Реконструкция системы теплоснабжения производственной базы

метки: Теплоснабжение, Система, Реконструкция, Трубопровод, Температура, Теплов, Труба, Потеря

Энергетика является ведущей отраслью современного индустриального народного хозяйства страны. В условиях ограниченных топливных ресурсов их рациональное и экономичное расходование представляет собой задачу большой государственной важности. Значительная роль в решении этой задачи отводится централизованному теплоснабжению и теплофикации, которые тесно связаны с электрификацией и энергетикой.

Централизованная система теплоснабжения состоит из: источника теплоты, и тепловых сетей и местных систем потребления — систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.

Централизованное теплоснабжение базируется на использовании крупных районных котельных, характеризующихся значительно большим коэффициентом полезного действия, чем мелкие отопительные установки. Теплофикация, т.е. централизованное теплоснабжение на базе комбинированной выработки теплоты и электроэнергии, является высшей формой централизованного теплоснабжения. Она позволяет сократить расход топлива на 20-25%. тепловая нагрузка железобетонный автоматизация

Для централизованного теплоснабжения используются два типа источников теплоты: теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) и районные котельные (РК).

На ТЭЦ осуществляется комбинированная выработка теплоты и электроэнергии, обеспечивающая существенное снижение удельных расходов топлива при получении электроэнергии. Таким образом, на ТЭЦ тепло высокого потенциала используется для выработки электроэнергии, а тепло низкого потенциала — для теплоснабжения.

Преимуществом теплофикации и централизованного теплоснабжения является: теплоиспользующие санитарно-технические системы зданий (система отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха, горячего водоснабжения); и различного рода технологические установки, использующие тепло низкого потенциала (до 300-350 ^_ С).

По режиму потребления теплоты в течение года различают сезонные потребители, нуждающиеся в теплоте только в холодный период года, с зависимостью расхода теплоты, в основном, от температуры наружного воздуха; и постоянные потребители.

Потребителей, получающих теплоту от централизованной системы теплоснабжения, называют абонентами этой системы, а расходуемая абонентами теплота — тепловой нагрузкой источников тепла.

В централизованных системах теплоснабжения в качестве теплоносителя используется горячая вода и водяной пар, в связи, с чем различают водяные и паровые системы теплоснабжения.

В конечном счете, вырабатываемая и передаваемая системой теплоснабжения теплота используется для получения или поддержания необходимой температуры различных сред (воздуха помещений, воды горячего водоснабжения и т. п.), которые или окружают человека, или используются им в быту и на производстве.

Системы горячего водоснабжения зданий и сооружений

... централизованные системы горячего водоснабжения могут использовать: закрытые или открытые тепловые сети (сети ТЭЦ или районные котельные). При проектировании систем горячего водоснабжения централизованных, следует допускать подключение к тепловым сетям воды в двух трубах систем теплоснабжения, ...

Передача теплоты системы теплоснабжения в конечные нагреваемые среды осуществляется нагревательными приборами местных систем теплоснабжения, по теплоотдаче которых судят о качестве всего централизованного теплоснабжения.

Совокупность мероприятий по изменению теплоотдачи приборов в соответствии с изменением потребности в теплоте нагреваемых ими сред называется регулированием отпуска теплоты. От правильной организации и надлежащего осуществления регулирования во многом зависят качество и экономичность теплоснабжения.

В зависимости от того, изменением какой из трех величин (t _гр.н. — начальная температура поступающей в прибор греющей среды, G_г — расход этой среды, в — коэффициент продолжительности работы прибора) осуществляется изменение теплоотдачи нагревательного прибора, различают следующие виды регулирования:

• качественное, когда изменяют t _гр.н. , при G_г и в=const;

• количественное, когда изменяют G _г при t_гр.н. и в=const;

• качественно-количественное при одновременном изменении t _гр.н. , G_г и в=const.

Теплоснабжение является одной из составных частей энергетики. На теплоснабжение народного хозяйства и населения расходуется около одной трети используемых в стране первичных ресурсов.

В настоящее время актуальна проблема уменьшения затрат на теплоснабжение.

Цель данной дипломной работы, тема которой «Реконструкция системы теплоснабжения производственной базы в городе Тобольске Тюменской области» — обосновать целесообразность перестройки системы теплоснабжения промышленной базы путем замены канальной подземной прокладки теплопроводов на бесканальную наземную в ППУ-изоляции, что позволит значительно снизить стоимость прокладки и эксплуатации теплопровода, а также уменьшить теплопотери.

В работе использованы материалы следующих нормативных источников: СНиП 2-12-77. Нормы проектирования защиты от шума, 1972; СН245-71. Санитарные нормы проектирования промышленных предприятий, 1972; СНиП 2.01.01-82. Строительная климатология и геофизика, 1997; СНиП 41-02-2003. Тепловые сети, 2004; Федеральный закон от 17 июля 1999 г. N 181-ФЗ «Об основах охраны труда в Российской Федерации»; СНиП 12-03-2001 Безопасность труда в строительстве от 23.07.2001 № 80 ; НПБ 105-95 Определение категорий помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной безопасности от 31 октября 1995 г. № 32.

1 . СИСТЕМА ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

1.1 Характеристика объекта. Исходные данные

В дипломном проекте согласно заданию рассматривается реконструкция системы теплоснабжения базы производственного обслуживания в городе Тобольске. База состоит из производственного корпуса по ремонту оборудования и бытового корпуса со столовой, проекты которых разработаны институтом «Гипротюменьгеология». Проект выполнен в соответствии с чертежами генплана и чертежами, разработанными институтом ЦНИИЭП инженерного оборудования г. Москвы, шифр 1478 ТЭО-ТГС/3-ТС.

Климатические данные были приняты согласно СНиПу 2.01.01-82 «Строительная климатология и геофизика» [22] для г. Тобольска Тюменской области:

• температура для проектирования отопления — t _н.о. = (- 39 ^_ C);

• продолжительность отопительного периода — 229 дней;
• скорость ветра — 5,3 м/c;
• средняя температура отопительного периода — (- 8,4 ^_ C);

• температура для проектирования вентиляции — (- 18,5 ^_ C).

Согласно схеме теплоснабжения источником теплоты являются существующие тепловые сети. Система теплоснабжения двухтрубная закрытая, регулирование отпуска теплоты качественное по отопительному графику.

Тепловые сети подключаются согласно заданию и техническим условиям к магистральным системам теплоснабжения в камере УТ-33. Теплоноситель — горячая вода — t _п = 150 ^_ C; t₀ = 70 ^_ C и насыщенный пар на технологические нужды с давлением P = 0,6 МПа. Технические условия на присоединение к тепловым сетям производственной базы выданы 30.03.2004 г. ОАО «Тюменьгопроект».

1.2 Определение расчетных тепловых нагрузок и построение графика расхода теплоты

Тепловые потоки при отсутствии проектов отопления, вентиляции и горячего водоснабжения зданий и сооружений определяются: для предприятий — по укрупненным ведомственным нормам, утвержденным в установленном порядке, либо по проектам аналогичных предприятий [23].

В дипломном проекте тепловые нагрузки по объектам принимались согласно проектам, выполненным институтом «Гипротюменьгеология». Они приводятся в таблице 1.1.

Таблица 1.1 — Тепловые нагрузки

Шифр объекта	Наименование потребителя	Расчетный тепловой поток, Гкал/ч
		Отопление	Вентиляция	Гор. водоснабжение	Технол. нужды пар. кг/ч	Всего
1086/86	База производственного обслуживания	0,358	1,233	0,615	140/100	2,206
1245	Производственный корпус по текущему ремонту автомобилей с открытой стоянкой	0,723	6,565	0,097	210/100	7,385
	Итого по объекту:					9,640

Построим графики зависимости часовых расходов теплоты на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение от температуры наружного воздуха. Расчетные расходы теплоты: на отопление вентиляцию горячее водоснабжение Климатологические данные приняты для г. Тобольска.

По данным [21, 22], находим расчетные температуры наружного воздуха для проектирования: отопления t _н.о. = -39^_ С, вентиляции t_н.в = -18,5^_ С.

Графики часовых расходов теплоты строим в координатах Q — t _н . Определяем расходы теплоты на отопление и вентиляцию при t_н = 8^_ С:

(1.1)

(1.2)

Точки, соответствующие значениям Q _о при различных t_н , соединяем прямой и получаем график часового расхода теплоты на отопление (рис. 1.1, прямая Q_о ).

Расход теплоты на вентиляцию при t _н.в Q_в = 9 МВт. Значения Q_в при t_н = +8^_ С и t_н.в откладываем на графике и точки соединяем прямой. При диапазоне температур наружного воздуха t_н.в …t_н.о в целях экономии топлива расход теплоты на вентиляцию сохраняется постоянным (линия Q_в параллельна оси абсцисс).

Расход теплоты на горячее водоснабжение не зависит от t _н , поэтому его график представляет прямую, параллельную оси абсцисс (прямая Q_г.в ).

График суммарного часового расхода теплоты на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение строим путем сложения соответствующих ординат при t _н = +8, -10, -39^_ С (линия Q_сум ).

1.3 Построение температурного графика сетевой воды в теплопроводах

При разнородной нагрузке отопления, вентиляции и горячего водоснабжения регулирование ведется по преобладающей нагрузке (отопление) с учетом вентиляции и горячего водоснабжения. В дипломном проекте применяется качественное регулирование, которое осуществляется по температурному графику в зависимости от температуры наружного воздуха.

Температуру сетевой воды в подающей магистрали, обратной линии системы отопления, а также в местной системе отопления (после элеватора) рассчитываем по ниже приведенным формулам.

Построим график центрального качественного регулирования отпуска теплоты по отопительной нагрузке (отопительно-бытовой температурный).

Расчетная темпера тура наружного воздуха для проектирования отопления t _н.о = -39^_ С, воздуха в отапливаемых помещениях t_в = 18^_ С, сетевой воды в подающей и обратной магистралях при t_н.о ф_1,о = 150^_ С, ф_2,о = 70^_ С. Потребители присоединены к тепловым сетям по зависимым схемам. Температура воды в подающей и обратной магистралях в течение отопительного периода, т.е. в диапазоне температур наружного воздуха +8…-39^_ С:

(1.3)

(1.4)

где «штрих» означает, что значения величин взяты при t _н.о ;

• температурный напор нагревательного прибора, при расчетной температуре воды в отопительной системе

(1.5)

где t _н — температура наружного воздуха, ^_ С;

• расчетный перепад температур воды в тепловой сети,
• расчетный перепад температур воды в местной системе отопления,

Задаваясь различными значениями t _н в пределах +8^_ С до -39^_ С, определяем ф_1,о и ф_2,о . Полученные результаты сводим в таблицу 1.2 и строим графики и (рисунок 1.2).

Для обеспечения требуемой воды в системе горячего водоснабжения минимальную температуру сетевой воды в подающей магистрали тепловой сети принимаем равной 70 ^_ С. Поэтому из точки, соответствующей 70^_ С на оси ординат, проводим горизонтальную прямую до пересечения с температурной кривой для подающей магистрали (ф_1,о ).

Температура наружного воздуха, соответствующая точке излома графика А, обозначается t_н.и .

Таблица 1.2 — Температура сетевой воды в подающем и обратном теплопроводах в зависимости от температуры наружного воздуха

tн, _С Температура сетевой воды	+8	+5	0	-5	-10	-20	-40
ф1,о	53,5	63,2	78,4	93,2	107,7	136,1	150
ф2,о	35,1	39	44,9	50,4	55,6	65,4	70

2 . ОБОРУДОВАНИЕ И КОНСТРУКЦИИ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ

2.1 Конструкции тепловой сети

Большие объёмы развития тепловых сетей и технический прогресс в строительстве требуют разработки более совершенных и экономических теплопроводов, обладающих высокой теплозащитной способностью и долговечностью. Существующие же технические решения в данной области недостаточно полно удовлетворяют этим требованиям. Всё ещё высока стоимость прокладки теплопроводов. Затраты на сооружение тепловых сетей составляет в городах около 50 % начальной стоимости строительства ТЭЦ, а в промышленных районах — 25ч30 %. Тепловые сети как канального, так и бесканального типа имеют ряд недостатков, связанных со значительными капиталовложениями и большим расходом металла. Кроме того, значительная коррозия стальных теплопроводов снижает надёжность их эксплуатации и существенно увеличивает затраты на восстановительные работы.

Срок службы тепловых сетей должен соответствовать сроку службы тех объектов, которые они обеспечивают теплотой. Однако из-за подверженности коррозии тепловые сети из стальных труб весьма недолговечны. Как показывает опыт эксплуатации, средний срок службы магистральных сетей составляет 16ч18 лет, распределительных и внутриквартальных — 6ч8 лет, а многие теплопроводы, особенно горячего водоснабжения, уже через 2ч3 года выходят из строя. Это приводит к тому, что эксплуатируемые в настоящее время подземные теплопроводы, как правило, требуют частичной замены в значительно более короткие сроки. С интенсивным развитием систем централизованного теплоснабжения увеличивается, и объём работ по их восстановлению и реконструкции, требующий больших материальных и трудовых ресурсов.

Удельный вес затрат на ремонт, модернизацию и реконструкцию водяных тепловых сетей по отношению к затратам на строительство новых сетей ежегодно возрастает. При осуществлении реконструкции и модернизации водяных тепловых сетей многие вопросы, связанные с их проектированием и строительством, требуют нового комплексного подхода к этой проблеме.

Проведённый анализ известных методов строительства и эксплуатации инженерных коммуникаций позволил рекомендовать бесканальный метод строительства трубопроводов в ППУ-изоляции как надёжный и эффективный способ освоения территорий со сложными геокриологическими условиями.

2.2 Бесканальная прокладка тепловых сетей

Действующие тепловые сети, проложенные в каналах, не удовлетворяют современным требованиям надежности и долговечности ни по качеству строительных конструкций теплопроводов, ни по теплофизическим показателям, и не обеспечивают нормативных значений потерь теплоты. На практике часты непозволительно высокие теплопотери, превышающие нормативные значения в 2-4 раза. Ориентировочно в масштабе России потери теплоты, превышающие нормативные, составляют в настоящее время в пересчете на перерасход условного топлива 20-25 млн. т.у.т. в год.

Сложившаяся ситуация имеет место, главным образом, из-за того, что поверхностные и грунтовые воды проникают в каналы теплопроводов вследствие большой водопроницаемости железобетонных элементов последних по причине их конструктивного несовершенства. Вода, попавшая в канал, увлажняет и разрушает тепловую изоляцию, не имеющую надежной гидроизоляции, значительно снижает ее теплоизоляционные свойства и одновременно инициирует наружную коррозию трубопроводов. Таким образом, традиционные технологии и материалы, применяемые при строительстве и ремонте тепловых сетей, приводят к необходимости полной замены труб и теплоизоляции через 10-15 лет, а в некоторых случаях даже раньше.

Одним из способов борьбы с затоплением тепловых сетей техногенными водами является применение других типов прокладки трубопроводов, в частности — бесканальной. Бесканальная прокладка практически не применялась, а если и имела место, то вскоре заменялась на канальную. Это происходило из-за отсутствия тепловой изоляции, удовлетворяющей следующим требованиям: малыми величинами водопоглощения и высоты капиллярного поднятия; малой коррозионной активностью; достаточной влагоустойчивостью и температуроустойчивостью; стабильностью коэффициента теплопроводности; достаточной прочностью на сжатие и изгиб. В таблице 2.1 представлено максимальное водопоглощение некоторых теплоизоляционных материалов.

Таблица 2.1 — Максимальное водопоглощение (полная влагоёмкость) теплоизоляционных материалов

Материал	Объёмная масса, кг/м 3	Максимальное водопоглощение, %
Автоклавный пенобетон	400	95
Диатомовый кирпич	500	104-108
Асбоцементные плиты	400	240-250
Минеральная вата (небитумизиро	300	300
ванная)
То же битумизированная	300	140
Керамзит	450-550	35-40
Минераловатные плиты с трепельной	270	270-280
добавкой
Пенопласт ФЛ	100	62
Битумоперлит	550	87
Асфальтит: плотный	1020	0,67
пористый	672	5,9
порошкообразный	550-650	87,6
Пенополиуретан	120	10

Как видно из таблицы 2.1, наиболее эффективной изоляцией, с точки зрения водопоглощения, является пенополиуретан.

Бесканальная прокладка не применялась, так как трубы подвергались интенсивной коррозии. Анализ результатов эксплуатации подземных прокладок тепловых сетей показал, что защита теплопроводов от грунтовых, верховых и других вод, а, следовательно, и от наружной коррозии, может быть решена двумя методами:

1. Устройством вокруг теплоизоляции абсолютно непроницаемой для влаги оболочки.

2. Изолированием тепловой изоляцией из гидрофобных материалов.

Новые энергосберегающие технологии и материалы, разработанные в ЗАО «Сибпромкомплект» г. Тюмень, в частности пенополиуретан (ППУ), на которых основано производство теплогидроизолированных труб диаметром 57ч530 мм, позволяют обеспечить безаварийное и эффективное теплоснабжение. Отличительные особенности трубопровода с ППУ изоляцией: бесканальная прокладка, потери тепла в 3ч4 раза ниже нормативных, длительный срок эксплуатации — 30 лет. Стоимость прокладки трубопроводов с ППУ изоляцией по сравнению с традиционными методами (с устройством каналов) снижается на 20ч30 %.

Предприятие ЗАО «Сибпромкомплект» специализируется на выпуске теплоизолируемых пенополиуретаном стальных труб и других элементов трубопроводов различного назначения:

• для городских и районных систем теплоснабжения и горячего водоснабжения;
• для технологических трубопроводов предприятий нефтяной и газовой промышленности.

Предприятие оснащено высокопроизводительным оборудованием для выпуска теплоизолированных труб Ш57ч325 мм в полиэтиленовых и Ш57ч530 мм в металлических оболочках (трубы большого диаметра выпускаются только в металлических оболочках).

ЗАО «Сибпромкомплект» освоило технологию изготовления теплогидроизолированных труб с одним, двумя, тремя спутниками электроподогрева, что особенно важно в условиях Севера. Производственные мощности ЗАО «Сибпромкомплект» способны обеспечить выпуск 25-30 км теплоизолированных труб в месяц.

Предлагается постепенно заменять существующую традиционную (сталь — минеральная вата) систему транспортировки горячей воды и распределительную систему на водонепроницаемую систему «труба в трубе». Можно выделить следующие основные преимущества использования труб, выполненных из современного водонепроницаемого материала:

• снижение эксплуатационных затрат благодаря увеличению срока эксплуатации и улучшению качества системы труб;
• сокращение потерь теплоты за счет улучшенной изоляции и водонепроницаемой внешней трубы;
• уменьшение потерь теплоносителя, обусловленное водонепроницаемостью системы.

Новые технологии с успехом используют нефтегазодобытчики Тюменского Севера. Проведенный анализ и выполненные расчеты позволили дать рекомендации, направленные на снижение энергопотребления, повышение экономичности строительства трубопроводов. На рис. 2.1 приводятся сравнительные технико-экономические характеристики трубопроводов в ППУ-изоляции с другими видами. На основании проведённого анализа предлагается заменять существующую традиционную канальную прокладку (сталь — минеральная вата) системы трубопроводов на водонепроницаемую систему «труба в трубе». Сравнительный экономический эффект приведен в таблице 2.2.

Таблица 2.2 — Составляющие экономического эффекта прокладки трубопровода с изоляцией из ППУ (тыс. долл. США)

Экономия капитальных вложений при прокладке теплотрасс	9,1	26,7	34,9	41,3	39,0	43,4
Годовая экономия средств от повышения долговечности тепловых сетей	11,2	15,0	26,9	40,3	61,2	76,3
Годовая экономия средств от снижения расходов на текущий ремонт	0,4	0,6	1,0	1,3	1,6	1,9
То же на эксплуатацию тепловых сетей	0,8	1,4	2,3	3,1	3,8	4,6
Стоимость сэкономленного на ТЭЦ топлива за счёт снижения годовых потерь тепла	1,0	1,4	2,0	2,3	2,8	3,6
Общий экономический эффект	22,5	45,1	67,1	88,3	108,4	129,8
Окупаемость, лет	5,0	4,2	7,2	7,1	8,1	9,0

Примечания:

1. Показатели эффективности отнесены к 1 км теплотрассы.

2. Расчёт произведён в ценах 1984 г.

3. Расчёт предоставлен по данным академика АКХ В. X. Корсунского.

2.3 Характеристика системы теплоснабжения и конструкций тепловых сетей

Система водяных тепловых сетей принята двухтрубная, закрытая. Система сбора и возврата конденсата принята закрытая. Возврат конденсата от потребителя предусматривается за счет избыточного давления за конденсатоотводчиком.

Схемы водяных и паровых тепловых сетей предусмотрены тупиковыми. Присоединение местных систем к тепловым сетям:

• к водяным сетям — по зависимой схеме;
• к паровым сетям — с установкой редукционных клапанов.

Система горячего водоснабжения присоединяется через водоводяные подогреватели, установленные в тепловом пункте бытового корпуса.

Тепловые сети подключаются согласно заданию к магистральным тепловым сетям в камере УТ33. Теплоносители — горячая вода t = 150 — 70 ^_ С, насыщенный пар с давлением 0,6 МПа. Для трубопроводов тепловых сетей предусматриваются стальные электросварные трубы. Прокладка теплопроводов с учетом планировочных и гидрогеологических условий принята бесканальная наземная с ППУ изоляцией. Уклон трубопроводов принимается 0,003.

В нижних точках трубопроводов водяных тепловых сетей и конденсатопроводов предусматриваются штуцеры с запорной арматурой для спуска воды (спускные устройства).

Спуск воды из трубопроводов водяных тепловых сетей предусмотрен в сбросные колодцы с последующей откачкой воды из них передвижными насосами. В местах пересечения теплотрассы с автодорогой прокладка осуществляется на высоких опорах (эстакаде) (рисунок 2.2).

2.4 Компенсация температурных удлинений трубопроводов. Расчет компенсаторов и усилий на неподвижные опоры

В процессе эксплуатации тепловых сетей температура трубопроводов меняется весьма значительно: от расчетной температуры наружного воздуха t _н.о до максимальной температуры сетевой воды в подающем трубопроводе ф_макс = 150^_ С. При изменении температуры металла происходит термическое расширение труб. Для разности температур ф_макс — t_н.о относительное удлинение трубы равно:

(2.1)

где б = 1,25

• 10 ^-2 мм/(м•град) — коэффициент линейного расширения материала трубы;

Дt — расчетная разность температур: максимальной температуры транспортируемого вещества и расчетной температуры наружного воздуха, для проектирования отопления, ^_ С;

• L — длина расчетного участка, м.

Устройства, компенсирующие температурные расширения, называются компенсаторами и размещаются между неподвижными опорами. Различают осевые и радиальные компенсаторы. К осевым относятся сальниковые и линзовые компенсаторы. Применяются односторонние и двусторонние сальниковые компенсаторы. Устройство компенсаторов подробно рассматривается в [24].

В дипломном проекте на прямых участках теплопроводов приняты П-образные компенсаторы (К-1, К-2 и К-3), а также используются повороты трубопроводов по трассе тепловых сетей для самокомпенсации.

Выполнение расчета П-образного компенсатора (К-2):

Подающий трубопровод

Тип прокладки: Бесканальная надземная;

d _н = 325 мм; ф_п = 150 ^_ С;

t _{н . о} = —

39 ^_ С; у_доп = 110 МПа.

Принимая H = 2B, получаем

Расчетное удлинение компенсируемого участка с учетом предварительного растяжения компенсатора:

Определяем коэффициент, зависящий от конфигурации трубопровода:

Вылет компенсатора:

Линейное удлинение компенсируемого участка без предварительного растяжения теплопровода при температуре окружающей среды t _н.о = -39 ^_ С:

Средний радиус:

Геометрическая характеристика отвода:

Коэффициент жесткости:

Поправочный коэффициент напряжения:

Предварительное растяжение компенсатора:

Центральный момент инерции:

Осевое усилие:

Максимальное напряжение в средней части спинки компенсатора:

Обратный трубопровод

Тип прокладки: Бесканальная надземная;

d _н = 325 мм; ф_о = 70 ^_ С;

t _н.о = -39 ^_ С; у_доп = 110 МПа.

Принимая H = 1,17B, получаем

Расчетное удлинение компенсируемого участка с учетом предварительного растяжения компенсатора:

Определяем коэффициент, зависящий от конфигурации трубопровода:

Вылет компенсатора:

Линейное удлинение компенсируемого участка без предварительного растяжения теплопровода при температуре окружающей среды t _н.о = -40 ^_ С:

Средний радиус:

Геометрическая характеристика отвода:

Коэффициент жесткости:

Поправочный коэффициент напряжения:

Предварительное растяжение компенсатора:

Центральный момент инерции:

Осевое усилие:

Максимальное напряжение в средней части спинки компенсатора:

Результаты вычислений сведены в таблицу на рисунке 2.3.

3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ И ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТЫ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ

3.1 Гидравлический расчет теплопроводов

Гидравлический расчет трубопроводов водяных тепловых сетей является необходимым этапом их проектирования, следующим за определением расчетных расходов сетевой воды. Такие расчеты выполняются отдельно по каждому участку сетей, на протяжении которого внутренний диаметр труб и расчетные расходы сетевой воды остаются неизменными.

В задачу гидравлического расчета входит определение диаметров теплопроводов, давления в различных точках сети и потерь давления на участках. Последние устанавливают методом удельных потерь давления на трение и приведенных длин. Удельные потери на трение в магистральных теплопроводах следует принимать в пределах 60-100 Па/м, для ответвлений — по располагаемому давлению, но не более 300 Па/м. Если известно располагаемое давление в тепловых сетях, расчет выполняют в два этапа (предварительный и окончательный расчеты).

При предварительном расчете потери давления в местных сопротивлениях определяют, задаваясь, долей от потерь давления по длине б, которая принята по СНиПу 41-02-2003 «Тепловые сети», [23].

Основные расчетные формулы при выполнении гидравлического расчета:

падение давления в горизонтальном трубопроводе, Па,

(3.1)

где — линейное падение давления, Па;

• падение давления в местных сопротивлениях, Па;

R _л — удельное линейное падение давления, Па/м;

• l — длина трубопровода, м;

l _э — эквивалентная длина местных сопротивлений, м;

• б — коэффициент местных потерь давления.

Удельное линейное падение давления, Па/м,

(3.2)

Предельное число Рейнольдса

(3.3)

При 2300 < Re < Re _пр

(3.4)

При Re Re _пр

(3.5)

В последнем случае

(3.6)

Здесь d — внутренний диаметр трубопровода, м;

• л — коэффициент гидравлического трения;
• W — скорость теплоносителя, м/с;
• G — массовый расход теплоносителя, кг/с;

с — плотность теплоносителя, кг/м ³ ;

g — ускорение свободно падающего тела, 9,81 м/с ² ;

k _э — абсолютная шероховатость трубопровода, м;

A _R — постоянный коэффициент для заданного значения k_э .

Падение давления в местных сопротивлениях, Па,

(3.7)

где — сумма коэффициентов местных сопротивлений.

Эквивалентная длина местных сопротивлений, м,

(3.8)

По расчетным расходам сетевой воды и R подбираем ближайшие стандартные диаметры труб, действительные значения R _л и W. Расчет сведен в табл. 3.1. После установления диаметров теплопроводов производится разработка монтажной схемы с расстановкой всех компенсаторов, задвижек, запорной арматуры, неподвижных опор (рис. 3.1).

Подающий теплопровод располагается с правой стороны, по ходу движения теплоносителя. Естественные повороты трассы теплосети используются для самокомпенсации температурных удлинений теплопроводов.

По сумме коэффициентов местных сопротивлений на каждом участке определяется эквивалентная длина для участка. Приведенная длина участка l _пр равна сумме длин участка теплопровода по плану и эквивалентной местных сопротивлений l_э . Потери давления на участке теплопровода Дp представляют произведение удельных потерь давления по длине R_л и приведенной длины участка l_пр .

Таблица 3.1 — Гидравлический расчет водяной тепловой сети

Номер участка	G, т/ч	D у , мм	D н д, мм	R л , Па/м	W, м/с	l, м	l э , м	l пр , м	Дp, Па	Па
1 2	90 200	125 300	133Ч3,5 325Ч6	490 21	2 0,8	56,5 104	23,5 102	80 206	39200 4326	39200 4326

Для поглощения избыточного напора в тепловом павильоне УТ 2 устанавливается дроссельная шайба.

3.2 Построение пьезометрического графика

Движение жидких и газообразных веществ в трубопроводах происходит за счет разности давлений в разных точках сети, значения которых наглядно отражают графики давлений в конкретных сетях (в технической литературе их иногда называют пьезометрическими).

Графики разрабатывают после составления расчетных схем и гидравлического расчета рассматриваемых сетей. К ним относятся:

• проверка правильности выбора диаметров, определенных гидравлическими расчетами сетей различного назначения;
• определение необходимых давлений, подлежащих созданию циркуляционными (сетевыми) и подпиточными насосами, устанавливаемыми в источниках теплоты в двухтрубных закрытых или открытых схемах водяных тепловых сетей;
• определение давлений в системах напорных конденсатопроводов и выбор на этой основе насосов перекачки конденсата, устанавливаемых в тепловых пунктах или насосных станциях потребителей;
• определение располагаемого давления на вводах потребителей района при наличии двухтрубных сетей различных жидкостей.

Каждой трубопроводной системе сетей, каждому транспортируемого по трубопроводам материалу в конкретных условиях местности соответствует свой график давлений.

Построение графика давлений для двухтрубных водяных тепловых сетей, работающих по закрытой схеме, выполняется в следующем порядке:

1. На координатную сетку в соответствующем масштабе наносим профиль поверхности земли по трассе водяной тепловой сети на участке, соответствующем расчетной схеме, — обычно от источника теплоты до наиболее отдаленного потребителя. Для построения профиля земной поверхности используют абсолютные геодезические отметки, принимая за отметку 0,00 уровень пола источника теплоты или уровень поверхности земли в начальной точке расчетной схемы. Профиль земной поверхности наносим в масштабе: 1 м = 0,01 МПа.

2. Отмечаем на графике начальные и конечные точки каждого участка тепловой сети согласно данным расчетной схемы сети и в соответствующие колонки графика, вписываем номер и длину расчетного участка.

3. По данным сводной таблицы гидравлического расчета в соответствующие колонки сети записываем определенные расчетом условные диаметры трубопроводов и названия точек или мест прокладки тепловой сети (узлов, камер, улиц и т.д.).

4. Вычерчиваем линии давления теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах сначала в динамическом, а затем в статическом режимах действия системы.

При статическом режиме сеть наполнена теплоносителем, и система находится в состоянии готовности к работе под давлением, созданным подпиточными насосами; сетевые (циркуляционные) насосы не работают, движение теплоносителя в сети отсутствует, и потребители не получают теплоты. В динамическом режиме кроме подпиточных насосов уже действуют сетевые насосы, теплоноситель в системе движется за счет разности давления в сети, и потребители района получают теплоту, созданную в источнике теплоты.

Линии давления строим следующим образом. Наносим точку А линии давления динамического режима А-Б-В-Г, показывающую давление теплоносителя в обратном трубопроводе у стены источника теплоты. Точку A выбираем над полом источника теплоты (тепловая камера УТ-33) так, чтобы давление в обратном трубопроводе было минимально допустимым, то есть 0,15…0,3 МПа. Это является достаточным для преодоления падения давления на участке обратного трубопровода до сетевых насосов источника теплоты, поддержания в них необходимого подпора, а также обеспечения необходимого давления для снабжения теплотой объектов и предотвращения образования вакуума в элементах местных систем, расположенных в верхних этажах.

Исходя из данных гидравлического расчета сети по участкам, наносим в масштабе графика линию давления А-Б в обратном трубопроводе. В конечных точках каждого участка сети записываем значение вычисленного давления по отношению к отметке пола источника теплоты. После построения линии А-Б проверяем ее соответствие требованиям всех потребителей теплоты по трассе данной сети.

Так, линия А-Б должна проходить не менее чем на 5 м над перекрытиями верхнего этажа всех обеспечиваемых теплотой зданий. Здания, для которых не удается осуществить это условие, следует присоединить к системе либо путем применения регуляторов давления «до себя» в случае достаточного давления в подающем трубопроводе, либо подключением здания по независимой схеме в случае недостаточного давления в подающем трубопроводе. Для удобства проверки выполнения этого требования на графике указываем наиболее характерные здания и высоту их расположения по отношению к линиям А-Б и В-Г.

Далее необходимо, чтобы линия А-Б находилась не выше 55 м над поверхностью земли. Это требование вызвано тем обстоятельством, что обычные чугунные радиаторы и другие нагревательные приборы, устанавливаемые в подвальных этажах, изготовляют на допустимое рабочее давление, не превышающее 0,6 МПа. Здания, для которых данное условие невыполнимо, следует либо присоединить по независимой схеме, либо для подвала и нижних этажей устанавливать в качестве нагревательных приборов регистры, изготовленные из стальных труб, допустимое рабочее давление в которых составляет более 1 МПа.

Если линия А-Б не удовлетворяет обоим указанным требованиям, ее положение изменяют, поднимая или опуская в зависимости от конкретных условий рельефа местности, высоты застройки и т. п. В некоторых случаях требуется сделать линию А-Б более пологой или более крутой. Для этого становится необходимым повторное выполнение гидравлического расчета сетей с увеличением (линия А-Б станет более пологой) или уменьшением (линия А-Б станет более крутой) диаметров труб некоторых участков.

После построения, проверки и исправления линии А-Б на график давлений наносят отрезок Б-В, отображающий потери давления в тепловых пунктах и местных системах самой отдаленной от источника теплоты группы потребителей. Предполагая, что эти системы присоединены по зависимой, экономически наиболее эффективной схеме и в тепловых пунктах потребителей установлены водоструйные элеваторы, регуляторы расхода типа РР и аппаратура учета расходуемой теплоты, потери давления, изображенные отрезком Б-В, составят 0,25 МПа.

Отсюда следует, что потери давления, возникающие в системах наиболее отдаленных потребителей теплоты, в значительной степени влияют на общие потери давления всей системы, а также на значения давлений в подающем трубопроводе сети, как это видно из рисунка 3.2. Поэтому всегда желательно всемерное снижение потерь давления в районах, наиболее отдаленных от источников теплоты. При этом, возможно, получить значительный экономический эффект, присоединяя отдельные группы потребителей теплоты к районным тепловым сетям по независимой схеме, а также применяя аппаратуру учета теплоты с малыми потерями давления.

Затем по данным гидравлического расчета сети наносим на график линию давления В-Г в подающем трубопроводе. Эта линия имеет направление от наиболее отдаленного потребителя (точка В) к источнику теплоты (УТ-33) точка Г. При построении графика для закрытых схем теплоснабжения линия давлений В-Г подающего трубопровода в динамическом режиме имеет вид зеркального изображения линий давлений А-Б в обратном трубопроводе, поскольку расход теплоносителя и диаметры соответствующих участков сетей одинаковы. На линии В-Г записываем давления в конечных точках всех расчетных участков сети по отношению к геодезической отметке пола источника теплоты.

После этого проверяем соответствие линии давлений В-Г следующему обязательному условию: во всех высоко расположенных точках района теплоснабжения, обеспечиваемых теплоносителем (горячей водой с наивысшей температурой), давление по линии В-Г должно быть выше давления парообразования при данной температуре. В противном случае для предотвращения вскипания теплоносителя линию В-Г следует поднять. Если это приводит к экономически невыгодным последствиям, то для потребителей теплоты, не удовлетворенных достаточным давлением в подающем трубопроводе, необходимо понизить температуру теплоносителя в местных системах с помощью водоструйных элеваторов или смесительных насосов.

Иногда в зависимости от местного рельефа поверхности земли и других обстоятельств на основе технико-экономических соображений принимают решения о преломлении линий А-Б или В-Г с сооружением в местах перелома подкачивающих насосных станций для необходимого повышения давления в сети.

После построения, проверки и исправления графика давлений при динамическом режиме работы сети на график наносят линию статического давления Е-Д. Она всегда горизонтальна, поскольку сетевые насосы не работают, циркуляция теплоносителя в сетях отсутствует, и потерь давления в системе теплоснабжения нет. Статический режим в системе устанавливается, если по какой-либо причине перестают работать сетевые насосы. Заданное статическое давление в сети поддерживается постоянно действующими подпиточными насосами. По отношению к линии статического давления существуют те же требования, что и к линии давления в обратном трубопроводе при динамическом режиме системы, а именно:

1) линия статического давления должна проходить не менее чем на 5 м выше перекрытия верхнего этажа зданий, стоящих на самой высокой отметке района, присоединенных по зависимой схеме, с тем, чтобы их местные системы всегда были заполнены водой, и в них не подсасывался воздух;

2) линия должна находиться на высоте, не превышающей 60 м над полом первого этажа зданий, расположенных на самых низких отметках района, с тем, чтобы предотвратить разрыв нагревательных приборов, расположенных в подвалах и на первых этажах этого района. Пьезометрический график для тепловых сетей разработан для зимних расчетных условий согласно исходным данным, выданных ОАО «Тюменьгорпроект» и изображен на рисунке 3.2.

3.3 Тепловой расчет теплоизоляции теплопроводов

Выбор экономичных теплоизоляционных конструкций при проектировании тепловых сетей проводится с учетом типов прокладки теплопроводов, расположения и условий эксплуатации изолированных объектов, а также условий монтажа тепловой изоляции. Тепловую изоляцию трубопроводов тепловых сетей используют при всех способах прокладки независимо от температуры теплоносителя.

Конструкция тепловой изоляции состоит из основного теплоизоляционного слоя, наружного защитного покрытия и креплений. Основной теплоизоляционный слой обеспечивает защиту изолируемой поверхности от потерь теплоты, наружное защитное покрытие предохраняет основной теплоизоляционный слой от механических повреждений, увлажнений, воздействия агрессивных сред и т. д.

При расчете тепловых сетей толщину тепловой изоляции находят, исходя из норм потерь теплоты, заданного перепада температур на участке тепловой сети, допустимой температуры на поверхности конструкции и технико-экономического расчета.

При надземной прокладке удельные тепловые потери, Вт/м, определяют по формуле:

(3.9 )

где — средняя температура теплоносителя, ^_ С,

• температура окружающей среды, ^_ С;

R — суммарное термическое сопротивление, м ²

• ^_ С / Вт.

Общее термическое сопротивление равно сумме последовательно расположенных сопротивлений:

(3.10)

где — термические сопротивления соответственно внутренней поверхности трубы, стенки трубы, слоя тепловой изоляции и наружной поверхности изоляции, м ²

• ^_ С / Вт.

Сопротивление теплоотдачи от теплоносителя к трубопроводу и термическое сопротивление стенки стального трубопровода весьма малы по сравнению с термическим сопротивлением изоляции, поэтому в практических расчетах ими можно пренебречь. Термическое сопротивление слоя тепловой изоляции определяется по формуле:

(3.11)

где D _Н и D_В — соответственно наружный и внутренний диаметры слоя изоляции, м;

Термическое сопротивление наружной поверхности трубы равно:

(3.12)

Как правило, толщину теплоизоляционного слоя выбирают на основе технико-экономического расчета по минимуму приведенных затрат.

При транспортировке среды по трубопроводам возникают линейные Q _л и местные Q_м тепловые потери.

Линейные потери теплоты прямых или криволинейных (повороты, отводы и т.п.) участков труб длиной l, м, определяют по формуле:

(3.13)

Местные тепловые потери возникают в результате стока теплоты через опорные конструкции, фланцевые соединения, запорно-регулирующую арматуру и прочие фасонные изделия. Эти потери определяются приближенно. При известном количестве элементов тепловой сети их потери принимают по справочной литературе в зависимости от температуры теплоносителя, способа прокладки труб и конструкции теплоизоляции. Другой способ основан на использовании эквивалентной длины фланцев, арматуры, опор, тепловые потери которых равновелики тепловым потерям прямых участков труб того же диаметра:

(3.14)

где l _э — суммарная эквивалентная длина фланцев, арматуры, опор и прочих элементов тепловой сети, м.

В практических расчетах эквивалентную длину можно принимать равной: для пары неизолированных фланцев — 8…10 м изолированного трубопровода того же диа метра; для пары изолированных фланцев — 1…1,5 м изолированного трубопровода того же диаметра; для неизолированной арматуры диаметром 100…500 мм — 12…24 м изолированного трубопровода того же диаметра при температуре теплоносителя соответственно 100 и 400 ^_ С. Тепловые потери через неизолированные опоры ориентировочно могут быть приняты в размере 10…12 % от линейных потерь трубопроводов.

При отсутствии данных о количестве опор, конденсаторов, фланцев и арматуры на трубопроводе дополнительные потери теплоты этими элементами при условии их изолирования учитываются расчетом по формуле:

(3.15)

где в ₁ — поправочный коэффициент к линейной длине трубопровода, учитывающий эквивалентную длину изолированных элементов тепловой сети (для бесканальных прокладок в₁ = 1,15, для каналов и тоннелей — 1,2 для надземных теплопроводов — 1,25).

Коэффициент эффективности тепловой изоляции:

(3.16)

где Q _Н и Q_И — соответственно теплопотери неизолированной и изолированной трубы, значения коэффициентов эффективности изолированных конструкций должны быть в пределах з_И = 0,85…0,95.

Транспортные потери теплоты вызывают падение температуры теплоносителя. На участках теплопроводов небольшой протяженности и уменьшении температуры теплоносителя не более 5 % от начального значения для упрощения расчетов можно принимать удельные тепловые потери неизменными по всей длине теплопроводов. Исходя из этого, уравнение теплового баланса, выражающее равенство потерь теплоты и уменьшение энтальпии содержания теплоносителя, записывается в виде:

(3.17)

где q — удельные тепловые потери в начале участка теплопровода, Вт/м;

• G — расход теплоносителя, кг/ч;

t ₁ и t₂ — температуры теплоносителя соответственно в начале и конце участка, ^_ С.

Температура водяного теплоносителя в конце расчетного участка равна:

(3.18)

Применительно к пару необходимо учитывать падение его энтальпии, которая по аналогии определяется по формуле:

(3.19)

Многослойные конструкции (трубопровод)

По стальному трубопроводу диаметром d ₁ /d₂ мм, покрытому теплоизоляцией (ППУ) с наружным диаметром d₃ и защитной оболочкой из оцинкованной жести с наружным диаметром d₄ , проходит горячая вода температуры t_в . Температура наружного воздуха t_н .

Требуется определить потерю теплоты участка трубопровода длиной l и температуры на наружной поверхности трубопровода по формуле:

(3.20)

где k _l — коэффициент теплопередачи от внутренней воды к наружному воздуху:

(3.21)

Дано: стальной трубопровод 325 Ч 6 мм (толщина стенки 6 мм);

d ₁ = 313 мм = 0,313 м; d₂ = 325 мм = 0,325 м;

коэффициент теплопроводности стальной стенки трубы

коэффициент теплоотдачи от воды к стенке трубы

трубопровод изолирован пенополиуретановой теплоизоляцией

диаметр оцинкованной оболочки

наружный коэффициент теплообмена

Определяем:

Определяем линейную плотность теплового потока:

первый вариант:

температура воды t _в = 100 ^_ С

температура окружающего воздуха t _н = — 39 ^_ С

второй вариант:

температура воды t _в = 100 ^_ С

температура окружающего воздуха t _н = — 20 ^_ С

Определяем температуру внешней поверхности трубопровода:

первый вариант:

температура воды t _в = 100 ^_ С

температура окружающего воздуха t _н = — 39 ^_ С

Или

второй вариант:

температура воды t _в = 100 ^_ С

температура окружающего воздуха t _н = — 20 ^_ С

Составим Pascal — программу для расчета трубопровода:

• PROGRAM truba;
• USES PRINTER;

CONST

tb=100;a1=1000;a2=23;d1=0.307;d2=0.325;d3=0.449;d4=0.45;

• LAMBDA1=50;LAMBDA=0.035;LAMBDA3=50;

• tn:ARRAY[1..2]OF REAL=(-40,-20);

VAR

I:integer;

• RL,kL,qL,tct,tctn1:REAL;

Begin

Writeln(‘ Наружный коэффициент теплообмена: a2=’,a2);

• Writeln(‘ Коэффициент теплоотдачи от воды к стенке трубы a1=’,a1);
• Writeln(‘ Внешний диаметр стальной трубы d2=’,d2:5:3);
• Writeln(‘ Внутренний диаметр стальной трубы d1=’,d1:5:3);
• Writeln(‘ Диаметр трубы с изоляцией d3=’,d3:5:3);
• Writeln(‘ Внешний диаметр трубопровода с оцинкованной ‘);
• Writeln(‘ оболочкой d4=’,d4:5:3);
• Writeln(‘ коэффициент теплопроводности стальной стенки трубы=’,LAMBDA1);
• Writeln(‘ коэффициент теплопроводности пенополиуретана =’,LAMBDA2:5:3);
• Writeln(‘ коэффициент теплопроводности оцинкованной оболочки =’,LAMBDA3);
• Writeln(‘ Расчетные параметры:’);

RL:=1/a1/d1+1/2/LAMBDA1*ln(d2/d1)+1/2/LAMBDA2*ln(d3/d2)+

1/2/LAMBDA3*ln(d4/d3)+1/a2/d4;

• Writeln(‘ Термическое сопротивление =’,RL:5:3);
• kL:1/RL;

Writeln(‘ коэффициент теплопередачи от воды к наружному

воздуху =’,kL:5:3);

FOR I:=1 TO 2 DO

BEGIN

qL:=kL*PI*(tb-tn[I]);

• Writeln(‘ вариант ‘,i=1);
• Writeln(‘ линейная плотность теплового потока =’,qL:4:1);
• Writeln(‘ температура окружающего воздуха =’,tn[I]:4:1);
• Writeln(‘ температура воды =’,tb);
• tct:=tn[I]+ql/a2/pi/d4;
• Writeln(‘ температура внешней стенки трубопровода =’,tct:5:1);
• tctnl:=tb-ql/pi*(RL-1/a2/d4);
• Writeln(‘ температура внешней поверхности трубопровода =’,tctn1:5:1);

end

END.

Результат прогонки программы:

Наружный коэффициент теплообмена: a2=23

Коэффициент теплоотдачи от воды к стенке трубы а1=1000

Внешний диаметр стальной трубы d2=0.355

Внутренний диаметр стальной трубы d1=0.313

Диаметр трубы с изоляцией d3=0.449

Внешний диаметр трубопровода с оцинкованной оболочкой d4=0.450

коэффициент теплопроводности стальной стенки трубы =50

коэффициент теплопроводности пенополиуретана =0.035

коэффициент теплопроводности оцинкованной оболочки =50

Расчетные параметры:

Термическое сопротивление =4.718

коэффициент теплопередачи от воды к наружному воздуху =0.212

вариант 1

линейная плотность теплового потока =91.6

температура окружающего воздуха =-39

температура воды =100

температура внешней стенки трубопровода =-36.18

температура внешней поверхности трубопровода =-34.8

вариант 2

линейная плотность теплового потока =79.9

температура окружающего воздуха =-20

температура воды =100

температура внешней стенки трубопровода =-17.5

температура внешней поверхности трубопровода =-17.5

Расчет трубопровода в EXCEL

Коэффициент теплоотдачи от воды к стенке трубы	a1	1000
Наружный коэффициент теплообмена	a2	23
Внутренний диаметр стальной трубы	d1	0,313
Внешний диаметр стальной трубы	d2	0,325
Диаметр трубы с изоляцией	d3	0,449
Внешний диаметр трубопровода с оцинкованной оболочкой	d4	0,45
Коэффициент теплопроводности стальной стенки трубы	l1	50
Коэффициент теплопроводности пенополиуретана	l2	0,035
Коэффициент теплопроводности оцинкованной оболочки	l3	50
Температура наружного воздуха	tn	-40
Температура воды	tb	100

Расчетные параметры:

Термическое сопротивление RL=1/a1/d1+1/2/11*LN(d2/d1)+1/2/12*LN(d3/d2)+1/2/13*LN(d4/d3)+1/a2/d4= …