Краткий анализ двух тепловых схем индивидуальных тепловых пунктов

Традиционное в нашей стране регулирование отпуска теплоты потребителю на сегодняшнее время оказывается многозатратным, в связи с чем все более широкое распространение получает качественно-количественное регулирование отпуска тепла. В статье рассматриваются обе схемы с точки зрения российских реалий.

Принятое в 30-х годах прошлого века регулирование отпуска теплоты потребителю на основе директивного графика 150/70 ^ОС на сегодняшнее время оказывается многозатратным. Прежде всего, это заложенное в данном графике заведомое ухудшение тепло-использования сетевой воды в течение 2/3 отопительного сезона. Средневзвешенный за этот период нормативный коэффициент эффективности  получается значительно ниже максимального [1]. К другому также важному видимому и давно известному недостатку относится неоправданно большой и излишний перепад давления  между подающей Р_п и обратной Р₀ магистралями в головной части пьезометрического графика. Для первых и ближайших к генерирующему источнику потребителей значение  превышает необходимое элеватору в 3 и более раз, и перепад бесполезно теряется. По этим и другим причинам, а также на примере зарубежного опыта стихийно и широко распространяется качественно-количественное регулирование получаемой потребителем тепловой энергии. Хотя его принцип еще заложен в упомянутом общепринятом для всей страны нормативном температурном графике подающей и обратной сетевой воды. Регулирование отпуска теплоты количеством теплоносителя и его качеством вытекает из-за необходимости поддержания нужной температуры обогревающей воды внутри отопительных приборов путем смешения. При постоянном расходе подающей сетевой воды необходимое количество обратной, повторно вовлекаемой в циркуляцию, колеблется от 1,7 до 3,7 раза. Такое изменение расхода G₀ невозможно получить при применении в тепловых пунктах простых элеваторов без автоматики, которыми ранее оснащались все системы теплоснабжения. И эти возможности остались не реализованными. Теперь для этой цели нашли массовое применение 2 различные схемы - когда насос общей циркуляции греющей сетевой воды установлен: на подающем трубопроводе (рис. 1а); на перемычке между обратной и подающей линиями для возврата части уже остывшей сетевой воды снова в цикл (рис. 1б).

Разберем их с точки зрения российских условий. Основное различие между ними состоит в решении вопросов энергосбережения - где в большой мере используется существующий потенциал давления подающей (прямой) воды. В варианте 1а по принятому подходу к регулированию сплошного потока воды происходит сначала дросселирование давления Р_п необходимого количества прямой воды до давления почти равного Р₀ в обратной линии и затем снова производится сжатие воды насосом на  (рис. 1а). Налицо неразумное решение. Оно может быть оправданным, если только исходный перепад давления  чрезвычайно мал или периодически во время эксплуатации вовсе пропадает. Тогда для этой схемы требуется насос более высокой

производительности, что влечет увеличенное потребление электроэнергии. Он создает еще одну особенность - неизменный расход греющей воды в местной системе. Эта положительная сторона сохраняет стабильным гидравлический режим у теплопотребителя на весь отопительный сезон, но сводит на нет принцип качественно-количественного регулирования. В результате этого при наружной температуре воздуха +1 ^ОС и выше происходит весьма значительное возрастание температуры возвращаемой сетевой воды [1]. Общеизвестно, что это резко снижает уровень эффективности работы теплосети.

Местонахождение насоса на прямом трубопроводе усложняет процесс регулирования температуры смешения и делает его трудной с теоретических позиций задачей (рис. 1а). С большой точностью можно допустить, что нерегулируемый по производительности насос имеет почти неизменный расход или . Не должно сильно колебаться и количество обратной сетевой воды G₀, идущей на смешение, т.к. оно является функцией разности давлений воды в обратном трубопроводе Р₀ и после регулирующего клапана 1 Р1 (рис. 1а) или

где d - диаметр трубопровода перемычки между подающей и обратной линиями. Величина d всегда неизменна, а  совсем мало, т.к. Р₀= const, а Р1 физически не может резко снижаться, потому что от обратного трубопровода до всаса насоса нет никакого регулирующего органа. Поскольку имеет степень 0,5, то ее влияние на расход G₀ еще более стабилизируется. Таким образом, можно принять G₀=const. Получается, что сумма двух величин G_п+G₀=G_общ есть постоянная и при этом G₀= const. Отсюда вытекает неизменность G_п. Поэтому трудно осуществить регулирование температуры воды изменением G_п (регулирующий орган находится только на этом потоке), если и ему предписано быть постоянным. А по директивному графику 150/70 ^ОС для поддержания нормативной температуры внутри отопительных аппаратов необходимо колебание G_п более чем в 2 раза в интервале температур наружного воздуха от 0 до -25 ^ОС. Такое несоответствие в тепловой схеме (рис. 1а) не позволяет ее автоматизировать, как этого требуют правила. Но на практике, однако, она работает и можно предположить, по-видимому, за счет того, что расходы G_п и G₀ в несовпадающие между собой интервалы времени изменяются от ну-

ля до своего верхнего предела ориентировочно по принципу, показанному на рис. 2. Прерывистое (дискретное) поступление 2-х различающихся потоков воды на единый всасывающий трубопровод насоса для последующего их смешения можно оценить с теоретических позиций как редко встречающийся и не совсем удовлетворительный принцип регулирования.

Анализ рис. 2 также указывает на необходимость обоснованного выбора мест смешения этих 2-х потоков и размещения термодатчика результирующей температуры смешения. Потребуется, по-видимому, и наличие специальной конструкции узла перемешивания. Также большее внимание, наверное, придется уделить частоте поступления импульса на регулирующий клапан, который в настоящее время подается 1 раз в интервале от 30 до 2 тыс. с, а принцип пропорционально-интегрального контроля регулируемого параметра может быть также изменен. В переменных тепловых режимах, когда температура подающей воды значительно снижена относительно графика 150/70 ^ОС и требуется еще больший G_п, процесс регулирования усложняется из-за растущего неравенства потоков G_п и G₀. И общую ситуацию можно оценить как не совсем приемлемую. В эксплуатационных условиях процессы смешения, циркуляции сетевой воды и передачи теплоты не дают видимого ухудшения. Очевидно, это обстоятельство послужило тому, что до сих пор оказался не рассмотренным разбираемый метод регулирования температуры в таких условиях. Часто вместо двухходового клапана 1 (рис. 1а) применяют типовой трехходовой. Он сначала прикрывает подачу прямой сетевой воды и тем самым обеспечивает требуемый перепад давления для поступления обратной воды. Затем аналогичная операция повторяется для обратной линии. К тому же его расходная характеристика - прямая горизонтальная линия, - не обеспечивает регулирование общего суммарного расхода G_общ и потому не вписывается в возможность сокращения количества воды. Таким образом, разобранная схема 1а является не совсем удачной для данного типа оборудования и ее широкое применение нецелесообразно (она почти не позволяет освободиться от нерациональных нюансов). Если разность ∆Р=Р_п-Р₀ составляет совсем небольшую величину, то рабочая схема должна иметь новый тип трехходового клапана и пр., упомянутое в [2].

Тепловая схема 1б автоматизированного индивидуального теплового пункта (ИТП) практически является типовой в зарубежной практике и потому отвечает требованиям авторегулирования и энергоэффективности. Она удачно и эффективно сочетается с любым известным оборудованием и в том числе отечественным, которое в большей части почти повторяет иностранное. А ее российская особенность состоит в увеличении для себя потребления подающей сетевой воды при «недотопе». Автоматика отбирает греющую воду от соседнего потребителя и нарушает гидравлический режим всей сети. Поскольку такие режимы в большинстве городов являются очень частыми, то при наладке работы ИТП можно ввести помимо известных мер и ограничение перемещения клапана 1 (рис. 1б) верхним концевым выключателем на теоретический максимальный расчетный расход. Если в этой ситуации потребитель будет плохо отапливаться, то существуют другие решения. Зато в большинстве других режимов происходит сокращение количества потребляемой сетевой воды, что сопровождается ощутимым улучшением гидравлического и теплового режимов и большим сокращением используемой теплоты. Но при этом должен быть еще и изменен нормативный график температуры (в сторону снижения) возвращаемой воды в соответствии с [1].

Более тщательная адаптация зарубежного оборудования и схем ИТП к российским особенностям позволит получить еще больший эффект.

К.т.н. В.И. Рябцев, доцент Курского государственного технического университета
«Новости теплоснабжения»

Литература

1. Рябцев Г.А., Рябцев В.И. Общий показатель эффективности работы теплосети // Новости теплоснабжения, 2003. № 9. С. 56-59.

2. Рябцев Г.А., Фельдман Б.Г., Рябцев В.И. Дополнение автоматики ГВС при открытой системе теплоснабжения новой функцией энергосбережения // Новости теплоснабжения, 2002. №4. С. 39-41.