Системы теплоснабжения и теплопотребления. Практикум

П. В. Ротов, М. А. Ротова, Р. А. Гафуров







            СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ И ТЕПЛОПОТРЕБЛЕНИЯ ПРАКТИКУМ


Учебное пособие


















Москва Вологда
« Инфра-Инженерия» 2023

УДК 697.34
ББК 31.38
     Р79



Рецензенты:
директор филиала «Ульяновский» ПАО «Т Плюс» кандидат технических наук Феткуллов М. Р.;
заведующий кафедрой теплогазоснабжения и вентиляции им. В. И. Шарапова Ульяновского государственного технического университета кандидат технических наук Замалеев М. М.

    Ротов, П. В.
Р79       Системы теплоснабжения и теплопотребления. Практикум : учебное
     пособие / П. В. Ротов, М. А. Ротова, Р. А. Гафуров. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 200 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-1334-3

          Рассмотрены основы проектирования и эксплуатации систем теплоснабжения и теплопотребления, рассмотрены принципиальные схемы и режимы работы, сведения по оборудованию и приборам для автоматизации инженерных систем. Разработаны лабораторные работы по системам теплоснабжения и теплопотребления. Приведены методические указания по решению практических задач.
          Для студентов, обучающихся по направлению 08.03.01 «Строительство», профилей «Теплогазоснабжение и вентиляция» и «Управление и эксплуатация систем жилищно-коммунального хозяйства», изучающих дисциплины, связанные с системами теплоснабжения.

УДК 697.34
ББК 31.38










ISBN 978-5-9729-1334-3

     © Ротов П. В., Ротова М. А., Гафуров Р. А., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

        ОГЛАВЛЕНИЕ


ВВЕДЕНИЕ........................................................5
Раздел 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ И ТЕХНОЛОГИЯХ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ НАГРУЗКИ...................6
1.1. Виды систем теплоснабжения.................................6
1.2. Схемы присоединения теплопотребляющих установок............7
к тепловым сетям централизованной системы теплоснабжения........7
  1.2.1. Схемы присоединения систем отопления к тепловым сетям.7
  1.2.2. Схемы присоединения установок горячего водоснабжения к тепловым сетям.............................................12
1.3. Способы регулирования отпуска теплоты.....................16
1.4. Уравнение тепловой характеристики теплообменных аппаратов.18
1.5. Характеристика систем отопления...........................20
  1.5.1. Назначение и период действия отопления. Основные элементы системы отопления............................................20
  1.5.2. Классификация систем отопления........................22
  1.5.3. Сравнение систем отопления по виду теплоносителя......24
  1.5.4. Отопительные приборы..................................28
  1.5.5. Виды трубопроводов и способы их соединения............34
  1.5.6. Выбор и размещение отопительных приборов..............45
Раздел 2. ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА...............................48
2.1. Описание лабораторной установки...........................48
2.2. Изучение схемы лабораторной установки.....................55
Раздел 3. ОБОРУДОВАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ..................57
Раздел 4. УЧЕТ И УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ....................................................88
4.1. Общие сведения об автоматизации системы теплопотребления..88
Технологический процесс как объект управления..................88
4.2. Задачи управления технологическими процессами.............89
4.3. Узел учета и управления технологическими параметрами......89
4.4. Методика осуществления коммерческого учета................93
тепловой энергии, теплоносителя................................93
  4.4.1. Учет тепловой энергии на теплоисточниках..............93
  4.4.2. Учет тепловой энергии в тепловых сетях................96
  4.4.3. Учет тепловой энергии, теплоносителя у потребителей в закрытой системе теплоснабжения............................96
  4.4.4. Учет тепловой энергии, теплоносителя у потребителей в открытой системе теплоснабжения............................97
  4.4.5. Учет тепловой энергии на ЦТП..........................98
  4.4.6. Требования к метрологическим и эксплуатационным характеристикам приборов учета...............................99
Раздел 5. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ................................102
5.1. Лабораторная работа № 1. «Пусковые мероприятия»..........102

3

5.2. Лабораторная работа № 2. «Изучение работы реле давления и соленоидного клапана»..........................................105
5.3. Лабораторная работа № 3. «Изучение принципа действия мембранного расширительного бака»................................107
5.4. Лабораторная работа № 4. «Изучение принципа работы предохранительно-сбросных устройств».............................113
5.5. Лабораторная работа № 5. «Контроль и регистрация основных параметров»......................................................117
5.6. Лабораторная работа № 6. «Определение объема тепловой энергии систем теплоснабжения»...........................................123
5.7. Лабораторная работа № 7. «Определение погрешности результатов измерений».......................................................126
5.8. Лабораторная работа № 8. «Определение значения фактического коэффициента теплопередачи поверхностного теплообменника»........129
5.9. Лабораторная работа № 9. «Определение режимных параметров работы смесительной установки»...................................133
5.10. Лабораторная работа № 10. «Изучение принципа работы редуцирующих устройств»......................................136
Раздел 6. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ...............................140
Раздел 7. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ.............144
7.1. ТЕПЛОВОЕ ПОТРЕБЛЕНИЕ....................................144
  7.1.1. Тепловое потребление зданий.........................144
  7.1.2. Тепловое потребление районов городов и других населенных пунктов....................................................147
7.2. Тепловые характеристики теплообменных аппаратов и установок.149
7.3. Режимы регулирования систем теплоснабжения..............152
  7.3.1. Центральное регулирование отопительной нагрузки.....152
  7.3.2. Центральное регулирование по совмещенной нагрузке...156
  отопления и горячего водоснабжения в открытых системах.....156
  теплоснабжения.............................................156
  7.3.3. Центральное регулирование по совмещенной нагрузке...163
  отопления и горячего водоснабжения в закрытых системах.....163
  теплоснабжения.............................................163
7.4. Гидравлический расчет тепловых сетей....................167
7.5. Пьезометрический график.................................172
7.6. Подбор оборудования системы теплоснабжения..............179
ПРИЛОЖЕНИЯ...................................................186
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.....................................194

4

        ВВЕДЕНИЕ


     Настоящее учебное пособие предназначено для теоретического и практического изучения схем, оборудования и режимов работы систем теплоснабжения и теплопотребления, а также решение задач, связанных с проектированием и эксплуатацией этих инженерных систем.
     Для обучения основам теплоснабжения на кафедре «Теплогазоснабжения и вентиляции» разработан и смонтирован лабораторный стенд, содержащий необходимое оборудование для производства, транспортировки, передачи, преобразования и учета тепловой энергии и теплоносителя.
     В учебном пособии рассмотрены теоретические основы теплоснабжения, подробно описано оборудование лабораторного стенда, приведен комплекс лабораторных работ для получения студентами практических навыков эксплуатации изучаемых систем, рассмотрены вопросы охраны труда и техники безопасности.
     Учебное пособие включает в себя практикум с заданиями по теплоснабжению.
     Учебное пособие предназначено для обучения студентов высших учебных заведений по направлению 08.03.01 «Строительство», профилей «Теплогазо-снабжение и вентиляция» и «Управление жилищно-коммунальным хозяйством».

5

Раздел 1


ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ И ТЕХНОЛОГИЯХ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ НАГРУЗКИ

        1.1. Виды систем теплоснабжения

     Под термином «теплоснабжение» понимается обеспечение потребителей тепловой энергией [1]. Термин «система теплоснабжения» обозначает совокупность взаимосвязанных энергоустановок, осуществляющих теплоснабжение города, района, предприятия [1].
     Основными элементами системы теплоснабжения являются теплоисточник - тепловая электрическая станция или котельная, тепловые сети, абонентские установки потребителей.
     Теплоисточник является определяющим элементом системы теплоснабжения: его мощность и место расположения влияют на тип, линейные размеры, оборудование остальных элементов системы теплоснабжения. В зависимости от размещения теплоисточника системы теплоснабжения бывают централизованные и децентрализованные.
     Особенностью децентрализованных систем является то, что теплоисточник располагается в непосредственной близости от приемников тепловой энергии (потребителей). В таких системах протяженность тепловых сетей, как правило, невелика, что позволяет осуществлять транспорт теплоносителя практически без теплопотерь. В свою очередь децентрализованные системы теплоснабжения, согласно классификации, принятой в [2, 3], подразделяются на индивидуальные и местные. В индивидуальных системах теплоснабжения теплоисточник предназначен для снабжения тепловой энергией отдельного помещения. В местных системах от теплоисточника осуществляется теплоснабжение отдельного здания. Примером индивидуальной системы может служить система поквартирного отопления и горячего водоснабжения, где в качестве теплоисточника выступает настенный газовый котел. Такие системы на практике встречаются довольно редко, что обусловлено необходимостью дополнительных капитальных вложений при строительстве таких систем. Так, размещение настенных газовых котлов в каждом помещении здания требует устройства дополнительных вытяжных и приточных каналов, противопожарного водопровода, установки повысительных насосов на вводе водопровода в здание для бесперебойной работы газовых котлов.
     Местные системы, в отличие от индивидуальных, получили более широкое распространение в отечественном теплоснабжении. В настоящее время существует большая номенклатура отечественных и импортных бытовых котлов малой мощности, которые могут быть использованы в местных системах в качестве теплоисточников.


6

     Для применения как местных, так и индивидуальных систем теплоснабжения необходимо подробное технико-экономическое обоснование путем сравнения с централизованными системами теплоснабжения.
     В централизованных системах теплоснабжения теплоисточник и тепло-приемники (абоненты) расположены, как правило, на значительном расстоянии. Наличие крупных систем транспорта теплоты, протяженность которых может превышать 10 км, является отличительной особенностью централизованных систем от местных или индивидуальных. Существенными недостатками крупных систем транспорта теплоты являются значительные теплопотери, обусловленные, как правило, несовершенством существующих конструкций тепловой изоляции теплопроводов, и инерционность систем теплоснабжения: при изменении температуры сетевой воды на теплоисточнике транспортное запаздывание у наиболее удаленных потребителей может составлять несколько часов.
     Важным элементом централизованных систем теплоснабжения являются тепловые пункты - тепловые узлы, предназначенные для распределения теплоносителя по видам теплового потребления.
     В тепловом пункте размещают оборудование, арматуру, приборы контроля, управления и автоматизации, с помощью которых осуществляются [1]: преобразование вида теплоносителя или изменение его параметров; контроль параметров теплоносителя; учет тепловой энергии, расходов теплоносителя и конденсата; регулирование расхода теплоносителя и распределение его по системам теплопотребления; защита местных систем от аварийного повышения параметров теплоносителя; заполнение и подпитка систем теплопотребления; сбор, охлаждение, возврат конденсата и контроль его качества; аккумулирование тепловой энергии; водоподготовка для систем горячего водоснабжения.
     Тепловой пункт, обслуживающий два или более зданий, называется центральным тепловым пунктом.

        1.2.   Схемы присоединения теплопотребляющих установок к тепловым сетям централизованной системы теплоснабжения

     Теплопотребляющая установка - комплекс устройств, использующих теплоту для отопления, вентиляции, горячего водоснабжения и технологических нужд [1].
     Схема присоединения абонентских установок к тепловым сетям определяется тепловой нагрузкой, температурным и пьезометрическим графиком работы системы теплоснабжения.
     В отечественных системах теплоснабжения преобладающей является отопительная нагрузка, поэтому, в первую очередь, рассмотрим схемы присоединения к тепловым сетям систем отопления.

    1.2.1. Схемы присоединения систем отопления к тепловым сетям

     При проектировании систем отопления в качестве теплоносителя в них используют, как правило, воду, температуру которой принимают согласно СНиП [4].

7

Например, в системах отопления жилых и общественных зданий температура теплоносителя (воды) не должна превышать 95 °C.
     В системах водяного отопления с трубопроводами из полимерных материалов параметры теплоносителя (температура, давление) не должны превышать 90 °C и 1,0 МПа, а также допустимых значений для установленного класса эксплуатации труб и фитингов по ГОСТ Р 52134 или рабочего давления и температурных режимов, указанных в документации предприятий-изготовителей.
     Определяющими факторами при выборе схемы подключения системы отопления являются температурные и гидравлические условия работы тепловых сетей. В зависимости от этого системы отопления присоединяют к тепловым сетям по зависимой или независимой схемам.
     При зависимой схеме присоединения гидравлические условия работы тепловых сетей оказывают непосредственное влияние на системы отопления. В этом случае применяется либо непосредственное присоединение систем отопления жилых и общественных зданий к тепловой сети (если позволяет температурный график работы системы теплоснабжения), либо через смесительную установку (рис. 1.1, 1.2).
     Зависимое присоединение отопительных установок по схеме рис. 1.1, а применяют, как правило, в системах отопления промышленных предприятий. Такая схема применима также в жилых и общественных зданиях, если температура воды в подающей магистрали теплосети не превышает 95-105 °C.

Рис. 1.1. Зависимые схемы присоединения систем отопления к тепловым сетям: а - непосредственное присоединение; б - элеваторное присоединение;
1 - подающий трубопровод; 2 - обратный трубопровод; 3 - отопительные приборы; 4 - манометр; 5 - термометр; 6 - грязевик; 7 - запорная арматура (задвижка); 8 - воздушник; 9 - сужающее устройство, счетчик жидкости;
10 - элеватор (струйный насос)

     Если температура сетевой воды в подающей магистрали теплосети превышает 105 °C и располагаемый напор на вводе достаточен для работы струйного насоса - элеватора (10-15 м вод. ст.), то систему отопления присоединяют к теп

8

лосети по схеме, представленной на рис. 1.1, б. В этом случае необходимая температура воды, поступающей в систему отопления, достигается за счет смешения в элеваторе высокотемпературной сетевой воды из подающей магистрали с обратной водой из системы отопления.
     При зависимом присоединении качество теплоснабжения во многом зависит от качества изготовления и монтажа элеватора. При изготовлении элеваторов с особой тщательностью следует следить за соосностью сопла и камеры смешения, за качеством обработки внутренних поверхностей сопла и камеры смешения. Не выполнение этих требований может привести к снижению КПД струйного насоса, увеличению потерь напора, засорению сопла элеватора и, как следствие, к нарушению циркуляции в системе отопления.
     Основной характеристикой элеватора является коэффициент смешения (коэффициент инжекции), который представляет собой отношение расхода подсасываемой (инжектируемой) элеватором воды к расходу воды через сопло элеватора. Значение коэффициента смешения и можно определить из уравнения теплового баланса элеватора:


и =

Ь - Т3 ' ' ,
Т 3- Т2

(1.1)



где Т‘1 - расчетная температура сетевой воды в подающей магистрали тепловой сети, °C; т‘2 - расчетная температура обратной сетевой воды, °C; т’з - расчетная температура воды в системе отопления, °C.
     Минимальный располагаемый напор, который должен быть перед элеватором для создания расчетного коэффициента смешения, определяется по формуле:


Hₙₙₙ=1,4h(1 + u)²,


(1.2)

где h - величина расчетных гидравлических потерь в отопительной системе, м.
     Потеря напора в сопле элеватора в десятки раз превышает потерю напора в отопительной системе. Поэтому основным сопротивлением местной системы является сопротивление сопла элеватора, которое при коэффициенте скорости сопла ф1 = 0,95 составляет


S _AhP_        1    _ 7,05 1
Snn  w2    ~ 4?2хл2 ₁П3 л4 ,
VP   2gfp1^1   ¹⁰ dp1


(1.3)

где Ahp - напор, теряемый в сопле элеватора; Vp - расход сетевой воды через сопло элеватора; fp1 - площадь сечения сопла; ф1 - коэффициент скорости; dp1 -диаметр сечения сопла элеватора.
     Из уравнения (1.3) следует, что сопротивление элеватора зависит от его геометрических размеров (диаметра сечения сопла), коэффициент смешения, со

9

здаваемый элеватором, является величиной неизменной. При постоянном коэффициенте смешения расход воды в системе отопления изменяется пропорционально расходу сетевой воды через сопло элеватора, т. е. при прекращении подачи сетевой воды в сопло элеватора циркуляция воды в местной системе прекратится.
     Избежать этого можно, если установить на абонентском вводе вместо элеватора смесительный насос (рис. 1.2). При аварийном отключении тепловой сети такой насос осуществляет циркуляцию воды в системе отопления, что предотвращает ее замораживание в течение довольно длительного времени (8-12 часов) [2, 3].
     При необходимости смесительный насос может быть установлен на подающем или обратном трубопроводах системы отопления. В первом случае насос, кроме смешения, выполняет функции повысительного насоса, во втором случае -циркуляционного насоса.


Рис. 1.2. Зависимое присоединение системы отопления к тепловым сетям с насосным смешением: обозначения 1-9 те же, что на рис. 1.1, 10 - смесительный насос

     Смесительные насосы устанавливаются, как правило, в местных тепловых пунктах, поэтому к ним предъявляются повышенные требования по виброшумовым характеристикам. Немаловажным критерием подбора смесительных насосов являются также их габаритные размеры.
     Преимуществом смесительного насоса перед струйным насосом является повышение надежности работы системы отопления, обеспечение циркуляции воды в системе отопления при недостаточном располагаемом напоре на вводе, возможность автоматического регулирования расхода воды и гидравлической защиты системы отопления.
     Достоинством зависимой схемы присоединения является простота и относительно невысокая стоимость абонентских установок по сравнению с независимой схемой. Кроме того, при зависимом присоединении в абонентской установке может быть получен больший, чем при независимом присоединении, перепад температур сетевой воды, что способствует снижению расхода воды в теплосети

10

и, соответственно, уменьшению диаметров трубопроводов теплосети и снижению капитальных затрат в тепловые сети.
      Основным недостатком зависимых схем присоединения отопительных установок является влияние гидравлического режима работы тепловых сетей на режим работы системы отопления. Отопительные приборы имеют, как правило, пониженную механическую прочность по сравнению с другими элементами системы теплоснабжения. Например, предел механической прочности чугунных радиаторов составляет 6 кгс/см², стальных радиаторов - 10 кгс/см². Превышение этих пределов может привести к авариям в абонентских установках. Низкая механическая прочность отопительных приборов существенно снижает надежность работы и усложняет эксплуатацию крупных систем теплоснабжения, что объясняется наличием большого количества абонентов с разнородной тепловой нагрузкой и протяженных систем транспорта теплоты. Существенным недостатком зависимой схемы присоединения с элеваторным смешением является также невозможность применения местного регулирования тепловой нагрузки системы отопления, так как при изменении расхода сетевой воды через элеватор может произойти прекращение циркуляции воды в системе отопления, опрокидывание циркуляции или опорожнение системы отопления.
      Независимое присоединение систем отопления позволяет исключить влияние гидравлического режима теплосети и влияние суточной неравномерности нагрузки горячего водоснабжения на работу систем отопления. Применение независимых схем присоединения обусловлено повышением требований к надежности теплоснабжения, а также всевозрастающей долей строительства зданий повышенной этажности. Согласно [6] по независимой схеме допускается присоединять системы отопления и вентиляции зданий с числом этажей 12 и выше, а также при обосновании системы отопления и вентиляции других потребителей теплоты. Независимая схема присоединения системы отопления представлена на рис. 1.3.


Рис. 1.3. Независимая схема присоединения системы отопления
к тепловым сетям: обозначения 1-8 те же, что на рис. 1.1;
9 - водо-водяной подогреватель; 10 - циркуляционный насос

      Основным элементом независимой схемы присоединения является промежуточный теплообменник - водо-водяной подогреватель, в котором вода, циркулирующая в системе отопления, нагревается до необходимой температуры.


11

В качестве греющей среды в таком теплообменнике используется сетевая вода. Циркуляция воды в системе отопления осуществляется при помощи насоса.
     При независимом присоединении систем отопления требуются дополнительные капиталовложения в системы теплоснабжения и несколько усложняется эксплуатация оборудования тепловых пунктов и абонентских установок за счет появления дополнительных элементов: промежуточного теплообменника и циркуляционного насоса. Кроме того, при независимой схеме присоединения система теплоснабжения должна работать по повышенному температурному графику для компенсации недогрева воды в промежуточном теплообменнике.
     Несмотря на недостатки, независимая схема присоединения отопительных установок обладает целым рядом преимуществ, основным из которых является существенное повышение надежности работы систем теплоснабжения. В системе теплоснабжения появляется возможность поддерживать уровень давлений, превышающий допустимый по условиям механической прочности отопительных приборов, что очень важно для крупных систем транспорта теплоты. Повышается также надежность работы систем отопления за счет исключения возможности опорожнения. Возможность применения местного регулирования при независимом присоединении позволяет повысить качество работы отопительных установок за счет исключения колебаний температуры внутреннего воздуха отапливаемых помещений относительно значений, определенных СНиП и санитарно-гигиеническими нормами.

    1.2.2. Схемы присоединения установок горячего водоснабжения к тепловым сетям

     По схеме присоединения установок горячего водоснабжения системы теплоснабжения разделяют на открытые и закрытые (рис. 1.4 и 1.5).
     Открытая водяная система теплоснабжения - система теплоснабжения, в которой вода, циркулирующая в тепловой сети, частично или полностью отбирается из системы потребителями теплоты [1] (рис. 1.4).
     Закрытая водяная система теплоснабжения - система теплоснабжения, в которой вода, циркулирующая в тепловой сети, используется только как теплоноситель и из сети не отбирается [1] (рис. 1.5).
     Качество воды, подаваемой на хозяйственно-питьевые нужды, как холодной, так и горячей, должно отвечать требованиям ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая». В соответствии с требованиями СанПиН 2.1.4.2496-09 [5] температуру горячей воды в местах водоразбора следует принимать 1г = 60-75 °С независимо от типа системы.
     В отечественном теплоснабжении широкое распространение получили как закрытые, так и открытые системы. Каждая из этих систем имеет свои достоинства и недостатки.
     Основные достоинства закрытых систем: санитарная надежность; стабильность гидравлического режима; ограниченная подпитка на теплоисточнике; быстрое обнаружение повреждений теплосети по увеличению величины подпитки.


12