Лабораторно-методическое обеспечение процесса работы с гидравлической моделью закрытой системы теплоснабжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оренбургский государственный университет

Лабораторно-методическое обеспечение процесса работы с гидравлической моделью закрытой системы теплоснабжения

Изаак С.А.

В процессе проектирования и последующей эксплуатации тепловых сетей возникает необходимость решения задач по определению расходов теплоносителя на участках сети или давлений в отдельных точках при различных гидравлических режимах. Усвоение данной темы в рамках дисциплины «Теплоснабжение», а также ряда ей смежных, требует от студентов высших учебных заведений значительных усилий. Основные трудности связаны с тем, что необходимо, во-первых, учитывать законы одновременно из нескольких областей знания (физики, механики жидкости и газа, теплотехники) со взаимной увязкой их в рамках единой теплогидравлической системы, включающей как трубопроводы (с арматурой), так и гидравлические машины (насосы), а во-вторых, хорошо представлять, каким образом изменение гидравлического режима в одной точке сети повлияет на режимы в других её точках.

Система теплоснабжения является достаточно сложной с теплогидравлической точки зрения. Для определения пределов допустимого изменения тепловой нагрузки, обеспечивающих безаварийную и надёжную эксплуатацию системы, выполняется расчёт гидравлических режимов при различных условиях её работы, в ходе которого устанавливается распределение расходов и давлений теплоносителя по участкам тепловой сети. Изменение характера этого распределения, способное повлечь за собой нарушение качества теплоснабжения потребителей, приводит к необходимости наладки режима, заключающейся в регулировании расходов на участках сети или давлений в отдельных её точках. На гидравлический режим оказывают существенное влияние такие факторы, как: рельеф местности, высота систем теплопотребления присоединяемых абонентов, состав и количество насосного оборудования, конфигурация сети, особенности абонентских узлов присоединения и т.д. [1]. По результатам расчёта гидравлических режимов строятся пьезометрические графики, наглядно показывающие напоры в любой точке тепловой сети и на вводах абонентов, назначаются (для вновь подключаемых) или корректируются (для существующих) схемы подключения потребителей, подбирается насосное оборудование, ограничительные устройства и регулирующие клапаны, разрабатываются мероприятия, связанные с подключением к тепловым сетям новых объектов капитального строительства [2].

В соответствии с Федеральным законом «О теплоснабжении» от 27.07.2010 № 190-ФЗ современные системы теплоснабжения, отвечающие действующим требованиям надёжности и эффективности, надлежит проектировать закрытыми. Наглядным пособием для студентов по изучению установления, регулирования и наладки гидравлических режимов водяных тепловых сетей и тепловых пунктов в закрытой системе теплоснабжения может являться лабораторный стенд, спроектированный с учётом характерных особенностей реальной работы такой системы и потому отвечающий критериям подобия таковой. Грамотный подход к проектированию такого стенда предполагает, в частности:

а) возможность моделировать различный рельеф местности и высоту потребителей;

б) наличие «уменьшенных копий» гидравлического оборудования и технических устройств регулирования гидравлических режимов:

- источника теплоснабжения: подпиточный и сетевые насосы, регулятор подпитки и т.д.;

- тепловых пунктов с различными схемами присоединения теплопотребляющих систем (зависимой, независимой), каждая из которых снабжена оборудованием, необходимым для её работы, запорными и регулирующими клапанами (их моделями);

- тепловых сетей: секционирующая и отключающая арматура, насосные станции с различным расположением насосов, технологические перемычки и т.д.

- внутренних теплопотребляющих систем абонентов: клапан с переменным коэффициентом местного сопротивления (вентиль), позволяющий имитировать различные потери напора во внутренней системе;

в) такое представление напоров в различных характерных точках, которое позволило бы наглядно видеть пьезометрическую картину системы при различных режимах работы (статическом, динамическом) как сразу в целом, так и в отдельных её частях, и при необходимости наглядным же образом фиксировать значения: размеченная в линейных единицах маркерная доска с прозрачными пьезометрическими трубками (при этом эффективно подкрашивание циркулирующей в системе воды контрастным цветом);

г) наличие устройств для измерения расходов рабочей среды в характерных точках системы с возможностью хранения и накопления информации. теплоноситель сеть гидравлический

В роли контроллеров и исполнительных механизмов систем автоматизации выступает сам студент, что позволит ему усвоить суть и причинно-следственные связи процесса регулирования и наладки системы теплоснабжения. Поэтому оснащение стенда автоматикой - для соответствия его современным требованиям к автоматизации работы систем теплоснабжения - несообразно его обучающему назначению.

Соответственно вышеобозначенным подходам, лабораторная установка (стенд), сконструированная как гидравлическая модель закрытой системы теплоснабжения, состоит из двух частей: верхней, на которой демонстрируется расположение характерных точек тепловой сети и потребителей на рельефе местности, а также пьезометрические напоры, и нижней, в которой размещается моделирующее гидравлические режимы механическое оборудование, трубопроводы и арматура.

Верхняя часть стенда позволяет строить различный профиль местности и задавать различную высоту зданий потребителей. От характерных точек тепловой сети и потребителей на маркерную панель с помощью гибких прозрачных шлангов выведены жёстко закреплённые стеклянные пьезометрические трубки, и напоры, показываемые ими, таким образом, также можно оценивать и соотносить в линейных единицах разметочного масштаба.

Нижняя часть стенда условно разделена на следующие структурные единицы: «источник теплоснабжения», «тепловая сеть», «магистральные насосные станции» (2 шт.), «индивидуальные тепловые пункты (узлы присоединения) потребителей». Предусмотрены расходомеры для регистрации расходов по участкам «тепловой сети» и у «потребителей». Все насосы имеют собственные автоматические выключатели и трёхступенчатые переключатели скоростей вращения рабочего колеса.

Источник теплоснабжения смоделирован напорным резервуаром (его роль играет труба Ду 100 мм), заполненным подкрашенной водой. Из резервуара посредством подпиточного (повысительного) насоса производится повышение давления воды сети (подъём воды), и таким образом моделируется заполнение систем теплопотребления потребителей и поддержание в них необходимого статического напора. Расход подпитки сети регулируется с помощью вентиля. Циркуляцию воды в лабораторной установке осуществляет «сетевой насос».

«Тепловая сеть» выполнена из двух трубопроводов, подающего и обратного, одинакового диаметра (Ду 20 мм). Это «магистральные» трубопроводы, к которым подключаются «потребители». Ответвлениями тепловых сетей от точек подключения к «магистралям» до «индивидуальных тепловых пунктов» на стенде пренебрежено, но при необходимости их гидравлические сопротивления могут быть смоделированы вентилями.

В конце «тепловой сети» между подающей и обратной «магистралями» предусмотрена перемычка с вентилем, которая в гидравлической модели предназначена для промывки тепловой сети.

«Насосные станции» на стенде представлены двумя насосами в каждой - по одному на подающем и обратном трубопроводах. Такая компоновка позволяет запускать насосную станцию в разных режимах в зависимости от прорабатываемых на стенде задач по увеличению располагаемых напоров, повышению расходов теплоносителя, изменению давлений в трубопроводах «тепловой сети». Включением насосных станций достигается повышение давления в подающем трубопроводе и снижение в обратном. Запуск в работу насосов осуществляется по тому же принципу, что и на «источнике теплоснабжения», исходя из условия исключения перегрузок электродвигателя по току в момент запуска (сам по себе пусковой ток значительно больше рабочего).

Схемы «узлов присоединения» потребителей представлен на стенде тремя типовыми схемами: зависимой с непосредственным присоединением, зависимой с насосным узлом подмеса, независимой. Блоки, включающие в себя эти три схемы, расположены: после «источника теплоснабжения» и после каждой из «насосных станций», таким образом на стенде всего девять «потребителей». Перед каждой «насосной станцией» установлена «секционирующая арматура», позволяющая отключать неиспользуемые в ходе конкретного эксперимента блоки.

Фрагмент принципиальной схемы стенда с моделью зависимого непосредственного подключения потребителя к тепловой сети изображён на рисунке 1а. Внутренняя система теплопотребления (гидравлическое сопротивление которой моделируется с помощью вентиля 3) работает под располагаемым напором «тепловой сети». Вентили 1 и 2 - аналоги регулирующих клапанов расхода или давления в индивидуальном тепловом пункте, с их помощью можно ограничивать расход теплоносителя из тепловой сети в тепловой пункт, регулировать располагаемый перепад давлений на абонентском вводе, создавать подпор (вентиль 2) в обратном трубопроводе внутренней системы во избежание её опорожнения при недостаточном напоре в обратной «магистрали». Шаровые краны (поз. 8) - аналог отключающей арматуры, они предназначены для отключения «потребителя» от сети и не должны использоваться для нужд регулирования.

Рис. 1 - а) зависимая схема присоединения абонентов на гидравлическом стенде; б) независимая схема присоединения абонентов на гидравлическом стенде.

В схеме с независимым присоединением внутренней теплопотребляющей системы (рисунок 1б) в теплообменник 5 представлен условной моделью - с точки зрения гидравлики важны только потери напора в нём, которые (как и расход) можно моделировать (регулировать) с помощью вентиля 6. На линии подпитки нагреваемого контура независимой схемы предусмотрен аналог соленоидного клапана, о работе которого отмечено выше - вентиль. Также на греющем контуре представлены «регулирующие клапаны» (вентили 9 и 10) и отключающая арматура (шаровые краны 8).

Нагреваемый контур в этой схеме в гидравлическом отношении независим от греющего (связь только через линию подпитки, но и там предусмотрен «разделительный» регулятор). Циркуляцию теплоносителя в нагреваемом контуре осуществляет собственный циркуляционный насос 11, регулировать работу которого можно трёхступенчатым переключателем скоростей вращения рабочего колеса, предусмотренным конструкцией самого насоса, а также перепуском через обводную линию с вентилем 12.

Третья схема подключения «потребителя» - зависимая с насосным узлом смешения и возможным моделированием расположения насоса в узле:

- на подающем трубопроводе 16 (режим «подмес-подкачка» с увеличением располагаемого напора за счёт повышения давления «прямого» теплоносителя; насос работает последовательно с сетевым насосом на «источнике теплоснабжения»);

- на обратном трубопроводе 17 (режим «подмес-подкачка» с увеличением располагаемого напора за счёт снижения давления «обратного» теплоносителя; насос работает последовательно с сетевым насосом на источнике теплоснабжения);

- на перемычке между подающим и обратным трубопроводами 18 (режим «подмес» без изменения располагаемого напора; насос работает параллельно с сетевым насосом на источнике теплоснабжения).

Для регулирования расхода через перемычку подмеса предусмотрен ручной трёхходовой клапан. Расход подмеса можно вычислить как разность показаний расходомеров 19 и 20.

Рис. 2 - Зависимая схема подключения потребителей с насосами на подающем трубопроводе, обратном трубопроводе и на перемычке с использованием трехходового регулирующего клапана

С помощью представленной гидравлической модели закрытой системы теплоснабжения, выполненной в виде лабораторного стенда, можно решать широкий круг практических и исследовательских задач, в числе которых:

- гидравлическое моделирование работы закрытой системы теплоснабжения при различных схемах присоединения потребителей;

- анализ влияния гидравлического режима отдельного потребителя на режим сети в целом и других потребителей;

- актуализация критериев выбора правильных схем присоединения потребителей при тех или иных геодезических и пьезометрических условиях;

- обоснование преимуществ независимых схем перед зависимыми, автоматизированных систем перед нерегулируемыми с точки зрения способности выдерживания расчётных гидравлических режимов, надёжности работы, современных требований к энергоэффективности;

- разработка принципов гидравлической наладки узлов присоединения потребителей в рамках существующих схем;

- решение практических проблем и проведение экспериментальных исследований в области регулирования и наладки закрытых систем теплоснабжения на основании теории подобия.

Для выполнения основной задачи теплоснабжения - подачи потребителям тепловой энергии с теплоносителем в нужном качестве и количестве, а также повышения тепловой устойчивости абонентов сетей централизованного теплоснабжения необходима разработка рационального гидравлического режима работы системы теплоснабжения. Основанное на теории подобия гидравлическое моделирование, проводимое с целью учёта и наглядного понимания влияния разнообразных факторов, выступает в этом инструментом изучения процессов для подготовки будущих специалистов. Представленный лабораторный стенд в совокупности с разработанной методикой моделирования позволит выполнять наглядный анализ и наладку гидравлического режима сети для достижения заданного результата [3].

Список литературы

1. Соколов Е. Я., Теплофикация и тепловые сети: Учебник для вузов. - 7-е изд., стереот. - М.: Издательство МЭИ, 2001. - 472 с

2. Пырков В.В. Современные тепловые пункты. Автоматика и регулирование. - Киев.: «Такі справи», 2008. - 252 с

3. В.Е. Козин, Т.А. Левина, А.П. Марков, И.Б. Пронина, В.А. Слемзин. Теплоснабжение: Учебное пособие. -- М.: Высшая школа, 1980. -- 408 с.

4. Д.А. Абдулаев, Е.А. Маркелова, А.Р. Сабирзянов, Н.Ю. Миронов. Гидравлическая устойчивость тепловой сети // Строительство уникальных зданий и сооружений . - Санкт-Петербург, 2017.- №52.- стр. 67-85

Размещено на Allbest.ru