способ снабжения тепловой энергией потребителей в централизованных системах

Формула изобретения

Способ снабжения тепловой энергией потребителей в централизованных системах, включающий подачу сетевой воды в теплоснабжаемые районы по нескольким оснащенным запорными клапанами подающим тепломагистралям тепловой сети от теплоприготовительной установки через коллекторы горячей воды с помощью сетевого насоса, отличающийся тем, что поступающие от потребителей расчетные расходы охлажденной сетевой воды отдельных тепломагистралей смешивают в общем коллекторе и попеременно направляют в подающие трубопроводы магистралей, минуя теплоприготовительную установку, и в теплоприготовительную установку.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к теплоснабжению и может быть использовано в централизованных водяных системах теплоснабжения, поставляющих тепловую энергию потребителям по нескольким тепломагистралям.

Известен способ теплоснабжения от тепловой сети потребителя, включающий подачу сетевой воды в систему отопления из подающей магистрали [1].

Недостатком указанного способа является то, что при теплоснабжении потребителей, имеющих резко переменный характер отопительной нагрузки, в тепловой сети происходит гидравлическая разрегулировка.

Известен способ теплоснабжения от тепловой сети потребителей с резко переменной нагрузкой, в котором сетевую воду после системы отопления направляют в подающую магистраль сети [2].

Недостаток этого способа заключается в том, что для обеспечения постоянства расхода сетевой воды в магистральном подающем трубопроводе после системы отопления устанавливают перекачивающий насос. Дополнительный насос, подающий расход теплоносителя из системы отопления в подающий трубопровод тепловой сети, увеличивает затраты на перекачку теплоносителя. При снабжении потребителей тепловой энергией указанным способом по нескольким магистралям в тепловой сети, гидравлически связанной общими коллекторами, в результате работы насосов, установленных после отопительных установок, и из-за различных гидравлических сопротивлений каждой тепломагистрали происходит гидравлическая разрегулировка работы всей тепловой сети.

Задачей настоящего изобретения является снижение энергозатрат и стабилизация теплогидравлического режима.

Эта задача решается тем, что в способе централизованного снабжения тепловой энергией потребителей тепловой сетью по нескольким тепломагистралям поступающие от потребителей расчетные расходы охлажденной сетевой воды отдельных магистралей после смешивания в общем коллекторе попеременно направляют в подающие трубопроводы магистралей, минуя теплоприготовительную установку и непосредственно в теплоприготовительну установку. Причем температура теплоносителя на выходе из теплоприготовительной установки поддерживается постоянной. Периодическим переключением расхода теплоносителя магистралей на теплоприготовительную установку и трубопровод горячего теплоносителя осуществляется попеременная, последовательная подача теплоты более высокого температурного потенциала каждому из теплоснабжаемых районов в течение своего расчетного периода времени.

На чертеже изображена схема способа снабжения тепловой энергией потребителей в централизованных системах. При наличии в централизованной системе теплоснабжения нескольких теплоснабжаемых районов (TP₁ , ТР₂, ТР₃) 1, которые получают тепловую энергию от теплоприготовительной установки (ТПУ) 2 по отдельным тепломагистралям (T_1.1 , Т_1.2, Т_1.3) 3, в схеме присоединения к ТПУ от трубропровода смешанной охлажденной воды (Т₂) 4, подающего смешанную охлажденную воду от всех теплоснабжаемых районов сетевым насосом (СН) 5, из коллектора охлажденной воды (КОВ) 6 в теплоприготовитульную установку по трубопроводу 7, параллельно последнему присоединен обводной трубопровод 8. Теплоприготовительная установка соединена при помощи трубопровода горячего теплоносителя (T ₁) 9 с коллектором горячей воды (КГБ) 10. Обводной трубопровод соединен с каждой из отдельных тепломагистралей горячей воды байпасными трубопроводами 11. Магистрали T_1.1 , T_1.2, T_1.3 и байпасные трубопроводы оснащены запорными клапанами 12, 13, 14, 15, 16, 17. Тепломагистрали горячей воды соединены с теплоснабжаемыми районами (TP₁, ТР₂ , ТР₃) и КОВ магистралями охлажденной воды (Т_2.1, Т_2.2, Т _2.3) 18.

Для снижения энергетических затрат, стабилизации теплогидравлического режима в сети теплопроводов системы теплоснабжения, поставляющей тепловую энергию потребителям по нескольким тепломагистралям, в коллекторе охлажденной воды смешивают разнотемпературную воду из отдельных магистралей и путем переключения запорных клапанов подают попеременно расход теплоносителя каждой из отдельных тепломагистралей горячей воды в теплоприготовительную установку, трубопровод горячего теплоносителя и в одну из тепломагистралей ТР, а в остальные магистрали направляют расходы сетевой воды, минуя теплоприготовительную установку.

Снижение затрат происходит вследствие периодического понижения температур теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах каждой из магистралей и снижения энергии на перекачку теплоносителя циркуляционным насосом.

Известно снабжение теплотой потребителей ее прерывистой подачей, когда в результате снижения или прекращения подачи тепловой энергии в течение определенного промежутка времени сокращают общее количество за весь период отпуска теплоты, т.е. в целом снижают общее теплопотребление [3]. Так же известно, что понижение температуры теплоносителя приводит к уменьшению тепловых потерь в водяных тепловых сетях [4, 5]. Так, например, нормируемые тепловые потери изолированными теплопроводами при прокладке в непроходных каналах с расчетной среднегодовой температурой грунта 5°С на глубине заложения трубопроводов для Ду=300 мм при разностях среднегодовых температур воды в теплопроводах и грунта равной 52,5°С составляют 149 ккал/(м·ч), при разности в 65°С - 168 ккал/м·ч и при разности в 75°С - 183 ккал/(м·ч) [6]. Таким образом, снижение разности температур (при постоянной температуре грунта понижение температуры воды в трубе) с 75°С до 52,5°С (на 22,5°С) приводит к уменьшению тепловых потерь на 18,6%.

Периодическое понижение температуры сетевой воды магистралей в заявляемом способе снабжения теплотой потребителей уменьшает общую за весь период отпуска подачу теплоты в теплоснабжаемые районы, что отчасти соответствует прерывистой подаче (регулированию пропусками) отпуска теплоты в теплоснабжаемые здания и сооружения.

Затраты энергии на перекачку теплоносителя зависят от его расхода и гидравлического сопротивления системы трубопроводов [7]. Гидравлическое сопротивление теплопроводов складывается из потерь на трение и местные сопротивления. Потери зависят от квадрата скорости среды, перемещающейся по трубе [7]. Снижение температуры сетевой воды приводит к уменьшению ее объема, понижению скорости и, как следствие, к падению гидравлических потерь на преодоление сил трения о стенки труб и изменение конфигурации потока. Также известно, что гидравлические потери энергии в трубопроводных системах при последовательном соединении труб складываются, а при параллельном соединении распределяются по параллельным участкам и уравниваются [7]. Таким образом, разделение общего расхода охлажденной воды, перемещающегося по трубопроводу 4 и имеющего пониженную температуру смеси, на трубопроводы 7 и 8 приводит к уменьшению объема и скорости перекачиваемой насосом сетевой воды, гидравлического сопротивления сети теплопроводов и понижает затраты на перекачку теплоносителя.

Известно, что стабильность гидравлического режима зависит от гидравлического сопротивления отдельных участков тепловой сети системы теплоснабжения, от режима расхода воды у отдельных групп потребителей, а также от резко переменного расхода теплоты у абонентов [4]. Для стабилизации гидравлических режимов искусственным путем выравнивают тепловую нагрузку абонентов с резко переменным расходом теплоты либо локализуют переменные гидравлические режимы в пределах установок, где они возникают (системы теплопотребления зданий), исключая передачи этих режимов на систему теплоснабжения в целом и т.д. [4, 6]. Как отмечено ранее, традиционная прерывистая подача теплоты [3] сопровождается изменением расходов теплоты и теплоносителя у отдельных потребителей и групп абонентов и приводит к нестабильному гидравлическому режиму во всей сети теплопроводов.

Стабилизация теплогидравлического режима магистралей в предлагаемом способе снабжения теплотой потребителей осуществляется постоянством массового сетевого расхода теплоносителя при различных количествах теплоты в каждой из отдельных тепломагистралей. В результате работы сетевого циркуляционного насоса, попеременного закрытия и открытия клапанов на отдельных тепломагистралях, работы теплоприготовительной установки и периодического поддержания постоянства температуры сетевой воды в трубопроводе горячего теплоносителя каждой из них осуществляется отпуск разных величин тепловых потоков в каждую из тепломагистралей.

В теплоснабжаемых районах ТР₁, ТР ₂, ТР₃ горячая вода остывает до различной температуры и поступает при помощи сетевого насоса СН 5 по магистралям охлажденной воды 18 в КОВ 6, где смешивается. Затем сетевым насосом теплоноситель подается с расходом, равным расходу сетевой воды одной из тепломагистралей 3, например T_1.1 , по трубопроводу 7 в ТПУ 2, а с расходом, равным расчетной подаче двух оставшихся магистралей T_1.2 и T _1.3, по трубопроводу смешанной охлажденной воды 4, обводному трубопроводу 8, байпасным трубопроводам 11 в тепломагистрали горячего теплоносителя T_1.2 и Т _1.3.

Подача расхода теплоносителя магистрали T _1.1 в ТПУ осуществляется путем закрытия запорных клапанов 12 и 13 на трубопроводах 3 и клапана 15 на байпасных трубопроводах 11 и открытия клапана 14 и клапанов 16, 17. Вода, поступившая в ТПУ, нагревается до температуры горячей воды в тепловой сети и по трубопроводу горячего теплоносителя 9 поступает в КГВ 10, из которого направляется в тепломагистраль горячей воды T _1.1. Далее горячий теплоноситель поступает в TP ₁, где отдает тепловую энергию потребителям и остывает до температуры охлажденного теплоносителя. Затем по магистрали охлажденной воды T_2.1 теплоноситель попадает в коллектор охлажденной воды 6.

Расход теплоносителя тепломагистралей T_1.2 и Т_1.3 по обводному трубопроводу 8 перемещается к байпасным трубопроводам 11 и через запорные клапаны 16 и 17 поступает в тепломагистрали горячей воды T_1.2 и T_1.3. Далее теплоноситель, имеющий температуру смеси, поступает в ТР ₂ и ТР₃, где остывает до температур более низких, чем температура охлажденного теплоносителя, и по магистралям охлажденной воды Т_2.2 и Т _2.3 направляется в КОВ 6. В последнем происходит смешивание расхода охлажденного теплоносителя из Т_2.1 с расходами теплоносителя, поступающими из Т _2.2 и Т_2.3, имеющим и более низкие температуры. Полученная в КОВ смешанная охлажденная вода поступает в сетевой насос, и затем цикл движения теплоносителя повторяется.

В рассмотренном режиме циркуляции теплоносителя система функционирует в течение 1-го расчетного периода времени, установленного в зависимости от тепловой нагрузки теплоснабжаемых районов и протяженности сети.

По истечении расчетного периода системой управления запорными клапанами (не показано) происходит переключение магистралей. Клапаны 13 и 15 открываются с одновременным закрытием клапанов 14 и 16. Далее в течение 2-го расчетного периода времени система теплоснабжения функционирует аналогично рассмотренной выше схеме транспорта теплоты. При этом в теплоприготовительную установку поступает на нагрев расход теплоносителя тепломагистрали T _1.2, а в тепломагистрали T_1.1 и Т _1.3 поступает расход смешанной охлажденной воды.

По истечении 2-го расчетного периода времени системой управления запорными клапанами вновь осуществляется переключение магистралей. Клапаны 12 и 16 открываются, а клапаны 13 и 17 закрываются. В ТПУ на нагрев начинает поступать расход теплоносителя тепломагистрали Т_1.3, а по обводному трубопроводу 8 перемещается расход тепломагистралей T_1.1 и T _1.2. Нагрев теплоносителя и подача его расхода в тепломагистрали Т_1.3 осуществляется в течение 3-го расчетного периода времени. Затем происходит очередное переключение магистралей с помощью запорных клапанов в первоначальное состояние и подача теплоты теплоснабжаемым районам вновь осуществляется в рассмотренной последовательности.

Таким образом, в результате периодического переключения расхода теплоносителя магистралей на теплоприготовительну установку и трубопровод горячего теплоносителя происходит попеременная, последовательная подача теплоты более высокотемпературного потенциала каждому из теплоснабжаемых районов в течение своего расчетного периода времени, определяемого числом магистралей, их протяженностью и тепловой нагрузкой.

В течение 2-го и 3-го расчетных периодов времени потребителям теплоты других ТР осуществляется подача теплоты более низкого температурного потенциала.

При большом числе тепломагистралей и теплоснабжаемых районов сочетание подачи расхода теплоносителя в отдельный ТР или группу ТР может меняться, например из трех существующих ТР две тепломагистрали подают теплоноситель из ТПУ, а в третью тепломагистраль поступает теплоноситель с температурой смеси. Если существуют четыре и более ТР, то для одной части тепломагистралей, обеспечивающих тепловой энергией соответствующие ТР, подают теплоноситель из ТПУ (например, в три), а в другие, оставшиеся тепломагистрали подают теплоноситель с температурой смеси, минуя теплоприготовительную установку и т.д. Для систем теплоснабжения с множеством тепломагистралей и теплоснабжаемых районов сочетание подаваемого расхода теплоносителя в магистрали через ТПУ и минуя ТПУ зависит от их числа, тепловой мощности, длины магистралей и внутриквартальных сетей каждого из теплоснабжаемых районов.

Заявляемый способ снабжения тепловой энергией потребителей обеспечивает постоянство температуры теплоносителя, поступающего в тепломагистрали от ТПУ, и постоянство его расхода во всех тепломагистралях, что создает стабильный гидравлический режим в системе теплоснабжения.

Известные способы снабжения тепловой энергией потребителей [4, 5] при качественном регулировании отпуска теплоты осуществляют изменением температуры воды в подающем трубопроводе при постоянном расходе теплоносителя, при количественном - изменением расхода теплоносителя при постоянной его температуре в подающем трубопроводе, при количественно-качественном - совместным изменением температуры и расхода теплоносителя, при прерывистом способе - подачу теплоты осуществляют пропусками расхода теплоносителя, т.е. изменением времени подачи теплоты в системы теплоснабжения. Рассмотренные способы не обеспечивают в течение отопительного сезона стабильного теплогидравлического режима. Причем подача теплоты потребителям пропусками в современных системах осуществляется либо при местном регулировании, либо в отдельных системах отопления зданий [4, 5], подразумевая при этом периоды подачи теплоты и периоды полного ее прекращения.

Центральные пропуски возможны лишь в тепловых сетях с однородным теплопотреблением, допускающим одновременные перерывы в подаче теплоты у различных категорий потребителей. Наиболее близким к предлагаемому способу является прерывистая подача теплоты потребителям, когда ее подача осуществляется путем прекращения и возобновления циркуляции теплоносителя. Недостатком указанного способа является то, что в современных централизованных системах теплоснабжения с разнородной тепловой нагрузкой (например, при наличии отопления и ГВС) не допускаются перерывы в циркуляции теплоносителя, транспортирующего теплоту отдельным категориям потребителей (например, системы горячего водоснабжения) [6]. Колебания расхода теплоты на горячее водоснабжение и прерывистая подача теплоты в местных системах теплопотребления приводят к изменению параметров и расхода теплоносителя в системе теплоснабжения и, как следствие, к дестабилизации и нарушению расчетного гидравлического режима, характеризующего распределение теплоносителя в соответствии с расчетной тепловой нагрузкой абонентов. В тепловой сети происходит перераспределение расхода теплоносителя, его тепловых потоков и давления, что дестабилизирует гидравлический режим и ухудшает снабжение теплотой потребителей.

Прекращение подачи теплоносителя в централизованные тепловые сети отдельным абонентам приводит к изменению теплового режима сети трубопроводов, а сеть из стационарного режим переходит в нестационарный, резко меняющийся. Также изменяется гидравлический режим, т.е. меняется расход теплоносителя и его давление. При этом температура теплоносителя в тепловой сети при выходе на расчетный режим не меняется. В результате потери теплоты в тепловых сетях при транспорте теплоносителя остаются неизменными. В предлагаемом способе подачи теплоты понижение температуры теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах приводит к уменьшению потерь теплоты в окружающую среду и снижению энергозатрат во всей системе теплоснабжения при стабильном гидравлическом режиме системы теплоснабжения.

Заявляемый способ снабжения теплотой потребителей, предполагая поддержание постоянства расходов теплоносителя в каждой из отдельных магистралей и периодического повышения температуры в каждой из магистралей, не создает перерывов в подаче теплоты всем категориям потребителей.

Существенным отличием предлагаемого способа теплоснабжения является периодическое понижение температурного потенциала при подаче теплоты по отдельным тепломагистралям в ТР при сохранении стабильного гидродинамического режима в тепловой сети.

Попеременное резкое повышение температуры воды в каждой магистрали и постоянство расхода теплоносителя во всех магистралях в предложенном способе подачи теплоты обеспечивают стабилизацию гидравлического режима в целом во всей системе теплоснабжения и дают возможность насосному и теплоприготовительному оборудованию, установленному на источнике, работать в стационарном режиме.

ЛИТЕРАТУРА

1. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. - М.: Энергия, 1975. с.61.

2. Авторское свидетельство СССР №750220, кл. F24D 3/02, 1980.

3. Табунщиков Ю.А., Бродач М.М. Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности зданий. - М.: АВОК-ПРЕСС, 2002. - 194 с.

4. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. - М.: Энергоиздат, 1982.

5. Ионин А.А., Братенков В.Н., Хлыбов В.М., Терлецкая Е.Н. Теплоснабжение. - М.: Стройиздат, 1982. - 406 с.

6. Манюк В.И., Каплинский Я.И., Хиж Э.Б. и др. Наладка и эксплуатация водяных тепловых сетей: Справочник. - М.: Стройиздат, 1988. - 432 с.

7. Рабинович Е.З. Гидравлика. - М., «Недра», 1978, 304 с.