Системы теплоснабжения и тепловые сети.

Выработанная в отопительной котельной тепловая энергия в виде пара или горячей воды направляется в систему теплоснабжения, основной задачей которой является обеспечение тепловой энергией всехпотребителей, имеющих разные требования к виду, количеству и параметрам теплоносителей.
В зависимости от типа источника тепловой энергии системы теплоснабжения подразделяются:

· на централизованные — от тепловых электрических станций и районных или квартальных котельных, которые при меняются как в больших жилых массивах, так и в отдельных жилых кварталах;

· местные — от котельных для теплоснабжения одного или группы зданий;

· децентрализованные — от теплогенераторов, устанав ливаемых непосредственно в отапливаемых помещениях и на пред приятиях.

В последние годы в связи с развитием новых экономических отношений в стране наметилась децентрализация теплоснабжения промышленных предприятий и жилого сектора. Широко развивается строительство автономных источников теплоснабжения: блочных, модульных и крышных котельных, оснащенных полностью автоматизированными котельными агрегатами, имеющими высокие энергетические и экологические показатели.
Параметрами, которые также используются для классификации систем теплоснабжения, могут быть:

· вид транспортируемого теплоносителя: паровые, водяные, смешанные;

· число параллельно проложенных теплопроводов: одно-, двух-, трех- и многотрубные;

· использование теплоносителя в системах горячего водоснаб жения и технологических потребителей: закрытые (замкнутые) и открытые (разомкнутые).

В закрытой системе теплоснабжения система горячего водоснабжения и другие потребители присоединены к тепловым сетям через теплообменные аппараты, в которых подогревается поступающая на водоразбор водопроводная вода (или воздух). Теплоноситель в этой системе отдает часть тепловой энергии и полностью возвращается к источнику.
В открытой системе теплоснабжения вода, предназначенная для горячего водоснабжения и технологических нужд, забирается непосредственно из тепловой сети. Таким образом, в этой системе используется не только тепловая энергия теплоносителя, но и собственно теплоноситель. Часть теплоносителя, не использованная у потребителей (в системах отопления и вентиляции), возвращается в котельную.
Теплоноситель от котельной к потребителю поступает по тепловым сетям, которые прокладываются как в земле, так и над землей. Наименьшие капитальные затраты требуются на сооружение тепловых сетей при надземной их прокладке. Подземная прокладка бывает двух типов: канальная (непроходная, полупроходная и проходная) и бесканальная (засыпная, сборная, сборно-литая, монолитная и литая).
Каналы предохраняют теплопроводы от воздействия грунтовых, атмосферных и паводковых вод. Трубопроводы в них укладывают на подвижные и неподвижные опоры, при этом обеспечивается организованное тепловое удлинение труб.
При бесканальной прокладке для защиты трубопроводов от механических воздействий выполняют усиленную тепловую изоляцию — оболочку.
Для обслуживания оборудования, установленного на тепловых сетях при подземной прокладке, предусматривают теплофикационные камеры, в которых размещается запорная арматура, сальниковые и дренажные устройства.
Основной причиной выхода из строя трубопроводов является коррозия внутренней и наружной поверхностей стенки трубопровода. Для предотвращения внутренней коррозии воду для заполнения и подпитки сетевой воды подвергают умягчению и дегазации с целью удаления растворенных в воде кислорода О2 и углекислого газа СО2 (диоксида углерода). Для защиты теплопроводов от наружной коррозии, вызываемой химическими и электрохимическими процессами под воздействием окружающей среды, используют антикоррозионные покрытия.
Для уменьшения тепловых потерь служит тепловая изоляция, выполняемая из таких специальных материалов, как минеральная вата, пенобетон, пеностекло, перлит, асбоцемент, совелит, ке-рамзитобетон, пенополиуретан.
В системах теплоснабжения и вентиляции применяют разные теплообменные аппараты, предназначенные для подогрева, испарения, охлаждения и конденсации рабочего тела (теплоносителя); подогрева воды для технологических и бытовых целей; подогрева и охлаждения воздуха, поступающего для отопления, вентиляции и кондиционирования помещений жилых, общественных и производственных зданий.

Отпуск тепловой энергии каждому зданию-абоненту осуществляется через тепловой ввод. Тепловым, или абонентским, вводом называются концевые участки ответвлений тепловой сети, расположенные в специальных тепловых пунктах — местных (МТП) или центральных (ЦТП). На тепловом вводе устанавливают оборудование, арматуру и устройства, обеспечивающие надежную эксплуатацию местных систем. Центральные тепловые пункты располагают в отдельно стоящих зданиях и помещениях, пристроенных к зданиям промышленного назначения, а местные тепловые пункты размещают, как правило, в обслуживаемых зданиях.
В ЦТП и МТП устанавливаются различные подогреватели (секционные, кожухотрубные, пластинчатые). Наиболее эффективными являются пластинчатые водоподогреватели. Они отличаются высокой степенью компактности, имеют небольшие размеры при повышенной степени теплообмена, простотой монтажа, легкостью изменения поверхности нагрева, а также сборки-разборки, очистки от накипи или замены.
Для присоединения систем отопления к тепловым сетям широкое применение нашли водоструйные элеваторы, центробежные насосы с электрическим приводом, грязевики для осаждения взвешенных частиц, находящихся в воде тепловой сети или системы отопления. В тепловых пунктах устанавливаются также тепломеры, регуляторы температуры, регуляторы расхода тепловой энергии на отопление.
Присоединение систем отопления и горячего водоснабжения к тепловым сетям осуществляется по разным схемам, рассмотрение которых не входит в изучаемый курс.

ИСТОЧНИКИ ТЕПЛОТЫ В СИСТЕМАХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Схему теплоснабжения для промышленных предприятий следует выбирать исходя из условий обеспечения надежности, экономичности и непрерывности подачи тепловой энергии с учетом возможности текущих изменений в процессе производства. Должны быть также предусмотрены условия для расширения сооружений теплоснабжения.

Выбор источников теплоты, режима их работы и планирование теплоснабжения производят на основании суммарных часовых, суточных и годовых расходов теплоты. Главная задача при проектировании систем теплоснабжения - определение расчетных тепловых нагрузок потребителей теплоты.

Определив годовую потребность в теплоте для отопления, решают вопрос о ее источниках. Таким источником может быть районная или заводская котельная. Обычно заводские котельные сооружают для обеспечения теплотой не только самого предприятия, но и близлежащих потребителей.

В зависимости от характера тепловых нагрузок котельные установки подразделяют на:

отопительные, вырабатывающие теплоту для систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения;

производственно-отопительные - для систем отопления, вентиляции, горячего водоснабжения и для технологических целей;

производственные - для технологических целей.

Тепловые нагрузки при расчете котельных и выборе оборудования нужно определять главным образом для следующих режимов:

максимально зимний - для средней температуры наружного воздуха наиболее холодной пятидневки; по этому режиму определяется расчетная теплопроизводительность котельной;

средний за отопительный период - для средней температуры наружного воздуха за отопительный период;

летний - определяется расходом теплоты на технологические цели и горячее водоснабжение.

Число устанавливаемых котельных агрегатов не должно быть меньше двух и больше четырех-шести. Как правило, следует устанавливать однотипные агрегаты с одинаковой теплопроизводительностью. При мало колеблющейся тепловой нагрузке предпочтение нужно отдавать котельным агрегатам с большей производительностью.

В отопительно-производственных и производственных котельных резервные котельные агрегаты устанавливают в тех случаях, когда по условиям технологических процессов перерыв в теплоснабжении не допускается. В отопительных котельных резервные котлы не устанавливают.

В зависимости от типа котлов котельные подразделяют на водогрейные, паровые и комбинированные (смешанные).

Структурная схема теплоснабжения от водогрейной котельной показана на рис. 1. Циркулирующая при помощи насосов 3 сетевая вода поступает в водогрейные котлы, нагревается и вновь направляется в тепловую сеть. Для восполнения утечек и водоразбора в сеть добавляется вода от установки химводоочистки (ХВО) 7. Пройдя предварительно деаэрацию (на рисунке не показано), добавочная (подпиточная) вода насосом 6 через регулятор подпитки 5 подается в сеть. Для повышения температуры воды, поступающей в котлы, до значений выше точки росы (с целью предотвращения сернистой коррозии поверхностей нагрева) применяют так называемый рециркуляционный насос 2, подающий горячую воду из линии после котлов в линию перед котлами.

Рисунок 1. Структурная схема районного теплоснабжения от водогрейной котельной: а - непосредственное (зависимое) присоединение; б - независимое присоединение; l - система горячего теплоснабжения; ll - система отопления и вентиляции; III - система отопления и другие виды теплопотребления; 1 - водогрейный котел; 2 - рециркуляционный насос; 3 - сетевой насос; 4 - грязевик; 5 - регулятор подпитки; 6 - подпиточный насос; 7 - установка химводоочистки

Структурная схема теплоснабжения от паровой котельной приведена на рис. 2. Пар в паровые сети поступает непосредственно из котлов 1. Конденсат (трубопроводы показаны штриховыми линиями) возвращается в сборный конденсатный бак 8. Циркулирующая при помощи насосов 3 сетевая вода подогревается в пароводяных водонагревателях 2. Для восполнения утечек и водоразбора в сеть подпиточным насосом 6 через регулятор подпитки 5 добавляется вода от установки химводоочистки 7, прошедшая предварительную деаэрацию.

Рисунок 2. Структурная схема районного теплоснабжения от паровой котельной: а - непосредственное (зависимое) присоединение потребителей; б - независимое присоединение потребителей; 1 - паровой котел; 2 - пароводяной водонагреватель; 3 - сетевой насос; 4 - грязевик; 5 - регулятор подпитки; 6 - подпиточный насос; 7 - установка химводоочистки; 8 - конденсатный бак; 9 - питательный насос

Главными источниками теплоты при теплофикации, под которой понимают централизованное теплоснабжение на базе комбинированного производства электроэнергии и теплоты, являются теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). Схемы ТЭЦ, обеспечивающих комбинированную выработку теплоты и электроэнергии, зависят от типа теплофикационных турбин и принятой системы теплоснабжения.

На рис. 3 показана структурная схема теплофикации на базе ТЭЦ с теплофикационной турбиной. Пар из котла 1 поступает в турбину 2. Часть пара давлением 0,12...0,25 МПа отбирают из турбины, и она поступает в водонагреватели 4 сетевой (теплофикационной) воды, циркуляцию которой в тепловой сети и системах потребителей теплоты обеспечивают сетевые насосы 9. Отдав в водонагревателях 4 скрытую теплоту парообразования, пар конденсируется. Насосы 13 направляют конденсат в регенеративные подогреватели 14 для подогрева питательной воды, направляемой в котлы. Паром указанного выше давления можно нагреть воду до температуры 104... 115 °С. Для получения теплофикационной воды с более высокой температурой (до 150 °С) применяют подогрев в пиковой котельной 5 с водогрейными котлами. Возможные утечки из сети и водоразбор компенсируют специально подготовленной в установке химводоочистки 15 водой, подаваемой подпиточным насосом 10 через регулятор подпитки 7.

Рисунок 3. Структурная схема теплофикации: а - непосредственное (зависимое) присоединение потребителей; б - независимое присоединение потребителей; 1 - паровой энергетический котел; 2 - теплофикационная турбина; 3 - генератор переменного тока; 4 - водонагреватель; 5 - пиковая котельная с водогрейными котлами; 6 - задвижка; 7 - регулятор подпитки; 8 - грязевик; 9 - сетевой насос; 10 - подпиточный насос; 11, 13 - конденсатные насосы; 12 - конденсатор турбины; 14 - регенеративный подогреватель; 15 - установка химводоочистки

Сравнение ТЭЦ с конденсационной электрической станцией (КЭС), т.е. с паротурбинной электростанцией, вырабатывающей только электроэнергию, показывает, что на ТЭЦ теплота, затраченная на производство пара, используется значительно полнее, так как скрытая теплота парообразования отборов пара передается теплофикационной воде, подаваемой затем тепловым потребителям. На КЭС же скрытая теплота парообразования отработавшего в турбинах пара передается в конденсаторе охлаждающей воде, которая поступает в градирню, т. е. как источник теплоты не используется. Поэтому КЭС имеет КПД до 40%, тогда как у ТЭЦ он достигает 80 %.

Таким образом, теплофикация позволяет более рационально использовать топливо, а значит, экономить его. В этом главнейшая выгода теплофикации по сравнению с раздельным теплоснабжением от котельных и электроснабжением от КЭС. При комбинированной схеме уменьшаются и другие издержки производства, однако ТЭЦ требует больших капиталовложений, чем котельная и КЭС.

Экономичность теплофикации зависит от размера дополнительных капиталовложений при теплофикации (табл. 1, 2), количества и стоимости сэкономленного топлива, соотношения численности персонала, обслуживающего сравниваемые установки. Чем меньше мощность ТЭЦ, тем менее экономична теплофикация.

Таблица 1. Приближенные удельные капиталовложения в прогнозных ценах 2004 г. в строительство некоторых котельных с водогрейными котлами

Тип котла	Число котлов	Установленная мощность, МВт	Удельные капиталовложения, млн руб./МВт, в зависимости от вида топлива*
Уголь	Газ и мазут
КВГМ-10			-	2,5/1,5
		-	2,1/1,3
КВТС-20			1,9/1,1	-
КВГМ-20			-	1,7/1,0
ПТВМ-30			-	1,9/1,3
ПТВМ-50			-	1,2/0,7
		-	1,2/0,8
ПТВМ-100			-	1,3/0,8
КВГМ-100			-	1,4/0,8
		-	1,3/0,8

Примечание. В таблице даны полные стоимости строительства котельных, включающих в себя главный корпус, дымовую трубу, топливное хозяйство, наружное кабельное хозяйство, устройства внешнего золоудаления, объекты обслуживающего и подсобного назначения, установку химводоочистки, транспортное хозяйство, внешние коммуникации, временные здания и сооружения и др.

* В числителе - общие капиталовложения, в знаменателе - стоимость строительно-монтажных работ.

Таблица 2. Приближенные удельные капиталовложения в ценах 2004 г. в строительство некоторых котельных с паровыми котлами

Тип котла	Число котлов	Установленная паропроизводительность, т/ч	Удельные капиталовложения, млн руб./т, в зависимости от вида топлива*
Уголь	Газ и мазут
Е-25-С			1,7/1,0	-
Е-35ГМ			-	1,4/0,8
К-50-40-1			2,1/1,1	-
ГМ-50-14			-	1,7/0,8
ГМ-50-40-1			-	1,7/1,0
БКЗ-75-39ФБ			2,0/1,1	-
		1,9/1,1	-
БКЗ-75-39ГМ			-	1,6/0,9
		-	1,4/0,7

* В числителе - общие капиталовложения, в знаменателе - стоимость строительно-монтажных работ.

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

(МИИТ)

 

Кафедра «Теплоэнергетика и водоснабжение на железнодорожном транспорте»

Автор: Зыков А.П., доктор технических наук, доцент