Беспалов В.И. Системы и источники энергоснабжения

Подождите немного. Документ загружается.

точниками теплоснабжения, например районными котельными (камеры

4 на рис. 5.1). В секционировании паровых магистралей нет необходи-

мости, так как масса пара, требующаяся для заполнения длинных паро-

проводов, невелика. Секционные задвижки должны быть оборудованы

электро- или гидроприводом и иметь телемеханическую связь с цен-

тральным диспетчерским пунктом. Распределительные сети должны

иметь присоединение к магистрали с обеих сторон секционирующих

задвижек с тем, чтобы можно было обеспечить бесперебойное тепло-

снабжение абонентов при авариях на любом секционированном участке

магистрали.

Рис. 5.1. Принципиальная однолинейная коммуникационная схема двухтруб-

ной водяной тепловой сети с двумя магистралями

1 — коллектор ТЭЦ; 2 — магистральная сеть; 3 — распределительная сеть; 4 —

секционирующая камера; 5 — секционирующая задвижка; 6— насос; 7 — блоки-

рующая связь

Блокировочные связи между магистралями могут выполняться

однотрубными. Соответствующей схемой их присоединения к магист-

ральной сети может быть предусмотрено использование блокировочной

связи как для подающего, так и для обратного трубопровода.

В зданиях особой категории, которые не допускают перерывов в

теплоснабжении, должна быть предусмотрена возможность резервного

теплоснабжения от газовых или электрических нагревателей или же от

местных котельных на случай аварийного прекращения централизован-

ного теплоснабжения.

По СНиП 2.04.07-86 [130] допускается уменьшение подачи теп-

лоты в аварийных условиях до 70 % суммарного расчетного расхода

(максимально-часового на отопление и вентиляцию и среднечасового

на горячее водоснабжение). Для предприятий, в которых не допускают-

ся перерывы в подаче теплоты, должны предусматриваться дублиро-

ванные или кольцевые схемы тепловых сетей. Расчетные аварийные

расходы теплоты должны приниматься в соответствии с режимом рабо-

ты предприятий.

На рис. 5.1 приведена принципиальная однолинейная схема двух-

трубной водяной тепловой сети от ТЭЦ электрической мощностью 500

МВт и тепловой мощностью 2000 МДж/с (1700 Гкал/ч).

Радиус действия тепловой сети 15 км. До конечного района теп-

лопотребления сетевая вода передается по двум двухтрубным транзит-

ным магистралям длиной 10 км. Диаметр магистралей на выходе с ТЭЦ

1200 мм. По мере распределения воды в попутные ответвления диамет-

ры магистральных линий уменьшаются. В конечный район теплового

потребления сетевая вода вводится по четырем магистралям диаметром

700 мм, а затем распределяется по восьми магистралям диаметром 500

мм. Блокировочные связи между магистралями, а также резервирую-

щие насосные подстанции установлены только на линиях диаметром

800 мм и более.

Такое решение допустимо в том случае, когда при принятом рас-

стоянии между секционирующими задвижками (на схеме – 2 км) время,

необходимое для ремонта трубопровода диаметром 700 мм, меньше

времени, в течение которого внутренняя температура отапливаемых

зданий при отключении отопления при наружной температуре

н.о

t сни-

зится от 18 до 12 ?С (не ниже).

Блокировочные связи и секционирующие задвижки распределе-

ны таким образом, что при аварии на любом участке магистрали диа-

метром 800 мм и более обеспечивается теплоснабжение всех абонен-

тов, присоединенных к тепловой сети. Теплоснабжение абонентов на-

рушается только при авариях на линиях диаметром 700 мм и менее.

В этом случае прекращается теплоснабжение абонентов, располо-

женных за местом аварии (по ходу теплоты).

При теплоснабжении крупных городов от нескольких ТЭЦ целе-

сообразно предусмотреть взаимную блокировку ТЭЦ посредством со-

единения их магистралей блокировочными связями. В этом случае мо-

жет быть создана объединенная кольцевая тепловая сеть с несколькими

источниками питания. В такую же систему могут быть в ряде случаев

объединены тепловые сети ТЭЦ и крупных районных или промышлен-

ных котельных.

Объединение магистральных тепловых сетей нескольких источ-

ников теплоты наряду с резервированием теплоснабжения позволяет

уменьшить суммарный котельный резерв на ТЭЦ и увеличить степень

использования наиболее экономичного оборудования в системе за счет

оптимального распределения нагрузки между источниками теплоты.

Блокирующие связи между магистралями большого диаметра

должны иметь достаточную пропускную способность, обеспечивающую

передачу резервирующих потоков воды. В необходимых случаях для

увеличения пропускной способности блокирующих связей сооружаются

насосные подстанции.

Независимо от блокирующих связей между магистралями целесо-

образно в городах с развитой нагрузкой горячего водоснабжения преду-

сматривать перемычки сравнительно небольшого диаметра между

смежными распределительными тепловыми сетями для резервирования

нагрузки горячего водоснабжения.

При диаметрах магистралей, отходящих от источника теплоты,

700 мм и менее обычно применяют радиальную (лучевую) схему тепло-

вой сети с постепенным уменьшением диаметра по мере удаления от

станции и снижения присоединенной тепловой нагрузки.

Такая сеть наиболее дешевая по начальным затратам, требует

наименьшего расхода металла на сооружение и проста в эксплуатации.

Однако при аварии на магистрали радиальной сети прекращается тепло-

снабжение абонентов, присоединенных за местом аварии. Если проис-

ходит авария на магистрали вблизи станции, то прекращается тепло-

снабжение всех потребителей, присоединенных к магистрали. Такое

решение допустимо, если время ремонта трубопроводов диаметром не

менее 700 мм удовлетворяет вышесказанному условию.

Вопрос о том, при каких диаметрах теплопроводов какую схему

тепловых сетей (радиальную или кольцевую) следует применять в сис-

темах централизованного теплоснабжения, должен решаться исходя из

конкретных условий, диктуемых надежностью теплоснабжения потре-

бителей теплоты: допускают они перерыв в подаче теплоносителя или

нет, каковы затраты на резервирование и т.п. Поэтому в условиях ры-

ночной экономики указанная выше регламентация диаметров и схем те-

пловых сетей не может считаться единственно правильным решением.

Основные расчетные зависимости

Уравнение Бернулли для установившегося движения по трубо-

проводу несжимаемой жидкости, выражающее энергетический баланс

этой жидкости, отнесенный к единице массы, без учета ее энтальпии,

может быть записано в виде















ppw

где

Z и

Z – геометрическая высота оси трубопровода в сечениях 1 и 2

по отношению к горизонтальной плоскости отсчета, м;

w и

w – скорости движения жидкости в сечениях 1 и 2, м/с;

p и

p – давления жидкости, измеренные на уровне оси трубопровода в

сечениях 1 и 2, Па;



– падение давления на участке 1 – 2;



– плотность жидкости, кг/м

;

– ускорение свободного падения,

= 9,81 м/с

Первый член в (5.1) Zg – удельная энергия высоты в данном се-

чении, (отнесенная к единице массы жидкости), Дж/кг; 2

w – удель-

ная кинетическая энергия жидкости в данном сечении, Дж/кг; p –

удельная потенциальная энергии жидкости в данном сечении, Дж/кг;

p – удельная потеря потенциальной энергии жидкости из-за трения

и местных сопротивлений на участке трубопровода 1 – 2, Дж/кг, кото-

рая переходит в теплоту, что приводит к увеличению удельной энталь-

пии жидкости в процессе ее движения по трубопроводу.

Наряду с удельной энергией в гидравлическом расчете тепловых

сетей широко используется другой параметр – напор, м,

ZH 





(5.1)

где

– давление в трубопроводе, Па; p = Н – пьезометрический на-

пор, м;



– удельный вес жидкости, Н/м

При гидравлическом расчете тепловых сетей, как правило, не

учитывают отношение gw 2/

, представляющее собой скоростной напор

потока в трубопроводе, так как он составляет сравнительно небольшую

долю полного напора и изменяется по длине сети незначительно.

Обычно принимают

ZH 





(5.2)

т.е. считают полный напор равным сумме пьезометрического напора и

высоты расположения оси трубопровода над плоскостью отсчета. Под

пьезометрическим напором понимается давление в трубопроводе, вы-

раженное в линейных единицах (обычно в метрах) столба той жидкости,

которая передается по трубопроводу.

Из (5.2) следует, что ZHH 

. Пьезометрический напор равен

разности между полным напором и геометрической высотой оси тру-

бопровода над плоскостью отсчета. Падение давления и потеря напора

в сети, или располагаемый перепад (разность напоров), в сети связаны

следующими зависимостями:

;gppH 

(5.3)

),(  gRRh

(5.4)

где



– потеря напора или располагаемый напор, м; p



– падение дав-

ления, или располагаемый перепад давления, Па; Rh, – удельная поте-

ря напора (безразмерная величина) и удельное падение давления, Па/м.

Рис. 5.4.

Падение давления в трубопроводе может быть представлено как

сумма двух слагаемых: линейного падения и падения в местных сопро-

тивлениях

мл

ppp 

(

5.5)

где

p – линейное падение давления;

p – падение давления в местных

сопротивлениях.

Линейное падение

p представляет собой падение давления на

прямолинейных участках трубопровода. Падение давления в местных

сопротивлениях

p – это падение давления в арматуре (вентилях, за-

движках, кранах и т.д.) и других элементах оборудования, размещенных

неравномерно по длине трубопровода (коленях, шайбах, переходах и

т.п.).

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,08

1 - Re); 2 - Reламинарное ( = 64/ гладкая (Блазиус, = 0,3164/

0,250

)

Гладкая (Никурадзе, = 0,0032+0,221/ )Re

0,237

;

Рис. 5.3. Зависимость коэффициента трения гладких труб от числа

Рейнольдса

Линейное падение давления в трубопроводах, транспортирую-

щих жидкость или газы определяется как

лл





(5.6)

где

p – линейное падение давления на участке, Па;

R – удельное

падение давления, т.е. падение давления, отнесенное к единице длины

трубопровода, Па/м;

– длина трубопровода, м.

Исходной зависимостью для определения удельного линейного

падения в трубопроводе является уравнение Дарси

,812.0









(5.6)

где



– коэффициент гидравлического трения (безразмерная величина);

– скорость среды, м/с;



– плотность среды, кг/м

;

– внутренний

диаметр трубопровода, м;

– массовый расход, кг/с.

Коэффициент гидравлического трения



зависит от состояния

стенки трубы (гладкая или шероховатая) и режима движения жидкости

(ламинарное или турбулентное).

Гладкие трубы в технике транспортировки теплоты имеют огра-

ниченное применение (в основном в теплообменных аппаратах). Ос-

новное применение для транспортировки теплоты имеют шероховатые

стальные трубы.

Шероховатую поверхность можно представить состоящей из ряда

элементарных выступов

В качестве первого характеристического параметра шероховато-

сти принимают высоту выступа шероховатости, называемую абсолют-

ной шероховатостью стенки. У большинства работающих стальных

трубопроводов она составляет в зависимости от технологии изготовле-

ния труб и условий эксплуатации от 0,05 до 2 мм. В качестве второго

характеристического параметра принимают отношение абсолютной ше-

роховатости к радиусу трубопровода rk , называемое относительной

шероховатостью.

Как показывают исследования стальных труб, проведенные Г. А.

Муриным в лаборатории теплофикации ВТИ, при малых числах Re ко-

эффициент гидравлического трения



имеет максимальное значение. С

увеличением числа Re коэффициент гидравлического трения монотонно

уменьшается и при некотором значении Re

пр

практически достигает

минимального значения. При дальнейшем увеличении числа Re коэф-

фициент гидравлического трения остается постоянным [66].

С достаточной для практических расчетов точностью принимают,

что в так называемой переходной области, т.е. при 2300 < Re < Re

пр

ко-

эффициент гидравлического трения зависит как от эквивалентной отно-

сительной шероховатости k

/r, так и от числа Re, а при Re > Re

пр

коэф-

фициент гидравлического трения зависит только от k /r и не зависит от

числа Re.

Под эквивалентной относительной шероховатостью реального

трубопровода понимается искусственная относительная равномерная

шероховатость цилиндрической стенки, коэффициент гидравлического

трения которой в области Re > Re

пр

, такой же, как и в данном реаль-

ном трубопроводе.

Полученная опытным путем зависимость коэффициента гидрав-

лического трения стальных труб от числа Re и относительной шерохо-

ватости хорошо описывается универсальным уравнением, предложен-

ным А.Д. Альтшулем [1],

25,0

)Re68d(11,0  k .

(5.7)

На основе имеющихся материалов гидравлических испытаний те-

пловых сетей и водопроводов в СНиП 2.04.07-86 рекомендуются сле-

дующие значения абсолютной эквивалентной шероховатости, м, для

гидравлического расчета тепловых сетей [130]:

паропроводы .......................…………………… …………….0,2· 10

водяные сети в условиях нормальной эксплуатации ………0,5 ·10

конденсатопроводы и сети горячего водоснабжения ......... .1·10

В тепловых сетях обычно Re > Re

пр

поэтому тепловые сети, как

правило, работают в квадратичной области.

Диаметры трубопроводов при транспортировки жидкостей опре-

деляются по формуле

0,19

38,0в

/ RGAd

 ,

(5.8)

Значения коэффициента А

приведены в табл. 5.1.

Формулу (5.8) для линейного падения давления в квадратичной

области можно привести к виду, более удобному для практических рас-

четов.

Для воды, где ρ = const можно записать

;

25.5

GAR

 ;

19,0

38.0

RGAd

 .

625.2

dRAG

0,5



Отношение падения давления в местных сопротивлениях трубо-

провода к линейному падению в этом трубопроводе представляет собой

долю местных потерь. Нетрудно видеть, что доля местных потерь рав-

на отношению эквивалентной длины местных сопротивлений к длине

трубопровода:





 .

(5.9)

Из совместного решения этих уравнений по сумме коэффициен-

тов местных сопротивлений и располагаемому перепаду давлений

можно найти долю местных потерь

24,0

48,0

24,0

)/()1( lp















(5.10)

где

19,0

/1,5 kA 



Для удобства уравнение (5.9) записывается в следующем при-

ближенном виде:

/)1(















(5.10 а)

В пределах изменения



от 0 до 1 с погрешностью ± 6 % можно

принять

15,1











(5.10 б)

При транспортировке жидкости, в частности воды,

15,1











(5.10 в)

где



— располагаемый перепад давлений, Па.

В табл. 5.1 приведены коэффициенты

, входящие в формулы (5.8) –

(5.10).

Таблица 5.1

Значения коэффициентов

в формулах (5.8) –(5.10)

Коэффициент Выражение

Абсолютная эквивалентная шерохова-

тость

k ∙10

, м

0,2 0,5 1,0

0,25

м,

25,0

0894,0

10,6·10

-3

13,3·10

-3

15,92·10

-3

кгA



3,25в

м, /0894,0

25,0

10,92·10

-6

13,62·10

-6

16,3·10

-6

0,0475

м,

0475,0

63,0

0,414 0,435 0,488

19,00,62в

/м, кгA

19,00475,0

/63,0 

111,5·10

-3

117·10

-3

121·10

-3

0,125-

м,

125,0

35,3

9,65 8.62 7,89

625,10,5в

/м, кгA

5,0125,0

/35,3 

302 269 246

0,19-

м,



19,0

1,5

25,2 21,4 18,6

4,00,53в

/м, кгA



)/(1,5

24,019,0



4,54 3,82 3,34

0,25-

м,

25,0

1,9

76,4 60,7 51,1

Как видно из (5.10 а) – (5.10 в), доля местных потерь возрастает

при увеличении суммы коэффициентов местных сопротивлений на

единицу длины трубопровода





l/ , а также при снижении распола-

гаемого удельного перепада давлений на единицу длины трубопровода



Суммарное падение давления. Сумма падений давления – ли-

нейного и в местных сопротивлениях – определяется по формуле

),()1/(

)1(

элл

лмл

llRR

pppp









(5.11)

откуда





)1(/









lpR

(5.12)

5.2. Порядок гидравлического расчета