Ионин - Теплоснабжение (1982)

Теплоснабжение.

А.А. Ионин, 1982.

Рассмотрены централизованные системы теплоснабжения городов и промышленных предприятий Изложены методы определения расходов тепла потребителями. Приведены методы регулирования отпуска тепла. Рассмотрены схемы систем и присоединение потребителей к тепловым сетям. Изложены вопросы проектирования горячего водоснабжения Приведены методы гидравлического, теплового и технико-экономического расчетов систем. Рассмотрены переменные гидравлические режимы и конструкции тепловых сетей. Отдельная глава посвящена надежности тепловых сетей. Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Теплогазоснабжение и вентиляция».

ПРЕДИСЛОВИЕ

Под теплоснабжением понимают систему обеспечения теплом зданий и сооружений. В учебнике рассмотрены централизованные системы теплоснабжения, обеспечивающие наиболее экономное использование топлива и имеющие наиболее высокие экономические показатели.

В Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981 —1985 годы и на период до 1990 года, утвержденных XXVI съездом КПСС, указывается на настоятельную необходимость бережливого использования материальных ресурсов. В частности, отмечается необходимость обеспечить в 1985 г. по сравнению с 1980 г. экономию топливно-энергетических ресурсов в народном хозяйстве в количестве 160—170 млн. т. условного топлива, в том числе 70—80 млн. за счет уменьшения норм расхода. Централизованное теплоснабжение характеризуется пониженными удельными расходами топлива на выработку тепловой энергии, поэтому дальнейшее его развитие будет направлено на выполнение решений XXVI .съезда КПСС, а также ноябрьского (1981 г.) Пленума ЦК КПСС.

Весь материал учебника базируется на таких фундаментальных теоретических дисциплинах, как «термодинамика», «теплопередача», «гидравлика» и «аэродинамика». В учебнике использованы результаты научно-исследовательских работ, проектные и конструктивные решения ведущих институтов страны по теплоснабжению.

Учебник написан коллективом кафедры теплофикации и газоснабжения Московского инженерно-строительного института им· В. В. Куйбышева под общим руководством д-ра техн. наук, проф. А. А. Ионина.

При построении учебника в целом и отдельных его глав в основном сохранены принципы построения изданного в 1953 г. учебника «Теплоснабжение», написанного д-ром техн. наук, проф. С. Ф. Копьевым, долгие годы заведывавшим кафедрой теплофикации и газоснабжения МИСИ им. В. В. Куйбышева.

Предисловие, введение и главы 3 (§ 12), 6 (§ 29), 7—10 написаны д-ром техн. наук, проф. А. А. Иониным; главы 1, 2, 3 (§ 15)» 4 и 5 написаны канд. техн. наук, доц. Б. M. Хлыбовым; главы 6 (§ 30—33) и 12— 15 написаны канд. техн. наук, доц. В. H. Братенковым; главы 3 (§ 13, 14, 16) и 11 написаны асе. E. H. Терлецкой.

Авторы приносят глубокую благодарность рецензентам учебника — заведующему кафедрой теплоснабжения и вентиляции ЛИСИ д-ру техн. наук, проф. В. M. Гусеву, канд. техн. наук, доц. H. И. Кононову, руководителю отдела теплоснабжения AKX им. К- Д. Памфилова канд. техн. наук H. К. Громову за ценные замечания и рекомендации, сделанные при просмотре рукописи.

ВВЕДЕНИЕ

Развитие централизованного теплоснабжения в СССР и его значение для народного хозяйства. Теплоснабжение является крупной отраслью народного хозяйства. Достаточно сказать, что на нужды теплоснабжения ежегодно расходуется 25% всего добываемого и вырабатываемого в СССР топлива. В условиях ограниченных топливных ресурсов рациональное и экономное расходование их представляет собой задачу большой государственной важности. Значительная роль в решении этой задачи отводится централизованному теплоснабжению и теплофикации, которые тесно связаны с электрификацией и энергетикой, а энергетику В. И. Ленин рассматривал как основу для развития производительных сил страны. В своем историческом определении «Коммунизм — это есть Советская власть плюс электрификация всей страны» В. И. Ленин указал на ведущее положение энергетики в построении материально-технической базы коммунизма. Ленинский план ГОЭЛРО послужил основой для мощного развития энергетических систем Советского Союза.

Централизованное теплоснабжение базируется на использовании крупных районных котельных, характеризующихся значительно большими КПД, чем мелкие отопительные установки. Теплофикация, т. е. централизованное теплоснабжение на базе комбинированной выработки тепла и электроэнергии, является высшей формой централизованного теплоснабжения. Она позволяет сократить расход топлива на 20—25%. Кроме экономии топлива централизация теплоснабжения имеет большое социальное значение, способствуя повышению производительности труда, вытесняя малоквалифицированные профессии, улучшая условия труда и повышая культуру производства. Централизованные системы теплоснабжения существенно улучшают бытовые условия жизни населения.

Улучшение условий труда и жизни людей находится в полном соответствии с требованиями Конституции СССР, где записано, что «Высшая цель общественного производства при социализме — наиболее полное удовлетворение растущих материальных и духовных потребностей людей» (Статья 15).

При централизованном теплоснабжении мелкие отопительные установки, являющиеся источниками загрязнения воздушного бассейна, ликвидируются, а вместо них используются крупные источники тепла, газовые выбросы которых содержат минимальные концентрации токсичных веществ. Таким образом, централизация теплоснабжения способствует решению крупной задачи современности — охраны окружающей природной среды.

Основными направлениями экономического и социального развития СССР на 1981—1985 годы и на период до 1990 года, принятыми на XXVI съезде КПСС, предусматривается обеспечение дальнейшего развития централизованного теплоснабжения потребителей путем строительства теплоэлектроцентралей и крупных районных котельных, снижение удельных расходов топлива и себестоимости электрической и тепловой энергии.

В настоящее время в результате достижений в области использования ядерного топлива развивается новое направление — централизованное теплоснабжение на базе атомных ТЭЦ и атомных котельных. Использование ядерного топлива для теплоснабжения сокращает расход дефицитного органического топлива и облегчает решение проблемы топливно-энергетического баланса страны. Первая система теплофикации была построена и введена в эксплуатацию в 1924 г. в Ленинграде на базе 3-й Ленинградской электростанции. С пуском этой системы начинается теплофикация всей страны, В 1928 г. в Москве была создана экспериментальная ТЭЦ Всесоюзного теплотехнического института, а в дальнейшем началось сооружение теплофикационных установок в Ростове, Харькове, Киеве и других городах.

Большой вехой в развитии советской теплофикации явился июньский Пленум ЦК ВКП в 1931 г., на котором было принято решение о широком строительстве в стране мощных теплоэлектроцентралей. С 1931 г. теплофикация была положена в основу реконструкции и строительства топливно-энергетического хозяйства городов. К 1940 г. в стране действовало около 100 ТЭЦ общей мощностью 2 млн. кВт, отпуск тепла составлял 105 млн. ГДж B5 млн. Гкал), а протяженность тепловых сетей достигла 650 км.

Разрушенные во время Великой Отечественной войны тепловые электростанции благодаря мерам, принимавшимся в стране, уже к 1945 г. были восстановлены. Дальнейшее развитие теплоэнергетики и теплофикации связано с освоением высоких и сверхкритических параметров, увеличением единичных мощностей турбин и котлов, строительством ТЭЦ из блоков с мощностью более 100 МВт. В СССР создана самая крупная в мире теплофикационная турбина мощностью 250/300 МВт на закритические параметры.

В 1975 г. суммарная мощность ТЭЦ в стране составила около 60 млн. кВт, было отпущено тепла около 3800 млн. ГДж (900 млн. Гкал), протяженность тепловых сетей составила примерно 15 тыс. км. В  крупных городах с преимущественно современной застройкой уровень теплофикации жилищно-коммунального сектора достигает 50—60%. Современные централизованные системы теплоснабжения и перспективы их дальнейшего развития. Централизованная система теплоснабжения состоит из следующих основных элементов: источника тепла, тепловых сетей и местных систем потребления — систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.

Для централизованного теплоснабжения используются два типа источников тепла: теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) и районные котельные (PK). На ТЭЦ осуществляется комбинированная выработка тепла и электроэнергии, обеспечивающая существенное снижение удельных расходов топлива при получении электроэнергии. При этом сначала тепло рабочего тела — водяного пара — используется для получения электроэнергии при расширении пара в турбинах, а затем оставшееся4тепло отработанного пара используется для нагрева воды в теплообменниках, которые составляют теплофикационное оборудование ТЭЦ. Горячая вода применяется для теплоснабжения. Таким образом, на ТЭЦ тепло высокого потенциала используется для выработки электроэнергии, а тепло низкого потенциала — для теплоснабжения. В этом состоит энергетический смысл комбинированной выработки тепла и электроэнергии. При раздельной их выработке электроэнергию получают на конденсационных станциях (КЭС), а тепло — в котельных. В конденсаторах паровых турбин на КЭС поддерживается глубокий вакуум, которому соответствуют низкие температуры (15—20C), и охлаждающую воду не используют. В результате на теплоснабжение расходуют дополнительное топливо. Следовательно, раздельная выработка экономически менее выгодна, чем комбинированная.

Преимущества теплофикации и централизованного теплоснабжения наиболее ярко проявляются при концентрации тепловых нагрузок, что характерно для современных развивающихся городов. Следует учитывать, что при теплофикации капитальные вложения в ТЭЦ и тепловые сети оказываются больше, чем в КЭС и централизованные системы теплоснабжения от PK, поэтому ТЭЦ экономически целесообразно сооружать лишь при больших тепловых нагрузках. Для европейской части СССР при существующих стоимостях теплофикация экономически целесообразна при тепловых нагрузках более 400 Гкал/ч.

Другим источником теплоснабжения являются PK. Тепловая мощность современных PK составляет 150—200 Гкал/ч. Такая концентрация тепловых нагрузок позволяет использовать крупные агрегаты, современное техническое оснащение котельных, что обеспечивает высокие КПД использования топлива. В качестве теплоносителя для теплоснабжения городов используют горячую воду, а для теплоснабжения промышленных предприятий —водяной пар. Теплоноситель от источников тепла транспортируют по теплопроводам. Горячая вода поступает к потребителям по подающим теплопроводам, отдает в теплообменниках свое тепло и после охлаждения возвращается по обратным теплопроводам к источнику тепла. Таким образом, теплоноситель непрерывно циркулирует между источником тепла и потребителями. Циркуляцию теплоносителя обеспечивает насосная станция источника тепла. Водяной пар поступает к промышленным потребителям по паропроводам под собственным давлением, конденсируется в теплообменниках и отдает свое тепло. Образовавшийся конденсат возвращается к источнику тепла под действием избыточного давления или с помощью конденсатных насосов.

Современные тепловые сети городских систем теплоснабжения представляют собой сложные инженерные сооружения. Протяженность тепловых сетей от источника до крайних потребителей составляет десятки километров, а диаметр магистралей достигает 1400 мм. В состав тепловых сетей входят теплопроводы; компенсаторы, воспринимающие температурные удлинения; отключающее, регулирующее и предохранительное оборудование, устанавливаемое в специальных камерах или павильонах; насосные станции; районные тепловые пункты (РТП) и тепловые пункты (ТП).

Теплопроводы прокладывают под землей в непроходных и полупроходных каналах, в коллекторах и без каналов. Для сокращения потерь тепла при движении теплоносителя по теплопроводам применяют теплоизоляцию их.

Для управления гидравлическим и тепловым режимами системы теплоснабжения ее автоматизируют, а количество подаваемого тепла регулируют в соответствии с требованиями потребителей. Наибольшее количество тепла расходуется на отопление зданий. Отопительная нагрузка изменяется с изменением наружной температуры. Для поддержания соответствия подачи тепла потребностям в нем применяют центральное регулирование на источниках тепла. Добиться высокого качества теплоснабжения, применяя только центральное регулирование, не удается, поэтому на тепловых пунктах и у потребителей применяют дополнительное автоматическое регулирование. Расход воды на горячее водоснабжение непрерывно изменяется, и для поддержания устойчивого теплоснабжения гидравлический режим тепловых сетей автоматически регулируют, а температуру горячей воды поддерживают постоянной и равной 6б°С.

Как уже отмечалось, современные централизованные системы теплоснабжения представляют собой сложный комплекс, включающий источники тепла, тепловые сети с насосными станциями и тепловыми пунктами и абонентские вводы, оснащенные системами автоматического управления. Для обеспечения надежного функционирования таких систем необходимо их иерархическое построение, при котором всю систему расчленяют на ряд уровней, каждый из которых имеет свою задачу, уменьшающуюся по значению от верхнего уровня к нижнему. Верхний иерархический уровень составляют источники тепла, следующий уровень — магистральные тепловые сети с РТП, нижний — распределительные сети с абонентскими вводами потребителей. Источники тепла подают в тепловые сети горячую воду заданной температуры и заданного давления, обеспечивают циркуляцию воды в системе и поддержание в ней должного гидродинамического и статического давления. Они имеют специальные водоподготовительные установки, где осуществляется химическая очистка и деаэрация воды. По магистральным тепловым сетям транспортируются основные потоки теплоносителя в узлы теплопотребления. В РТП теплоноситель распределяется по районам и в сетях районов поддерживается автономный гидравлический и тепловой режимы.

К магистральным тепловым сетям отдельных потребителей присоединять не следует, чтобы не нарушать иерархичности построения системы. Для надежности теплоснабжения необходимо резервировать основные элементы верхнего иерархического уровня. Источники тепла должны иметь резервные агрегаты, а магистральные тепловые сети должны быть закольцованы с обеспечением необходимой их пропускной способности в аварийных ситуациях.

Распределительные тепловые сети, ТП и абонентские вводы обеспечивают распределение теплоносителя по отдельным потребителям и составляют низший иерархический уровень, который в большинстве случаев не резервируют.

Иерархическое построение систем теплоснабжения обеспечивает их управляемость в процессе эксплуатации. Тепловые пункты бывают центральные (ЦТП) и индивидуальные (ИТП). От ЦТП предусматривается теплоснабжение нескольких зданий, а от ИТП — одного здания. ЦТП размещают в отдельных одноэтажных зданиях, а ИТП — в помещении здания. Тепловые пункты обеспечивают подачу необходимого количества тепла в здания для их отопления и вентиляции с автоматическим поддержанием в системах отопления нужных гидравлического и теплового режимов. В теплообменниках ТП подогревают водопроводную воду до 65°С, а затем подают ее в жилые и общественные здания для горячего водоснабжения. Температура горячей воды регулируется автоматически. Выше были рассмотрены основные элементы водяных систем теплоснабжения, использующих органическое топливо. В дальнейшем основными источниками для теплоснабжения будут атомные котельные и атомные ТЭЦ. Использование этих источников приведет к еще большей концентрации тепловых нагрузок, увеличению радиуса действия систем и необходимости решения новых научных и инженерных задач. Наряду с ядерным топливом будут использоваться восстанавливаемые энергоресурсы: геотермальные воды, тепло солнца и воды. Геотермальные воды и сейчас используются для теплоснабжения, но в дальнейшем их удельный вес возрастет. Существенную экономию энергии дает использование для теплоснабжения вторичных энергоресурсов, которые будут находить все более широкое применение.

ГЛАВА 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДОВ ТЕПЛА

§ 1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ТЕПЛА И МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЕГО РАСХОДОВ

Потребителями тепла системы централизованного теплоснабжения являются:

а) теплоиспользующие санитарно-технические системы зданий  (системы отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха, горячего водоснабжения);

б) различного рода технологические установки, использующие тепло •низкого потенциала (до 300—3500C). По режиму потребления тепла в течение года различают две группы потребителей:

г) сезонные потребители, нуждающиеся в тепле только в холодный период года, с зависимостью расхода тепла в основном от температуры наружного воздуха;

2) круглогодовые потребители, нуждающиеся в тепле весь год, со «слабо выраженной в большинстве случаев зависимостью расхода тепла от температуры наружного воздуха.

К первой группе относятся системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, ко второй — системы горячего водоснабжения и технологические установки. Если для систем кондиционирования воздуха искусственный холод в теплый период года вырабатывается на основе использования тепловой энергии абсорбционным или эжекторным методами, то такие системы входят во вторую группу. Потребителей, получающих тепло от централизованной системы теплоснабжения, называют абонентами этой системы, а расходуемое абонентами тепло — тепловой нагрузкой источника тепла.

В зависимости от соотношения и режимов отдельных видов теплопотребления различают три характерные группы абонентов: жилые здания, общественные здания, промышленные здания и сооружения. В последнюю группу входят также сельскохозяйственные производственные здания и комплексы. Для жилых зданий характерны сезонные расходы тепла на отопление и вентиляцию и круглогодовой расход тепла на горячее водоснабжение. В жилых зданиях не устраивают специальной приточной вентиляции — свежий воздух поступает в помещения через форточки окон и неплотности в наружных ограждениях. Подогрев  вентиляционного воздуха в этом случае возлагается на систему отопления.

Для большинства общественных зданий основное значение имеют сезонные расходы тепла на отопление, вентиляцию и кондиционирование воздуха. У промышленных абонентов, в том числе и сельскохозяйственного направления, обычно имеются все виды теплопотребления, количественное соотношение между которыми определяется видом основного производства. Некоторые общественно-коммунальные предприятия, такие, как бани, прачечные и т. п., по характеру теплопотребления следует рассматривать как производственные объекты. Потребность абонентов в тепле не остается постоянной. Расходы тепла на отопление и вентиляцию изменяются в зависимости от температуры наружного воздуха, на горячее водоснабжение — в зависимости от режима потребления горячей воды населением (при отсутствии у абонентов аккумуляторов горячей воды), в технологических установках — в зависимости от режима работы теплоиспользующего оборудования.

Определяющими для проектирования и расчета централизованного теплоснабжения являются максимальные часовые (расчетные) расходы тепла по отдельным видам теплопотребления и суммарные часовые расходы тепла по абоненту в целом с учетом несовпадения часовых максимумов расходов тепла по отдельным видам теплопотребления.

Для определения потребности в тепле абонентов системы централизованного теплоснабжения используют приближенные методы, в основе которых лежат укрупненные показатели. Степень укрупнения таких показателей может быть различной. Например, по селитебной зоне города удельные расчетные расходы тепла на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение (на одного жителя, на 1 м2 жилой площади и т. п.) относят или ко всей зоне в целом, или к ее отдельным территориально-структурным единицам: микрорайону, жилому району, общественному центру и т. п. Соотношение жилых и общественных зданий в таких структурных единицах города обычно бывает различным, вследствие чего для них оказываются различными и значения удельных показателей расходов тепла.

Из укрупненных показателей расходов тепла наименьшей степенью· укрупнения, а следовательно, и наибольшей точностью обладают показатели по отдельным зданиям. На основе таких показателей и определяются в дальнейшем все иные показатели с большей степенью укрупнения.

На разных стадиях проектирования системы теплоснабжения в зависимости от необходимой точности исходных данных пользуются показателями разной степени укрупнения. И лишь на самой поздней стадии проектирования, когда переходят к расчету мелких (квартальных, микрорайонных) тепловых сетей, расходы тепла определяют более точно: для новых объектов — по соответствующим типовым или индивидуальным проектам, для существующих объектов — по материалам инвентаризации.