Автоматизация тепловых пунктов

Есть одна очень  интересная проблема в поддержании  заданной температуры горячей воды. При использовании кожухотрубных  теплообменников этой проблемы не было даже при применении регуляторов  температуры прямого действия. Точность поддержания температуры горячей воды была невелика, но и только.

Однако кожухотрубные  теплообменники достаточно громоздки  и требуют много места, в то время как пластинчатые теплообменники, которые сейчас широко применяются, при той же поверхности теплоотдачи, как у кожухотрубного теплообменника, занимают места намного меньше.

И вот в этом случае проблема заключается в следующем. Если горячая вода отбирается потребителями  из пластинчатого теплообменника непрерывно достаточно длительное время, то проблемы в поддержании заданной температуры горячей воды нет. Но если, например, днем в каком-то жилом доме разбор горячей воды значительно уменьшился и происходит скачкообразно, то поддержание температуры горячей воды с заданной точностью весьма проблематично. Слишком мала емкость пластинчатого теплообменника при большой поверхности теплоотдачи.

Был проведен эксперимент. У двух теплообменников, рассчитанных на производительность три литра  воды в секунду, – кожухотрубного и пластинчатого – при одинаковых эксплуатационных условиях слили по три литра горячей воды, то есть нанесли скачкообразное возмущение. При этом температура горячей воды после кожухотрубного теплообменника понизилась на 0,07 °С и достаточно быстро восстановилась. У пластинчатого теплообменника температура воды после теплообменника понизилась почти на 6 °С и восстанавливалась значительно дольше.

Таким образом получается, что для того, чтобы температура  горячей воды, подогреваемой в  кожухотрубном теплообменнике производительностью 3 л/с, отклонилась хотя бы на 1 °С, необходимо слить единовременно 42,8 л воды, а у пластинчатого теплообменника это получается около 0,5 л воды.

Для того чтобы стабилизировать  поддержание заданной температуры  горячей воды, в некоторых случаях  используются баки-аккумуляторы, о которых сказано в «Правилах проектирования тепловых пунктов». Но, как правило, баки-аккумуляторы используются там, где требуется повышенный комфорт, например, в фешенебельных гостиницах. Забывается, что поддержание заданной температуры с определенной точностью требует затрат энергии и чем точнее удается поддерживать заданной параметр, тем меньше требуется энергозатрат. Как можно выйти из положения? Вывод следующий: если нет необходимости в баках-аккумуляторах, то после второй ступени теплообменника на подающем к потребителю трубопроводе можно разместить компенсационную емкость. Компенсационная емкость может быть любой формы, например, сваренная из труб, но она должна быть обязательно теплоизолирована. Разместить ее можно в любом месте, чтобы не загромождать помещение, либо под фальшполом, либо где-то у стены.

Компенсационная емкость  рассчитывается по формуле:

V_δ = 1,2 [(С_м·((t_k – t_н) / 0,5Δt) q α) – V_Т],

где V_δ – объем компенсационной емкости (бака), л;

1,2 – коэффициент  запаса;

С_м – число возможных скачкообразных возмущений, при котором регулируемый параметр после емкости должен быть в пределах допустимых отклонений от заданной величины (См ≥ 4. См – целое число, задается с учетом возможных разовых скачкообразных водоразборов);

Δt – допустимое отклонение температуры от заданной (точность регулирования);

t_k – температура нагретой воды;

t_н – температура холодной воды, нагреваемой в теплообменнике;

q – секундный расход горячей воды (по таблицам), л/с;

α – коэффициент одновременности водопотребления;

V_Т – объем теплообменника (1 и 2 ступени нагреваемой воды и объем соединяющих ступени труб), л.

Размещение компенсационной  емкости схематично отображено на рис. 2.

Чтобы не очень пугать читателей, могу сказать, что компенсационная емкость по расчетам во многих случаях (правда для ИТП) не превышала 180–200 л (от теплообменника второй ступени системы горячего водоснабжения до места установки датчика температуры). Это не так уж много, и решить задачу с использованием такой емкости возможно практически в любом тепловом пункте.

О такой компенсационной  емкости в «Правилах проектирования тепловых пунктов» ничего не сказано  хотя бы потому, что ко времени проработки этих «Правил» необходимость в ней  еще не проявилась на практике. Поэтому принятие решений по использованию таких компенсационных емкостей, наверное, следует обсудить, чтобы включить их в «Правила проектирования тепловых пунктов» и, по крайней мере, не запрещать их применять.

При проработке системы  горячего водоснабжения не следует забывать о пункте 3.19 «Правил проектирования тепловых пунктов». Теплообменники для любых систем рассчитываются для худших условий. Для системы горячего водоснабжения худшие условия это летнее время, когда греющим сетевым теплоносителем с температурой 70 °С должна подогреться водопроводная вода до температуры 60 °С.

Это значит, теплообменник  подбирается со значительной поверхностью теплоотдачи, которая для зимнего  режима велика, поскольку греющий  сетевой теплоноситель имеет  более высокую температуру. Получается, что, отдав требуемое тепло на подогрев горячей воды, греющий сетевой теплоноситель остается с температурой, значительно превышающей допустимую для сброса в обратный трубопровод.

Это, по крайней мере, нерационально. Поэтому в зимнее время греющий теплоноситель после подогрева водопроводной воды во второй ступени системы горячего водоснабжения подается в систему отопления после регулирующего клапана по потоку теплоносителя. Это позволяет рационально использовать греющий сетевой теплоноситель и более плавно регулировать температуру теплоносителя в системе отопления, не превышая температуру обратного сетевого теплоносителя.  

Продолжение статьи читайте в следующем номере. 
 

 

Опубликовано  в журнале AВОК  №5/2010

Рубрика: Автоматизация и регулирование

Автоматизация тепловых пунктов

И. Д. Степанов, государственный эксперт, отдел инженерного обеспечения Главгосэкспертизы

Мы  продолжаем рассматривать  особенности решений  задач по автоматизации  тепловых пунктов  в соответствии с  требованиями СП 41-101-95 «Правила проектирования тепловых пунктов». Начало статьи читайте в предыдущем номере журнала «АВОК».

Система отопления, разработанная  и присоединенная к тепловой сети по независимой схеме, автоматизируется так же, как система подготовки теплоносителя для калориферов приточных вентиляционных систем или калориферов первого подогрева для центральных кондиционеров, то есть по температурному графику.

В циркуляционных контурах систем с замкнутым контуром при  независимом присоединении должно поддерживаться постоянное заданное давление, для чего предусматривается подпитка систем.

В настоящее время  широко используются для этой цели пневмобаки, размещаемые в помещении  теплового пункта. Каждая система  должна иметь свой узел подпитки, прежде всего свой пневмобак. Однако разные системы, например, системы отопления и системы вентиляции, могут подпитываться общими насосами, но со своим соленоидным клапаном на линии подпитки. При падении давления в циркуляционном контуре какой-либо системы, на что реагирует датчик давления (или электроконтактный манометр), через контроллер поступает команда на открытие соответствующего соленоидного клапана и на включение рабочего подпиточного насоса. При повышении в системе давления до заданного значения соленоидный клапан закрывается и подпиточный насос отключается. Для первичного заполнения систем отопления и вентиляции теплоносителем могут быть предусмотрены отдельные насосы с большей производительностью, чем подпиточные.

Компоновка  и автоматизация  систем теплоснабжения с зависимым присоединением к тепловой сети в тепловых пунктах

Узел ввода в  тепловой пункт решается так же, как при использовании систем с независимым присоединением. В  тепловых пунктах присоединение  систем может быть комбинированным: часть систем может присоединяться по независимой схеме, а часть – по зависимой схеме. Все определяется технологическими расчетами и удобством эксплуатации.

При непосредственном зависимом присоединении систем вентиляции (калориферов приточных  вентиляционных систем) к тепловой сети, если таких систем несколько, в том числе воздушно-тепловых завес, такое присоединение следует выполнять через регулятор разности давлений, независимо от того, что регулятор разности давлений имеется на узле ввода.

Не все приточные  вентиляционные системы, центральные  кондиционеры, воздушно-тепловые завесы могут работать одновременно, а разность давлений в системе снабжения  теплоносителем этого оборудования должна быть постоянной. Это отражается на качестве регулирования параметров воздуха, обрабатываемого в этих системах.

Если для подготовки теплоносителя, подаваемого на отопление, или к системам вентиляции, или  к каким-либо еще системам при  зависимом их присоединении, требуется  понижение температуры теплоносителя (например, с расчетной температуры теплоносителя в сети в +130 °С до +95 °С) с помощью узла смешивания двух сред – прямого и обратного теплоносителя, то решать эту задачу можно приемами, отображенными на рис. 1.

Но, прежде всего, следует  учесть, что размещение насосов на перемычках между обратным и прямым трубопроводами возможно лишь в том  случае, если не предполагается регулирование  чего бы то ни было (то есть количества смешиваемых сред – величины постоянные), и при соблюдении, естественно, требований, оговоренных в пункте 3.7а) «Правил проектирования тепловых пунктов». Это часто не учитывается. Мало того, на одной линии с насосами устанавливается регулирующий клапан, в том числе трехходовой, что вообще недопустимо.

Насос и регулирующий клапан последовательно, один за другим, устанавливать нельзя. Насосы должны всегда работать в одной – расчетной  и отлаженной – точке расходной  характеристики. Попытка объяснить такое расположение насоса и регулирующего клапана тем, что применяется насос с частотным преобразователем, не является оправданием. Такой узел обязательно выйдет в автоколебательный режим работы, то есть регулирующий клапан будет постоянно открываться и закрываться и никакого поддержания заданных параметров (для теплового пункта это температура теплоносителя) не будет. В таком узле изменяется и расход, и давление, и температура практически независимо друг от друга. В частности, температура и давление не зависят напрямую друг от друга в таком узле. Мало того, инерционность прохождения команды при нанесенном возмущении различна. Синхронности прохождения команд нет и быть не может. Поэтому «раскачка» узла будет обязательно, и еще неизвестно, в каком случае быстрее – с частотным преобразователем насоса или без такового.

Кроме того, двигатель  насоса ставится в очень невыгодные для него условия. Двигатель насоса (да и любого другого агрегата) должен быть нагружен не менее чем на 60 % своей номинальной мощности. Любой двигатель, как правило, защищается от перегрузок тепловой защитой, которая должна быть прогрета до определенной температуры, чтобы сработать при перегрузке двигателя за время, меньшее половины минимального времени, за которое двигатель выходит из строя. Тепловая защита это учитывает, если двигатель нагружен в интервале 100–60 %, если двигатель недогружен, то он сгорит раньше, чем отработает тепловая защита. В узле, где последовательно с насосом размещен регулирующий клапан, может сложиться так, что клапан окажется в значительно прикрытом состоянии, то есть двигатель насоса окажется недогруженным, а в это время, например, произойдет обрыв одной из фаз кабеля или у насоса что-нибудь заклинит. Двигатель выйдет из строя.

Узлы смешивания двух сред – прямого и обратного теплоносителя – должны прорабатываться исходя из условия, какой из двух сред по расчету должно быть больше, а какой меньше. На трубопроводе, по которому должно проходить меньше теплоносителя, должен устанавливаться регулирующий клапан, подобранный по расчетному расходу, а на другом, присоединяемом, трубопроводе должен размещаться балансировочный кран, отстроенный на расчетный пропуск подмешиваемого теплоносителя, которого больше. Например, температура прямого теплоносителя +130 °С, обратного +70 °С, а смесь должна иметь температуру +95 °С. Следовательно, потребуется примерно 27 % прямого теплоносителя и 63 % – обратного. Значит, регулирующий клапан должен быть установлен на прямом трубопроводе, а на перемычке – балансировочный кран (рис. 1а, б). Насосы в этих схемах могут размещаться на обратном или прямом трубопроводе в зависимости от расчета технологической части. Если по расчету требуется насосы установить на прямом трубопроводе, то на обратном трубопроводе следует не забыть установить обратный клапан, как это показано на рис. 1б, чтобы предотвратить возможность подсоса насосами обратного теплоносителя от источника теплоснабжения.

Трехходовые смесительные (разделительные) клапаны следует  применять очень осторожно и  только в тех случаях, когда можно обеспечить постоянное давление в точке смешивания (разделения) двух сред внутри клапана независимо от положения штока трехходового клапана. Такой вариант применения трехходового клапана показан на рис. 2.