Современные системы отопления в России

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Система отопления

1.1 Общие характеристики

1.2 Особенности систем отопления с водогликолевыми смесями

1.3 Типовая структура сетей теплоснабжения промышленных предприятий

2. Тепловые пункты

2.1 Общие характеристики

2.2 Индивидуальные тепловые пункты

2.3 Преимущества индивидуальных тепловых пунктов

2.4 Автоматизация индивидуальных тепловых пунктов

3. Энергосберегающие технологии в системах отопления

3.1 Циркуляция теплоносителя

3.2 Балансировочные вентили

3.3 Пофасадное регулирование тепла

4. Измерительная часть стенда на основе прибора типа ИС-203 компании «Техноас»

4.1 Общие характеристики

4.2 Функционирование прибора

4.3 Система получения данных с прибора

4.4 Обработка полученных результатов

5. Состав элементов физической модели и их назначение

6. Практическая часть дипломной работы

6.1 Порядок включения стенда

6.2 Программа испытаний

6.3 Обработка полученных результатов

7. Результаты апробации физической модели в условиях реального предприятия

8. Организационно-экономическая часть

8.1 Расчёт затрат на проведение научно-исследовательской и опытно-конструкторских работ

8.2 Расчет общенаучного и учебно-исследовательского эффекта

Глоссарий

Введение

Применение современных систем отопления в России требует переосмысления традиционных научных, проектных, монтажных и эксплуатационных подходов, которые служат основой обеспечения их эффективной работы. Несовершенство существующих подходов на переходном этапе иногда приводит к нареканиям и претензиям к работе систем, которые безосновательно предъявляют производителям оборудования. Главным признаком данного периода является автоматизация тепловых и гидравлических режимов на уровне потребителя, которая дала возможность индивидуального автоматического поддерживания желаемого теплового комфорта.

При переходе систем теплоснабжения на коммерческий учет стало понятно, что есть возможность экономить ресурсы и это оправдано. Теплосчетчик покажет, сколько потреблено тепла, а снабжающая компания представит сумму к оплате за потребленное тепло. Отопительный сезон проходит не только в сильные морозы, но и в межсезонье. В теплые дни, природа дарит нам экономию, но если нет приборов автоматического регулирования, то будет просто жарко, а не комфортно.

Энергоэффективность и внедрение энергосберегающих технологий - одна из самых актуальных тем в экономике современной России. Решение задач внедрения энергосберегающего оборудования является приоритетом, контролируемым на самом высоком уровне Российской власти.

Целью данной дипломной работы является повышение энергоэффективности систем отопления, путем запуска новых инновационных процессов и внедрения передовых технологических решений. Демонстративно показано, что в системах отопления можно сократить потребление энергоресурсов (до 40% электроэнергии, 30% тепла и 20% теплоносителя). На стенде-имитаторе была спроектирована и с участием автора работы модернизирована физическая модель реальной системы отопления. Модернизация проходила в строгом соответствии с Правилами устройства электроустановок, 7-е издание [1].

1. Система отопления

1.1 Общие характеристики

Отопление - это искусственный обогрев помещений с целью возмещения в них теплопотерь и поддержания заданного уровня температуры. Отапливают как жилые, так и нежилые помещения. Для первых важно создание теплового комфорта, необходимого для жизни людей. Для вторых имеет значение соответствие температуры воздуха в помещении его назначению. Например, в складских помещениях должны быть созданы такие условиях, которые бы обеспечили наилучшую сохранность находящихся в них вещей. Температура же воздуха в производственном цехе должна отвечать требованиям технологического процесса. отопление водогликолевый теплоснабжение энергосберегающий

Применительно к жилым заданиям, речь идет в первую очередь об обогреве тех помещений, где жильцы собираются проводить большую часть времени на протяжении всего года или какой-то его части. То есть главная цель отопления - это создание комфортных условий проживания, которые зависят, во-первых, от температуры воздуха и, во-вторых, от характера распределения этой температуры внутри помещения. За поддержание температуры на должном уровне "отвечает" локальная система отопления. Однако не стоит забывать, что в создании микроклимата помещений участвует тепло, не только поставляемое по "жилам" (трубам или кабелям) отопительной системы, но также выделяемое человеческим организмом.

Первые отопительные устройства, вопреки тяжелым условиям жизни и благодаря изобретательности человека появились еще в древние времена, практически одновременно с возникновением первых жилищ в пещерах. Самым устаревшим видом искусственного обогрева было отопление путем сжигания топлива в очаге, возведенном непосредственно внутри пещеры. Очаг одновременно служил и для обогрева, и для приготовления пищи, и для нагрева воды, и даже в ритуальных целях. С тех пор было разработано множество конструкций очагов и печей, используемых в быту. Также были опробованы множество видов твердого топлива для обогрева жилища, к которым в 19 веке присоединились природный газ и продукты переработки нефти.

Наиболее распространенный в настоящий момент вид отопления на основе воды появился еще при рабовладельческом строе. Известно, что водяное отопление с успехом использовалось в Древнем Египте и послужило прототипом для создания знаменитых систем отопления в Римской империи и на территории современной Турции. Источником отопления в Древнем Египте служили городские бани: в полу банных помещений делались стоки для нагретой воды, уходящей в общий водосток города и обеспечивавшей египтян теплом. Отопительная система Древнего Египта - пример одной из первых центральных систем отопления. В 10 же веке до н, э. в городе Эфесе, расположенном на территории современной Турции, возникла система автономного водяного отопления, при которой жилые помещения отапливались посредством несложных трубопроводов и котлов, расположенных в подвалах каждого отдельного дома.

В настоящий момент различают централизованные и автономные (местные) системы отопления.

В системах централизованного отопления тепло вырабатывается за пределами отапливаемых зданий и затем поступает по длинным и разветвленным трубопроводам к целевым помещениям. Такой вид отопления характерен для городов, особенно отопления многоэтажных построек, нежилых помещений и промышленных предприятий.

В малоэтажных застройках и сельской местности централизованное отопление неприменимо из-за значительной удаленности потребителей от источника тепловой энергии. Поэтому здесь чаще всего используют системы автономного отопления, для которых характерно расположение генератора тепла в отапливаемом здании. В условиях местного отопления генератор тепла используется для обогрева одного здания и нередко представляет собой многофункциональное устройство, предназначенное не только для обогрева помещения, но также для нагрева воды.

На территории России водяное отопление - самый распространенный вид централизованного и автономного отопления. Собственно говоря, называть данный вид отопления «водяным» не совсем корректно, так как в качестве теплоносителя может быть использована не только вода, но и любая другая теплоемкая жидкость, отвечающая необходимым физико-техническим требованиям. Правильнее такое отопление назвать «традиционным», тем более что этот термин существует, и обусловлен он именно широтой распространения водяных отопительных систем.

В традиционной системе отопления нагретый до необходимой температуры жидкий теплоноситель, которым чаще всего является аэрированная вода, проходя по системе трубопроводов и отопительных приборов, отдает свое тепло воздуху в отапливаемом помещении. Причина популярности традиционного отопления объясняется совокупностью целого ряда достоинств:

- дешевизна и экономичный расход материалов - для водяного теплопровода требуются трубы меньшего диаметра, чем для воздушного;

- высокая теплоемкость теплоносителя - единица объема воды содержит большее количество тепла по сравнению с иными видами теплоносителей (например, теплоемкость воды в 4000 раз больше теплоемкости воздуха, нагретого до той же температуры);

- создание комфортного температурного режима.

В последние годы, когда с наступлением холодов все мы становимся свидетелями, а то и участниками, многочисленных человеческих трагедий, причина которых - в неспособности системы централизованного отопления обеспечить людей необходимым теплом, вопрос об автономном отоплении становится неожиданно актуальным (даже в городских условиях). Годовая потребность в теплоте города Воронежа составляет более 6670 тыс. Гкал. И постоянно растет (см. таблицу 1.1.1)

Таблица 1.1.1 - Тепловые нагрузки города Воронеж за период 2003 - 2008 г

Год	2003	2004	2005	2006	2007	2008
Отпуск тепла, тыс.Гкал	5762,1	5713,5	5766,7	6227,4	6035,2	6658,5

Бюджетные средства, выделяемые на отопление, мягко говоря, недостаточны. Теплосети пребывают в плачевном состоянии (таблица 1.1.2). Потери полезного тепла достигают порядка 30 % (для сравнения: на «благополучном Западе» эта цифра составляет всего 2 %!).

Таблица 1.1.2 - Мероприятия по эксплуатации тепловых сетей г. Воронежа выполненные в 2006 - 2008 г

Показатели	Годы
	2006	2007	2008
Количество неисправностей на сетях, шт	1 302	1 344	1 790
Число неисправностей на км сети, шт	1,03	1,06	1,4
Переложено сетей, км	3,8	4,9	5,5
Заменено задвижек, шт	392	418	624
Промыто сетей, км	320	365,37	361,1
Уровень физических потерь воды в системе, тыс. м3/год	-	1 000	1 217

Все это указывает на серьезный кризис централизованного отопления, выход из которого - в создании многочисленных независимых друг от друга систем отопления. Тем более, что этому способствует развивающееся бурными темпами коттеджное и малоэтажное строительство.

Однако, в отличие от прочих видов искусственного обогрева зданий, традиционное отопление трудоемко в установке и последующей эксплуатации. Во-первых, создание водяного трубопровода возможно только во время возведения или капитального ремонта здания, так как требует большого количества строительных работ. Во-вторых, бесперебойную работу отопительной системы обеспечивает беспрерывный нагрев теплоносителя, а это значит, что нужно постоянно следить за работой генератора тепла. В-третьих, дополнительные неудобства ожидают тех, кто покидает свои загородные дома на продолжительное время, особенно в холодное время года. Перед долгосрочным отбытием всю воду из системы отопления необходимо слить. В противном случае при отрицательных температурах вода замерзнет, что приведет к разрыву трубопровода. С другой стороны, отсутствие воды в системе традиционного отопления приводит к интенсивному развитию коррозионных процессов в трубопроводах, заполненных воздухом.

В условиях прямого электрического отопления, помещения обогревают без участия теплоносителя; электрическая энергия преобразуется непосредственно в тепловую.

Прямое электрическое отопление - наиболее перспективный в России, и самый популярный в Европе вид отопления. На данный момент прямое электрическое отопление на территории России заметно уступает традиционному и воздушному (главным образом, печному) отоплению. И тому есть весомые причины: сравнительная дороговизна электроэнергии и постоянные перебои с ее подачей, делающие использование электричества, как единственного источника тепла, неэффективным.

Действительно, на первый взгляд, кажется, что использование электрических отопительных систем требует больших финансовых затрат. Однако при более тщательном подсчете вырисовывается несколько иная картина, о которой более подробно пойдет речь ниже. Кроме того, прямое электрическое отопление имеет много существенных достоинств, среди которых:

- легкость и удобство эксплуатации системы,

- эффективная возможность регулирования подачи тепла,

- небольшие габаритные размеры отопительных приборов, которые к тому же не требуют особого ухода,

- высокая гигиеничность и экологические достоинства электрических обогревателей,

- бесшумность отопительной системы, так как для ее работы не нужны циркуляционные насосы.

Следует обратить особое внимание на экологическую сторону использования прямого электрического отопления. Все виды топлива, за исключением электричества, в большей или меньшей степени загрязняют окружающую среду: при сжигании природного газа образуется жидкий конденсат, при сгорании дизельного топлива - целый букет летучих ядовитых веществ, а о вреде использования твердого топлива пишут целые трактаты. Особую проблему составляют утечки газа и жидкого топлива в неисправных отопительных системах, которые не только загрязняют окружающую среду, но и становятся серьезной угрозой для жизни обитателей дома. Все это незнакомо для тех жителей , чьи дома оборудованы прямыми электрическими системами отопления. В крайнем случае, их устаревшие электрообогреватели будут «сжигать» кислород.

В качестве теплоносителя в печной (воздушной) системе отопления выступает нагретый воздух (рисунок 1.1.1), который по трубам поступает в отапливаемые помещения. Данный вид отопления предполагает установку калориферов-теплообменников или возведение печей, в которых происходит нагрев окружающего воздуха. Нагретая изнутри поверхность теплогенератора, отдавая тепло воздуху, охлаждается снаружи. Поэтому теплоотдача прибора напрямую зависит от площади его нагревательной поверхности. Отопительные приборы могут работать от электросети или на топливе и не предполагают устройство канализации теплоносителя.



Рисунок 1.1.1 - Принцип печного отопления

Современная отечественная и зарубежная промышленность выпускает теплогенераторы как с естественной, так и с принудительной тягой воздуха. В калориферах и печах с естественной тягой нагретого воздуха существует опасность перегрева разделяющей стенки теплообменника. Дабы избежать этого, лучше приобретать теплогенераторы с принудительной тягой воздуха, которые комплектуют вентилятором, стимулирующим движение воздушных потоков. Только тут возникает сразу две проблемы. Во-первых, купить теплообменники с принудительной тягой воздуха трудно, так как их выпускают в ограниченном количестве. Во-вторых, вентилятор имеет немалые размеры, да и шума от него будет предостаточно.

Сам по себе нагретый воздух (или газ) имеет ряд преимуществ перед прочими видами теплоносителей, как то быстрота нагрева и его большая подвижность. Будучи нагретым, он приобретает меньший удельный вес и, расширяясь, легко перемещается вверх по каналам. Отдав часть своего тепла помещению и охладившись, он становится тяжелее и устремляется по обратным каналам вниз.

Тем не менее, некогда популярное в сельской местности, воздушное отопление все реже и реже используют для обогрева помещений, постепенно вытесняя прямым электрическим и традиционным отоплением. Это объясняется рядом недостатков, неизбежных спутников системы воздушного отопления:

- громоздкими размерами теплогенератора (печи, камина и пр.);

- низким коэффициентом теплоотдачи воздуха - нагревающая способность воздуха в десятки раз меньше, чем у воды, а это означает, что для обогрева помещения потребуется в несколько раз больше нагретого воздуха, чем воды;

- трудностями в распределении нагретого воздуха по отапливаемым помещениям из-за незначительной величины возникающего напора воздуха;

- низкими экологическими качествами;

- дороговизной системы - раньше-то печи возводили своими руками, а теперь этого делать практически не умеют, да и нет в этом необходимости, так как при наличии денег генератор тепла можно купить.

Газовые отопительные системы активно применяются в обустройстве отопления зданий и сооружений, вблизи которых проложена газовая магистраль. Если подведены газовые коммуникации, то монтажные организации в большинстве случаев предложат использовать именно газовую систему отопления, поскольку она обладает определенными достоинствами.

Преимущества газовых систем отопления:

- газ - самое дешевое топливо;

- нет нужды в постоянном контроле над пламенем, так как газ подается беспрерывно. Если пламя по какой-то причине погаснет, датчик мгновенно известит систему электрического розжига, и горелка вновь зажжется.

- КПД газовых отопительных систем очень высок, учитывая низкую стоимость топливного сырья;

- газовые отопительные приборы позволяют отопить большие по площади помещения.

Недостатки газовых систем отопления:

- для установки газового котельного оборудования необходимо согласование со службой Потребнадзора РФ. Для успешного результата согласования необходимо предоставление проекта котельной с фирмой осуществляющей пуско-наладочные работы и сервисное обслуживание, копии разрешения на проектные и монтажные работы выбранной организации, а также заключение трехстороннего договора об обязанностях и ответственности по оборудованию;

- при решении о применении газового оборудования для отопления необходимо предусмотреть наличие дымохода, через который будут отводиться отработанные газы. Установка газовой котельной должна производиться в отдельном помещении с отдельным выходом на улицу и хорошим снабжением воздухом. Особенно это актуально при использовании оборудования с атмосферной горелкой;

- понижение давления газа и износ горелки может стать причиной того, что отопительное оборудование начнет коптить, а его КПД значительно снизится;

- в атмосферной горелке пламя открыто, что для некоторых людей является сдерживающим фактором из-за отсутствия должной безопасности;

- необходимо применять газовое оборудование, адаптированное под российские условия. Давление газа может значительно изменяться. Достигнув определенного минимума, горелка неадаптированного импортного котла может начать сжигать себя, что станет причиной поломки газового котельного оборудования;

- нужен монтаж автоматики, которая будет следить за утечками газа.

При отоплении жилых помещений главным является обеспечение максимального комфорта для жизни людей. Несоблюдение этого требования не может быть компенсировано даже дешевизной тепловой энергии. Основных критериев комфортности отопления два: характер циркуляции воздуха в помещении и температурный градиент (показатель приращения температуры в помещении на единицу высоты), который определяется выражением (1.1.1).

(1.1.1)

где М - молекулярная масса газа;

g - ускорение свободного падения;

Z - высота, отсчитываемая от нижней точки;

C_p - мольная изобарная теплоемкость газа;

T_z - температурное поле, вызванное сжатием нижних слоев газа весом верхних слоев в столбе газа.

Формула (1.1.1) дает температурный градиент для тропосферы Земли: минус 9,72 К/км. Наиболее благоприятной в помещениях считается температура воздуха 18 - 20 ?С, при этом важна равномерность распределения температур в помещении в горизонтальном и вертикальном направлениях. Чем ниже температурный градиент отопления, тем комфортнее находящимся в помещении людям. Иными словами, чем меньше разница температур у пола и под потолком, тем лучше микроклимат: И снова наименьшим температурным градиентом характеризуются лучистые отопительные приборы, обеспечивающие равномерный нагрев воздуха в помещении.

Таким образом, с точки зрения комфортных условий проживания, лучшим оказывается лучистое отопление.

Говоря о комфорте, не стоит забывать и о возможности регулирования температуры в отапливаемых помещениях. В условиях прямого электрического отопления температура воздуха в помещении в большей степени поддается контролю, нежели при прочих видах отопления. Кроме того, температура в одном помещении никак не зависит от температуры в другом помещении. В условиях же традиционного отопления регулировка температуры в одном помещении немедленно ведет за собой понижение или повышение температуры в других помещениях.

Важным критерием выбора отопительной системы является суммарная стоимость, которая складывается из следующих составляющих:

- стоимости топлива;

- стоимости отопительного оборудования;

- стоимости труб, соединительных деталей и запорно-регулирующей арматуры;

- стоимости монтажных работ;

- стоимости ремонтно-профилактических работ.

Начнем с топлива. Источников тепловой энергии может быть четыре: газ, жидкое топливо, твердое топливо (уголь, древесина) и электричество. Самый дешевый вид топлива - природный газ; самый дорогой - дизельное топливо (таблица 1.1.3)

Таблица 1.1.3 - Сравнение систем отопления хорошо утепленного здания общей площадью 200 м² в ценах 2012 года

Вид топлива	Расход для производства 1 кВт тепла	Стоимость производства 1 кВт тепла, руб/кВт	Расходы за отопительный сезон, руб
Магистральный газ	0,1176 м3	0,52	26 208
Твердотопливный котел на угле	0,2 кг/час	1,2	60 480
Котел на сжиженном газе	0,1 кг/ч	2,3	115 920
Электрический котел	1 кВт/час	2,5	126 000
Котел на дизельном топливе	0,1 литр/ч	2,8	141 120

Выбирая традиционную систему отопления, работающую на жидком топливе, необходимо оплачивать не только за само топливо, но также за его транспортировку, хранение (для этого необходимо оборудовать специальное помещение), создание подъездных путей для топливозаправщика и пр. Твердое топливо стоит дешевле, чем жидкое, но хлопот с ним не меньше, как и финансовых затрат. Электричество для освещения подводят бесплатно, однако для отопительных нужд потребуется доплата, которая будет больше стоимости газа, но меньше суммарных расходов на жидкое топливо.

Помимо сервисных услуг придется платить и за профилактические работы, так как со временем отопительное оборудование изнашивается, и эффективность отопительной системы снижается. Особенно негативно сказывается на работе системы отопления пониженное давление газа в российских магистралях. Это означает, что система традиционного отопления на основе газа быстрее выходит из строя и требует больше внимания, а значит, и денежных расходов. Некачественное жидкое топливо быстро приводит к износу топливного насоса, засорению форсунок, образованию кислотных и сернистых компонентов. Колебания напряжения и частоты в электрической сети и длительная работа на пониженном напряжении выводят из строя автоматику прямой электрической системы отопления.

Немалые средства потребует ремонт и замена отдельных узлов отопительной системы. При традиционном отоплении нередки аварийные протечки, взрывы котельного оборудования и другие «неприятности», которые в своем худшем варианте требуют не только замены испорченных приборов, но и серьезных демонтажных работ. Если же система была заполнена антифризом, то потребуются дополнительные затраты на восстановление или замену мебели и строительных конструкций, испорченных вытекшим теплоносителем. Вообще, сбои в работе традиционной системы отопления: могут привести к большим материальным затратам; так как выходит из строя вся система. При поломке же отдельного электрического обогревателя его просто отключают от сети и заменяют новым. Сложнее обстоят дела с повреждением электрических кабелей, но в данном случае все зависит от того, насколько грамотно они были проложены и соблюдаются ли требуемые условиях их эксплуатации.

Сравнение затрат на установку опопительной системы и эксплуатационные расходы на ее содержание приведены на рисунке 1.1.2, там же приведены суммарные эксплуатационные расходы на 10 лет с учётом 7 месячного отопительного сезона, при мощности отопительного прибора 20 кВт.

Рисунок 1.1.2 - Сравнение систем отопления

1.2 Особенности системы отопления с водогликолевыми смесями

Как известно, в качестве теплоносителя в системах отопления можно применять как воду, так и незамерзающие жидкости - антифризы. Каждый из этих теплоносителей имеет свои преимущества и недостатки.

Вода со своей способностью накапливать при нагревании и отдавать при остывании большое количество тепла является прекрасным теплоносителем. Она обладает хорошей текучестью и потому легко циркулирует по системе отопления. Кроме того, вода всегда под рукой, и если необходимо добавить ее в систему отопления, проблем не возникает. Немаловажно и то, что речь идет об экологически чистом веществе. Следовательно, возможная протечка не вызовет «экологической катастрофы» в масштабах отдельно взятого дома. Но! Все эти достоинства нивелируются одним существенным недостатком - возможностью замерзания воды в системе и, как следствие, выводом последней из строя (здание с выключенной, но заполненной системой отопления зимой не оставишь). Еще одним недостатком можно считать необходимость изменения химического состава воды перед использованием для отопления. Кроме того, как ее ни готовь, все равно возникает коррозия всех металлических частей системы отопления.

Применение воды в качестве теплоносителя, помимо его главного преимущества - низкой цены, несет в себе следующие проблемы:

- коррозия металла под воздействием теплоносителя;

- образование накипи на стенках оборудования;

- изменение состава теплоносителя в процессе эксплуатации и соответственно его теплофизических свойств

- вследствие замерзания происходит разрыв трубопроводов и нагревательных элементов

Эти проблемы, если не обращать на них должного внимания, приводят к сокращению сроков службы отопительного оборудования, увеличению затрат на проведение профилактических и ремонтных работ, требующих в отдельных случаях его остановки, что, в свою очередь, может вызвать ухудшение качества или порчу теплоносителя.

Теплоносители на основе солевых растворов очень экономичны по прямым затратам. Однако из-за высокой агрессивности этих растворов косвенные затраты, связанные с выходом из строя оборудования превышают прямые затраты в несколько раз. Поэтому наблюдается тенденция их замены теплоносителями, обеспечивающими большую надежность работы отопительного оборудования. К их числу в первую очередь относятся водные растворы многоатомных спиртов, в том числе пропиленгликоля (ПГ), этиленгликоля, глицерина.

К несомненным преимуществам теплоносителей на гликолевой основе относится "незамерзание" при минусовых температурах. Не то чтобы они совсем не замерзали, просто с ними этого не происходит в привычном (бытовом) понимании. В отличие от воды, они образуют не кристаллическую, а, аморфную структуру. При этом теплоноситель не увеличивается в объеме, а, следовательно, не разрушает (не «размораживает») систему отопления. При повышении же температуры он вновь переходит в жидкое состояние и может выполнять свои функции. Именно это свойство и делает теплоносителей на гликолевой основе почти незаменимыми - если зимой в доме не живут, необязательно сливать теплоноситель из системы отопления. И, значит, появляется возможность, приехав на выходной, быстро протопить комнаты.

Гликоли - бесцветные сладковатые и высоковязкие жидкости с точкой замерзания ниже минус 50 °С. Различают три главных типа гликолей:

- этиленгликоль - C₂H₄(ОН)₂. Является ядовитым веществом, и в основном используется там, где его утечка не будет опасной для людей, животных и продовольственных товаров.

- пропиленгликоль - С₃Н₆(ОH)₂. Выгодно отличаются по токсикологическим свойствам от традиционных теплоносителей технического назначения на основе этиленгликоля. Благодаря нетоксичным свойствам находит также применение в пищевой промышленности (в качестве пищевых добавок).

- глицерин - С₃Н₅(ОН)₃. При использовании в качестве теплоносителей водных растворов глицерина усиливаются требования к прокладкам (уплотнениям) и деталям оборудования из неполярных резин и пластмасс некоторых марок. При температурах ниже минус 20 °С глицериновые растворы имеют большие значения вязкости, чем растворы, приготовленные на основе этилен- и пропилен гликолей, что вызывает в особых случаях установку дополнительного насоса на циркуляцию теплоносителя. Кроме того, сложнее решаются коррозионные проблемы. В зоне высокотемпературного (горелка) нагрева теплоносителя на основе глицерина возможно образование ненасыщенного альдегида - акролеина, (СН₂ = СН - СН + О), вещества с резким неприятным запахом, которое проявляет слезоточивое действие и довольно ядовитое.

Водные растворы этиленгликоля и пропиленгликоля имеют отличные от воды теплофизические свойства - теплоемкость, плотность, теплопроводность, химическая активность и т.п., которые должны быть учтены при подборе оборудования, гидравлическом расчете систем холодного водоснабжения.

Как пропиленгликоль, так и этиленгликоль имеют показатель «текучести» выше, чем у воды. Это свойство может привести к образованию утечек в уплотнениях (особенно при низких температурах теплоносителя и высоких концентрациях гликоля) и требует более внимательного подхода к выбору насосного оборудования и его размещению. В ряде случаев стандартные насосы рассчитаны на максимальное содержание гликоля 30 - 40 %, более высокие концентрации требуют замены стандартных уплотнений на специальные. По возможности насосы следует размещать в частях системы с более высокой температурой теплоносителя.

Для систем, работающих периодически и при существовании опасности замерзания теплоносителя, необходимо применять воду с примесями, снижающими температуру кристаллизации. В качестве примесей не следует использовать взрыво- и огнеопасные вещества. При использовании примесей, например, гликолевых, и наличии исходных данных, а именно: массовой доли гликоля, кинематической вязкости, плотности, коэффициента объемного расширения, температур кипения и кристаллизации, водородного показателя (рН) необходимо учитывать влияние водогликолевой смеси на гидравлическую и тепловую устойчивость системы, на выбор оборудования, используя рекомендации производителей. При отсутствии - пользоваться ориентировочными данными (таблица 1.2.1).

Таблица 1.2.1 - Характеристика этиленгликолей

Использование незамерзающего 40 % водного раствора этиленгликоля может уменьшить теплопроизводительность котлов и отопительных приборов почти на 7%. Существенное влияние оказывает увеличение гидравлического сопротивления труб почти на 25 % (при средней температуре теплоносителя 60 °С), что заставляет применять более мощные насосы. Увеличение коэффициента объемного расширения водогликолевой смеси приводит к использованию расширительных баков с увеличенным объемом на 40 - 50 % . Из-за токсичности и значительного влияния на работу систем этиленгликолевые растворы следует ограничивать в применении.

От грамотного выбора типа теплоносителя для систем отопления зависит эффективность и долговечность работы устройств, возможность снижения затрат на обогрев помещений, экологическое состояние объектов.

Теплоносители на основе глицерина - оптимальный вариант для использования в различных условиях эксплуатации и в любых отопительных контурах.

Основные достоинства теплоносителей на базе глицерина:

- широкий диапазон рабочих температур;

- низкая температура замерзания, восстановление свойств при размораживании, отсутствие расширения вещества при замерзании и, как следствие, отсутствие опасности разрыва труб;

- отличные антикоррозионные свойства, достигаемые применением специальных добавок;

- при сбалансированном составе раствор не влияет на резиновые, пластиковые, оцинкованные детали отопительных систем;

- длительный срок эксплуатации (8 - 10 лет);

- полная пожаро- и взрывобезопасность;

- нетоксичность;

- отсутствие необходимости промывания системы при переходе на этот тип теплоносителя;

- экологическая безопасность.

1.3 Типовая структура сетей теплоснабжения промышленных предприятий

Современные промышленные предприятия являются крупнейшими потребителями топливно-энергетических ресурсов, вследствие чего статья расходов на энергоресурсы в структуре себестоимости выпускаемой продукции - одна из основополагающих. Размер этой статьи зависит от номенклатуры выпускаемой продукции, оборудования и того, насколько эффективно организованы системы взаимодействия источников энергетических ресурсов (далее - ЭР) и их потребителей. В системе взаимодействия источник - потребитель энергоресурсов «узким» местом является стадия потребления и, как бы ни эффективно работал источник, результирующие показатели будут сведены к минимальным за счет неэффективного использования ЭР. Поскольку крупные промышленные предприятия жестко привязаны к производственным площадкам и инженерным коммуникациям на них, функционируют достаточно длительный период и не всегда имеется возможность изменения характеристик основного технологического оборудования, наиболее привлекательным направлением совершенствования энергохозяйства является внедрение мероприятий, позволяющих достичь желаемого эффекта без существенного изменения режимов работы основных технологических систем. Традиционно мероприятия, проводимые без существенных модернизаций действующего технологического оборудования, расширения производства или увеличения потребления ЭР принято называть энергосберегающими. Внедрение энергосберегающих мероприятий происходит при создании дополнительных узлов и подсистем, на максимально возможном уровне использующих первичные и вторичные ЭР. Теплоэнергетическая система промышленного предприятия ( далее - ТЭС ПП), предназначенная для обеспечения потребителей энергоресурсами всех требуемых видов, соответствующего качества и в необходимом количестве в любой момент времени, представляет собой сложное образование, объединяющее не только внешние и внутренние источники ЭР предприятия, но также и потребителей. Кроме того, ТЭС ПП должна гибко подстраиваться в течение любого наблюдаемого отрезка времени под изменяющийся режим энергопотребления и делать это с наименьшими издержками.

Одним из основных направлений повышения эффективности взаимодействия источник - потребитель ЭР является комбинирование энерготехнологических процессов, в рамках которого одна и та же промышленная установка или система одновременно служит производителем технологической продукции и источником ЭР.

Современные крупные заводы энергоемких отраслей промышленности состоят из значительного числа различных технологических и энергетических установок, образующих совместно производственный комплекс.

Теплоэнергетической системой промышленного предприятия называют систему, объединяющую на предприятии все источники различных энергоресурсов (ЭР), включая технологические агрегаты, и всех потребителей ЭР.

Задачей рационального построения ТЭС ПП является организация оптимального распределения и использования различных ЭР. При этом необходимо учитывать реальные (вплоть до часовых) графики и режимы работы всех агрегатов, как генерирующих, так и потребляющих ЭР в любой отрезок времени для обеспечения надежной и экономичной работы, как отдельных агрегатов, так и предприятия в целом, определение характера и мощности необходимых резервных источников ЭР.

От совершенства построения ТЭС ПП зависит эффективность использования энергоресурсов на предприятии; потребность предприятия во внешних ЭР; в капиталовложениях; влияние предприятия на окружающую среду и др.

К энергоресурсам, охватываемым ТЭС ПП, относятся все их виды, имеющиеся на предприятиях, в том числе:

- водяной пар различных параметров от разных источников и горячая вода;

- горючие газы - доменный, коксовый, конвертерный, нефтеперерабатывающих агрегатов, ферросплавных электропечей;

- физическая теплота отходящих газов различных технологических агрегатов, и остывающей продукции;

- теплота охлаждения конструктивных элементов технологических агрегатов; теплота расплавленных шлаков;

- горючие нетранспортабельные отходы производства; избыточное давление различных газов и жидкостей;

- сжатый воздух для технологических циклов и производственных нужд;

- кислород технический (О₂ - 99,5%) и технологический (О₂ - 95%), газообразный и жидкий.

Абсолютный и относительный (аналитический) вывод из потребления перечисленных видов ЭР могут сильно различаться на различных предприятиях, так же, как и реальные графики их выходов и потреблений. Поэтому, для правильного построения и организации эксплуатации ТЭС ПП необходимо знать энергетические характеристики технологических агрегатов, а так же основы соответствующих технологических циклов.

Есть ряд путей улучшения расхода топлива на предприятиях.

1. Применение энергосберегающей технологии и энергетического совершенствования технологических агрегатов и циклов. Их внедрение при том же эффекте в 3 - 4 раза дешевле, чем разработка новых нефтяных и газовых месторождений.

2. Повышение КПД (снижение удельных расходов топлива) энергетических установок и агрегатов, как генерирующих, так и потребляющих различные энергоресурсы, например, КПД котлов, турбин, компрессоров, кислородных установок, оборудования утилизационных установок.

3. Оптимальное, с хозяйственной точки зрения, построение ТЭС ПП.

Оптимизация построения ТЭС ПП необходима для решения следующих задач:

- обеспечение бесперебойного снабжения потребителей всеми видами энергоресурсов нужных параметров в любой отрезок времени;

- максимальное и наиболее эффективное использование всех внутренних энергоресурсов, определение оптимального направления их использования;

- обеспечение балансирования приходов и расходов энергоресурсов в любой отрезок времени с учетом реальных графиков работы производственных агрегатов с целью снижения, а в пределе и исключения потерь различных энергоресурсов из-за небалансов производства и потребления.

- наиболее экономичное резервирование источников энергоресурсов по предприятию;

- оптимальный выбор энергоносителей для тех или иных производств, в частности, оптимальное распределение различных видов топлива по потребителям в зависимости от его пирометрических и других характеристик;

- принципиальная возможность комплексной оптимизации, как энергохозяйства предприятий в целом, так и отдельных установок по типам и параметрам;

- выявление наиболее вероятных и длительных режимов работы тех или иных установок и агрегатов, что важно для правильного выбора их типоразмеров, режимных характеристик и др.;

- определение наиболее экономичных и эффективных связей ТЭС ПП с другими предприятиями и установками, и общими условиями энергоснабжения района.

По существу, пока нет полноценного критерия степени совершенства (рациональности) построения ТЭС ПП. Какая-либо ТЭС ПП может не иметь прямых потерь по всем энергоресурсам, но быть далеко не оптимальной с хозяйственной точки зрения, т.к., например, расходует высококачественное дефицитное горючее или высокотемпературную теплоту для покрытия потребностей в низкотемпературной теплоте.

При проектировании и эксплуатации систем теплоснабжения необходимо учитывать:

- вид теплоносителя (вода или пар);

- параметры теплоносителя (температура и давление);

- максимальный часовой расход тепла;

- изменение потребления тепла в течение суток (суточный график);

- годовой расход тепла;

- изменение потребления тепла в течение года (годовой график);

- характер использования теплоносителя у потребителей (непосредственный забор его из тепловой сети или только отбор тепла).

Потребители тепла предъявляют к системе теплоснабжения различные требования. Несмотря на это, теплоснабжение должно быть надежным, экономичным и удовлетворять всех потребителей тепла по качеству тепловой энергии.

Потребителей тепла можно разделить на две группы:

- сезонные потребители тепла;

- круглогодовые потребители тепла.

Сезонными потребителями тепла являются:

- отопление;

- вентиляция (с подогревом воздуха в калориферах);

- кондиционирование воздуха (получение воздуха определенного качества: чистота, температура и влажность).

Круглогодовые потребители используют тепло в течение всего года. К этой группе относятся:

- технологические потребители тепла;

- горячее водоснабжение коммунально-бытовых потребителей.

Снабжение теплом потребителей (систем отопления, вентиляции, на технологические циклы и горячее водоснабжение зданий) состоит из трех взаимосвязанных циклов:

- сообщение тепла теплоносителю;

- транспорт теплоносителя;

- использование теплового потенциала теплоносителя.

В соответствии с этим, каждая система теплоснабжения состоит из трех звеньев:

- источник тепла;

- теплопроводы (трубопроводы с распределительными задвижками);

- системы теплопотребления зданий с нагревательными приборами.

Системы теплоснабжения классифицируются по следующим основным признакам:

- по мощности;

- по виду источника тепла;

- по виду теплоносителя.

По мощности системы теплоснабжения характеризуются дальностью передачи тепла и числом потребителей. Они могут быть местными и централизованными. Местными называют системы теплоснабжения, которые имеют три основных звена, объединены и находятся или в одном помещении, или в смежных помещениях и применяются только в гражданских, небольшого объема, зданиях, или в небольших вспомогательных зданиях на промышленных площадках, удаленных от основных производственных корпусов. (Например, печи, газовое или электрическое отопление). В этих случаях получение тепла и передача его воздуху помещений объединены в одном устройстве и расположены в отапливаемых помещениях.

Централизованными системы теплоснабжения называются в том случае, когда от одного источника тепла подается тепло для множественных помещений или зданий.

По виду источника тепла системы централизованного теплоснабжения разделяют на районное теплоснабжение и теплофикацию.

При районном теплоснабжении источником тепла служит районная котельная, а при теплофикации - ТЭЦ.

Водяные системы теплоснабжения различают по числу теплопроводов, передающих воду в одном направлении:

- однотрубные;

- двухтрубные;

- многотрубные.

Водяные системы теплоснабжения по способу присоединения систем горячего водоснабжения разделяют на две группы:

- закрытые системы;

- открытые системы.

Схемы присоединений систем отопления и вентиляции к тепловым сетям могут быть зависимые и независимые. При зависимой схеме вода из тепловых сетей непосредственно поступает в нагревательные приборы систем отопления и вентиляции. При независимой схеме вода из тепловой сети доходит только до абонентских вводов местных систем, т.е. до места присоединения последних к тепловой сети, и не попадает в нагревательные приборы, а в специально предусмотренных подогревателях нагревает воду, циркулирующую в системах отопления зданий, и возвращается по обратному теплопроводу к источнику теплоснабжения.

Паровые системы теплоснабжения могут быть с возвратом и без возврата конденсата. Технологические потребители пара присоединяются непосредственно или с применением компрессора, если давление пара в сети ниже давления, требуемого технологическими потребителями.

Система теплоснабжения выбирается в зависимости от характера теплового потребления и вида источника теплоснабжения.

Водяным системам теплоснабжения отдается предпочтение, когда тепловые потребители представляют собой системы отопления, вентиляции и горячего водоснабжения. При наличии технологической тепловой нагрузки, требующей тепло повышенного потенциала, рационально также применять воду в качестве теплоносителя, но при этом предусматривать прокладку третьего обособленного трубопровода.

На промышленных площадках при превалирующей технологической тепловой нагрузке повышенного потенциала и малых нагрузках отопления и вентиляции можно применять паровые системы теплоснабжения.

2. Тепловые пункты

2.1 Общие характеристики

В условиях рыночных отношений любой потребитель имеет право получать столько тепла, сколько ему необходимо, и платить только за то, что получил.

Тепловой пункт - это автоматизированная модульная установка, которая передает тепловую энергию от внешних тепловых сетей (ТЭЦ или котельной) к системе отопления, вентиляции или горячего водоснабжения жилищных и производственных помещений.

Многие тепловые пункты, обслуживающие дома и предприятия, были введены в эксплуатацию уже довольно давно. Естественно, со временем оборудование изнашивается, технологии устаревают, появляются новые технические решения, постепенно внедряется автоматика. А центральные тепловые пункты (ЦТП) и индивидуальные тепловые пункты (ИТП) нуждаются в реконструкции и модернизации.

Реконструкция ЦТП заключается в замене теплообменного оборудования, вышедшего из строя или морально устаревшего на современное. Кроме того, реконструкция ЦТП подразумевает внедрение автоматических систем регулирования, отечественного или импортного производства, которые поддерживают необходимый режим работы теплового пункта.

Наладка ИТП, а также ЦТП, заключается в настройке установленных автоматических систем регулирования теплового пункта, которые не только поддерживают бесперебойную работу системы в пределах заданных параметров, но и следят за соблюдением режимной карты котла или иного теплообменника. С помощью автоматических систем регулирования осуществляется круглосуточный мониторинг работы теплового пункта.

При наладке ИТП и ЦТП происходит запуск отопительной системы и определение режима ее работы. Специалист по наладке ИТП (ЦТП), настраивает режим работы теплового пункта и параметры работы системы согласно режимной карты. Далее ИТП (ЦТП) работает в заданном режиме.

Тепловые пункты успешно находят свое применение в бойлерных и котельных для систем отопления, систем горячего водоснабжения, вентиляции в жилых и административных зданиях, для обеспечения необходимых параметров теплоносителей в технологических процессах на промышленных предприятиях.

Тепловые пункты разделяют на:

- модульный тепловой пункт МТП (блочный тепловой пункт БТП);

- центральный тепловой пункт (ЦТП);

- индивидуальный тепловой пункт (ИТП).

Центральный тепловой пункт (ЦТП) - тепловой пункт, обслуживающий два и более потребителя или здания (рисунок 2.1.1). ЦТП обеспечивает жителей горячей и холодной водой круглогодично и тепловой энергией в отопительный сезон.

Рисунок 2.1.1 - Структурная схема ЦТП

Центральные тепловые пункты выпускаются в модульном исполнении, в полной заводской готовности, т.е. требуют минимальных работ на месте монтажа - только подключения к действующим сетям и пуско-наладочных работ. Объем необходимых работ определяется Заказчиком и может подразумевать только выведение светового или звукового сигнала на пульт диспетчера, а может обеспечивать передачу, контроль и учет всех параметров центрального теплового пункта и дистанционное управление им с помощью любого известного на сегодняшний день вида связи.

Оборудование центрального теплового пункта (ЦТП) включает в себя следующие элементы:

- подогреватели (теплообменники) - секционные, многоходовые, блочного типа, пластинчатые - в зависимости от проекта, для горячего водоснабжения, поддерживающие нужную температуру и напор воды у водоразборных точек;

- циркуляционные, хозяйственные, противопожарные и отопительные насосы;

- тепловые и водомерные узлы;

- приборы КИП и автоматики и запорно-регулирующую арматуру.

Модульный тепловой пункт (рисунок 2.1.2) - это полностью законченное заводское изделие, которое позволяет подключить реконструируемые или вновь строящиеся объекты (здания и сооружения) к тепловым сетям в наиболее короткие сроки.



Рисунок 2.1.2 - Готовый модульный тепловой пункт

Проектирование и монтаж модульного теплового пункта осуществляется на базе пластинчатых теплообменников.

Модули теплового пункта могут быть использованы, как отдельный блочный автоматизированный тепловой пункт заводской готовности для системы отопления, вентиляции или горячего водоснабжения, или же объединены на одной раме с одним общим автоматическим регулированием и управлением в единую систему теплоснабжения здания.

2.2 Индивидуальные тепловые пункты

Индивидуальный тепловой пункт (ИТП) - тепловой пункт, обслуживающий здание или его части (рисунок 2.2.1).



Рисунок 2.2.1 - Структурная схема ИТП

Индивидуальный тепловой пункт предназначен для обеспечения горячей водой, тепловой энергией и (или) вентиляции производственных комплексов различного типа, на объектах жилищно-коммунального хозяйства и в других зданиях. Для работы системы необходимо лишь подключение теплоносителя и водопроводной воды, а также подвод электроэнергии для циркуляционных насосов.

Малые индивидуальные тепловые пункты предназначаются для частных домов и небольших строений, которые подключены непосредственно к сети централизованного теплоснабжения. Они рассчитаны на нагрев воды в системах горячего водоснабжения (далее - ГВС) и отопление помещений общей мощностью до 40 кВт.

Большие индивидуальные тепловые пункты предназначены для многоквартирных домов или больших зданий. Мощность ИТП может быть от 50 кВт до 2 МВт.

Схема подсоединения коммуникаций ИТП к зданию приведена на рисунке 2.2.2.



Рисунок 2.2.2 - Схема подсоединения коммуникаций ИТП к зданию

Принцип работы схемы прост. Теплоноситель, поступающий в ТП по подающему трубопроводу теплового ввода, отдает свое тепло в подогревателях систем ГВС и отопления, а также поступает в систему вентиляции потребителей, после чего возвращается в обратный трубопровод теплового ввода и по магистральным сетям отправляется обратно на теплогенерирующее предприятие для повторного использования. Часть теплоносителя может расходоваться потребителем. Для восполнения потерь в первичных тепловых сетях на котельных и ТЭЦ существуют системы подпитки, источниками теплоносителя для которых являются системы водоподготовки этих предприятий.

Водопроводная вода, поступающая в ТП, проходит через насосы ХВС, после чего часть холодной воды отправляется потребителям, а другая часть нагревается в подогревателе первой ступени ГВС и поступает в циркуляционный контур системы ГВС. В циркуляционном контуре вода при помощи циркуляционных насосов горячего водоснабжения движется по кругу от ТП к потребителям и обратно, а потребители отбирают воду из контура по мере необходимости. При циркуляции по контуру вода постепенно отдает своё тепло и для того, чтобы поддерживать температуру воды на заданном уровне, её постоянно подогревают в подогревателе второй ступени ГВС.

Система отопления также представляет собой замкнутый контур, по которому теплоноситель движется при помощи циркуляционных насосов отопления от ТП к системе отопления зданий и обратно. По мере эксплуатации возможно возникновение утечек теплоносителя из контура системы отопления. Для восполнения потерь служит система подпитки теплового пункта, использующая в качестве источника теплоносителя первичные тепловые сети.

Тепловой пункт может использоваться для модернизации старых зданий при условии замены не только тепловых пунктов, но и теплообменников и другого сопутствующего оборудования. При строительстве нового здания выгоднее спроектировать тепловой пункт и внедрить именно установку индивидуального теплового пункта, так как в дальнейшем это позволит существенно снизить общую стоимость проекта за счет сокращения капитальных затрат и расходов на прокладку теплосетей.

...