. Если в целом качество теплоснабжения от централизованных систем выше, чем от домовых и групповых котельных, то запросы жителей по этому показателю также выросли и будут несомненно расти. В этом отношении достаточно привести пример с подачей горячей воды на бытовые нужды.

Если при домовых котельных подача горячей воды обычно производилась только в ограниченные часы суток и даже не ежедневно, то в системах централизованного теплоснабжения даже в летнее время горячая вода должна подаваться круглосуточно. Выросли и растут требования к продолжительности отопительного периода.

Изменился и сам характер потребителей тепла. До 1950 г. водяные сети в городах удовлетворяли, как правило, только нужды отопления зданий и установки горячего водоснабжения имели крайне незначительное распространение. В настоящее же время нет ни одной городской тепловой сети, от которой в той или иной степени не удовлетворялись бы нужды бытового горячего водоснабжения. В новых городах установки горячего водоснабжения имеют все, а в старых городах — большинство зданий.

В последние годы начался этап широкого распространения установок приточной вентиляции и кондиционирования воздуха. Если прежде такие установки имели применение, и притом ограниченное, лишь на промышленных предприятиях, то теперь они начали широко применяться в общественных зданиях. Например, от Московских ТЭЦ в 1970 г. горячее водоснабжение на бытовые нужды получало около 60% теплофицированных зданий присоединенная тепловая нагрузка установок приточной вентиляции и кондиционирования составляла более 10% от суммарной. Установки приточной вентиляции особенно чувствительны к подаче тепла.

При развитии крупных систем выявился и целый круг потребителей, для которых совершенно недопустимы перерывы в подаче тепла. Это прежде всего лечебные учреждения со стационарами, затем школы-интернаты и столовые с большим количеством посадочных мест и, наконец, промышленные предприятия. По аналогии с электрическими сетями такие потребители должны быть отнесены ко второй категории, для которой перерыв в подаче тепла допустим лишь на время, необходимое для включения резервного питания.

Изменение характера тепловых потребителей вместе с отмеченным выше увеличением диаметров и радиуса действия сетей, естественно, изменили не только режим работы сетей, но и требования к надежности подачи тепла. Чем более длинным становится путь транспорта тепла от ТЭЦ (котельной) до потребителя, тем в общем случае менее надежным становится его теплоснабжение; чем больше диаметр теплопровода, тем больше времени необходимо на ликвидацию повреждения на нем. Вопросы повышения надежности теплоснабжения в целях простоты изложения можно условно разделить на две части, а именно: на вопросы бесперебойности подачи гспла потребителям и вопросы режима подачи, т. е. соответствия режима подачи тепла от источника по тепловой сети режиму, необходимому или наиболее желательному для потребителя.

Каждая система централизованного теплоснабжения состоит из пяти элементов: генератора тепла, теплоприготовительной установки, тепловой сети и насосных станций, тепловых пунктов и, наконец, местных систем — отопления, вентиляции и горячего водоснабжения. Чтобы обеспечить бесперебойную подачу тепла, все указанные элементы должны обладать необходимой надежностью.

В общем виде надежность может быть обеспечена техническим совершенством смонтированного сооружения или его резервированием, либо тем и другим одновременно. Важную роль в надежности играет эксплуатация устройства, т. е. система наблюдения и частичной замены изношенных элементов.

Как же на современном этапе выглядит надежность названных элементов систем теплоснабжения?

В целях экономии средств при коммунальной тепловой нагрузке современные котельные сооружаются без резерва, а мощность котлов на ТЭЦ выбирается с таким расчетом, чтобы при выходе из работы одного из них оставшиеся котлы, включая пиковые, могли обеспечить средний за наиболее холодный месяц отпуск тепла на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение. Таким образом, в обоих случаях тепловая мощность остающихся в работе генераторов тепла составляет всего 60—70% от максимума тепловой нагрузки, соответствующего расчетной температуре наружного воздуха для отопления. Такая величина подачи тепла, конечно, совершенно недостаточна для обеспечения нормального теплоснабжения, если учесть, что ремонт котла обычно занимает не менее трех-четырех суток. Чтобы исключить это, энергетические и пиковые водогрейные котлы должны работать без остановки на ремонт в течение трехчетырех холодных месяцев отопительного сезона, что пока практически недостижимо.

Анализ работы котлов в такой крупной теплофикационной системе, как Московская (86 энергетических и 44 водогрейных котла), показывает, что в течение периода декабрь — февраль останавливается на безотлагательный ремонт ежегодно 53 энергетических (61%) и 11 водогрейных (24%) котлов. Неточность современного прогнозирования наружной температуры не позволяет планировать остановку котлов в кратковременные периоды теплой погоды. Таким образом, для надежного обеспечения подачи тепла на ТЭЦ следует иметь резервную тепловую мощность в виде дешевых водогрейных котлов. Наличие резерва позволит вместе с тем обеспечивать во всех случаях и максимально возможную электрическую мощность ТЭЦ. Так же должен рассматриваться вопрос и о необходимости резервных котлов во всех видах коммунальных котельных — домовых, квартальных и районных. Этим самым источники тепла будут поставлены в равные условия при различных технико-экономических сравнениях.

Основное оборудование теплоприготовительных установок ТЭЦ состоит из подогревателей и сетевых насосов. Кроме того, большое влияние на надежность работы оказывает мощность водоочистительной установки и деаэраторов. Согласно Нормам технологического проектирования ТЭС и тепловых сетей [Л. 21] резервные подогреватели не устанавливаются, а количество сетевых насосов устанавливается в расчете: один резервный на пять рабочих. Хотя практика эксплуатации не показала большой аварийности сетевых насосов, все же значение их для поддержания гидравлического режима настолько велико, что должно учитываться. Так, например, на Московских ТЭЦ в период 1970—1971 гг. находилось в эксплуатации 226 сетевых подогревателей и 171 сетевой насос. Из этого количества в отопительный период 1970 г. требовало ремонта 35% подогревателей и 47% насосов, в отопительный период 1971 г.— соответственно 39 и 43%.

Очень важно резервировать водоочистительную установку подачей технической воды, особенно при ликвидации крупных повреждений, связанных со спуском больших масс воды из сети. В практике работы Московских ТЭЦ были нередки случаи подачи технической воды в размере 1 ООО т/ч и более.

На современном этапе наружные тепловые сети (наружные теплопроводы от ТЭЦ или котельной до тепловых пунктов) являются наиболее слабым звеном всей цепи теплоснабжения. Причин этого положения две — ненадежность применяемых конструкций подземных теплопроводов и отсутствие резервирования. В современных конструкциях подземных теплопроводов (непроходной канал или бесканальная прокладка) главные недостатки— совершенно неудовлетворительная антикоррозийная защита наружной поверхности труб, недостаточная защищенность от воды и ремонтопригодность, низкое качество электрооборудования, применяемого в сырых камерах с высокой температурой. При протяженных теплопроводах стали необходимыми насосно-перекачивающие станции. Выключение их из работы обычно связано с резкими нарушениями режима работы сети и опасностью разрушения установок потребителей. Надежность их работы — электроснабжение, резервирование агрегатов, защита и автоматика — пока недостаточны.

Нормы строительного проектирования СНиП 11-Г. 10-62 прямо предписывают, что схемы тепловых сетей применяются, как правило, тупиковые, т. е. радиальные, без резерва. Дублированные или кольцевые схемы разрешается применять только при теплоснабжении промышленных предприятий, не допускающих перерывов в подаче тепла.

При тупиковых магистралях большого диаметра и протяженности повреждение основного трубопровода вызывает отключение многих сотен жилых и общественных зданий на продолжительный срок до двух-трех суток, парализует жизнь большого района города. Рекомендация о применении радиальных схем с трудом пригодна лишь для теплопроводов малых и средних диаметров с тепловой нагрузкой не более 30—50 Гкал/ч (50—100 зданий). Она могла базироваться на предпосылке абсолютной надежности конструкций подземных теплопроводов либо не ответственного характера коммунальных потребителей. Практика эксплуатации между тем показывает высокую повреждаемость подземных теплопроводов, в том числе и больших диаметров, и большое значение бесперебойной подачи тепла для жизни города.

Как указывалось выше, четвертым элементом цепи теплоснабжения являются тепловые пункты. Прежде они были исключительно индивидуальными и располагались и подвалах зданий. Изредка применялись групповые пункты, на 2—3 здания. В последние годы широкое распространение получили центральные пункты, объединяющие теплоснабжение 8—15 зданий. При закрытой схеме теплоснабжения в этих пунктах обычно располагаются подогреватели горячего водоснабжения и насосы горячего и холодного водоснабжения, установка которых в подвалах жилых зданий запрещена из-за неудовлетворительных шумовых характеристик насосов и двигателей. При центральных пунктах между ними и зданиями сооружаются соединительные, также подземные, теплопроводы, которые имеют те же недостатки, что и наружные сети. Особо следует отметить быструю коррозию труб горячего водоснабжения при закрытой схеме теплоснабжения. Они страдают от наружной коррозии, как и обычные теплопроводы, и от внутренней коррозии из-за активного воздействия растворенного кислорода.

Как в индивидуальных, так и центральных пунктах наиболее уязвимым видом оборудования является центробежный насос. Причин этого много — низкое качество, плохой монтаж, отсутствие электрической защиты и включения резервного агрегата. По указанным причинам эксплуатационный персонал всеми способами старается освободиться от насосов — в системах отопления перейти на смешение с элеваторами, не включать циркуляционные насосы и пр. Между тем задача высококачественного регулирования на тепловых пунктах сетей не может быть решена без помощи центробежных насосов. Потребность в бесшумном, надежном и экономичном насосном агрегате в тепловых сетях весьма велика.

Чем больше радиус действия тепловой сети, чем более неровен профиль местности и больше насосно-перекачивающих станций в сети, тем больше возможных случаев колебания давления в обратных магистралях и, следовательно, в системах отопления, присоединенных по зависимой схеме. Отсюда опасность повреждения чугунных радиаторов, а иногда сгонов и мелких труб, пораженных коррозией. Одним из эффективных способов борьбы с повреждениями местных систем отопления является перевод их на независимое присоединение (через подогреватель). Весьма эффективно также применение вместо чугунных радиаторов стальных конвекторов, рассчитанных на давление 9—12 кгс/см2.

Говоря о надежности отдельных элементов, мы в основном касались лишь вопросов конструкции, т. е. вопросов проектных. Однако велико также значение и качества строительных и монтажных работ. От добросовестного выполнения антикоррозийной изоляции, сварочных работ, сооружения дренажей и т. п. во многом зависит надежность последующей работы всей системы теплоснабжения. То же следует сказать и о постановке эксплуатации. Систематическое и добросовестное наблюдение и своевременный ремонт могут предотвратить многие повреждения. Наличие хорошей эксплуатационной базы, имеющей машины, механизмы и тренированный персонал, может предотвратить повреждения и свести к минимуму время ликвидации появившихся повреждений. Во многих случаях именно хороший и, к сожалению, многочисленный эксплуатационный персонал исправляет ошибки проектировщиков, недоделки и брак строителей. Путь этот ведет, однако, к пониженной производительности общественного труда, к сверхурочной, неритмичной работе и потому недопустим.

Перейдем ко второй группе вопросов надежности — режиму подачи тепла.

Здесь сложными вопросами являются- выбор температурного графика и точное распределение циркулирующей воды по протяженной сети. Форма температурного графика решается просто лишь при однородной тепловой нагрузке. В этом случае при нагрузке только горячего водоснабжения может подаваться вода примерно постоянной температуры в диапазоне 65—75 °С, а при нагрузке только отопления — вода с температурой по отопительному графику. Максимальная температура подаваемой воды во втором случае выбирается по технико-экономическому расчету, в котором, с одной стороны, учитывается экономика выработки тепла на ТЭЦ, с другой— затраты по тепловой сети. Если график при отопительной нагрузке учитывает теплоотдачу радиаторов или конвекторов, то график при нагрузке приточной вентиляции должен быть ориентирован на теплоотдачу калориферов.

Таким образом, все три вида тепловой нагрузки сетей требуют различной формы температурного графика. Обычно эти противоречия разрешаются следующим образом: принимается отопительный график со срезкой при минимально необходимой температуре для установок горячего водоснабжения 60—70 °С. Такая форма графика предполагает, что установки горячего водоснабжения и приточной вентиляции должны иметь автоматические регуляторы температуры. Регуляторы тем более необходимы, что та и другая нагрузки имеют неравномерный характер по часам суток.

Нагрузка горячего водоснабжения уже в настоящее время составляет 15—20% по среднесуточной величине и 30—40% от суммарного максимума, что значительно увеличивает расход сетевой воды и диаметры сетей. Стремление к снижению диаметров сетей привело первоначально к применению предвключенных подогревателей горячего водоснабжения (выравнивание максимума горячего водоснабжения за счет использования теплоаккумулирующей способности отапливаемых зданий), а затем к внедрению последовательных двухступенчатых схем горячего водоснабжения и повышенного температурного графика. При открытых системах теплоснабжения эти же условия повлекли за собой применение скорректированных графиков температур. По первоначальному замыслу расход сетевой воды при этом графике равен расходу на отопление, а температурная надбавка к отопительному графику определяется по соотношению нагрузки горячего водоснабжения и отопления. Такая форма графика удобна для протяженных сетей не только из-за снижения среднего диаметра теплопроводов, но и в связи со стабилизацией расхода сетевой воды по вводам потребителей, а следовательно, и по сети в целом. Однако фактический расход сетевой воды при таком графике превышает указанный, а слишком тесная взаимосвязь между режимом горячего водоснабжения и отопления при последовательной двухступенчатой схеме горячего водоснабжения в ряде случаев при умеренных температурах наружного воздуха нарушает интересы отопления.

Практика также показывает большое разнообразие как удельных расходов воды на одного жителя, так и соотношения нагрузок горячего водоснабжения и отопления, что подрывает саму основу возможности применения повышенного графика температур.

Нельзя не отметить и принципиального несовершенства применяемых в настоящее время однотрубных систем отопления и групповых систем горячего водоснабжения. Недостатки первых приводят к большой неравномерности в температурах воздуха в отапливаемых помещениях. Эти недостатки особенно усугубляются плохим качеством применяемых регулировочных кранов и самовольными увеличениями поверхности нагревательных приборов в квартирах. В протяженных системах горячего водоснабжения крайне ненадежно организована циркуляция, часто наблюдаются перебои в подаче горячей воды, особенно на верхние этажи.

Чем больше радиус действия тепловой сети и больше используемый перепад давления, тем меньше ее гидравлическая устойчивость и тем сильнее возрастает необходимость в регуляторах для точного распределения расхода воды, в устройствах по защите потребителей от повиышеиных давлений.

В отличие от других городских сетей — электрических, гизовых и водопроводных — тепловые сети работают с принудительным регулированием расхода сетевой воды. Это объясняется, тем что изменение расхода сетевой поды по сравнению с нормой не равнозначно изменению в расходе тепла. Так, при расчетном перепаде температур в тепловой сети 80 °С повышение расхода сетевой воды против нормы на 50% вызывает повышение расхода тепла на отопление только на 14%, а на 100% — всего на 23%. При средней температуре наружного воздуха минус 5°С превышение расхода воды на 50% будет прирост температуры воздуха в помещениях всего на 3°С. В то же время снижение расхода сетевой воды против нормы на 50% приводит к сокращению подиви тепла на 65%, что совершенно недопустимо.

Так как каждая тепловая сеть рассчитывается на определенный расход тепла, а удельный расход сетевой воды определяется по расчетному температурному графику, то какое-либо значительное превышение потребителям установленной нормы автоматически (при полностью загруженной сети) приводит к недодаче воды другому потребителю.

Гидравлический режим водяной тепловой сети — это криологический процесс, соблюдение режима — закон работы. Принципиально соблюдение любого заданного режима может быть получено с помощью авторегуляторов. Но даже возможность обеспечения тепловых пунктов необходимыми авторегуляторами не снимает вопроса о разработке и проведении такого температурного и гидравлического режима, который бы в максимально возможной степени снижал требования к сложности устройства регуляторов, позволял бы проводить постепенное их внедрение на абонентских вводах. Не располагая pегуляторами, работники тепловых сетей стремятся к стабилизации расхода сетевой воды с помощью ограничительных устройств—диафрагм и сопл. При ежегодном росте количества потребителей, постепенном строительстве и вводе в эксплуатацию . сетей такой метод весьма трудоемок, так как требует весьма частой замены ограничительных устройств. Трудоемкость снижается, если ограничительные устройства применяются на групповых пунктах. Снижение трудоемкости тем больше, чем крупнее групповые пункты, но нагрузка этих пунктов должна быть неизменной.

Принципиально здесь возникает вопрос о разделении протяженной тепловой сети на секции со стабилизацией гидравлического режима в секциях, об отделении распределительных сетей от магистралей. В этом случае как бы ни изменялся гидравлический режим в магистралях, в головных точках распределительной сети режим может сохраняться неизменным. Стабилизация режима давлений в головной точке распределительной сети вместе с тем не исключает возможности переменного расхода воды на вводах потребителей и в самой сети. Для этого в головных точках распределительной сети должны быть сооружены контрольно-распределительные пункты, оснащенные устройствами авторегулирования, контроля и защиты. Сооружение таких пунктов позволит совершенно по-новому организовать управление крупными сетями.

Особенно сложным и практически нерешенным остается метод регулирования в теплый период отопительного сезона, когда температура воды в тепловой сети имеет минимальную величину 60—70°С. Длительность этого периода составляет обычно 1000—1500 ч и перерасход тепла на отопление может достигать при отсутствии местного регулирования на вводах 2—4% от годового. Технико-экономические расчеты вместе с тем показывают, что применение сложных и дорогих авторегулирующих устройств для снятия перегрева на каждой отопительной системе нерентабельно. Здесь так же, как и при стабилизации гидравлического режима, задача регулирования в эти периоды может быть решена лишь путем устройства крупных распределительных пунктов.

Трудность этих вопросов особо усложняется тем, что при их решении должна быть соблюдена высокая экономичность сооружения и эксплуатации всех устройств. Следует указать на определенный разрыв между работами (научно-исследовательскими, экспериментальными и проектными) энергетических организаций по ТЭЦ и тепловым сетям и организаций строительного профиля — по местным системам и устройствам. Так, энергоснабжающие предприятия в целях снижения расчетного расхода сетевой воды и диаметра теплопроводов проводят выравнивание расхода тепла на горячее водоснабжение ш счет систем отопления, а строительные перешли исключительно на однотрубные системы отопления, весьма чувствительные к нерасчетным режимам работы. Параметры систем отопления совершенно одинаковы как в дорогих протяженных сетях с тысячами потребителей, так и с индивидуальными котлами. Те и другие организации совершенно недостаточно занимаются вопросами автоматического регулирования подачи тепла.

Громов Н. К. Городские теплофикационные системы. М., «Энергия», 1974

Экспертиза

на главную