способ сохранения расчетных расходов воды у абонентов закрытой двухтрубной системы централизованного теплоснабжения при изменениях расходов воды у потребителей этой же системы

Формула изобретения

Способ сохранения расчетных расходов воды у абонентов закрытой двухтрубной системы централизованного теплоснабжения при изменениях расходов воды у потребителей этой же системы, включающий поддержание перепада давлений между внутренними полостями нагнетательного и всасывающего коллекторов источника теплоснабжения, отличающийся тем, что поддерживают перепады давлений в сети в точках подключения к ней всех потребителей, для чего при изменении расхода воды через того или иного из потребителей производят перепуск части расчетного расхода этого потребителя помимо него из подающего трубопровода сети в обратный на вводе сети к потребителю, увеличивая или уменьшая величину перепуска ровна настолько, насколько соответственно уменьшают или увеличивают расход через самого потребителя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области централизованного теплоснабжения посредством водяных закрытых двухтрубных теплофикационных систем, в частности к способам сохранения (стабилизации) расчетных расходов сетевой воды у абонентов указанных систем, не требующих или даже не допускающих изменений у себя расходов сетевой воды (например, у большинства отопительных или у некоторых технологических установок в промышленности или сельском хозяйстве), при изменениях режимного состояния той или иной теплофикационной системы, вызываемых искусственными изменениями (регулировками) расходов сетевой воды у других абонентов этой же системы, подлежащих обязательному изменению расходов сетевой воды у себя в процессе эксплуатации (к последним относятся, например, производственные отопительные установки, подлежащие периодически переходу на дежурный режим работы с пониженными расходами греющей сетевой воды; многие технологические установки с изменяющимися со времени графиками тепловых нагрузок; все установки горячего водоснабжения с параллельной или двухступенчатой смешанной схемами включения подогревателей водопроводной воды, причем независимо от того, подключены ли они непосредственно к сети или к ответвлениям от сети к соответствующим отопительным или вентиляционным установкам, по причине естественного изменения потребления горячей водопроводной воды и, в связи с этим, необходимости изменений пропусков сетевой воды через подогреватели водопроводной воды, производимых автоматически регуляторами температуры, которые в установках горячего водоснабжения обязательны к установке; все абонентские системы в целом, содержащие установки отопления и горячего водоснабжения и реализующие принцип связанного регулирования соответствующих теплонагрузок c использованием авторегуляторов отопления или дроссельных диафрагм, поскольку указанные регуляторы или диафрагмы способны изменять расход сетевой воды через абонентские системы в целом при изменениях условий работы абонентских установок, входящих в абонентские системы в целом).

Следует заметить, что одновременное наличие в пределах одной теплоснабжающей системы как абонентов, которые не допускают изменений у себя расходов (первая группа абонентов), так и абонентов, у которых расходы в процессе эксплуатации могут изменяться (вторая группа), является своеобразной особенностью, органически присущей фактически всем теплоснабжающим системам вообще, поскольку если даже в той или иной системе нет вышеуказанных абонентов второй группы, то все равно в процессе эксплуатации они могут появиться, выделившись из числа абонентов первой группы по разным причинам, хотя бы, например, по причине аварии у того или иного абонента первой группы и необходимости поэтому его отключения от сети (изменения расхода у него до нуля). Отмеченная особенность теплофикационных систем позволяет для краткости и лучшего понимания сущности изобретения принять различные названия абонентов первой и второй групп, что и было сделано в дальнейшем, а именно: для абонентов первой группы использован термин "абонент", для абонентов второй группы термин "потребитель"; при этом в качестве обобщающего названия любого потребителя или абонента, т.е. независимо от принадлежности того или иного абонента к той или иной группе, использован термин "установка", а если абонент располагает одновременно установками отопления и горячего водоснабжения, тогда для такого абонента использован термин "абонентская система".

Необходимость поддержания расходов через абонентов возникает в связи с тем, что при изменениях расходов у потребителей происходят самопроизвольные изменения гидравлического режима (потокораспределения) в системе и потому изменения графика давлений в сети и перепадов давлений во всех ее точках. На чертеже показана система теплоснабжения (а), в которой произведено полное отключение потребителя 5; при этом график давлений (б) в сети перемещается из исходного положения 1 в положении 2 (на чертеже для упрощения показаны только графики давлений в подающем трубопроводе сети, поскольку в закрытой системе любой график давлений в обратном трубопроводе представляет зеркальное отображение графика давлений в подающем трубопроводе).

Известен способ сохранения расчетных расходов воды у абонентов, состоящий в том, что при изменениях перепадов давлений в сети в точках подключения к ней абонентов (по источнику информации это либо отопительные установки у абонентов, не имеющих установок горячего водоснабжения, или у абонентских систем, в которых подогреватели водопроводной воды установок горячего водоснабжения включены по параллельной или двухступенчатой смешанной схемам, либо абонентские системы в целом, реализующие принцип связанного регулирования теплонагрузок отопления и горячего водоснабжения и не допускающие в процессе эксплуатации изменений расходов сетевой воды через себя) сохраняют перепады давлений внутри этих абонентов, для чего дросселируют поток воды на входе к тому или иному из этих абонентов, уменьшая или увеличивая проходное сечение ввода соответственно при увеличениях или уменьшениях перепадов давлений в сети перед этим вводом, используя авторегулятор расхода РР ( Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети, М. Энергоиздат, 1982, с. 58, рис. 3.5). При отсутствии на вводах у абонентов авторегуляторов РР, ввиду их дефицитности, регулирование производят вручную запорной арматурой.

Недостаток этого способа состоит в том, что возмущения, вносимые в график давлений сети изменениям расходов через потребителей, еще более усиливаются в результате действия авторегуляторов расхода у абонентов (б, график 3). Это усложняет работу системы теплоснабжения и авторегуляторов расхода в ней; в сети наблюдаются постоянно увеличенные давления; возникает необходимость оснащения авторегуляторами буквально всех абонентов ("сплошной автоматизации вводов"), что, в свою очередь, удорожает систему и резко увеличивает трудозатраты на ее обслуживание. Необходимо учитывать также большую дефицитность авторегуляторов расхода и по этой причине работу большинства современных теплоснабжающих систем без них. Дефицитность, дороговизна и большие трудозатраты на обслуживание автоматики расхода и в то же время необходимость в "сплошной" автоматизации вынудили прибегнуть к использованию групповых тепловых вводов (подстанций), чтобы уменьшить количество необходимых авторегуляторов, однако, при этом возникли другие проблемы, прежде всего интенсивная внутренняя коррозия труб горячего водоснабжения на участках от тепловых подстанций до зданий.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) к предлагаемому решению является способ сохранения расчетных расходов воды у абонентов закрытых двухтрубных систем централизованного теплоснабжения, состоящий в том, что поддерживают (стабилизируют) располагаемый перепад давлений между внутренними полостями нагнетательных и всасывающих коллекторов источников теплоснабжения (иначе говоря, между внутренними полостями нагнетательных и всасывающих коллекторов сетевых насосов) ( Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети, М. Энергоиздат, 1982, с. 175, рис. 6.9,а). Для стабилизации перепада давлений между внутренними полостями указанных коллекторов используют метод, состоящий в том, что увеличивают или уменьшают величину подпитка сети соответственно при возрастаниях или снижениях потребного расхода воды в сети, а при снижении подпитки до нуля и дальнейшем снижении потребного расхода воды в сети производят дренаж сети, причем все эти операции производят в прототипе по получению соответствующих импульсов об изменениях давления в специальной импульсной перемычке, соединяющей внутренние полости нагнетательных и всасывающих коллекторов источников теплоснабжения. Заметим при этом, что основная задача, которая преследуется в прототипе при осуществлении указанных операций состоит в поддержании давлений в "нейтральных" точках сети, одна из которых, причем основная, находится во внутренней полости всасывающего коллектора источника теплоснабжения, а также статического давления в сети; поддержание же перепада давлений между внутренними полостями коллекторов источника оказывается как бы вторичной задачей, однако она фактически реализуется наряду с указанными основными задачами. Вторичность же задачи поддержания перепада давлений между внутренними полостями коллекторов источника определяется тем, что ориентация прототипа на "сплошную" автоматизацию абонентов, принятая сейчас в качестве "политики" дальнейшего развития теплоснабжающих систем, вывела фактически из рассмотрения проблему гидравлической устойчивости систем. Описание способа поддержания перепада давлений между внутренними полостями коллекторов источника приведено по прототипу (Соколова Е. Я. "Теплофикация и тепловые сети", М. Энергоиздат, 1982, с. 178-179.)

Cтабилизация перепада давлений на источнике обеспечивает ослабление тех возмущений в график давлений сети, которые вносят изменения расходов у потребителей (чертеж, график 4, вместо графика 2). Однако, возмущения в графике давлений сети все же сохраняются и потому сохраняются разрегулировки у всех абонентов, хотя и в меньшей степени, чем в случае отсутствия искусственной стабилизации перепада давлений на источнике (график 2); в связи с этим сохраняется и основной недостаток аналога необходимость в "сплошной" автоматизации абонентов.

Предлагаемый способ сохранения расчетных расходов воды у абонентов закрытых двухтрубных теплофикационных систем отличается от прототипа тем, что поддерживают (стабилизируют) перепады давлений в точках подключения к сети всех потребителей (а не абонентов, как это делается в аналоге и прототипе), для чего производят перепуск части расчетного расхода любого из потребителей помимо него из подающего трубопровода сети в обратный на вводе сети к потребителю, увеличивая или уменьшая величину перепуска ровно настолько, насколько соответственно уменьшают или увеличивают расход через самого потребителя.

При осуществлении регулируемых перепусков сетевой воды на вводах потребителей обеспечивается фактически стабилизация расхода, отпускаемого с источника в сеть, так как любая сумма расходов, состоящая из пропускаемого через того или иного потребителя и перепускаемого помимо него остается всегда равной расчетному расходу этого потребителя, т.е. когда перепуск на вводе не производят. Таким образом, сохраняются перепады давлений в точках подключения к сети всех потребителей и потому график давлений в сети, а также расход, отпускаемый от источника в сеть; этим обеспечивается стабильный гидравлический режим (потокораспределение) в теплофикационной системе и потому неизменные расчетные расходы через всех абонентов. Обеспечивается фактически и стабилизация перепада давлений на источнике, как и в прототипе, причем в данном случае искусственное поддержание этого перепада давлений на самом источнике может и не производиться или производиться лишь с целью обеспечения большей гарантии постоянного поддержания этого перепада на случай, например, неправильных действий по стабилизации перепадов давлений на вводах к тем или иным потребителям, в результате чего требуемый результат по стабилизации перепада давлений у того или иного из потребителей не был достигнут.

Реализация предлагаемого технического решения возможна в теплофикационных системах, в которых на вводах потребителей в местах осуществления перепусков сетевой воды имеются перемычки с регулирующими органами РО в их составе, с помощью которых можно изменять величины перепусков. В качестве РО могут быть использованы:

а) авторегулирующие органы, по типу авторегуляторов температуры установок горячего водоснабжения, способные изменять расходы воды через себя по получению импульсов об изменениях давлений в сети в точках подключения к ней соответствующих потребителей, на перемычках к потребителям, у которых расходы сетевой воды изменяют авторегуляторы (например, установки горячего водоснабжения, абонентские системы в целом, реализующие принцип связанного регулирования с использованием регуляторов отопления или дроссельных диафрагм), причем регулирование ведется до момента восстановления исходных (расчетных) давлений в точках подключения к сети перемычки; заметим при этом, что если подогреватели водопроводной воды установок горячего водоснабжения подключены к ответвлениям от сети к отопительным установкам, то все равно можно считать, что указанные подогреватели подключены к сети, так как ответвления от сети к отопительным установкам по отношению к подогревателям водопроводной воды являются фактически продолжением сети;

б) либо авторегулирующие органы по пункту а, либо запорная арматура (например, задвижки), если вменить в обязанность персонала, производящего изменения расходов через потребителей одновременно производить и изменение (регулировку) расходов воды по перемычкам, контролируя величины перепусков по показаниям манометров, устанавливаемых обязательно в сети в точках подключения к ней любого потребителя, тем более, что перемычки располагаются рядом с запорной арматурой вводов, с помощью которой осуществляют изменения расходов через самих потребителей, на перемычках к потребителям, расходы через которые изменяют вручную (например, отопительные или технологические установки).

Пример системы, реализующей предлагаемое техническое решение, показан на чертеже, где изображены: источник теплоснабжения 1, представляемый сетевым насосом; абоненты 2, 3, 4, 6.11 (всего 9); потребитель 5; сеть 12, представляемая условно в виде выделенной из нее гидравлический цепи, соединяющей источник 1 с абонентом 11; и ответвлений от указанной гидравлической цепи, на которых находятся все остальные абоненты и потребитель; показано оборудование, необходимое на вводе к потребителю 5 для реализации предлагаемого технического решения, а именно: орган 13 на подающем трубопроводе ввода, позволяющий или производящий изменение расхода сетевой воды через любого абонента и потребителя (например, задвижка, в случае, если потребителем 5 является отопительная или технологическая установка; авторегулятор температуры, если это установка горячего водоснабжения; авторегулятор отопления или дроссельная диафрагма, если это абонентская система в целом, реализующая принцип связанного регулирования; задвижки, как запорные органы, устанавливаются на подающих и обратных трубопроводах любого ввода, что и показано на чертеже; перепускная перемычка 14; регулировочный орган 15, устанавливаемый на перемычке 14 и обеспечивающий изменение величины перепуска по этой перемычке. Показано также оборудование для реализации заимствованного из прототипа метода поддержания перепада давлений между внутренними полостями всасывающего и нагнетательного коллекторов источника, именно: импульсная перемычка 16, соединяющая внутренние полости нагнетательного 17 и всасывающего 18 коллекторов источника 1; регуляторы подпитки 19 и дренажа 20 сети 12; подпиточный насос 21; бак подпиточной воды 22.

Например, при уменьшении с помощью органа 13 расхода, пропускаемого через потребителя 5 (пусть им является, например, технологическая установка и потому орган 13 это задвижка), график давлений перемещается из исходного положения 1 в положение 2(б) и давление в точке подключения к сети рассматриваемого потребителя (точка а на чертеже) увеличится (в точке б уменьшится). Для восстановления исходных давлений в точках а и б, а с этим и возвращения графика давлений из положения 2 в положение 1, производят перепуск части расчетного расхода потребителя 5 по перемычке 14, регулируя величину перепуска с помощью органа 15 (пусть в качестве его также используется задвижка) до восстановления исходных давлений в точках а и б; при этом сохраняется расход, отпускаемый от источника в сеть, а суммарный расход, составленный из расхода, проходящего через потребителя 5 и перепускаемого по перемычке 14, остается равным расчетному расходу через потребителя 5, т.е. когда перемычка 14 полностью закрыта. Восстанавливается также и расчетный перепад давлений на источнике. Благодаря стабилизации графика давлений в сети устраняется необходимость оснащения авторегуляторами расхода всех абонентов данной теплоснабжающей системы.

Технико-экономический эффект от использования предлагаемого изобретения связан со стабилизацией гидравлического режима теплоснабжающих систем, в результате чего упрощается их обслуживание, поскольку устраняется необходимость проведения любых переналадок при изменениях их режимных состояний.

Одновременно повышается надежность работы систем по причинам стабилизации графиков и снижения среднегодовых величин давлений в подающих трубопроводах сетей, а также возможности отключения от сетей потребителей при возникновении у них аварийных ситуаций без нарушения гидравлического режима той или иной теплофикационной системы (в аварийных ситуациях внутри того или иного потребителя расчетный расход этого потребителя полностью пропускается по перемычке).

Если теплофикационная система содержит большое количество абонентов, тогда появляется дополнительный и весьма значительный эффект, связанный с устранением необходимости оснащения абонентов авторегуляторами расхода; к этому добавляется еще и то обстоятельство, что, как уже говорилось, можно обойтись без авторегулирующих органов и на перемычках к потребителям, если вменить в обязанность персонала производить вручную вместе с изменением расходов через потребителей и изменение перепусков помимо них. Это резко удешевляет теплофикационную систему, снижает трудозатраты на ее обслуживание, дополнительно повышает надежность, в связи с уменьшением количества сложных элементов, какими, в принципе, являются устройства автоматического регулирования.

В теплофикационных системах, которые содержат только абонентские системы, причем установки горячего водоснабжения в них реализуют параллельную или двухступенчатую смешанную схемы включения подогревателей водопроводной воды, а отопительные установки являются абонентами, количество авторегулирующих органов остается таким же, как в прототипе (если предположить наличие в прототипе на вводах ко всем отопительным установкам авторегуляторов РР, как в аналоге, что, как уже подчеркивалось выше, для прототипа остается необходимым условием сохранения расчетных расходов воды у абонентов), так как эти авторегулирующие органы при использовании предлагаемого изобретения, оказываясь не нужными на вводах в отопительных установках, необходимо устанавливать на вводах к установкам горячего водоснабжения. Это, однако, не умаляет других перечисленных выше достоинств изобретения.

Предлагаемое решение не увеличивает затраты на перекачку воды в теплоснабжающей системе, по сравнению с прототипом, в двух случаях, наиболее, кстати, характерных для практики, а именно:

1) если в прототипе стабилизация перепада давлений на источнике c использованием для этого всех известных методов не сопровождается оснащением всех абонентов авторегуляторами расхода РР;

2) если в прототипе стабилизация перепада давлений на источнике обеспечивается дроссельным методом (например, с помощью задвижки на подающем трубопроводе и автоматической подпитки в обратный трубопровод сети), а все абоненты снабжены авторегуляторами расхода РР.

Причины в том, что в первом случае в прототипе сохраняется не только перепад давлений на источнике, но и расход сетевой воды, отпускаемой с источника, т. е. также, как в предлагаемом изобретении, так как, например, отключение какого-либо потребителя системы сопровождается в прототипе увеличением расходов у всех находящихся в работе абонентов; во втором случае в прототипе отключение потребителя означает снижение на величину расхода отключенного потребителя величины расхода, отпускаемого в сеть от источника, так как авторегуляторы расхода РР у всех абонентов сохраняют расходы через них, однако при этом возрастает перепад давлений, который вынуждается развивать сетевой насос источника, так как авторегуляторы расхода РР у абонентов прикроются и увеличат сопротивление сети; в связи с этим возникающий излишек перепада давлений, развиваемого сетевым насосом, приходится срабатывать на дроссельном органе источника; в результате, при снижении расхода, отпускаемого в сеть, но при росте развиваемого перепада давлений на сетевом насосе, затраты энергии на перекачку воды в прототипе сохраняются, т.е. также, как и в предлагаемом решении.

Затраты на перекачку при использовании предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом возрастут только в одном случае, а именно: при использовании в прототипе метода стабилизации перепада давлений на источнике изменением частоты вращения сетевого насоса, но опять же при оснащении всех абонентов авторегуляторами расхода, без чего нельзя обойтись и в этом случае; однако это значительно усложняет источник, увеличивает стоимость установленного на нем оборудования при одновременном возрастании трудозатрат на обслуживание, и все это при дефиците необходимого соответствующего оборудования (по этим причинам метод регулирования частотой вращения насоса не получил сколько-нибудь широкого использования).

Не увеличиваются затраты энергии на перекачку и по сравнению с аналогом, поскольку при использовании аналога снижение расхода, отпускаемого в сеть от источника при отключении какого-либо потребителя (снижение расхода происходит по причине действия авторегуляторов расхода у абонентов), сопровождается одновременным возрастанием перепада давлений на источнике, по причине указанного при описании аналога характера действий авторегуляторов расхода РР у абонентов; в результате эффект от снижения отпускаемого с источника расхода гасится увеличением на источнике перепада давлений.