Лабораторная работа № 1
Изучение конструкции и принципа действия автоматизированного теплового пункта
Цель работы заключается в изучении конструкций и составных частей автоматизированных тепловых пунктов систем теплоснабжения, а также принципа работы.
Общие сведения
«Тепловой пункт» - совокупность устройств, предназначенных для присоединения к тепловым сетям систем отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха, горячего водоснабжения и технологических теплоиспользующих установок промышленных и сельскохозяйственных предприятий, жилых и общественных зданий. Тепловые пункты подразделяются на: индивидуальные тепловые пункты (ИТП) – для присоединения систем отопления, вентиляции, горячего водоснабжения и технологических теплоиспользующих установок одного здания или его части; центральные тепловые пункты (ЦТП) – то же, для двух и более зданий.
В тепловых пунктах предусматривается размещение оборудования, арматуры, приборов контроля, управления и автоматизации, посредством которых может осуществляться:
• преобразование вида теплоносителя или его параметров;
• контроль параметров теплоносителя;
• регулирование расхода теплоносителя и распределение его по системам потребления теплоты;
• отключение систем потребления теплоты;
• защита местных систем от повышения параметров теплоносителя;
• заполнение и подпитка систем потребления теплоты;
• учет тепловых потоков и расходов теплоносителя и конденсата;
• сбор, охлаждение, возврат конденсата и контроль его качества;
• аккумулирование теплоты;
• водоподготовка для систем горячего водоснабжения.
В тепловом пункте в зависимости от его назначения и конкретных условий присоединения потребителей могут осуществляться все перечисленные выше функции или только их часть.
Присоединение потребителей теплоты к тепловым сетям в тепловых пунктах следует предусматривать по схемам, обеспечивающим минимальный расход воды в тепловых сетях, а также экономию теплоты за счет применения регуляторов расхода теплоты и ограничителей максимального расхода сетевой воды, корректирующих насосов или элеваторов с автоматическим регулированием, снижающих температуру воды, поступающей в системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.
Тепловые пункты должны быть оснащены средствами автоматизации, приборами теплотехнического контроля, учета и регулирования, которые устанавливаются по месту или на щите управления.
Средства автоматизации и контроля должны обеспечивать работу тепловых пунктов без постоянного обслуживающего персонала (с пребыванием персонала не более 50 % рабочего времени).
Автоматизация тепловых пунктов должна обеспечивать: регулирование расхода теплоты в системе отопления и ограничение максимального расхода сетевой воды у потребителя; заданную температуру воды в системе горячего водоснабжения; поддержание статического давления в системах потребления теплоты при их независимом присоединении; заданное давление в обратном трубопроводе или требуемый перепад давлений воды в подающем и обратном трубопроводах тепловых сетей; защиту систем потребления теплоты от повышенного давления или температуры воды в случае возникновения опасности превышения допустимых предельных параметров; включение резервного насоса при отключении рабочего; прекращение подачи воды в бак-аккумулятор при достижении верхнего уровня воды в баке и разбора воды из бака при достижении нижнего уровня; защиту системы отопления от опорожнения.
На рис. 1 и 2 приведены примеры принципиальных технологических схем автоматизированного теплового пункта.
Рис. 1 – Технологическая схема автоматизированного теплового пункта при закрытой системе теплоснабжения и зависимом присоединении системы отопления к тепловой сети
Рис. 2 – Технологическая схема автоматизированного теплового пункта при открытой системе теплоснабжения и независимом присоединении системы отопления к тепловой сети
По функциональному назначению тепловой пункт можно разделить на отдельные узлы (рис. 1, 2), связанные между собой трубопроводами и имеющие обособленные или, в отдельных случаях, общие средства автоматического управления:
I — узел ввода тепловой сети;
II — узел учета теплопотребления;
III — узел согласования давлений (в тепловой сети и системах теплопотребления);
IV — узел присоединения систем вентиляции;
V — узел присоединения системы ГВС;
VI — узел присоединения систем отопления;
VII — узел подпитки независимо присоединенных к тепловой сети систем теплопотребления (отопления, вентиляции).
В соответствии с принятой технологической схемой теплового пункта тип применяемых узлов, их количество и сочетание могут варьироваться в широких пределах. При этом узлы ввода тепловой сети, учета теплопотребления и согласования давлений являются обязательной принадлежностью любого теплового пункта.
Узел ввода (I)
Условный проход труб узла ввода, независимо от расхода теплоносителя, должен быть не менее 32 мм. Узел ввода оснащается: стальной запорной приварной или фланцевой арматурой; сетчатыми фильтрами. При закрытой системе теплоснабжения «рабочий» фильтр предусматривается только на подающем трубопроводе, а при открытой – также на «летней» перемычке обратного трубопровода. Применение сетчатых фильтров не исключает установки до них (по ходу движения теплоносителя) абонентского грязевика для защиты сетки фильтра от повреждений крупными твердыми включениями.
Узел учета теплопотребления (II)
Узел учета теплопотребления (далее — «узел учета») входит в состав теплового пункта, но разрабатывается в отдельной части проекта.
Проект узла учета должен выполняться в соответствии с требованиями «Правил учета тепловой энергии и теплоносителя». В качестве приборов учета используются теплосчетчики, которые предназначены для вычисления потребляемой тепловой энергии систем теплоснабжения.
В комплект теплосчетчика входят: тепловычислитель; расходомеры теплоносителя; термопреобразователи сопротивления (температурные датчики) с гильзами для их установки, датчики давления. На основе показаний расходомеров и термопреобразователей тепловычислитель рассчитывает величину фактического теплопотребления.
Узел согласования давлений (III)
Узел согласования давлений предназначен для обеспечения работы всех элементов теплового пункта, систем теплопотребления, а также тепловых сетей в стабильном и безаварийном гидравлическом режиме.
Оборудование узла позволяет:
- поддерживать постоянные перепады давлений теплоносителя на исполнительных механизмах регулирующих устройств систем теплопотребления;
- обеспечивать давление теплоносителя в трубопроводах в пределах, допустимых для элементов систем и самого теплового пункта;
- гарантировать заполнение систем теплоносителем и защищать их от опорожнения;
- обеспечивать невскипание перегретого теплоносителя в верхних точках систем теплопотребления;
- при необходимости ограничивать предельный расход теплоносителя;
- осуществлять автоматическую гидравлическую балансировку.
Узел присоединения систем вентиляции (IV)
Системы вентиляции присоединяются к трубопроводам теплового пункта, как по зависимой, так и по независимой схеме (через водоподогреватель), как правило, до общего для остальных систем узла согласования давлений. Выбор способа присоединения зависит от целого ряда условий, которые определяют применяемое вентиляционное оборудование и место его размещения по высоте здания, параметры теплоносителя (температура и давление), а также требования теплоснабжающих организаций. Зависимое присоединение систем вентиляции может быть выполнено без изменения параметров теплоносителя (его температуры) или с изменением.
Узел присоединения системы ГВС (V)
Способ приготовления горячей воды для хозяйственно питьевых нужд определяется принятой в регионе схемой централизованного теплоснабжения.
При закрытой системе теплоснабжения нагрев водопроводной воды для ГВС производится, как правило, в скоростных водоподогревателях. В качестве водоподогревателей в современных системах ГВС рекомендуется использовать пластинчатые водоподогреватели, Для небольших зданий, а также в целях обеспечения гарантированного запаса горячей воды (по требованию заказчика) допускается применение емкостных водоподогревателей.
Скоростные водоподогреватели могут присоединятьсяк системе теплоснабжения по одноступенчатой параллельной или двухступенчатой смешанной схеме. При двухступенчатой схеме в холодный период года водопроводная вода сначала подогревается обратным теплоносителем после системы отопления в первой ступени, а затем доводится до требуемой температуры во второй ступени первичным теплоносителем из тепловой сети. В теплый период года водопроводная вода нагревается только за счет сетевого теплоносителя, который в это время проходит последовательно через обе ступени водоподогревателя. Выбор одно- или двухступенчатой схемы производится в зависимости от соотношения максимальной тепловой нагрузки на систему ГВС к расчетной тепловой мощности системы отопления. Как требуют нормативные документы, при соотношении QГВС/Qо в диапазоне свыше 0,2 или менее 1 водоподогреватели следует присоединять к тепловой сети по двухступенчатой схеме, а вне указанного диапазона – по одноступенчатой. Однако современные пластинчатые водоподогреватели, оборудованные надежной автоматикой, способны обеспечить эффективный нагрев воды без завышения температуры теплоносителя, возвращаемого в тепловую сеть, и при одноступенчатой схеме.
При открытой системе теплоснабжения производится подача воды в систему ГВС, в зависимости от требуемой ее температуры, в разной пропорции непосредственно из подающего и обратного трубопроводов тепловой сети. В этом случае в качестве регулирующего устройства применяется проходной регулирующий клапан или более дорогой трехходовой смесительный клапан с различными приводами (термостатическим элементом или электроприводом).
Для исключения несанкционированного перетекания теплоносителя из подающего трубопровода в обратный на последнем до точки смешения устанавливается обратный клапан.
В системах ГВС, как правило, предусматриваются циркуляция воды в трубопроводах и ее нагрев при отсутствии водопотребления с целью обеспечения требуемой температуры в любой момент времени у каждого водоразборного крана. В закрытой системе теплоснабжения циркуляция через трубопроводную систему ГВС и водоподогреватель производится с помощью насоса.
Автоматизация узла приготовления горячей воды для системы ГВС может быть выполнена с использованием регуляторов температуры прямого действия или электронных приборов.
Узел присоединения системы отопления (VI)
Автоматизированные системы отопления могут присоединяться к тепловой сети как по зависимой, так и по независимой схеме (через водоподогреватели).
Зависимая схема присоединения системы отопления – самая распространенная в России. По требованиям нормативных документов она является приоритетной. Эта схема присоединения применяется прежде всего при одинаковом графике регулирования температуры теплоносителя в тепловой сети и в системе отопления. Основным критерием ее использования в других случаях является предписание теплоснабжающей организации. Зависимая схема не требует использования дорогого тепломеханического оборудования. Главным ее элементом является насос, который необходим при автоматизации узла, а также при применении радиаторных терморегуляторов в системе отопления. Гидроэлеватор в качестве побудителя циркуляции в данном пособии не рассматривает.
Насос рекомендуется устанавливать в контуре системы отопления на подающем или обратном трубопроводе. Он подбирается на расчетный расход теплоносителя в системе отопления и при напоре, соответствующем суммарным потерям давления в ней с запасом в 10 %.
Вместе с тем при сложных пьезометрах (например, при недостаточном напоре в тепловой сети, когда давление в подающем или обратном трубопроводе либо статическое давление ниже статического давления в системе отопления и др.) зависимая система требует применения специального дополнительного оборудования для согласования давлений (подкачивающего насоса, регулятора давления «до себя» или «после себя», автоматических отсекающих клапанов и др.). Однако это оборудование не может гарантировать надежность и безаварийность работы системы отопления.
В этой связи схема независимого присоединения является предпочтительнее, хотя обходится дороже по капитальным затратам. Она универсальна и применима для зданий любого назначения и этажности вне зависимости от параметров теплоносителя в тепловой сети и гидравлических режимов ее работы. Гидравлическое разобщение (развязка) систем отопления и теплоснабжения обеспечивает простоту и надежность технического решения при минимуме используемого оборудования. Схема независимого присоединения системы отопления не требует применения сложных систем согласования давлений. В этом случае необходима установка единственного гидравлического регулятора в контуре греющего теплоносителя – регулятора перепада давлений.
Заполнение и подпитка независимо присоединенной системы отопления осуществляется, как правило, из обратного трубопровода тепловой сети через автоматизированный узел подпитки.
Автоматизация зависимо и независимо присоединенной к тепловой сети системы отопления осуществляется с помощью электронных регуляторов температуры (погодных компенсаторов).
Узел подпитки (VII)
Для компенсации изменения объема теплоносителя в результате его нагрева и охлаждения в независимо присоединенных к тепловой сети системах отопления и вентиляции предусматривается установка расширительных баков.
В настоящее время вместо традиционных открытых расширительных баков в основном применяются закрытые мембранные расширительные сосуды, в которых теплоноситель не контактирует с атмосферным воздухом и не насыщается кислородом. Такие сосуды располагаются, как правило, в тепловом пункте в нижней части здания.
Разовое заполнение независимо присоединенных систем, а также их периодическое пополнение (подпитка) из-за возможных утечек должны производиться подготовленной водой из системы централизованного теплоснабжения. Подпитка осуществляется из обратного трубопровода тепловой сети через подпиточный трубопровод. На подпиточном трубопроводе устанавливаются: запорные краны; сетчатый фильтр; горячеводный расходомер; обратный клапан; подпиточный клапан; реле давления; предохранительный клапан у расширительного сосуда.
Если давление в обратном трубопроводе тепловой сети не обеспечивает требуемого статического давления для системы теплопотребления (Р2 < Рподп), на подпиточном трубопроводе, кроме подпиточного клапана, предусматривается подпиточный насос. В качестве подпиточного клапана рекомендуется использовать нормально закрытый соленоидный (электромагнитный) клапан.
Методы регулирования
Регулирование - это совокупность мероприятий по изменению теплоотдачи нагревательных приборов в соответствии с изменением потребности в тепле нагреваемых ими сред.
Тепловая нагрузка абонентов непостоянна. Она изменяется в зависимости от метеорологических условий, режима расхода воды на горячее водоснабжение, режима работы технологического оборудования и других факторов. Для обеспечения высокого качества теплоснабжения, а также экономичных режимов выработки тепла на источниках и транспорта по теплосетям, выбирается соответствующий метод регулирования.
В зависимости от места осуществления, регулирование может быть центральное, групповое, местное и индивидуальное. Центральное регулирование осуществляется на источнике тепла, групповое в РТП и ЦТП, местное в ИТП, индивидуальное – непосредственно на теплопотребляющих приборах. При однородной нагрузке (например, только отопление) можно ограничиться одним центральным регулированием. Однако в большинстве случаев тепловая нагрузка неоднородна. К тепловым сетям могут быть присоединенысистемы ОВ, ГВС, технологическая нагрузка. В этом случае, для обеспечения высокого качества теплоснабжения центральное регулирование дополняется групповым, местным или индивидуальным. Такое регулирование называется комбинированным. Однако индивидуальное регулирование требует установки у каждого прибора регулятора, что значительно увеличивает стоимость системы теплопотребления. Эффективное регулирование может быть достигнуто с помощью систем автоматического регулирования (САР).
Несмотря на все многообразие нагревательных приборов, их теплоотдача при теплоносителе воде может быть описана следующим уравнением:
, (1)
где Q – количество тепла, отданное нагревательным прибором за время n.
k – коэффициент теплопередачи;
F – поверхность нагрева;
n – длительность работы прибора;
Δt – разность средних температур греющей воды и воздуха, которая может быть представлена как среднеарифметическая разность:
, (2)
где τ1 и τ2 – температуры греющей воды соответственно на входе и выходе из нагревательного прибора;
ti – температура окружающего воздуха;
G – расход теплоносителя через нагревательный прибор;
С – теплоемкость воды.
Из равенства (1) можно получить следующее выражение для тепловой мощности нагревательного прибора:
. (3)
Анализ выражения (3) показывает, что тепловая нагрузка может регулироваться путем изменения следующих параметров:
k – коэффициента теплопередачи;
F – поверхности нагрева;
n – длительности работы прибора;
τ1 – температуры греющей среды на входе в нагревательный прибор;
G – расхода греющего теплоносителя, (при этом изменяется также температура воды на выходе из прибора τ2).
Однако практически, централизованно можно регулировать тепловую мощность путем изменения температуры воды на входе в прибор τ1 и расхода воды через прибор G. Что касается параметров k, F, n, то ими можно пользоваться для изменения тепловой мощности только при местном регулировании. Основной метод регулирования теплоотдачи при теплоносителе паре заключается путем изменения температуры конденсации пара при его дросселировании или в изменении
n – времени работы нагревательного прибора.
При использовании в качестве теплоносителя воды можно использовать три метода центрального (на источнике тепла) регулирования отпуска теплоты:
1) качественный метод – путем изменения температуры теплоносителя на входе в прибор при постоянном расходе теплоносителя;
2) количественный метод – путем изменения расхода теплоносителя при постоянной его температуре на входе в прибор;
3) качественно-количественный метод – путем одновременного изменения расхода и температуры теплоносителя.
По принципу снабжения теплом нагреваемой среды регулирование отпуска теплоты может быть активным (если нагреваемая среда оказывает влияние на количество поступающей теплоты), и пассивным, если нагреваемая среда не влияет на количество отпущенной теплоты.
В водяных системах теплоснабжения для обеспечения подачи теплоносителя с требуемыми параметрами выполняют расчет графиков температур сетевой воды. При расчете графиков температур сетевой воды в системах централизованного теплоснабжения начало и конец отопительного периода принимаются при среднесуточной температуре наружного воздуха в течение 5 суток соответственно ниже или выше +8°С.
В районах с расчетной температурой наружного воздуха для проектирования отопления до минус 30°С, усредненная расчетная температура внутреннего воздуха жилых и общественных отапливаемых зданий принимается 18°С.
В районах с расчетной температурой наружного воздуха для проектирования отопления ниже минус 30°С, расчетная температура внутреннего воздуха жилых и общественных отапливаемых зданий принимается 20°С.
Усредненная расчетная температура внутреннего воздуха отапливаемых производственных зданий принимается 16°С.
Схема лабораторной установки
Для выполнения лабораторной работы необходимо:
1. Классифицировать схему теплового пункта.
2. Из каких узлов состоит данный тепловой пункт?
3. Знать, что входит в состав узла учета тепловой энергии и принцип его работы.
4.Каким элементом регулируется тепловая нагрузка на систему отопления (систему ГВС)?
5. Каким элементом поддерживается требуемый перепад давлений в системе отопления?
6. Чем обеспечивается смешение на тепловом пункте?
7. Чем контролируется поддержание требуемого режима работы системы отопления?