1. Введение

Системы теплоснабжения промышленных предприятий представляют собой сложные инженерные комплексы, эффективность работы которых напрямую влияет на себестоимость выпускаемой продукции и энергетическую безопасность объекта. В условиях модернизации производства, изменения объемов выпуска продукции или реконструкции цехов, фактические гидравлические и тепловые режимы зачастую начинают отличаться от проектных. Это приводит к разрегулировке сети, «перетопам» или недогреву отдельных объектов, повышенному износу оборудования и перерасходу электроэнергии на перекачку теплоносителя [1], [2].

Особую актуальность данная проблема приобретает для регионов с резко континентальным климатом, таких как Забайкальский край. Суровые зимние условия предъявляют повышенные требования к надежности и отказоустойчивости систем отопления [3]. Модернизация промышленных площадок в таких условиях требует тщательного аудита существующих тепловых сетей и источников тепла для выявления «узких мест» и потенциальных зон риска [4]. Присоединение новых нагрузок или изменение технологических процессов без корректировки гидравлических режимов может привести к дисбалансу системы. Для предприятия в Забайкальском крае, где расчетная нагрузка отопления составляет 6,331 Гкал/ч, а также присутствуют нагрузки горячего водоснабжения (ГВС) и технологической линии, важно гарантировать, что существующее насосное и теплообменное оборудование способно обеспечить требуемые параметры [5], [6]. Несоответствие фактических напоров и расходов паспортным данным насосов является индикатором либо неправильного выбора оборудования, либо его неисправности, либо повышенного гидравлического сопротивления сети. Выявление таких несоответствий позволяет своевременно принять меры по наладке системы, замене или ремонту оборудования, что предотвращает аварийные ситуации и снижает эксплуатационные затраты [7].

Целью данной работы является оценка соответствия фактических гидравлических режимов системы теплоснабжения модернизируемого промышленного предприятия проектным (паспортным) характеристикам оборудования на основе анализа натурных замеров и поверочных расчетов насосных агрегатов.

2. Методы и принципы исследования

Объектом исследования является система теплоснабжения горнопромышленного предприятия Забайкальского края, включающая источник тепла («Энергокомплекс»), насосные станции, тепловые сети и потребители.

Для отопления объектов используется горячая вода с параметрами 95/700С, которая нагревается в пластинчатых теплообменниках на источнике тепла и далее подается к потребителям. Расчетная присоединенная нагрузка отопления составляет 6,331 Гкал/ч. Для горячего водоснабжения используется горячая вода с температурой 68 0С по схеме с рециркуляцией 57 0С. Расчетная присоединенная нагрузка ГВС составляет 0,4393 Гкал/ч. Технологическая линия работает с использованием воды с температурным графиком 80/60 0С. Расчетная присоединенная технологическая нагрузка составляет 0,525 Гкал/ч.

Испытания проводились в соответствии с РД 153-34.1-09.164-00 и РД 153-34.0-20.523-98 в январе 2025 г. в период пиковых низких температур (согласно климатическим нормам Забайкальского края, отопительный сезон характеризуется экстремальными морозами в данное время). Средняя температура наружного воздуха за период замеров составила –28,5 °C, что соответствует 96% от расчетной температуры наружного воздуха для проектирования отопления. Режим работы предприятия в период обследования был штатным, без ограничений теплопотребления. В ходе проведения опытов измерялись расходы, давления, температуры теплоносителя [8]. Замеры параметров проводились в двух режимах:

1) штатными приборами, фиксирующими показания стационарных манометров и термометров на насосных группах и теплообменниках «Энергокомплекса», а также на вводах к потребителям;

2) переносным оборудованием — расходы питательной воды фиксировали расходомером Стримлюкс (Россия); точность калибровки ±3%.

Температуру воды измеряли контактным цифровым термометром ТК-5.09 (Россия), погрешность ±0,5%. Температура воздуха и поверхностей регистрировалась инфракрасным пирометром DT-8869H (КНР), с разрешающей способностью 0,1ºС и пределом допускаемой относительной погрешности ±1%. Давление воды измерялось штатными техническими датчиками давления. Это позволило верифицировать данные штатных приборов и провести замеры в точках, не оснащенных стационарным учетом

Поверочный расчет насосных агрегатов заключался в определении фактической рабочей точки насоса (подача Q, м³/ч; напор H, м) и ее нанесении на паспортную характеристику, представленную в инструкциях по эксплуатации (Wilo, Grundfos). Степень загрузки насоса оценивалась как отношение фактической подачи к номинальной (максимальной) подаче для данной частоты вращения рабочего колеса [9], [10]. Анализировалось также соответствие фактического напора рабочей зоне характеристики.

3. Основные результаты и обсуждение

В ходе исследования был выполнен анализ замеров на 11 ключевых узлах системы, а также проведен детальный разбор работы 8 групп насосного оборудования «Энергокомплекса» и насосной группы «Дизельной котельной» (рис. 1).Анализ замеров на источнике тепла («Энергокомплекс») показал на входе следующие параметры сетевой воды: расход 369-373 м³/ч, давление на входе в насосную группу 0,69 МПа, на выходе 0,84 МПа (насосная группа 15). Это свидетельствует о создании необходимого перепада давления для преодоления сопротивления сети. Расход на ГВС составил 12-13 м³/ч, на технологию — 38–42 м³/ч, что коррелирует с заявленными нагрузками.

Анализ работы теплообменного оборудования установил, что теплообменник ГВС (гр. 7): нагрев сетевой воды с 96 °С до 81 °С, при этом нагреваемая вода для ГВС подогревается с 57 °С до 68 °С. Перепад давления по нагреваемой среде составляет 0,03 МПа (с 0,82 до 0,79 МПа), что указывает на умеренное гидравлическое сопротивление. Теплообменник технологической линии (гр. 6): осуществляется нагрев технологической воды с 79 °С до 84 °С за счет сетевой воды, остывающей с 88 °С до 84 °С. Потери давления здесь более существенны (0,09 МПа), что может свидетельствовать о загрязнении пластин или повышенной скорости теплоносителя в каналах [11]. Теплообменник 9: при нагреве среды с 74 °С до 96 °С (подогрев 22 °С) зафиксировано низкое давление греющей среды на входе (0,075 МПа) и выходе (0,05 МПа), что свидетельствует о некорректной работе или подключении к источнику низкого давления.

Результаты замеров у потребителей (ЦПСК, Пожарная часть, АБК — административно-бытовой комплекс, Главный корпус и др.) показывают неравномерность распределения теплоносителя (таблица 1). Температура на вводах колеблется от 84 °С до 93 °С.

Высокий перепад давления (0,15 МПа) на ЦПСК и близлежащих объектах (Пожарная часть, АБК) говорит о том, что эти узлы потребляют достаточное количество энергии и имеют правильно настроенную автоматику или дроссельные шайбы. Напротив, крайне низкий перепад в Главном корпусе (0,04 МПа) свидетельствует о недостаточном располагаемом напоре или о том, что задвижки на этом потребителе открыты не полностью, а сам узел является «ближним» и «задавленным» [12]. Аномалия на «Дизельной котельной» (давление на выходе выше, чем на входе) объясняется работой собственного насоса на этом объекте и требует отдельного анализа его режима.

Результаты поверочного расчета насосов показали, что насосы технологической линии (гр. 17 Wilo-IL 80/200-22/2) имеют загрузку 81%, что является хорошим показателем эффективности [13] и подтверждают верный подбор оборудования. Рабочая точка насоса с подачей 38–42 м³/ч и напором 35,7 м находится в рабочей зоне характеристики при данной частоте вращения (рис. 2). У насосов ГВС (гр. 15 Wilo- IL 32/160-3/2) зафиксирована загрузка 69%, что является приемлемой величиной, но оставляет резерв для увеличения циркуляции в системе ГВС при необходимости; при фактической подаче 12–13 м³/ч и напоре 15,3 м насос работает в зоне оптимальных КПД.Два параллельно работающих сетевых насоса (гр. 10 BL 80/210-37/2) обеспечивают суммарную подачу 369-373 м³/ч при напоре 16,3 м, однако они работают на нижней границе своих напорных возможностей. Загрузка 67% и низкий напор могут свидетельствовать о том, что гидравлическое сопротивление магистрального трубопровода ниже расчетного, либо насосы избыточны по напору для данной сети, или регуляторы частоты вращения настроены на поддержание заниженного перепада [14]. Низкий напор сетевых насосов объясняет малый располагаемый перепад у дальних потребителей (например, Главный корпус), так как основная часть напора тратится в магистралях. Фактические напоры насосов внутренних контуров (гр. 14 IPL 80/105-3/2, гр. 11 IL 125/250-11/4, гр. 18 IPL 40-130-2,2/2) 6,6 м, 13,97 м, 19,3 м соответственно, попадают в номинальный диапазон, что говорит об их исправности и соответствии гидравлическим режимам внутренних контуров. Насос контура утилизации тепла (гр. 21 Wilo BL-100/250-11/4) является проблемным узлом (рис. 3): фактический напор 3,06 м не попадает в номинальный диапазон характеристики, что указывает на возможный износ рабочих колес при перекачке водо-гликолевой смеси (ингибитора коррозии), завоздушивание, повышенное местное сопротивление сети или утечки [15]. Низкий напор делает работу контура утилизации неэффективной или вовсе бесполезной.Насос Grundfos TP 65-310, работающий в системе теплоснабжения дизельной котельной, показал низкую эффективность — при подаче 45 м³/ч создаваемый напор составляет всего 6 м, что соответствует загрузке 46% (рис. 4). Рабочая точка находится далеко за пределами оптимальной зоны характеристики, что может свидетельствовать, что насос функционирует в режиме «захлебывания» или, наоборот, работает на полностью открытую сеть с крайне низким сопротивлением [16]. Вероятно, насос значительно избыточен по мощности для данного участка сети, либо имеет место серьезная механическая неисправность (поломка рабочего колеса, разрушение подшипников). Эксплуатация в такой точке ведет к перерасходу электроэнергии и быстрому износу оборудования.

Оценка энергетических и экономических потерь показала, что избыточная потребляемая мощность насоса составляет около 4,2 кВт, что ведет к дополнительным затратам (при тарифе 5,2 руб./кВт·ч) до 105 тыс. руб./год. В комплексе, с учетом недогрева Главного корпуса, сопровождающегося дополнительными теплопотерями 0,15 Гкал/ч (≈ 0,9 млн рублей за отопительный сезон), снижения эффективности насоса контура утилизации (гр. 21) с перерасходом электроэнергии 2,8 кВт (≈ 70 тыс. руб/год), общий экономический ущерб от выявленных нарушений режимов может достигать до 1 млн руб./год без учета затрат на внеплановый ремонт.Проведенный анализ выявил ряд системных проблем в гидравлическом режиме предприятия, основная из которых — несоответствие напора, создаваемого сетевыми насосами (гр. 10, рис. 1), и необходимого напора для дальних потребителей. Это классический случай разрегулировки гидравлической сети, когда «ближние» потребители отбирают слишком много теплоносителя, а «дальним» его не хватает [17]. Подтверждением этому служат высокие перепады давления на ближних узлах (ЦПСК) и низкие на дальних (Главный корпус).

Состояние насосного оборудования в целом оценивается как удовлетворительное, за исключением двух критических точек: насоса утилизации тепла (гр. 21 рис. 1) и насоса дизельной котельной. Работа этих агрегатов в нерасчетных режимах ведет к прямым финансовым потерям из-за неэффективного использования электроэнергии и потенциально несет риск аварийного выхода из строя [18].

Теплообменное оборудование требует ревизии, особенно аппараты с повышенными потерями давления (гр. 6) и сомнительными параметрами давления греющей среды (гр. 9), наиболее вероятная причина которых подключение теплообменника к ответвлению тепловой сети с заниженным диаметром (заужение после реконструкции), что подтверждается косвенными данными — одновременным низким давлением на входе и выходе при сохраняющемся перепаде 0,025 МПа. Кроме того, отложение солей, коррозионных продуктов, неисправность регулирующего клапана, задвижки на вводе также могут вносить свой вклад в снижение параметров. Повторная балансировка узла возможна после проведения гидравлического расчета участка до теплообменника с натурным промером диаметров, замена участка трубопровода (при подтверждении заужения), промывка теплообменника.

Для оптимизации режимов следует провести наладочный расчет тепловой сети с целью распределения расходов теплоносителя в соответствии с фактическими нагрузками [19], [20], [21]. Это может потребовать установки дроссельных диафрагм или балансировочных клапанов на вводах ближних потребителей. Также необходимо выполнить диагностику и ремонт проблемных насосов (гр. 20 и Grundfos), проверить плотность закрытия обратных клапанов и отсутствие перетоков.

По данным обследований промышленных предприятий Сибири [2], [18], доля насосов, работающих вне оптимальной зоны характеристик, составляет в среднем 22–30 %. В полученных нами данных из обследованных насосных групп нештатный режим выявлен для 25%, что коррелирует с отраслевой статистикой. Типичная величина располагаемого перепада у «дальних» потребителей на промышленных предприятиях Забайкалья варьируется от 0,03 до 0,08 МПа [14]. Полученное значение 0,04 МПа для Главного корпуса находится в нижней части этого диапазона, что подтверждает необходимость балансировки. Выявленные нарушения являются типичными для отрасли, но степень их выраженности по отдельным узлам превышает средние значения, что требует особого внимания.

4. Заключение

В результате инструментального обследования системы теплоснабжения забайкальского горнопромышленного предприятия зафиксированы фактические параметры теплоносителя, свидетельствующие о неравномерности гидравлического режима сети. Установлено, что располагаемый перепад давления у потребителей варьируется от 0,04 МПа до 0,15 МПа, что указывает на недостаточную гидравлическую устойчивость системы и необходимость балансировки. Поверочный расчет насосных агрегатов показал, что большинство насосов (ГВС, отопление технологической линии, внутренние контуры) работают в зоне номинальных характеристик со степенью загрузки 67–81%, что соответствует условиям их эксплуатации. Выявлено два критических отклонения: насос контура утилизации тепла (Wilo BL-100/250-11/4) развивает напор 3,06 м, что значительно ниже номинальных значений, что требует немедленной ревизии системы и самого насоса; насос дизельной котельной (Grundfos TP 65-310) работает с загрузкой 46% и не соответствует условиям работы системы теплоснабжения, что говорит о его некорректном подборе или неисправности. Сетевые насосы работают с недостаточным напором для обеспечения всех потребителей, что требует корректировки настроек частотного регулирования или пересмотра гидравлической схемы. Для повышения надежности и энергоэффективности системы теплоснабжения предприятия необходимо проведение гидравлической наладки сети, ремонт или замена неэффективно работающих насосных агрегатов и очистка теплообменников с повышенным гидравлическим сопротивлением.

The additional file for this article can be found as follows: