МЕТОДИКА СОПРЯЖЕННОГО ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ТЕПЛОМАГИСТРАЛЕЙ И КВАРТАЛЬНЫХ СЕТЕЙ

Галимов Р.Ш.¹, Мусиенко Л.В.², Науменко П.А.³, Некрасова О.Г.⁴, Самсонова Л.В.⁵, Шабалин М.В.⁶

¹Ведущий специалист, ²Ведущий специалист, ³Ведущий специалист, ⁴Ведущий специалист, ⁵Ведущий специалист, ЗАО НДЦ НПФ «Русская лаборатория», ⁶Ведущий специалист лаборатории неразрушающего контроля СПбПУ

МЕТОДИКА СОПРЯЖЕННОГО ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ТЕПЛОМАГИСТРАЛЕЙ И КВАРТАЛЬНЫХ СЕТЕЙ

Аннотация

В статье рассмотрена проблема сопряженного теплогидравлического расчета тепломагистралей и внутриквартальных сетей. Разработана математическая модель, позволяющая однозначно связать все параметры и решить прямую задачу определения расходов и температур в расчетных узлах. Показано, что использование строгой математической модели позволяет осуществлять обоснованный выбор теплообменного оборудования, что приводит к значительной экономии затрат.

Ключевые слова: теплогидравлические расчеты, сопряженные расчеты, тепловые сети.

Galimov R.Sh.¹, Musienko L.V.², Naumenko P.A.³, Nekrasova O.G.⁴, Samsonova L.V.⁵, Shabalin M.V.⁶

¹Lead specialist, ²Lead specialist, ³Lead specialist, ⁴Lead specialist, ⁵Lead specialist,  ZAO NDC NPF «Russkaja laboratorija», ⁶Lead specialist of SPbPU nondestructive testing laboratory

THE METHOD OF THE COUPLED THERMOHYDRAULIC CALCULATIONS OF THE HIGH- AND LOW-PRIORITY PIPELINES

Abstract

In the present paper there was considered the problem of coupled thermohydraulic calculation of the high- and low-priority pipelines. There was designed computational model, which allows balancing all the parameters and solving direct problem of the mass flow rates and temperatures defining at the junctures. It was shown that using of the strict mathematical model allows making a valid choice of the heat-exchange equipment. The last obstacle leads to the significant decreasing of the expenditures.

Keywords: thermohydraulic calculations, coupled calculations, heat network.

Режимы работы тепловых магистралей весьма разнообразны в связи с влиянием большого числа различных факторов. К их числу следует отнести величину расхода потребляемой абонентами горячей воды, параметры сетевой воды, настройку регулирующей арматуры на источнике тепловой энергии, участках магистрали и в тепловых пунктах, диаметры сопел элеваторов, реальная шероховатость труб, отложения накипи в трубках теплообменников и многие другие. Рассмотрим метод сопряженного расчета тепловой магистрали и квартальных сетей на примере закрытой системы теплоснабжения. Потребителями тепловой энергии являются системы отопления с зависимым присоединением и струйным смешением, а также потребители горячего водоснабжения (ГВС). Приготовление горячей воды для ГВС происходит в центральных (ЦТП) и индивидуальных (ИТП) тепловых пунктах при двухступенчатом смешанном присоединении систем отопления и ГВС (рис.1). В качестве средств автоматики используются регуляторы температуры по ГВС, регуляторы расхода для систем отопления отсутствуют.

Рис.1 - Схема подключения потребителей тепловой энергии

При проектировании тепломагистрали теплогидравлический расчет производится в соответствии с методом заданных удельных потерь давления [1]. Фактически такой расчет является обратным, так как с его помощью производится определение диаметров участков магистрали и основных ответвлений по заданным в них линейным падениям давлений. Расходы сетевой воды в магистрали определяются максимальными тепловыми нагрузками и схемами присоединения абонентов. Площадь теплообменных поверхностей на тепловых пунктах выбирается по расчетной тепловой нагрузке ГВС. Характерные температуры потоков в тепловых пунктах в этом случае назначаются. Очевидно, что при эксплуатации работающей тепловой сети необходимо производить прямой теплогидравлический расчет, используя метод расчета по заданным гидравлическим сопротивлениям. В этом случае все расходы, температуры и давления воды в сети подлежат определению.

Рассмотрим математическую модель процессов, протекающих в элементах системы теплоснабжения в стационарной постановке. Для определения теплогидравлических характеристик на переменных режимах ЦТП и ИТП необходимо совместное решение уравнений сохранения для системы отопления, процесса теплообмена отапливаемых помещений с окружающей средой, а также первой и второй ступеней подогревателя ГВС. Тепловая мощность системы отопления в первом приближении определится по аналогии с теплоотдачей единичного прибора отопления соотношением [2]:

     (1)

где:  – расчетная мощность системы отопления при расчетной температуре наружного воздуха, Гкал/час; ,  – значения температуры теплоносителя с расходом G₀ на входе в первый прибор отопления и на выходе из последнего на переменном режиме, °С; ,  – аналогичные величины при номинальном расходе в системе, °С. Более точным является соотношение, следующее из (1) в результате пренебрежения зависимостью теплоотдачи от расхода теплоносителя [2]:

     (2)

где: u, u_p – реальное и расчетное значения коэффициента смешения элеватора; G₀, G_0,p – реальный и расчетный расходы сетевой воды в системе отопления, кг/с; F, F_р – реальная и расчетная площади отопительных приборов, м². Сопротивление контура отопления в реальном и расчетном режимах:

     (3)

     (4)

где: f_2р, f₂, f₃ – площади выходного сечения сопла в расчетном и нерасчетном режимах и площадь сечения цилиндрической камеры смешения, м²; φ₁, φ₂, φ₃, φ₄ – коэффициенты скорости сопла, камеры смешения, диффузора и входного участка камеры смешения. В процессе расчетов можно задавать значения u сообразно конструкции конкретного элеватора.

Температуры теплоносителя связаны между собой, исходя из адиабатного смешения в элеваторном узле:

     (5)

где: t₁ – температура сетевой воды в подающем трубопроводе магистрали, °С.

Для первой ступени подогревателя из уравнения теплового баланса для потока сетевой воды следует соотношение:

     (6)

где:  – общий объемный расход сетевой воды на входе в первую ступень подогревателя, м³/ч; c – доля общего потока сетевой воды, поступающего в первую ступень подогревателя; ,  – температуры сетевой воды на входе и выходе из первой ступени подогревателя, °С. Из условий адиабатного смешения следует:

     (7)

где:  – расход сетевой воды во второй ступени подогревателя, имеющей температуру  на выходе из нее;  – температура сетевой воды, поступающей после ЦТП в обратную линию тепловой сети. Из уравнения теплового баланса для водопроводной воды с расходом , нагреваемой в первой ступени подогревателя, следует:

     (8)

где: ,  – температуры водопроводной воды на входе и на выходе из первой ступени подогревателя. В зимний период обычно  = 5°С.

Уравнение теплопередачи для первой ступени подогревателя выглядит следующим образом [3]:

     (9)

где: μ₁ – коэффициент, учитывающий влияние солевых отложений и загрязнений; ,  – коэффициенты теплоотдачи по водопроводной и сетевой воде соответственно, Вт/(м²·К); F_секц – площадь теплообменной поверхности одной секции, м²; n₁ – количество секций. Значения коэффициентов теплоотдачи определяются при турбулентном режиме течения, который чаще всего имеет место в трубопроводах тепловых сетей [4], выражаются следующим образом [3]:

     (10)

      (11)

где: D_в и D_э – внутренний диаметр труб и эквивалентный диаметр межтрубных каналов секции подогревателя, м; w – средняя скорость воды (в трубке и межтрубном пространстве соответственно), м/с. Аналогичные соотношения имеют место и для второй ступени подогревателя, состоящей из n₂ секций.

Скорости движения потоков равны:

     (12)

где: N – число ветвей подогревателя (N = 1..3), f_т, f_мт – площади проходного сечения трубного и межтрубного пространства одной секции подогревателя, м².

Потери давления в системе отопления, имеющей гидравлическое сопротивление S_от определятся следующим образом:

     (13)

в первой и второй ступенях подогревателя по сетевой и водопроводной воде:

     (14)

где: S_мт, S_т – сопротивление межтрубного и трубного пространства секции, м·ч²/м⁶.

Следует отметить, что при реализации методики на программном уровне возможно осуществлять решение точных уравнений теплопередачи без замены среднелогарифмического температурного напора на линейную разность температур.

Гидравлические потери на участке тепловой сети определяются как сумма потерь трения и местных потерь [5, 6]:

     (15)

где: l, D, Δ_э  – длина, диаметр и эквивалентная шероховатость участка, м; ζ_м – коэффициенты местных сопротивлений.

Наиболее интересен теплогидравлический расчет магистрали при заданных нагрузках по ГВС для каждого микрорайона. В то же время, метод заданных гидравлических сопротивлений предполагает назначение численных значений гидравлических сопротивлений регуляторов температуры на тепловых пунктах. При этом разумная организация итерационного процесса, в результате которой за относительно небольшое число настроек достигаются заданные расходы потребляемой горячей воды на каждом тепловом пункте. Представляется целесообразным использовать следующую последовательность действий. Вначале клапаны регуляторов температуры полностью открыты. Начиная с первого теплового пункта по ходу движения горячей сетевой воды в магистрали, производится увеличение сопротивления регулятора температуры до тех пор, пока расход потребляемой горячей воды не уменьшится до заданного значения. После аналогичной регулировки сопротивления регуляторов температуры на всех остальных тепловых пунктах происходит следующий обход всех тепловых пунктов магистрали в той же последовательности. Практика показывает, что достижение поставленной цели происходит за 5-10 обходов магистрали (1-4 минуты времени счета). Причем, вначале независимо от заданных нагрузок по ГВС происходит определение среднесуточной температуры помещений, для которых в дальнейшем производится теплогидравлический расчет магистрали. Очевидно, что следующим шагом, приближающим результаты расчета к действительной картине, должен явиться учет транспортного запаздывания температуры сетевой воды и проявления тепловой инерции помещений.

При проведении расчета задаются сопротивления внутриквартальной тепловой сети микрорайонов и степень отклонения значений диаметров сопел элеваторов от расчетных значений. При этом коэффициент смешения элеваторов определяется в виде функции такого отклонения. Для определения реальной картины необходимо задавать реальную информацию о внутриквартальной тепловой сети и размерах сопел всех элеваторных узлов. Основные настройки регулирующей арматуры производятся исходя из следующих соображений. Сопротивление арматуры после сетевого подогревателя выбирается таким, чтобы общий расход сетевой воды соответствовал расходам, фиксируемым в журнале аварийно-диспетчерской службы. Давление в обратном коллекторе назначается исходя из величины расхода подпитки в диапазоне 0,25-0,3 МПа. Шероховатость труб магистрали принимается равной 3 мм в соответствии с рекомендациями, изложенными в [6]. Расчетная температура для систем отопления принимается в соответствии с данными строительной климатологии [7]. На основе теплогидравлического расчета определяется распределение давлений и температур, строится пьезометрический график.

Подводя итоги, следует отметить, что только на основе результатов расчетов, проведенных на основе уравнений, описывающих теплогидравлические процессы в элементах ЦТП и магистрали с распределительной тепловой сетью, возможно осуществлять экономический расчет ЦТП с выбором такого оборудования, которое обеспечит наименьшие приведенные затраты или приемлемый срок окупаемости.

Литература

1. СП 124.13330.2012. Свод правил. Тепловые сети.
2. Зингер Н.М. Гидравлические и тепловые режимы теплофикационных систем. М.: Энергоатомиздат, 1986. 320 с.
3. Барилович В.А., Смирнов Ю.А. Основы технической термодинамики и теории тепло- и массообмена. СПб: Изд-во СПбГПУ, 2010. 338 с.
4. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. Учебник для вузов. М.: Издательство МЭИ, 2001. 472 с.
5. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы / Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Некрасов и др. М.: Машиностроение, 1982. 433 с.
6. Гидравлические потери на трение в водоводах электростанций / А.Д. Альтшуль, Ю.А. Войтинская, В.В. Казеннов, Э.Н. Полякова. М.: Энергоатомиздат, 1985. 104 с.
7. СП 131.13330.2012. Свод правил. Строительная климатология.

References

1. SP 124.13330.2012. Svod pravil. Teplovye seti.
2. Zinger N.M. Gidravlicheskie i teplovye rezhimy teplofikacionnyh sistem. : Jenergoatomizdat, 1986. 320 s.
3. Barilovich V.A., Smirnov Ju.A. Osnovy tehnicheskoj termodinamiki i teorii teplo- i massoobmena. SPb: Izd-vo SPbGPU, 2010. 338 s.
4. Sokolov E.Ja. Teplofikacija i teplovye seti. Uchebnik dlja vuzov. M.: Izdatel'stvo MJeI, 2001. 472 s.
5. Gidravlika, gidromashiny i gidroprivody / T.M. Bashta, S.S. Rudnev, B.B. Nekrasov i dr. : Mashinostroenie, 1982. 433 s.
6. Gidravlicheskie poteri na trenie v vodovodah jelektrostancij / A.D. Al'tshul', Ju.A. Vojtinskaja, V.V. Kazennov, Je.N. Poljakova. M.: Jenergoatomizdat, 1985. 104 s.
7. SP 131.13330.2012. Svod pravil. Stroitel'naja klimatologija.