Системы транспортирования теплоты

Общие сведения

Около половины потребляемого промышленностью топлива преобразуется на специальных установках в теплоту теплоносителей - пара и горячей воды, используемых в технологическом комплексе предприятий. Остальная часть топлива потребляется непосредственно на предприятиях.

Суммарные затраты на теплоснабжение в ряде случаев превышают 50 % общих производственных затрат. Они часто определяются стоимостью не столько используемых энергоресурсов, сколько соответствующих систем теплоснабжения.

Теплоснабжение промышленных предприятий - снабжение теплотой с помощью теплоносителей систем отопления, вентиляции, горячего водоснабжения промышленных зданий и технологических потребителей.

Системы теплоснабжения создают с учетом вида и параметров теплоносителя, максимального часового расхода теплоты, изменения потребления теплоты во времени (в течение суток, года), а также с учетом способа использования теплоносителя потребителями.

Система теплоснабжения - совокупность устройств, являющихся источниками теплоты, тепловых сетей, систем распределения и использования (абонентских вводов и потребителей теплоты).

Источники теплоты

В системах теплоснабжения используются следующие источники теплоты: ТЭЦ, КЭС, районные котельные (централизованные системы); групповые (для группы предприятий, жилых кварталов) и индивидуальные котельные; АЭС, АТЭЦ, СЭУ, а также геотермальные источники пара и воды; вторичные энергоресурсы (особенно на металлургических, стекольных, цементных и других предприятиях, где преобладают высокотемпературные процессы).

Теплофикация является особенностью отечественного теплоснабжения. Теплоснабжение от всех ТЭЦ в нашей стране обеспечивает около 40 % тепловой энергии, потребляемой в промышленности и коммунальном хозяйстве.

Теплофикация - централизованное теплоснабжение на базе комбинированного производства электроэнергии и теплоты на ТЭЦ.

Теплофикация оказывается более эффективной по сравнению с раздельным способом энергоснабжения при отопительных и технологических нагрузках, превышающих 300 МВт. Созданы теплофикационные турбоагрегаты мощностью 135...250 МВт, рассчитанные на высокие и сверхкритические параметры пара. Перспективны тепловые сети с применением в качестве теплоносителя перегретой воды с температурой 440...450 К. АТЭЦ также могут способствовать дальнейшему развитию централизованного теплоснабжения при тепловой нагрузке, превышающей 1600 МВт. Для меньших мощностей целесообразно применение атомных отопительных котельных.

Централизованное теплоснабжение позволяет улучшить технико-экономические показатели источников теплоты путем снижения удельных капитальных вложений, повысить их КПД, снизить удельные расходы топлива и стоимость отпускаемой тепловой энергии, способствует решению экологических задач. Применяют также малые теплофикационные установки на базе двигателей внутреннего сгорания, мелких газотурбинных установок.

Если расчетное теплопотребление предприятия меньше величины теплопроиз-водительности, при которой целесообразно сооружение ТЭЦ, то в качестве основного источника пароснабжения принимается промышленно-отопительная котельная с котлами низкого или среднего давления (рис. 1.1).

Около 35 % необходимой теплоты предприятия получают от мощных комплексных энергетических систем, обеспечивающих прием, трансформацию и аккумуляцию энергоресурсов, и энергопотребителей. К этим системам относятся утилизационные установки и станции для использования вторичных энергетических

ресурсов (ВЭР) технологических комплексов предприятий. В их состав входят также системы, обеспечивающие паро- и теплоснабжение (подсистемы).

Для централизованного теплоснабжения промышленных и жилищно-коммунальных объектов в целях покрытия пиковых нагрузок применяют районные котельные, оборудованные водогрейными или паровыми котлами низкого давления (1,2...2,4МПа).

Для получения пара производственных параметров (0,2...0,5 МПа) используют паровые котельные (рабочее давление котлов р = 0,9...4,0 МПа); заводские ТЭЦ (р = 3,5... 14,0 МПа); утилизационные ТЭЦ (УТЭЦ), а также системы испарительного охлаждения элементов высокотемпературного технологического оборудования. Схема системы пароснабжения показана на рис. 1.2.

В ряде случаев в системах теплоснабжения промышленных предприятий целесообразно применение тепловых насосов, позволяющих использовать теплоту низкотемпературных источников.

Теплоносители

В зависимости от рода теплоносителя системы теплоснабжения делят на водяные (преимущественно для теплоснабжения сезонных потребителей теплоты и горячей воды) и паровые (в основном для технологического теплоснабжения, когда необходим высокотемпературный теплоноситель). Определение вида, парамет-

ров и необходимого количества теплоносителя, подаваемого к потребителям теплоты, является, как правило, многовариантной задачей, решаемой в рамках оптимизации структуры и параметров общей схемы предприятия, с учетом обобщенных технико-экономических показателей (обычно приведенных затрат), а также санитарных и противопожарных норм.

Практика теплоснабжения показала ряд преимуществ воды как теплоносителя по сравнению с паром: температура воды в системах теплоснабжения изменяется в широких пределах (300...470 К). Более полно используется теплота на ТЭЦ, отсутствуют потери конденсата, меньше потери теплоты в сетях, теплоноситель обладает теплоаккумулирующей способностью. Вместе с тем, водяные системы теплоснабжения имеют следующие недостатки: требуется значительный расход электроэнергии на перекачку воды; имеется возможность утечки воды из системы при аварии; большая плотность теплоносителя и жесткая гидравлическая связь между участками системы обусловливают возможность появления механических повреждений системы в случае превышения допустимого давления; температура воды может оказаться ниже заданной по технологическим условиям.

Пар имеет постоянное давление 0,2...4 МПа и соответствующую (для насыщенного пара) температуру, а также большую (в несколько раз), по сравнению с водой, удельную энтальпию.

Для теплофикации в качестве теплоносителя может быть использован отработавший пар тепловых электростанций (ТЭС), что позволяет снизить на 40... 100 г/(кВт • ч) удельный расход условного топлива на отпущенную энергию.

При выборе в качестве теплоносителя пара или воды учитывается следующее. Транспортирование пара сопровождается большими потерями давления и теплоты, поэтому паровые системы возможны в радиусе до 30 км, а радиус действия водяных систем достигает 50 км. Эксплуатация протяженных паропроводов очень сложна (необходимость сбора и перекачки конденсата и др.). Кроме того, паровые системы имеют более высокую удельную стоимость сооружения паропроводов, паровых котлов, коммуникаций и эксплуатационных затрат по сравнению с водяными системами теплоснабжения.

Область применения в качестве теплоносителя горячего воздуха (или его смеси с продуктами сгорания топлива) ограничена некоторыми технологическими установками, например, сушильными, а также системами вентиляции и кондиционирования воздуха. Расстояние, на которое целесообразно транспортировать горячий воздух в качестве теплоносителя, не превышает 70...80 м.

Для упрощения и снижения затрат на трубопроводы в системах теплоснабжения желательно применять теплоносители одного вида.

Системы транспортирования теплоты

По способу обеспечения тепловой энергией системы могут быть одно- и многоступенчатыми (рис. 1.3). В одноступенчатых схемах потребители теплоты присоединяются непосредственно к тепловым сетям 1 при помощи местных или индивидуальных тепловых пунктов 5. В многоступенчатых схемах между источниками теплоты и потребителями размещают центральные тепловые (или контрольно-распределительные) пункты 6. Эти пункты предназначены для учета и регулирования расхода теплоты, ее распределения по местным системам потребителей и приготовления теплоносителя с требуемыми параметрами. Пункты оборудуются

подогревателями, насосами, арматурой, контрольно-измерительными приборами. Кроме того, на таких пунктах иногда осуществляются очистка и перекачка конденсата. Предпочтение отдают схемам с центральными тепловыми пунктами 7, обслуживающими группы зданий 5 (рис. 1.4).

При многоступенчатых системах теплоснабжения существенно снижаются затраты на их сооружение, эксплуатацию и обслуживание в связи с уменьшением (по

сравнению с одноступенчатыми системами) числа местных подогревателей, насосов, регуляторов температуры и пр.

Системы теплоснабжения играют значительную роль в нормальном функционировании промышленных предприятий. Они имеют ряд специфических особенностей. Двухтрубные закрытые водяные системы горячего водоснабжения с водо-подогревателем (рис. 1.5, а) широко распространены при теплоснабжении однородных потребителей (систем отопления, вентиляции, работающих по одинаковым режимам, и др.). К потребителям теплоты вода направляется по подающему трубопроводу 2, она подогревает водопроводную воду в теплообменнике 5 и после охлаждения по обратному трубопроводу / поступает на ТЭЦ или в котельную. Подогретая водопроводная вода поступает к потребителям через краны 4 и в аккумулятор 3 подогретой воды, предназначенный для сглаживания колебаний расхода воды.

В открытых системах теплоснабжения (рис. 1.5, б) для горячего водоснабжения непосредственно используется вода, полностью отработанная (деаэрирован-ная, умягченная) на ТЭЦ, в связи с чем системы водоподготовки и контроля усложняются, повышается их стоимость. Вода в двухтрубной системе горячего водоснабжения с циркуляционной линией (от ТЭЦ или котельной) подается по теплопроводу 2, а обратная - по трубопроводу 1. Вода по трубе поступает в смеситель 6, а от него к аккумулятору 3 и через краны 4 к потребителям теплоты. Для исключения возможности попадания воды из подающего трубопровода 2 непосредственно в обратный трубопровод 1 по трубе 8 предусмотрен обратный клапан 7.

По способу подачи теплоносителя системы теплоснабжения подразделяют на закрытые, в которых теплоноситель не расходуется и не отбирается из сети, а используется только для транспортирования теплоты, и открытые, в которых теплоноситель полностью или частично отбирается из сети потребителями.

Закрытые водяные системы характеризуются стабильностью качества теплоносителя, поступающего к потребителю (качество воды как теплоносителя соот-

ветствует в этих системах качеству водопроводной воды); простотой санитарного контроля установок горячего водоснабжения и контроля герметичности системы. К недостаткам таких систем относятся сложность оборудования и эксплуатации вводов к потребителям; коррозия труб из-за поступления недеаэрированной водопроводной воды; возможность выпадения накипи в трубах.

В открытых водяных системах теплоснабжения можно применять одно-

трубные схемы с низкопотенциальными тепловыми ресурсами, которые более долговечны. К недостаткам открытых водяных систем следует отнести необходимость увеличения мощности водоподготовительных установок, рассчитываемых на компенсацию расходов воды, отбираемой из системы; нестабильность санитарных показателей воды; усложнение санитарного контроля и контроля герметичности системы.

В зависимости от числа трубопроводов (теплопроводов), передающих теплоноситель в одном направлении, различают одно- и многотрубные системы теплоснабжения. В частности, водяные системы теплоснабжения подразделяют на одно-двух -, трех - и многотрубные, причем по минимальному числу труб могут быть открытая однотрубная система и закрытая двухтрубная.

Система горячего водоснабжения может иметь струйный (эжекторный) подогреватель (рис. 1.6). Водопроводная вода по магистрали 2 подается к подогревателю 3 и далее в расширительный бак-аккумулятор 4. В этот же бак из паропровода 1 через вентиль 6 поступает пар, что обеспечивает дополнительный подогрев воды при барботаже пара. Из бака 4 вода направляется к потребителям теплоты 5.

Водяные тепловые сети применяют преимущественно для снабжения теплотой отопительно-вентиляционных систем и промышленных потребителей низкопотен-

циальной теплоты (до 515 К).

Паровые сети применяют преимущественно для обеспечения промышленных потребителей теплоты повышенного потенциала (выше 373 К).

Системы пароснабжения промышленных предприятий обеспечивают производство пара требуемых параметров, транспортирование и подачу его к потребителям, сбор и возврат конденсата.

В паровой схеме теплоснабжения с возвратом конденсата (рис. 12.7) пар от ТЭЦ или котельной поступает по паропроводу 2 к потребителям теплоты 3 и конденсируется. Конденсат через специальное устройство - конденсатоотводчик 4 (обеспечива-

ет пропуск только конденсата) попадает в бак 5, из которого конденсатным насосом 6 возвращается к источнику теплоты по трубе 1. Если в паропроводе давление ниже требуемого технологическими потребителями, то в ряде случаев оказывается эффективным применение компрессора 7.

Конденсат может не возвращаться к источнику теплоты, а использоваться потребителем. Схема тепловой сети в подобных случаях упрощается, однако на ТЭЦ или в котельной возникает дефицит конденсата, для устранения которого необходимы дополнительные затраты.

По числу параллельно проложенных паропроводов паровые системы бывают одно- и двухтрубные. В первом случае пар при одинаковом давлении к потребителям подается по общему паропроводу, что позволяет осуществлять теплоснабжение, если тепловая нагрузка остается постоянной в течение года и допустимы перерывы в подаче пара. При двухтрубных системах должно быть бесперебойное снабжение абонентов паром различного давления при переменных тепловых нагрузках.

Для проектируемых производств годовую потребность пара (т/год) можно оценить по формуле

(1.1)

где q_Q - удельный расход теплоты на производство продукции, кДж/ед.прод., на расчетную единицу количества продукции; П - годовой выпуск продукции, ед.прод./год; и - энтальпии пара и конденсата в системе пароснабжения, кДж/кг.

Методы расчета и проектирования паровых сетей, предназначенных для транспортирования пара к потребителям и представляющих собой разветвленную систему паропроводов, снабженную арматурой, дренажными устройствами для отвода конденсата, компенсаторами тепловых удлинений и другими устройствами, приводятся в специальной литературе.

Вместе с тем, для оценочных расчетов представляют интерес сведения об оптимальных удельных изменениях давления ( ) и температуры пара (), отнесенных на 1 км паропровода, существенно зависящих от давления пара у потребителя (р₂), часового расхода пара (Д_п): при р₂ = 2,0 МПа = 0,025...0,030 МПа/км; при р₂ = 0,5 МПа = 0,065...0,08 МПа/км; при Д_п = 100...150т/ч

= 4...7К/км; при Д_п = 600...900 т/ч =1,5.-2,5 К/км.

Тепловые схемы систем теплоснабжения разрабатываются с учетом требований технологии производства при условии наиболее полного использования теплоты и обеспечения охраны окружающей среды.