Ляликов Б.А. Источники и системы теплоснабжения промышленных предприятий. Часть 1

Подождите немного. Документ загружается.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Томский политехнический университет»

Б. А. Ляликов

ИСТОЧНИКИ

И СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Часть I

Учебное пособие

Рекомендовано Сибирским региональным учебно-методическим

центром высшего профессионального образования для межвузовского

использования в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся

по направлению подготовки 140100 «Теплоэнергетика», специальностям

140101 «Тепловые электрические станции» и 140104 «Промышленная

теплоэнергетика»

Второе издание, стереотипное

Издательство ТПУ

Томск 2008

Источники и системы теплоснабжения промышленных

предприятий. Часть I: учебное пособие / Б. А. Ляликов. –

2-е изд., стер. – Томск: Изд-во ТПУ, 2008. – 155 с.

УДК 536.24

Л97

Ляликов Б. А.

Источники и системы теплоснабжения промышленных предпри-

ятий. Часть I: учебное пособие / Б. А. Ляликов. – 2-е изд., стер. –

Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008. –

155 с.

В учебном пособии на базе теоретических выкладок и реше-

ний инженерных задач раскрываются физико-технические основы

теплоснабжения. Материал размещен в соответствии с уч

ебной

программой и максимально приближен к последовательности вы-

полнения проектов по дисциплине «Источники и системы тепло-

снабжения промышленных предприятий». В каждой главе посо-

бия, кроме теоретического материала, даются численные примеры

расчета.

Пособие подготовлено на кафедре теоретической и промыш-

ленной теплотехники ТПУ и предназначено для студентов специ-

альности 140104 «Промышленная теплоэнергетика» Инстит

ута

дистанционного образования.

УДК 536.24

Рекомендовано к печати Редакционно-издательским советом

Томского политехнического университета.

Рецензенты

Кандидат технических наук, заместитель директора некоммерческого

партнерства «Региональный центр управления энергосбережением»

С. А. Косяков

Кандидат технических наук,

начальник отдела эффективного, рационального использования

и учета ТЭР ФГУ ЭИ «Томскгосэнергонадзор»

Л. Г. Захарова

Источники и системы теплоснабжения промышленных

предприятий. Часть I: учебное пособие / Б. А. Ляликов. –

2-е изд., стер. – Томск: Изд-во ТПУ, 2008. – 155 с.

ВВЕДЕНИЕ

Основная задача систем теплоснабжения состоит в подаче тепла:

промышленным потребителям – на технологические процессы и нужды

отопления, приточной вентиляции и кондиционирования воздуха; ком-

мунальным – на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение. Теп-

лоснабжающие системы отвечают за подачу тепла до теплового пункта,

к которому присоединяется местная система теплопотребления. Распре-

деление же теплоносителя по внутренним си

стемам отопления, венти-

ляции и горячего водоснабжения является обязанностью владельцев

зданий.

В соответствии с этим порядком теплоснабжающие системы долж-

ны обеспечивать:

• бесперебойную круглогодичную подачу тепла всем потребите-

лям с минимальным перерывом для производства ремонтных работ

в летний период;

• поддержание на вводах потребителей необходимых параметров

теплоносителя;

• соблюдение такого режима регулиров

ания и обслуживания, при

котором бы достигалась максимальная экономия тепла во всей системе

теплоснабжения.

В последнее время в различных областях промышленности, а также

при проектировании и эксплуатации систем теплоснабжения все больше

внимания уделяется вопросам энергосбережения. Для правового обес-

печения мероприятий, направленных на снижение расхода энергоресур-

сов, был принят закон РФ «Об энергосбережении» и постановление

Правительств

а РФ «О неотложных мерах по энергосбережению» от

02.11.95 г. № 1087.

Основное содержание этих документов нацелено на решение вопро-

сов ресурсо- и энергосбережения. Их реализация является первоочеред-

ной задачей администраций субъектов РФ, научно-исследовательских,

строительных, проектных организаций. Энергосберегающие мероприя-

тия разрабатываются и применяются с целью снижения расходов топл

и-

ва, электроэнергии и тепла в системах теплоснабжения промышленных

и жилищно-коммунальных объектов, строительстве (применение мате-

риалов с улучшенными теплоизоляционными свойствами), при реконст-

рукции и эксплуатации зданий, оборудовании тепловых пунктов кон-

трольно-измерительными приборами и приборами учета расхода тепло-

носителя и тепловой энергии и т. д.

Энергетическая стратегия России предусматривает рост потребле-

ния первичных энергоресурсов в период с 2000 по 2010 г. в основном за

Источники и системы теплоснабжения промышленных

предприятий. Часть I: учебное пособие / Б. А. Ляликов. –

2-е изд., стер. – Томск: Изд-во ТПУ, 2008. – 155 с.

счет энергосбережения, что, в свою очередь, позволит в эти сроки со-

кратить на 30÷40 % выбросы вредных веществ в атмосферу, которые

достигают в настоящее время около 20 млн т у. т. (тонн условного топ-

лива) в год, и стабилизировать выбросы парниковых газов.

Энергосбережение – одна из наиболее острых проблем развития

топливно-энергетического комплекса страны. От ее успешного решения

во многом зави

сит жизнеспособность экономики России. Проблема

энергосбережения затрагивает все структуры федеральной собственно-

сти, в частности, высшие учебные заведения, организации здравоохра-

нения и другие объекты, которые финансируются из бюджета. Приве-

денные в данном пособии методики и алгоритмы расчета тепловых на-

грузок, тепловых потерь через наружные ограждения объектов, тепло-

вой и гидравлический расч

ет элементов систем теплоснабжения позво-

ляют выполнить количественную оценку нормативных расходов тепло-

вой энергии и теплоносителя и сопоставить с фактическими расходами.

Такой количественный анализ теплогидравлических режимов работы

элементов системы теплоснабжения является основой для последующей

разработки энергосберегающих мероприятий.

Каждая система теплоснабжения состоит из следующих основных

элементов: источника тепловой энергии, тепло

вой сети и тепловых по-

требителей (абонентских вводов и местных систем теплопотребления).

Источники теплоты вырабатывают тепловую энергию требуемых

параметров, которая затем используется в промышленном и жилищно-

коммунальном секторе. Источником теплоты может являться тепло-

электроцентраль (ТЭЦ), паровая, водогрейная или смешанная котельная

с паровыми и водогрейными котлами.

Тепловые сети обеспечивают транспорт теплоты от источника

к тепловым потребителям и распред

еление теплоты между потребите-

лями. Тепловые сети от ТЭЦ и крупных котельных имеют в своем со-

ставе центральные тепловые пункты (ЦТП), через которые осуществля-

ется присоединение к тепловым сетям промышленных предприятий

и жилых микрорайонов. Местные тепловые пункты (МТП) сооружаются

для присоединения к тепловым сетям отдельных зданий. Контрольно-

распределительные пункты (КРП) служат для пов

ышения гибкости, ма-

невренности и надежности теплоснабжения. КРП является переходным

звеном между магистральными и распределительными тепловыми сетя-

ми и позволяют обеспечить управление гидравлическим и температур-

ным режимом в распределительных сетях. В состав тепловых сетей

входят также подкачивающие насосные станции (ПНС).

Тепловые потребители классифицируются по двум основным кат

е-

гориям:

Источники и системы теплоснабжения промышленных

предприятий. Часть I: учебное пособие / Б. А. Ляликов. –

2-е изд., стер. – Томск: Изд-во ТПУ, 2008. – 155 с.

а) потребление тепла для коммунально-бытовых нужд (для обеспе-

чения комфортных условий труда и быта в жилых, общественных

и производственных помещениях);

б) потребление тепла для технологических нужд (для обеспечения

выпуска промышленной или сельскохозяйственной продукции заданно-

го качества).

В нашей стране, основная территория которой расположена в суро-

вой климатической зоне, большое значение имеет обеспечение потреби-

телей тепловой энергией. Достаточно сказат

ь, что средняя температура

отопительного периода изменяется от +6 °С (г. Сочи) до –19,5 °С

(г. Якутск). Расчетная температура для проектирования систем отопле-

ния от –3 °С (г. Сочи) до –59 °С (Верхоянск) с продолжительностью

отопительного периода от 103 (Сочи) до 272 суток (Верхоянск).

На промышленном предприятии тепловая энергия распределя

ется

на технологические процессы, отопление, вентиляцию и горячее водо-

снабжение. Современные промышленные предприятия требуют на ве-

дение технологических процессов большое количество тепловой энер-

гии, в ряде случаев значительно превосходящее другие потребности.

Так, доля расходов тепла на технологические процессы в общем годо-

вом расходе составляет: для нефтеперерабатывающей промышленности

– 90÷97 %, электротехнической – 50÷60 %.

В жилищно-коммунальном хозяйстве основными потребителями

тепловой энергии являют

ся системы отопления зданий. Удельный вес

горячего водоснабжения составляет в среднем 20 %, достигая в южных

районах страны 30÷40 %.

Каждая система теплоснабжения состоит из следующих основных

элементов:

• источника тепловой энергии;

• тепловой сети;

• абонентских вводов;

• местных систем потребителей тепла.

Работа всех этих элементов основана на ряде т

есно сплетающихся

явлений и законов физики, химии, механики, гидравлики, термодина-

мики и теплопередачи. Изучение всего комплекса теоретических, тех-

нических и экономических вопросов, связанных с конструированием,

расчетом, монтажом и эксплуатацией устройств для производства и пе-

редачи тепловой энергии к потребителям, а также рациональным ее ис-

пользованием, и составляет содержание учебной дисциплины «Источ-

ники и си

стемы теплоснабжения».

Источники и системы теплоснабжения промышленных

предприятий. Часть I: учебное пособие / Б. А. Ляликов. –

2-е изд., стер. – Томск: Изд-во ТПУ, 2008. – 155 с.

При расчете и проектировании любой системы теплоснабжения

часто требуется на основе существующих стандартных и нормативных

методик:

• оценить материальные и тепловые балансы объектов системы

теплоснабжения;

• определить расходы и необходимые параметры теплоносителей

для всех присоединяемых к этой системе потребителей;

• выполнить расчет принципиальных тепловых схем источников

теплоснабжения;

• произвести тепловой и гидравлически

й расчет элементов систе-

мы, гидравлические расчеты тепловых сетей и т. д.

В литературе теплоэнергетического профиля излагаются методики

и примеры тепловых и гидравлических расчетов элементов систем теп-

лоснабжения, но редко приводятся варианты их реализации с примене-

нием вычислительной техники. Вследствие этого студенты не получают

надлежащей практики использования вычислительной техники в тепло-

технических расч

етах теплоснабжающих систем.

Целью данного учебного пособия является привитие студентам на-

выков в применении вычислительной техники для решения вышепере-

численных задач.

В пособии соблюдается определенная последовательность в изло-

жении материала:

• даются основные теоретические сведения и описание изучаемого

объекта или процесса в системе теплоснабжения;

• формулируется постановка задачи;

• приводится методи

ка тепловых и гидравлических расчетов и их

формализация в виде алгоритма или блок-схемы программы для ЭВМ;

• приводится реализация численного решения поставленной зада-

чи с применением вычислительной техники и анализом полученных ре-

зультатов.

Источники и системы теплоснабжения промышленных

предприятий. Часть I: учебное пособие / Б. А. Ляликов. –

2-е изд., стер. – Томск: Изд-во ТПУ, 2008. – 155 с.

1. ПОТРЕБЛЕНИЕ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

1.1. Виды тепловых нагрузок

В системах централизованного теплоснабжения тепло расходуется

на отопление зданий, нагревание приточного воздуха в установках вен-

тиляции и кондиционирования, на горячее водоснабжение, а также тех-

нологические процессы промышленных предприятий.

В системах отопления и вентиляции тепло расходуется не непре-

рывно в течение года, а только при сравнительно низких температурах

наружного воздуха. Таких п

отребителей тепловой энергии принято на-

зывать сезонными, а их тепловые нагрузки – сезонными тепловыми на-

грузками.

Тепловая энергия в системах горячего водоснабжения и в технологи-

ческих процессах промышленных предприятий расходуется непрерывно

в течение года и мало зависит от температуры наружного воздуха.

Тепловые нагрузки на горячее водоснабжение и технологические

нужды считаются круглогодовыми тепловыми нагрузками.

При проектировании систем теплоснабжения для существую

щих

городов и поселков расчетные данные о сезонных тепловых нагрузках

следует принимать из проектов отопления и вентиляции. При перспек-

тивном строительстве расчетные расходы тепла рекомендуется прини-

мать из типовых проектов с соответствующей корректировкой по кли-

матическим условиям района строительства.

При отсутствии проектных данных отопительные тепловы

е нагруз-

ки зданий определяются одним из следующих методов:

1) расчетом теплопотерь через элементы ограждающих конструк-

ций и добавления потерь на нагрев инфильтрационного воздуха [6];

2) расчетом теплопотерь по укрупненным показателям [6, 26];

3) определением теплообмена установленного в здании отопитель-

но- вентиляционного оборудования [10].

Расчет теплопотерь через ограждающие конструкции выполняется

при необходимости более точного определен

ия тепловых потерь, на-

пример, при расчетах, требующих составления теплового баланса зда-

ния и отдельных его помещений.

При отсутствии проектных данных отопительные тепловые нагруз-

ки, как правило, определяются по укрупненным показателям.

Конечной целью расчетов теплового потребления является опреде-

ление тепловых нагрузок (максимальных, текущих) объектов системы

теплоснабжения на отопление, вентиляцию и горячее в

одоснабжение,

расчет и построение графиков тепловых нагрузок (суточных, годовых

и по продолжительности).

Источники и системы теплоснабжения промышленных

предприятий. Часть I: учебное пособие / Б. А. Ляликов. –

2-е изд., стер. – Томск: Изд-во ТПУ, 2008. – 155 с.

1.2. Сезонные тепловые нагрузки

Величина и характер изменения сезонной нагрузки зависят глав-

ным образом от климатических условий: температуры наружного воз-

духа, направления и скорости ветра, солнечного излучения, влажности

воздуха и др. Основное влияние на величину тепловой нагрузки оказы-

вает наружная температура. Сезонная нагрузка имеет сравнительно по-

стоянный суточный график и переменный годовой график нагрузки.

К сезонной тепловой нагрузке относятся отопление, вентиляция, конди-

ционирование воздуха.

Расчет теплов

ых нагрузок на отопление, вентиляцию и горячее водо-

снабжение теплопотребителей, присоединенных к источникам (ТЭЦ, ко-

тельная), предшествует тепловому расчету источников систем теплоснаб-

жения и гидравлическому расчету тепловых сетей. Расчет тепловых нагру-

зок может проводиться как по укрупненным по

казателям [6, 26], так и на

основании расчета теплопотерь отапливаемых помещений [10, 16]. Точ-

ность расчета тепловых нагрузок будет определять достоверность резуль-

татов расчета системы теплоснабжения в целом.

1.2.1. Тепловая нагрузка на отопление

Основная задача отопления заключается в поддержании внутрен-

ней температуры помещений на заданном уровне. Для этого необходи-

мо сохранение равновесия между тепловыми поте

рями здания и тепло-

притоком от системы отопления. Условие теплового равновесия здания

может быть выражено в виде равенства

QQQQQ

твоитос

+=+=

, МВт (Гкал/ч),

(1.1)

где Q

ос

– суммарные тепловые потери здания;

– теплопотери теплопередачей через наружные ограждения;

– теплопотери инфильтрацией из-за поступления в помещение

через неплотности наружных ограждений холодного воздуха;

– подвод тепла в здание через отопительную систему;

тв

– внутренние тепловыделения.

Суммарные тепловые потери здания можно представить в виде

()

= 1

тос

QQ , МВт (Гкал/ч),

(1.2)

Источники и системы теплоснабжения промышленных

предприятий. Часть I: учебное пособие / Б. А. Ляликов. –

2-е изд., стер. – Томск: Изд-во ТПУ, 2008. – 155 с.

где

=μ

– коэффициент инфильтрации, представляющий собой от-

ношение теплопотерь инфильтрацией к теплопотерям теплопередачей

через наружные ограждения.

Коэффициент инфильтрации μ зависит от типа зданий, герметич-

ности наружных ограждений, свободной высоты здания (не разделенной

между этажами перекрытиями), внутренней и наружной температуры

воздуха и скорости ветра.

Коэффициент инфильтрации определяется по формуле

12 w

gLb +

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−=μ

(1.3)

где L – свободная высота здания (для жилых и общественных зданий –

высота этажа), м;

, t

– внутренняя и наружная температура воздуха, °С;

g – ускорение свободного падения, м/с

;

– скорость ветра, м/с;

b – постоянная инфильтрации, c/м.

Постоянная инфильтрации b представляет собой долю увеличения

теплопотерь здания на 1 м/с скорости инфильтрации. При отсутствии

опытных данных можно для ориентировочных расчетов принимать зна-

чения из табл. 1.1.

Таблица 1.1

Значения постоянных коэффициентов b

№ Тип зданий b, c/м

1 Для отдельно стоящих промышленных зданий

с большими световыми проемами

–3

÷40

–3

2 Для жилых и общественных зданий с двойным

остеклением при сплошной застройке кварталов

–3

÷10

–3

Основную величину тепловых потерь представляет первое слагае-

мое в формуле (1.1) – Q

, которое определяется по формуле [6]

()

[]

()

,чГкалМВт,

ψψ

)(

пл

пт

сокc

нв

⎭

⎬

⎫

⎩

⎨

⎧

++−ϕ+×

×−=

kkk

(1.4)

где V – объем здания по наружному обмеру, м

;

Источники и системы теплоснабжения промышленных

предприятий. Часть I: учебное пособие / Б. А. Ляликов. –

2-е изд., стер. – Томск: Изд-во ТПУ, 2008. – 155 с.

P – периметр здания в плане, м;

S – площадь здания в плане, м

;

L – высота здания, м;

, t

ок

, k

пт

, t

пл

– соответственно коэффициенты теплопередачи стен,

окон, потолка верхнего этажа, пола нижнего этажа, Вт/м

·°С (ккал/м

·ч·°С);

ϕ – коэффициент остекления, т. е. отношение площади окон к пло-

щади вертикальных ограждений;

, ψ

– поправочные коэффициенты на расчетный перепад темпе-

ратур для верхнего (ψ

= 0,75÷0,9) и нижнего (ψ

= 0,5÷0,7) горизон-

тальных ограждений здания.

Выражение, взятое в формуле (1.4) в фигурные скобки, называется

удельной теплопотерей здания и обозначается q

Вт/(м

·°С) (ккал/м

·ч·°С).

С учетом инфильтрации выражение (1.4) для определения Q

записыва-

ется в виде

()

(

)

вот

1 ttVqQ −μ+= , МВт (Гкал/ч),

(1.5)

Для жилых и общественных зданий максимальное значение коэф-

фициента инфильтрации в большинстве случаев не превосходит 3÷6 %,

что лежит в пределах точности расчета тепловых потерь. В некоторых

случаях для упрощения инфильтрацию не вводят в расчет, т. е. прини-

мают μ = 0. Для учета инфильтрации принимают величину удельных

тепловых потерь q

с небольшим запасом.

Тепловые потери инфильтрацией промышленных зданий состав-

ляют заметную величину, нередко достигающую 25÷30 % тепловых по-

терь через наружные ограждения, и ее необходимо учитывать при рас-

чете. Подробные методики расчета тепловых потерь через наружные

ограждения приводятся в [10, 16].

Тепловые потери Q

через наружные ограждения при отсутствии

проектных данных определяются по укрупненным показателям: общей

площади F [26] или наружному объему здания V

[6, 16], соответствен-

но по формулам (1.6) и (1.7). Максимальный тепловой поток на отопле-

ние жилых и общественных зданий без учета инфильтрации

10)1(

−

, МВт (Гкал/ч);

(1.6)

10)(

−

, МВт (Гкал/ч),

(1.7)

где

, – соответственно удельный тепловой поток, Вт / м

(ккал/ч·м

на отопление 1 м

общей площади, удельная отопительная характери-

стика, Вт/( м

К ), (ккал/(м

· ч ·°С));