Теоретические основы проектирования систем теплоснабжения. 1 страница

2.1 Конструирование тепловых сетей.

Проектирование тепловых сетей начинается с выбора трассы. Трасса тепловых сетей в городах должна размещаться преимущественно в отведенных для инженерных сетей технических полосах параллельно красным линиям улиц, дорог и проездов вне проезжей части и полосы древесных насаждений. На территории кварталов и микрорайонов допускается прокладка теплопроводов по проездам, не имеющим капитального дорожного покрытия, тротуарам и зеленым зонам. Диаметры трубопроводов, прокладываемых в кварталах или микрорайонах, по условиям безопасности, следует выбирать не более 500 мм, а их трасса не должна проходить в местах возможного скопления населения (спортплощадки, скверы, дворы общественных зданий и др.). Допускается пересечение водяными тепловыми сетями диаметром 300 мм и менее жилых и общественных зданий при условии прокладки сетей в технических подпольях, коридорах и тоннелях (высотой не менее 1.8 м) с устройством дренирующего колодца в нижней точке на выходе из здания. Пересечение тепловыми сетями детских, дошкольных, школьных и лечебно-профилактических учреждений не допускается. Пересечение дорог, проездов, других коммуникаций, а также зданий и сооружений следует, как правило, предусматривать под прямым углом. В населенных пунктах для тепловых сетей предусматривается, как правило, подземная прокладка. Надземная прокладка в городской черте может применяться на участках со сложными грунтовыми условиями, при пересечении железных дорог общей сети, рек, оврагов, при большой густоте подземных сооружений и в других случаях, регламентируемых [2]. Уклон тепловых сетей независимо от направления движения теплоносителя и способа прокладки должен быть не менее 0.002.

При выборе схемы магистральных тепловых сетей необходимо учитывать обеспечение надежности и экономичности их работы. Следует стремиться к наименьшей протяженности тепловых сетей, к меньшему количеству тепловых камер применяя, по возможности, двухстороннее подключение кварталов. При прокладке в районе города 2-х и более крупных магистралей от одного источника следует в соответствии с требованиями [2, табл. 1; 1а] предусматривать, при необходимости, устройство резервных перемычек между магистралями. Водяные тепловые сети следует принимать, как правило, 2-х трубными, подающими теплоноситель одновременно на отопление, вентиляцию, горячее водоснабжение и технологические нужды. Схемы квартальных тепловых сетей принимаются тупиковыми, без резервирования. Для трубопроводов тепловых сетей работающих при давлениях до 2.5 МПа и температурах теплоносителя до 200 следует предусматривать стальные электросварные трубы. Основные характеристики стальных труб для водяных тепловых сетей приведены в литературе [5, табл. 3.3-3.9], а также в приложении 16 учебного пособия. Арматуру в тепловых сетях следует применять стальную. Допускается применять арматуру из высокопрочного чугуна в районах с расчетной температурой наружного воздуха для проектирования систем отопления, t _о выше – 40 ; из ковкого чугуна с t _о выше - 30 ; из серого чугуна с t _о выше -10 . На выводах тепловых сетей от источника теплоты, на вводах в центральные тепловые пункты и индивидуальные тепловые пункты с суммарной тепловой нагрузкой на отопление и вентиляцию 0.2 МВт и более должна предусматриваться стальная запорная арматура. Запорную арматуру в тепловых сетях следует предусматривать:

а) на трубопроводах выводов тепловых сетей от источников теплоты;

б) на трубопроводах водяных тепловых сетей мм на расстоянии не более 1000 м друг от друга (секционирующие задвижки), допускается увеличивать расстояния между секционирующими задвижками для трубопроводов D _у = 400-500 мм - до 1500 м, для трубопроводов мм - до 3000м, для трубопроводов надземной прокладки мм - до 5000 м;

в) в узлах на трубопроводах ответвлений мм, а также в узлах на трубопроводах ответвлений к отдельным зданиям независимо от диаметров трубопроводов.

При длине ответвлений к отдельным зданиям до 30 м и при мм допускается запорную арматуру на этих ответвлениях не устанавливать, при этом следует предусматривать запорную арматуру, обеспечивающую отключение группы зданий с суммарной тепловой нагрузкой, не превышающей 0.6 МВт. В нижних точках трубопроводов тепловых сетей необходимо предусматривать штуцера с запорной арматурой для спуска воды (спускные устройства). Спускные устройства должны обеспечить продолжительность опорожнения участка для трубопроводов мм - не более 2 ч; для трубопроводов D _у= 350-500 мм не более 4 ч; для трубопроводов не более 5 ч.

Диаметры спускных устройств должны определяться по методике [2,стр.39] и приниматься не менее указанных в таблице 2.3 учебного пособия. В высших точках трубопроводов тепловых сетей должны предусматриваться штуцера с запорной арматурой для выпуска воздуха (воздушники), условный проход которых приведен в таблице 2.4 учебного пособия. Данные по запорной арматуре приведены в приложении 21 учебного пособия. Следует отдавать предпочтение малогабаритной запорной арматуре (шаровым кранам, затворам).

После определения диаметров трубопроводов на схеме тепловых сетей должны быть расставлены неподвижные опоры, воспринимающие горизонтальные усилия вдоль оси теплопроводов. Неподвижные опоры в первую очередь устанавливают в местах размещения ответвлений, секционирующих задвижек, на участках самокомпенсации с углами поворота 90-130⁰. Далее расставляют промежуточные неподвижные опоры на протяженных прямолинейных участках. Максимальные расстояния между неподвижными опорами не должны превышать величин указанных в приложении 7 учебного пособия. Неподвижные опоры следует предусматривать:

· упорные - при всех способах прокладки трубопроводов;

· щитовые - при бесканальной прокладке и прокладке в непроходных каналах при размещении опор вне камер;

· хомутовые - при прокладке надземной и в тоннелях (на участках с гибкими компенсаторами и самокомпенсацией).

Конструкции неподвижных опор приведены в литературе [5, стр. 27-29], а также в приложении 17 учебного пособия. Для восприятия вертикальных нагрузок от теплопроводов следует предусматривать подвижные опоры:

· скользящие - независимо от направления горизонтальных перемещений трубопроводов при всех способах прокладки и для всех диаметров труб;

· катковые - для труб диаметром 200 мм и более при осевом перемещении труб;

· шариковые - для труб диаметром 200 мм и более при горизонтальных перемещениях труб под углом к оси трассы (на углах поворотов с самокомпенсацией). Конструкции подвижных опор приведены в литературе [5, стр. 22-26].

Компенсация температурных деформаций в тепловых сетях обеспечивается компенсаторами - сальниковыми, сильфонными, радиальными, а также самокомпенсацией - использованием участков поворотов теплотрассы. Сальниковые компенсаторы имеют большую компенсирующую способность, малую металлоемкость, однако требуют постоянного наблюдения и обслуживания. В местах размещения сальниковых компенсаторов при подземной прокладке должны быть предусмотрены тепловые камеры. Сальниковые компенсаторы выпускаются с D _у = 100-1400 мм на условное давление до 2,5 МПа и температуру до 300 °С односторонние и двухсторонние. Сальниковые компенсаторы желательно применять на прямолинейных участках трубопроводов с большими диаметрами. Сильфонные (волнистые) компенсаторы выпускаются для трубопроводов диаметром от 50 до 1000 мм. Они не требуют обслуживания и могут быть установлены непосредственно в непроходных каналах. Однако они имеют сравнительно небольшую компенсирующую способность (до 100 мм) и их допускается применять только на прямолинейных участках. Наиболее широкое применение получили радиальные (в основном П-образные) компенсаторы. Радиальные компенсаторы могут применяться для любых диаметров, они не требуют обслуживания, однако металлоемки, имеют значительную осевую реакцию и большее гидравлическое сопротивление по сравнению с сальниковыми и сильфонными. При решении вопросов компенсации температурных деформаций в тепловых сетях в первую очередь необходимо использовать для самокомпенсации естественные углы поворота трассы, и уже затем применять специальные компенсирующие устройства. Конструкции различных типов компенсаторов приведены в литературе [5, стр. 39-42, 176-179] ], а также в приложении 14 учебного пособия.

Подземная прокладка тепловых сетей может осуществляться в каналах и бесканально. Широкое распространение в настоящее время получила прокладка в непроходных каналах различных конструкций. Наиболее перспективны для строительства тепловых сетей непроходные каналы типа МКЛ, а также КЛп, обеспечивающие свободный доступ к трубопроводам при производстве сварочных, изолировочных и других видов работ. Конструкции непроходных каналов приведены в литературе [5, стр. 227-232] а также в приложении 18 учебного пособия.

Бесканальную прокладку применяют для диаметров трубопроводов до 500 мм. Конструкции тепловой изоляции бесканальных прокладок должны иметь следующие качества:

· основной теплоизоляционный слой должен обеспечивать тепловые потери не более нормируемых и не иметь в своем составе примесей, способных вызвать наружную коррозию;

· устойчивость физических и химических характеристик тепло-, гидро- и антикоррозионных покрытий в течение нормативного срока службы;

· прочность, обеспечивающая надежную работу подземного теплопровода;

· индустриальность, сборность, а также возможность изготовления и нанесения изоляции в заводских условиях, с высоким качеством работ;

· возможность транспортировки и удобство монтажа на трассах.

По конструкции бесканальные прокладки делятся на засыпные, сборные, литые и монолитные. Наиболее желательны для применения, с учетом указанных ранее требований, монолитные оболочки из армопенобетона, битумоперлита, битумокерамзита, полимербетона, фенольного поропласта, пенополиуретана, асфальтоизола. Выбор конструкции теплоизоляционного слоя и расчет его толщины, как при канальной, так при бесканальной прокладке следует выполнять в соответствии с рекомендациями [4] с учетом параметров теплоносителя, условий эксплуатации и не превышения нормируемых тепловых потерь.

Для защиты наружной поверхности труб тепловых сетей от коррозии необходимо предусмотреть защитное покрытие, конструкция которого принимается в соответствии с рекомендациями [2, прил. 20].

При подземной прокладке для размещения запорной арматуры, спускных и воздушных устройств, сальниковых компенсаторов и другого оборудования, требующего постоянного доступа и обслуживания, устраиваются тепловые камеры. Размеры камеры принимаются из условий нормального обслуживания размещаемого в камере оборудования согласно требованиям [2, табл.3]. Наименьшая высота камер 1,8 м. Строительная часть камер выполняется из сборного железобетона. Камеры при необходимости могут быть выполнены также из монолитного железобетона с отдельным перекрытием. В перекрытиях камер должно быть не менее двух люков D = 630 мм расположенных по диагонали при внутренней площади камер до 6 м², и четырех люков при внутренней площади камер более 6 м². Под люками должны быть устроены лестницы или скобы. Днище камеры выполняется с уклоном не менее 0.02 в сторону водосборного приямка. При пересечении теплопроводов с другими инженерными коммуникациями и сооружениями необходимо учитывать расстояния по вертикали и горизонтали согласно требованиям [2, прил.6].Заглубление тепловых сетей от поверхности земли или дорожного покрытия должно приниматься не менее:

· до верха перекрытий каналов и тоннелей - 0.5 м

· до верха перекрытий камер - 0.3 м

· до верха оболочки бесканальной прокладки - 0.7 м

На вводе тепловых сетей в здание допускается уменьшение заглубления каналов до 0.3 м, бесканальной прокладки до 0.5м.

2.2 Определение тепловых потоков на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение

Максимальные тепловые потоки на отопление Q _omax, вентиляцию Q _vmax и горячее водоснабжение Q _hmax жилых, общественных и производственных зданий следует принимать при проектировании тепловых сетей по соответствующим проектам. Тепловые потоки при отсутствии проектов отопления, вентиляции и горячего водоснабжения определяются:

· для предприятий - по укрупненным ведомственным нормам, утвержденным в установленном порядке, либо по проектам аналогичных предприятий;

· для жилых районов городов и других населенных пунктов - по формулам:

а) максимальный тепловой поток, Вт, на отопление жилых и общественных зданий

, (2.1)

б) максимальный тепловой поток, Вт, на вентиляцию общественных зданий

, (2.2)

в) средний тепловой поток, Вт, на горячее водоснабжение жилых и общественных зданий

(2.3)

или

(2.4)

г) максимальный тепловой поток, Вт, на горячее водоснабжение жилых и общественных зданий

(2.5)

где - коэффициент, учитывающий тепловой поток на отопление общественных зданий; при отсутствии данных следует принимать равным 0.25

- коэффициент, учитывающий тепловой поток на вентиляцию общественных зданий; при отсутствии данных следует принимать равным: для общественных зданий, построенных до 1985 г.- 0.4, после 1985 г. - 0.6.

Среднечасовой тепловой поток на отопление за отопительный период , Вт, следует определять по формуле

(2.6)

Среднечасовой тепловой поток на вентиляцию за отопительный период , Вт, следует определять по формуле

(2.7)

Среднечасовой тепловой поток на горячее водоснабжение , Вт, жилого района в неотопительный период определяют по формуле

(2.8)

Тепловые потоки на отопление и вентиляцию зданий при известных наружных строительных объемах, V _зд., м³, и удельных отопительных q _от,

Вт/м³×К и вентиляционных q _вент., Вт/м³×К, характеристиках могут быть определены по формулам:

а (2.9)

(2.10)

где а - поправочный коэффициент к величине q _от, принимаемый по приложению 4 учебного пособия.

Среднечасовые Q _hm и максимальные Q _hmax тепловые потоки на горячее водоснабжение жилых и общественных зданий следует определять по нормам расхода горячей воды в соответствии с требованиями [3. стр.4] по формулам:

Q _hm (2.11)

Q _hmax (2.12)

Буквенные обозначения расчетных величин используемые в этом и последующих разделах приведены в приложении 1 учебного пособия. Значения расчетных величин q ₀, q _h, q _от, q _вент., t _i приведены в приложениях 2,3,4 учебного пособия.

2.3 Графики теплового потребления

Графики теплового потребления часовые, годовые по продолжительности тепловой нагрузки, годовые по месяцам необходимы для решения ряда вопросов централизованного теплоснабжения: определения расходов топлива, выбора оборудования источников теплоты, выбора режима загрузки и графика ремонта этого оборудования, выбора параметров теплоносителя, а так же для технико-экономических расчетов при проектировании и эксплуатации системы теплоснабжения. На рис. 3.2 представлены часовые графики расходов теплоты на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение в зависимости от температуры наружного воздуха. Для построения часовых графиков расходов теплоты на отопление и вентиляцию достаточно использовать два значения тепловых потоков: максимальные Q _omax и Q _vmax и определенные при температуре наружного воздуха t _н= +8 ^оС. При определении тепловых потоков на отопление и вентиляцию для любых температур наружного воздуха t _н используют следующие зависимости:

(2.13)

(2.14)

Среднечасовой тепловой поток на горячее водоснабжение жилого района в неотопительный период определяют по формуле (2.15).

(2.15)

Суммируя ординаты часовых графиков по отдельным видам теплопотребления, строят суммарный часовой график расходов теплоты Q _å, который используют также для построения годового графика по продолжительности тепловой нагрузки. Для построения этого графика необходимо иметь данные по продолжительности стояния температур наружного воздуха, принимаемые для конкретного города по [6] и просуммированные с нарастающим итогом. Пример построения годового графика по продолжительности тепловой нагрузки приведен на стр. 44 учебного пособия. Для построения годового графика по месяцам, (см. рис. 3.3), используя среднемесячные температуры наружного воздуха из [1], определяют по формулам (2.13) и (2.14) тепловые потоки на отопление и вентиляцию для каждого месяца отопительного периода. Суммарный тепловой поток для каждого месяца отопительного периода определяется как сумма тепловых потоков на отопление, вентиляцию и среднечасового теплового потока для данного периода на горячее водоснабжение, Q _hm.

Например, для января равен:

Для неотопительного периода (при ), суммарный тепловой поток будет равен среднечасовому тепловому потоку на горячее водоснабжение в данный период, Q ^s_hm.

2.4 Регулирование отпуска теплоты на отопление

Для водяных тепловых сетей согласно [2] следует принимать, как правило, качественное регулирование отпуска теплоты по нагрузке отопления и горячего водоснабжения согласно графику изменения температуры воды в зависимости от температуры наружного воздуха. Центральное качественное регулирование по нагрузке отопления принимают в том случае, если тепловая нагрузка на жилищно-коммунальные нужды составляет менее 65 % от суммарной нагрузки района, а так же при отношении . При таком способе регулирования, для зависимых схем присоединения элеваторных систем отопления температуру воды в подающей и обратной магистралях, а так же после элеватора в течение отопительного периода определяют по следующим выражениям:

(2.16)

(2.17)

(2.18)

где - расчетная температура внутреннего воздуха, принимаемая для жилых районов 18 ⁰С

- температура наружного воздуха, ⁰С

D t - расчетный температурный напор нагревательного прибора, ⁰С, определяемый по формуле

(2.19)

где t ₃ и t ₂ расчетные температуры воды соответственно после элеватора и в обратной магистрали тепловой сети определенные при t _o (для жилых районов, как правило, t ₃= 95 ⁰С; t ₂= 70 ⁰С);

t - расчетный перепад температур сетевой воды в тепловой сети

t = t ₁ - t ₂ (2.20)

q - расчетный перепад температур сетевой воды в местной системе отопления

(2.21)

Задаваясь различными значениям и температур наружного воздуха t _н (обычно t _н= +8; 0; -10; t _v; t _o), определяют t _10; t ₂₀; t ₃₀ и строят отопительный график температур воды. Для удовлетворения нагрузки горячего водоснабжения температура воды в подающей магистрали t ₁₀ не может быть ниже 70 ⁰С в закрытых системах теплоснабжения. Для этого отопительный график спрямляется на уровне указанных температур и становится отопительно-бытовым (см. рис. 3.4)

Температура наружного воздуха, соответствующая точке излома графиков температур воды t _н ^', делит отопительный период на диапазоны с различными режимами регулирования:

· в диапазоне I с интервалом температур наружного воздуха от +8 ⁰С до t _н^' осуществляется групповое или местное регулирование, задачей которого является недопущение "перегрева" систем отопления и бесполезных потерь теплоты;

· в диапазонах II и III с интервалом температур наружного воздуха от t _н^' до t _o осуществляется центральное качественное регулирование.

В системах теплоснабжения с преобладающей (более 65 %) жилищно-коммунальной нагрузкой следует принимать регулирование по совмещенной нагрузке отопления и горячего водоснабжения, то есть по повышенному (скорректированному) графику температур воды. Применение данного метода регулирования позволяет определять диаметры трубопроводов тепловых сетей по суммарному расходу сетевой воды на отопление и вентиляцию без учета расхода воды на горячее водоснабжение. Однако для удовлетворения нагрузки горячего водоснабжения температура воды в подающем трубопроводе должна быть выше, чем по отопительному графику. Некоторая недоподача теплоты в системы отопления в часы максимального водоразбора, компенсируется в ночное время при отсутствии водоразбора на горячее водоснабжение. При этом строительные конструкции зданий служат аккумуляторами теплоты, выравнивающими неравномерность подачи теплоты на отопление. В закрытых системах теплоснабжения эффективность повышенного графика реализуется при применении двухступенчатой смешанной с ограничением расхода и последовательной схемах включения водоподогревателей. Расчет повышенного графика для таких систем заключается в определении перепада температур сетевой воды в водоподогревателях верхней d ₁ и нижней d ₂ ступеней при различных температурах наружного воздуха и балансовой нагрузке горячего водоснабжения .

(2.22)

Суммарный перепад температур сетевой воды в верхней и нижней ступенях водоподогревателей d в течение всего отопительного периода постоянен и определяется по формуле

(2.23)

Перепад температуры сетевой воды в нижней ступени водоподогревателя d ₂ соответствующий температуре наружного воздуха для точки излома температурного графика t _н^', а так же для всего диапазона температур наружного воздуха от +8^оС до t _н^' определяют по формуле

(2.24)

для диапазона от t _н^' до t _o величину d₂ определяют по формуле

(2.25)

где t _h - температура горячей воды поступающей из водоподогревателя в систему горячего водоснабжения, ⁰С;

t _c - температура холодной водопроводной воды перед водоподогревателем нижней ступени, ⁰С;

t _h^' - температура водопроводной воды после водоподогревателя нижней ступени, ⁰С, определяемая по формуле

(2.26)

- температура сетевой воды в обратной магистрали соответствующая точке излома температурного графика, ⁰С

- температура сетевой воды в обратной магистрали принимаемая по отопительному графику в соответствии с заданной температурой наружного воздуха t _н, ⁰С;

Температуру сетевой воды по повышенному графику в обратной магистрали t _2п определяют по формуле, ⁰С

(2.27)

Перепад температур сетевой воды в верхней ступени водоподогревателя d ₁ определяют по формуле, ⁰С

(2.28)

Температуру сетевой воды в подающей магистрали t _1п определяют по формуле