Регулирование тепловой нагрузки

Лабораторная работа

по курсу: «Энергетика»

на тему: «Регулирование тепловой нагрузки»

Регулирование тепловой нагрузки

Тепловая нагрузка в течение отопительного сезона меняется. Поэтому для поддержания требуемого теплового режима тепловую нагрузку необходимо регулировать.

Различают центральное, групповое, местное и индивидуальное регулирование. Центральное регулирование осуществляется на ТЭЦ и котельных. Групповое - на групповых тепловых подстанциях. Местное - на местных тепловых подстанциях. Индивидуальное - непосредственно у абонентов.

Если тепловая нагрузка у всех потребителей примерно одинакова, то можно ограничиться центральным регулированием. В большинстве же случаев тепловая нагрузка неоднородна. В этом случае центральное регулирование ведется по характерной тепловой нагрузке для большинства потребителей. В первую очередь это отопительная нагрузка и совместная нагрузка отопления и ГВС. Во втором случае расход воды в ТС увеличивается незначительно по сравнению с регулированием по отопительной нагрузке или не меняется.

Основное количества тепла в абонентских системах расходуется на нагрев. Поэтому тепловая нагрузка в первую очередь зависит от режима теплопередачи. Теплопередача описывается уравнением теплопередачи

(1)

где n - длительность работы системы; F - площадь поверхности теплообмена; k - коэффициент теплопередачи; Dt - средняя разность температур теплообменивающихся сред. В первом приближении

 (2)

- температура сетевой воды; t - температура нагреваемой воды; индексы 1 и 2 относятся ко входу и выходу теплообменника. Из уравнения теплового баланса , найдем и подставим в (2.2).

Решая совместно (2.1) и уравнение баланса, получим

(3)

Т.о., тепловую нагрузку в принципе можно регулировать изменением пяти параметров - k, F, n, , . Изменение и имеют ограничения. Температура сетевой воды не может быть ниже 600С, необходимой для обеспечения температуры воды ГВС и не может быть выше температуры насыщения для данного давления. Расход воды определяется располагаемым перепадом давления на ГТП и МТП. Если один из теплоносителей - пар, то его температуру можно изменять меняя давление (дросселированием).

В водяных системах реально можно менять тепловую нагрузку тремя способами:

- изменением температуры сетевой воды - качественное регулирование;

- изменением расхода сетевой воды - количественное регулирование;

- изменением расхода и температуры воды - качественно-количественное регулирование.

Регулирование путем изменения длительности работы n называется регулированием пропусками. Применяется как местное в дополнение к центральному.

Выбор метода регулирования зависит от гидравлической устойчивости системы. Гидравлическая устойчивость - это способность системы поддерживать заданный гидравлический режим и характеризуется коэффициентом гидравлической устойчивости

(4)

Здесь - располагаемый перепад давления у наиболее удаленного потребителя;

- перепад давления, срабатываемый в сети. Если у 0,4 , то применяется качественное регулирование. Если y > 0.4, то применяется качественно-количественное регулирование. Центральное регулирование ориентируется на основной вид нагрузки района. Таковой может быть нагрузка отопления (регулирование по отопительной нагрузке), либо совмещенная нагрузка отопления и ГВС (регулирование по совмещенной нагрузке).

Обозначим через расчетные значения величин при . Текущие значения этих же величин обозначим через . Связь между можно представить в виде .

Рисунок 1 - Закон изменения расхода при различных видах регулирования тепловой нагрузки

Тепловые характеристики теплообменных аппаратов

В проектных расчетах теплообменников применяются уравнение теплопередачи

(5)

и уравнение теплового баланса

(6)

В уравнении (2.3)

(7)

Если , то можно пользоваться среднеарифметической разностью температур. .

Для целей расчета регулирования тепловой нагрузки уравнение (2.3) неудобно, т.к. заранее величина Dt неизвестна. Поэтому удобнее пользоваться максимальной разностью температур.

(8)

где - максимальная разность температур сред. Пользуясь (2.5), можно получить аналитические выражения для D только для прямотока и противотока. Для более сложных схем этого сделать не удается. Поэтому пользуются приближенным выражением.

Dt=D-adtм - bdtб. (9)

Если вычислять Dt по (2.5), то b=0.65 для всех схем, 0.35 < a < 0.65 в зависимости от схемы.

Если вычислять Dt по (2.6), то a=b=0.5.

Тепловая нагрузка, отнесенная к максимальной разности температур, называется удельной теплопроизводительностью.

(10)

Отношение удельной теплопроизводительности к полной теплоемкости называется безразмерной теплопроизводительностью, или коэффициентом эффективности.

(11)

Применительно к системам отопления относится к воздуху, а - к воде.

Если один из теплоносителей пар, то и .

Зависимость (2.10) действует в диапазоне .

Зависимости (2.9) и (2.10) универсальны и справедливы для любых схем движения теплоносителей. В отопительных установках отношение .Значение b = 0,5 если на абонентском вводе нет узла смешения и при наличии узла смешения, где u - коэффициент смешения.

Рисунок 2 - Расчетная схема узла смешения

Для любого теплообменного аппарата

, где - постоянный параметр, .

Для системы отопления n = 0,25 , тогда: .

Качественное регулирование однородной нагрузки

Рассмотрим регулирование отпуска тепла при наличии только отопительной нагрузки (вентиляционной нагрузки и ГВС нет).

Качественное регулирование предполагает = const.

Требуется определить , . Для отопительной установки максимальная разность температур . Тогда

 (12)

Поскольку , то

(13)

Далее

, (14)

На расчетном режиме

(15)

Подставив (2.14) в (2.13) с учетом (2.11), получим

(16)



Рисунок 3 - График температур сетевой воды при качественном регулировании отопительной нагрузки

Качественное регулирование разнородной нагрузки

Если кроме отопительной нагрузки есть еще и нагрузка ГВС, то, независимо от метода регулирования, температура воды в подающем трубопроводе не должна быть ниже уровня, определяемого условиями ГВС.

Для поддержания такой температуры делается подрезка температурного графика при 65 0С - для открытой системы и 70 0С - для закрытой системы.

График температур приобретает вид ломаной. Точке излома температурного графика соответствует температура наружного воздуха .

При происходит смена регулирования с качественного на количественное, либо регулирование пропусками.

При график температур сетевой воды рассчитывается для случая регулирования либо по отопительной нагрузки, либо по совмещенной нагрузке отопления и ГВС.

Рисунок 4 - График температур при совмещенной нагрузке

Качественное регулирование по отопительной нагрузке

При этом методе регулирования постоянным поддерживается расход только через систему отопления.

При .

При ,

где текущая отопительная нагрузка.

Температуры сетевой воды рассчитываются только по отопительной нагрузке по уравнениям (2.16) и (2.17). Расход в сети переменен и равен в прямом трубопроводе:

(17)

где - расход воды на ГВС из прямого трубопровода;

Gут - потери или утечки из сети.

В обратном трубопроводе в закрытых системах:

(18)

B обратном трубопроводе в открытых системах:

(19)



Рисунок 5 - График температур в системе отопления

Рисунок 6 - График расходов и тепловых нагрузок

Система вентиляции проектируется таким образом, чтобы при температура сетевой воды после вентиляционной установки была равна . Желательно, чтобы в диапазоне температур графики температур и совпадали. При проектировании источников тепла допускается, чтобы в течение всего отопительного периода принимать .

Графики расхода воды и температуры на ГВС

В открытых системах вода на ГВС частично забирается из подающего трубопровода и частично - из обратного. Это необходимо для поддержания нужной температуры ГВС.



Рисунок 7 - Схема открытой системы

Обозначим через b долю расхода воды на ГВС из подающего трубопровода.

;.

Расходы воды из подающего и обратного трубопроводов равны , , соответственно.

Рассмотрим построение графика температур и расхода воды на ГВС в закрытых системах при параллельном присоединении абонентской установки к тепловой сети.

Рисунок 8 - Схема параллельного присоединения абонентской установки

При проектировании источников тепла принимают . При параллельном присоединении тепло воды из обратного трубопровода не используется для нагрева вторичной воды. Это приводит к увеличению расхода сетевой воды и снижению эффективности системы теплоснабжения. Параллельную схему рекомендуется применять при . В большинстве случаев применяется двухступенчатые схемы. Водопроводная вода сначала подогревается водой из обратной магистрали, а затем окончательно подогревается водой из подающего трубопровода.

Рисунок 9 - Графики температуры и расхода сетевой воды на ГВС в закрытой системе при параллельном присоединении

Рисунок 10 - Двухступенчатая последовательная схема

Температура водопроводной воды после подогревателя второй ступени П2 t2г = t02-Dtнед. Величина недогрева Dtнед принимается равной 5…10 0С. Запишем уравнения баланса тепла для подогревателя П1.

; (20)

Расход водопроводной воды определяется как

. Подставив величину расхода во второе из уравнений баланса и приравняв их, получим

(21)

Рисунок 11 - График расходов в подающем трубопроводе

В двухступенчатой схеме температура воды, возвращаемой на станцию, ниже, чем в одноступенчатой.

(22)

Расчет тепловой схемы станции нужно вести по . В закрытых и открытых схемах расходы сетевой воды на отопление и вентиляцию одинаковы. Однако расходы сетевой воды на нагрузку ГВС отличаются.

Рисунок 12 - Графики расходов в тепловой сети при регулировании по отопительной нагрузке: а) - закрытая система; б) - открытая система

В открытых системах расход воды в подающем трубопроводе

(23)

В обратном трубопроводе

, (24)

При одинаковых Q и одинаковых t1 в открытых системах , а в обратном трубопроводе .

Центральное регулирование по совмещенной нагрузке отопления и ГВС

Там, где есть кроме отопительной нагрузки и нагрузка ГВС, можно значительно уменьшить расчетный расход в тепловой сети при переходе от центрального регулирования нагрузки отопления к центральному регулированию совмещенной нагрузки отопления и ГВС.

При таком методе регулирования можно обеспечить нагрузку ГВС без дополнительного увеличения расхода сетевой воды или с небольшим его увеличением.

В этом случае ориентируются на типичную для данного района относительную нагрузку ГВС.

(25)

Для обеспечения качественного теплоснабжения при регулировании по совмещенной нагрузке необходимо, чтобы наряду с центральным регулированием на ТЭЦ или котельной проводилось дополнительно групповое или местное регулирование всех видов нагрузки на ГТП и МТП.

Центральное регулирование по совмещенной нагрузке закрытых систем теплоснабжения

Наиболее распространенной схемой присоединения абонентов является двухступенчатая последовательная схема (см.рис.2.10). Когда регулятор температуры увеличивает расход воды через подогреватель П2, регулятор расхода снижает расход так, что на сопло элеватора поступает практически постоянный расход сетевой воды. Если расход воды становится равным , то регулятор расхода полностью закрывается, и весь расход воды идет через подогреватель П2.

При качественном регулировании расход воды на абонентском вводе поддерживается постоянным и равным

=const (26)

Температуры сетевой воды и должны быть рассчитаны с учетом нагрузки отопления и ГВС.

, . Значения и рассчитываются по уравнениям (2.16) и (2.17); и - снижение температуры воды в подогревателях ГВС. Расход воды в прямом трубопроводе есть , в обратном трубопроводе - . Расход воды на вентиляцию рассчитывается как для отопительной нагрузки, но по температурам воды и . Для двух подогревателей const. Величины , и найдем с помощью уравнений баланса тепла для системы в целом и подогревателей 1 и 2.

Порядок расчета.

По уравнениям (2.16) и (2.17) рассчитывают значения температур и .

Задают величину недогрева водопроводной воды в подогревателе второй ступени П2 при - 0С. Если

, то при =0.

Рассчитывают , принимая .

Затем рассчитывают и =-. Если для какого-либо режима получается =, то в последующих расчетах принимают =, а =0. Таким образом, в этом случае все тепло на ГВС обеспечивается подогревателем П2. На рис.2.14 представлены графики сетевой воды для рассмотренного случая.

Рисунок 14 - Графики температур сетевой воды

Качественное регулирование по совмещенной нагрузке в открытых системах

Схема открытой системы представлена на рис.2.7. Расход воды на абонентском вводе поддерживается постоянным.

=const (27)

Расход воды на отопление равен

, где (28)

В подающем трубопроводе >, в обратном - <.

По определению

(29)

С другой стороны (см. раздел 2.2)

(30)

Приравняв (2.19) и (2.20), найдем и .

(31)

(32)

Подставим и в формулу для b.

(33)

В безразмерном виде (2.18) можно записать как

(34)

Здесь учтено, что

; (35)

Подставив (2.23) в (2.24), получим

(36)

Порядок расчета.

Для заданной температуры определяем

(37)

По формуле (2.25) находим . Если получается, что >1, то принимают в дальнейшем =1.

По формулам (2.21), (2.22) находим и .

Расход воды в прямом трубопроводе есть . В обратном трубопроводе .



Рисунок 15 - График температур и расходов в открытой системе

Качественно-количественное регулирование

Для получения одинакового закона изменения расхода воды у всех абонентов необходимо при выключенном расходе ГВС установить одинаковые напоры в подающем и обратном трубопроводах на всех абонентских вводах.

Рисунок 16 - Пьезометрический график

Расбаланс напоров на абонентских вводах гасится шайбами или диафрагмами.

На всех абонентских вводах должны быть обеспечены условия: Hпр=idem, Hoбр=idem, Hаб=idem. Степень изменения расхода воды у всех потребителей будет одинакова, если .

Если равенство не соблюдается, то требуется местная подрегулировка у этого потребителя.

Качественно - количественное регулирование нагрузки может выполняться:

- с заданным напором на станции;

- с искусственным изменением расхода воды в сети.

Разновидностью качественно-количественного регулирования является ступенчатое регулирование.