Особенности регулирования элеваторных узлов систем отопления

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

В современных системах централизованного теплоснабжения (ЦТ) России принят метод центрального качественного регулирования. Этот метод применяется как на источнике тепла, так и непосредственно в отопительных системах и заключается в регулировании тепловой нагрузки изменением температуры подающей воды в зависимости от температуры наружного воздуха, т.е. поддержанием требуемого температурного графика.

Температурный график местных систем отопления обусловлен требованиями безопасности людей и принятыми особенностями присоединения отопительных приборов. При этом расход воды в системах отопления должен оставаться постоянным. Качество отопления для таких систем определяется точностью поддержания температурного графика.

График тепловых сетей от источника тепла обуславливается экономичностью выработки и транспортировки тепловой энергии. Он, как правило, выше графика в местных системах, и его поддержание производится в соответствии со средней температурой наружного воздуха за некоторый интервал регулирования. Это работа по так называемому диспетчерскому графику. Кроме того, регулирование отпуска тепла в системах ЦТ производится по суммарной нагрузке отопления и ГВС, что приводит к необходимости выдерживания излома температурного графика при положительных температурах наружного воздуха, связанного с необходимостью нагрева водопроводной воды.

Режимы работы систем теплоснабжения и способы автоматического регулирования подачи тепла на отопление при указанных условиях определяются схемами присоединения систем отопления к тепловым сетям.

При независимой схеме присоединения через теплообменник обеспечение поддержания температурного графика в отопительной системе производится достаточно просто, путем установки на подаче сетевой воды перед теплообменником регулятора температуры воды внутреннего контура отопления. Обеспечение внутреннего графика производится за счет изменения расхода сетевой воды, подаваемой на отопительный подогреватель.

Однако наиболее широкое распространение получили зависимые схемы присоединения систем отопления через элеваторы (струйные насосы). Объясняется это, главным образом, исключительной надежностью, простотой, и дешевизной элеватора как смесительного устройства, особенностью которого является независимость коэффициента смешения от располагаемого перепада давлений в точке его присоединения. Иными словами, коэффициент смешения элеватора не зависит от гидравлического режима во внешней тепловой сети.

В системах ЦТ установка элеваторов обуславливается также наличием значительных располагаемых напоров для потребителей. Такие избыточные напоры все равно принято снижать установкой дроссельных диафрагм, и применение элеваторов оказывается оправданным.

Как уже отмечалось, центральное качественное регулирование в системах ЦТ производится по суммарной нагрузке отопления и ГВС. При этом на тепловых пунктах предусматривается присоединение как систем отопления, так и подогревателей ГВС, оснащенных регуляторами температуры нагреваемой водопроводной воды. При таких условиях в тепловой сети имеет место переменный гидравлический режим и расход воды на отопление не остается постоянным. Стабилизировать расход воды на отопление возможно установкой перед элеваторами регуляторов расхода воды на отопление (перепада давлений на элеваторе).

При графике регулирования по суммарной нагрузке необходим также излом температурного графика при положительных температурах наружного воздуха и низких температурах сетевой воды, требуемых для отопления. Излом температурного графика обуславливается необходимостью нагрева водопроводной воды до требуемых по нормам значений 60-65 ОС. Отопительный температурный график 150/70 ОС с корректировкой по условиям регулирования для суммарной нагрузки приведен на рис. 1.

При изломе графика на элеваторные узлы подается вода с более высокой температурой, чем требуется для графика местной системы отопления, что при постоянном коэффициенте смешения приводит к повышению температуры внутри помещений и перерасходу тепла на отопление даже при установке в системе отопления регулятора постоянства расхода воды.

Кроме того, как показывают расчеты, определение параметров элеватора на один (расчетный) температурно-гидравлический режим не обеспечивает поддержания внутренней температуры также и в диапазоне температурного графика, соответствующего качественному регулированию отпуска тепла. Изменение температуры воздуха в отапливаемых помещениях в зависимости от температуры наружного воздуха при определении конструктивных параметров элеватора для расчетной температуры наружного воздуха приведено на рис. 2. Расчеты проводились для системы отопления с элеваторным смешением для расчетного режима, соответствующего tM=-28С, что в Москве является расчетной температурой при проектировании систем отопления. Массовый расход сетевой воды на отопление принимался постоянным и равным расчетному значению.

Такое положение объясняется тем, что параметры элеватора (диаметры выходного сечения сопла и камеры смешения) рассчитываются для определенных условий (плотности сетевой воды и объемных расходов), и расчетный коэффициент смешения элеватора будет достигаться только при этих условиях. При отклонении значений температур и плотности прямой сетевой воды от расчетного для элеватора значения, изменятся расходы воды через сопло, линию подмешивания и диффузор элеватора. При этом расход воды через диффузор равен расходу воды в местной системе отопления. Таким образом, расчетный режим работы элеватора определяется температурой воды в подающей линии тепловой сети, а значит, температурой наружного воздуха.

Приведенный на рис. 2 график зависимости температуры внутреннего воздуха в помещениях от температуры наружного воздуха позволяет сделать вывод о том, что регулирование элеваторных узлов (узлов смешения) требуется не только на диапазоне излома температурного графика, но и на всем диапазоне изменения наружных температур.

Как показывают проведенные расчеты, перерасход тепла на отопление при зависимом присоединении на диапазоне излома температурного графика для различных климатических условий может составлять 5-13% годового отпуска тепла для этой нагрузки.

Радикальным решением проблемы регулирования подачи тепла на отопления в этих условиях является переход на независимую схему с установкой соответствующего отопительного теплообменника. Такое предложение позволяет повысить надежность теплоснабжения за счет упрощения гидравлического режима внешней тепловой сети и обеспечения защиты потребителей от гидравлического удара. Однако реализация рассматриваемой схемы требует значительных затрат и дополнительного расхода электроэнергии на насос отопления, а размещение необходимого оборудования и обвязки в существующих зданиях не всегда возможно.

С учетом последнего целесообразно рассмотреть другие варианты регулирования отпуска тепла на отопление.

Существующие схемы регулирования.

Элеватор с регулятором расхода воды на отопление. Основным условием регулирования подачи тепла на отопление зданий является постоянство расхода воды через систему отопления.

Любое изменение расхода воды через систему отопления по сравнению с расчетным значением как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения неизбежно вызовет отклонение внутренней температуры в помещениях от требуемой. Кроме того, значительное снижение расхода воды через широко применяемую однотрубную систему отопления может вызвать вертикальную (поэтажную) разрегулировку системы.

Поэтому при наличии нагрузки ГВС и переменном гидравлическом режиме тепловой сети в случае центрального качественного регулирования отпуска теплоты элеваторные узлы необходимо оснащать хотя бы регулятором расхода воды в местной системе отопления. Схема такого узла смешения приведена на рис. 3.

Однако отпуск тепла при постоянном расходе воды на отопление зависит от температуры в подающей линии. Рассматриваемая схема регулирования не обеспечивает поддержания температуры после элеватора, что приводит к отклонению подачи тепла на отопление от расчетной величины при несоблюдении по разным причинам температурного графика, и особенно в диапазоне его излома.

Применение элеватора с регулируемым соплом. Некоторое время назад широко предлагался способ регулирования, заключающийся в изменении площади выходного сечения сопла элеватора посредством вдвигаемой в него иглы (элеватор с изменяемым сечением сопла). Такие элеваторы предполагалось использовать для регулирования подачи тепла на отопление в диапазоне излома температурного графика. Схема узла смешения с элеватором, оснащенным регулятором с иглой, приведена на рис. 4.

Регулирование температуры после элеватора основано на том, что при вдвигании иглы в сопло площадь его выходного сечения уменьшается. Это ведет к возрастанию коэффициента инжекции (смешения) и снижению температуры смешанной воды за элеватором, скажем, до требуемой по отопительному графику величины. Однако при таком регулировании расход воды в местной системе не остается постоянным (снижается), поскольку при этом возрастает сопротивление сопла, а значит, и всего контура, образованного проточной частью элеватора и системой отопления, что при заданном значении перепада давления на вводе ведет к снижению расхода воды через указанный контур. Таким образом, отпуск теплоты станет меньше требуемого. Кроме того, при глубоком регулировании возможна поэтажная разрегулировка системы отопления.

Из сказанного следует, что применения только регулятора расхода или системы регулирования типа «сопло - игла» недостаточно для регулирования отпуска тепла на отопление в диапазоне излома температурного графика. Иными словами, одним регулятором, будь то регулятор расхода или регулятор температуры (в данном случае игла), не удается поддержать требуемый отпуск тепла на отопление.

Схема с корректирующим насосом. Другая схема регулирования тепловой нагрузки местной системы отопления в диапазоне излома графика предусматривает в дополнение к элеватору установку корректирующего центробежного насоса. При этом насос может устанавливаться на линии смешения элеватора или включаться в линию, параллельную линии смешения элеватора между обратной и подающей линиями [2] (рис. 5). В таких схемах корректирующий насос должен дополняться двумя регуляторами: регулятором температуры, обеспечивающим снижение температуры воды перед элеватором до требуемой по отопительному графику величины, и регулятором расхода в местной системе отопления.

При правильных подборе и настройке соответствующих авторегуляторов такая схема позволяет регулировать (снижать) отпуск тепла как в диапазоне излома, так и во всем диапазоне температур наружного воздуха. Кроме этого, она совмещает достоинства схем с элеваторным и насосным смешением. В частности, при останове внешней сети циркуляция воды в местной системе отопления может поддерживаться центробежным насосом. В то же время применение дополнительного смесительного насоса и регуляторов удорожает и усложняет схему, а необходимость подвода электроэнергии повышает эксплуатационные расходы. Исходя из последнего условия, включение корректирующего насоса производится только в диапазоне излома графика.

Схемы элеваторных узлов с двумя взаимосвязанными регуляторами. Известна также схема регулирования подачи тепла на отопление с элеваторным присоединением. Решение состоит в применении двух взаимосвязанных регуляторов, один из которых устанавливается на подающей линии перед элеватором, а другой - на линии смешанной воды за элеватором. Предполагается синхронное срабатывание регулирующих клапанов по отклонению температуры воздуха в помещениях.

Если в точке подключения к тепловой сети имеется достаточный избыточный перепад давления, то при определенном соотношении сопротивлений регулирующих клапанов при заданной температуре наружного воздуха можно добиться требуемого коэффициента смешения при поддержании постоянства расхода воды в местной системе отопления (расхода смешанной воды). Диапазон изменения сопротивлений регулирующих клапанов и их начальные значения, соответствующие условиям для температуры начала излома графика, можно подобрать таким образом, что требуемый коэффициент смешения будет обеспечиваться на большей части диапазона излома при поддержании расчетного расхода воды в местной системе. Приведенная схема, на наш взгляд, имеет следующие серьезные недостатки.

Во-первых, регулирование осуществляется по отклонению температуры воздуха в помещении (помещениях) отапливаемого здания, что связано с трудностями выбора представительного помещения (помещений).

Во-вторых, такая схема требует выработки двух взаимосвязанных синхронных сигналов на два исполнительных органа, обеспечивающих требуемое изменение температуры воды после элеватора при поддержании постоянства расхода в местной системе, что непросто реализовать в регулирующем приборе.

В-третьих, отсутствует прямой контроль за расходом воды в контуре отопления (в местной системе).

Предлагаемые схемы регулирования.

Схемы с двумя независимыми регуляторами. Более предпочтительной является разработанная в ОАО «ВТИ» схема автоматического регулирования отопительной нагрузки с элеваторным присоединением, включающая два независимых регулятора: расхода и температуры подающей воды после элеватора. При этом регулятор расхода устанавливается на подающей линии перед элеватором. Регулятор температуры может быть установлен как на перемычке, так и за диффузором элеватора. Схема с установкой регулятора температуры на линии смешения приведена на рис. 6.

Регулятор расхода поддерживает заданный (расчетный) расход в местной системе отопления. Регулятор температуры поддерживает требуемое по температурному графику для системы отопления значение температуры смешанной воды за элеватором в зависимости от температуры наружного воздуха.

Изменение температуры смешанной воды за элеватором при заданных температурах в подающей и обратной линиях тепловой сети может быть осуществлено только за счет изменения коэффициента смешения элеватора. При постоянных гидравлических сопротивлениях сопла элеватора и местной системы отопления изменить коэффициент смешения элеватора можно, меняя сопротивление клапана регулятора температуры. Эта особенность и лежит в основе рассматриваемого принципа регулирования.

С уменьшением гидравлического сопротивления клапана регулятора температуры коэффициент смешения возрастает, поэтому по мере роста температуры наружного воздуха регулятор температуры открывается, а регулятор расхода прикрывается для поддержания постоянства расхода смешанной воды. На рис. 7 и 8 приведены зависимости сопротивления регуляторов температуры и расхода для следующих расчетных условий: перепад давления на местной системе отопления 0,4 м; перепад давления на вводе 60 м; перепад давления на регуляторе температуры 3 м.

Таким образом, регулирование отпуска теплоты местной системой отопления осуществляется независимым регулированием двух величин: расхода теплоносителя в местной системе отопления и температуры теплоносителя на входе в местную систему отопления. Тем не менее, такая схема может применяться лишь при значительных по величине соотношениях располагаемых напоров в точке присоединения к тепловой сети и расчетных перепадах давления на местных системах отопления. Это потребители вблизи источников тепла и/или с малыми нагрузками отопления. При недостаточной величине указанного соотношения не удается получить требуемое увеличение коэффициента смешения, и необходимое регулирование нагрузки отопления может производиться лишь на части диапазона излома графика.

Аналогичные ограничения по располагаемым напорам в сети и на системах отопления имеют место при использовании в качестве регулятора температуры элеватора с регулирующей иглой, которая при ее входе в сопло уменьшает его проходное сечение, увеличивая тем самым коэффициент смешения элеватора. Расход воды в системе отопления, так же как и для предыдущей схемы, поддерживается регулятором расхода в местной системе.

Схема с регулируемым элеватором и двумя независимыми регуляторами. Обеспечить регулирование отпуска тепла во всем диапазоне излома температурного графика тепловой сети при низких значениях располагаемых напоров в точке присоединения возможно, использовав дополнительно к регуляторам расхода и температуры элеватор с регулируемым сечением сопла (рис. 9). Вдвигаемая в сопло игла здесь будет воздействовать на коэффициент смешения элеватора так же, как и изменение сопротивления регулятора температуры.

Проведенные расчеты показывают, что такая схема позволяет достичь того же эффекта по обеспечению температурного графика, что и схема с двумя регуляторами, при значительно более низких располагаемых перепадах на вводе. Это объясняется однонаправленным действием регулятора температуры и вдвигаемой в сопло иглы, а также тем, что игла, вдвигаясь в сопло и увеличивая коэффициент смешения, одновременно снижает расход прямой сетевой воды через сопло, работая в дополнение к регулятору расхода.

Рассматриваемая схема позволяет обеспечить требуемые температуру и массовый расход сетевой воды на входе в местную систему отопления на всем протяжении отопительного периода при сравнительно небольших значениях располагаемого перепада давления на вводе. Например, при расчетном перепаде давления на местной системе отопления 1,5 м требуемый перепад давления на вводе (на элеваторе) составит около 45 м (рис. 10).

элеваторный насос отопление

Это существенно расширяет область возможного применения предлагаемой схемы автоматизации элеваторных узлов по сравнению со схемой, оснащенной только двумя регуляторами, и делает технически возможным регулирование подачи тепла на отопление при его независимом присоединении.

Выводы.

1. В существующих системах теплоснабжения при центральном качественном регулировании по суммарной нагрузке отопления и ГВС и наличии зависимого присоединения систем отопления обеспечение регулирования подачи тепла на отопление позволяет получить значительную (до 5-13%) годовую экономию тепловой энергии, в основном в диапазоне излома температурного графика.

2. Существующие схемы регулирования элеваторных узлов не обеспечивают поддержания требуемого отпуска тепла на отопление или связаны с дополнительными затратами на оборудование, а также затратами электроэнергии на устанавливаемые насосы.

3. Приведены возможные способы (схемы) регулирования элеваторных узлов систем отопления без использования насоса смешения путем установки двух независимых регуляторов и оборудования элеваторов (при необходимости) соплом с регулирующей иглой. Такие схемы обеспечивают поддержание температурного графика в местных системах при постоянстве расхода воды на отопление.

Размещено на Allbest.ru