Staryy Oskol, Belgorod, Russian Federation
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
Belgorod, Belgorod, Russian Federation
GRNTI 67.01 Общие вопросы строительства
BBK 38 Строительство
At present, intensive urban construction, there is a need to connect new subscribers to existing heating networks. Often, the data connection of new subscribers leads to a hydraulic misalignment of the network, which in turn affects the provision of existing consumers with heat. In order, if possible, to reduce the likelihood of misalignment, appropriate recommendations are needed that can be obtained during the research. In the article, the authors carried out a corresponding experiment aimed at revealing the tendency of the connection of new subscribers to the hydraulic stability of the entire network. The result of the research became relevant recommendations, which will be useful for engineering workers both in the design of new ones and in the reconstruction of old networks.
centralized heat supply, heat networks, hydraulic misalignment, reliability of heat supply, coefficient of hydraulic stability
Введение. Поскольку от бесперебойного и качественного теплоснабжения зависит не только экономическая [1] и энергетическая, но и социальная безопасность государства [2], обеспечение тепловой энергией потребителей является одной из наиболее важных задач, как энергетической отрасли страны, так и всей Российской Федерации.
Перспективы развития централизованного теплоснабжения определяются задачами совершенствования и повышения эффективности строительства и эксплуатации теплоисточников, систем транспортирования и потребителей тепла [3–4]. Важным этапом современного развития централизованного теплоснабжения крупных городов, особенно в связи со строительством зданий повышенной этажности, является повышение надежности теплоснабжения.
Так, ежегодно происходит подключение потребителей к тепловым сетям или же их отключение, реконструкция трубопроводов, введение в эксплуатацию или вывод из эксплуатации котельных. Однако существующие способы регулирования отпуска теплоты в водяных системах теплоснабжения не обеспечивают в течение всего отопительного сезона потребителей требуемым количеством тепловой энергии. Все это приводит к несоответствию у абонентов фактических расходов теплоносителя проектным [2]. Как следствие возникает гидравлическая разрегулировка тепловой сети [5].
Основная часть. Для решения этой проблемы необходимо достижение стабильного гидравлического режима или максимального показателя гидравлической устойчивости тепловой сети в течение всего отопительного периода [6–7].
Под коэффициентом гидравлической устойчивости понимают способность системы сохранять постоянный расход теплоносителя на абонентских вводах при изменении условий работы других потребителей.
Коэффициент гидравлической устойчивости определяется по формуле:
Ку = Gф/Gр, (1)
где Gф – фактический расход сетевой воды на абонентском вводе; Gр – расчетный (максимально возможный) расход сетевой воды на абонентском вводе.
Для исследования влияния подключения потребителей на гидравлическую устойчивость тепловых сетей мы создали модель потокораспределения теплосети отдельного микрорайона, на основе методики гидравлического расчета по характеристикам сопротивления [8–10]. На рисунке 1 приведена схема системы теплоснабжения расчетного микрорайона с тремя точками последующего подключения новых потребителей. Гидравлический расчет микрорайона методом характеристик сопротивления произвели с помощью программного комплекса Microsoft Excel. Результаты представлены в таблице 1.
Рис. 1. Схема системы теплоснабжения расчетного микрорайона с точками последующего подключения новых потребителей
Таблица 1
Результаты гидравлического расчета микрорайона методом характеристик сопротивления
|
№ участка |
Диаметр трубопровода |
Длина участка |
Общая нагрузка |
Расход сетевой воды |
Потери давления на участке
|
Располагаемый напор |
Характ. сопр. S, м·ч2/м6 |
S·Q2 |
||
|
мм |
м |
Гкал/ч |
м3/ч |
м. вод. ст. |
м |
Участка |
Парал. Послед. |
м. вод. ст. |
||
|
жд6 |
УТ13 |
108 |
84 |
0,9599 |
12 |
0,456 |
16,5 |
0,120917 |
0,055572 |
17,41 |
|
жд7 |
УТ13 |
76 |
17,3 |
0,4526 |
5,7 |
0,153 |
17,1 |
0,535734 |
|
|
|
УТ12 |
УТ13 |
114 |
106,9 |
1,4125 |
17,7 |
0,922 |
17,5 |
0,005886 |
0,061458 |
19,25 |
|
жд8 |
УТ12 |
57 |
19,3 |
0,4193 |
5,2 |
0,839 |
17,6 |
0,712944 |
0,036726 |
19,26 |
|
УТ12 |
УТ11 |
133 |
21,7 |
1,8318 |
22,9 |
0,13 |
19,3 |
0,000496 |
0,037222 |
19,52 |
|
УТ14 |
УТ11 |
108 |
33 |
1,5248 |
19,1 |
0,493 |
18,6 |
0,053920 |
0,011104 |
|
|
УТ11 |
УТ10 |
159 |
95 |
3,3566 |
42 |
0,767 |
19,6 |
0,000870 |
0,011974 |
21,12 |
|
УТ10 |
УТ9 |
159 |
139 |
3,3566 |
42 |
1,122 |
21,1 |
0,001272 |
0,013246 |
23,37 |
|
УТ9 |
УТ8 |
159 |
74 |
3,3566 |
42 |
0,597 |
23,3 |
0,000677 |
0,013923 |
24,56 |
|
УТ8 |
ЦТП |
133 |
34,5 |
3,3566 |
42 |
0,736 |
24,5 |
0,000834 |
0,014757 |
26,03 |
|
жд9 |
УТ15 |
89 |
72 |
0,8179 |
10,2 |
0,906 |
16,3 |
0,174087 |
0,097948 |
|
|
жд9 |
УТ15 |
57 |
18 |
0,2723 |
3,4 |
0,365 |
17,4 |
1,568339 |
|
|
|
УТ15 |
УТ14 |
108 |
31 |
1,0902 |
13,6 |
0,237 |
18,1 |
0,002563 |
0,100511 |
|
|
жд9 |
УТ14 |
57 |
22 |
0,2 |
5,5 |
0,31 |
18,3 |
0,625455 |
0,051217 |
|
|
УТ14 |
УТ11 |
108 |
33 |
1,5248 |
19,1 |
0,493 |
18,6 |
0,002703 |
0,053920 |
|
|
жд5 |
УТ7 |
108 |
30 |
0,4713 |
5,9 |
0,048 |
20,1 |
0,580178 |
0,164014 |
20,2 |
|
жд4 |
УТ7 |
89 |
30 |
0,4193 |
5,2 |
0,111 |
20 |
0,747855 |
|
20,2 |
|
УТ7 |
УТ6 |
108 |
85 |
0,8906 |
11,1 |
0,482 |
20,2 |
0,007824 |
0,171838 |
20,2 |
|
УТ6 |
жд4-3 |
89 |
26,7 |
0,8563 |
10,7 |
0,412 |
20,4 |
0,185379 |
0,044604 |
|
|
УТ6 |
УТ5 |
133 |
62,5 |
1,7469 |
21,8 |
0,409 |
21,2 |
0,001721 |
0,046325 |
|
|
УТ5 |
УТ4 |
133 |
60 |
1,7469 |
21,8 |
0,34 |
22 |
0,001431 |
0,047756 |
|
Продолжение таблицы 1
|
№ участка |
Диаметр трубопровода |
Длина участка |
Общая нагрузка |
Расход сетевой воды |
Потери давления на участке |
Располагаемый напор |
Характ. сопр. S, м·ч2/м6 |
S·Q2 |
||
|
мм |
м |
Гкал/ч |
м3/ч |
м. вод. ст. |
м |
Участка |
Парал. Послед. |
м. вод. ст. |
||
|
УТ4 |
УТ3 |
133 |
91 |
1,8929 |
23,7 |
0,605 |
22,7 |
0,002154 |
0,049910 |
|
|
жд2 |
УТ3 |
76 |
13,5 |
0,5619 |
7 |
0,203 |
23,5 |
0,487878 |
0,028651 |
|
|
УТ3 |
УТ2 |
133 |
27 |
2,4548 |
30,7 |
0,314 |
23,9 |
0,000666 |
0,029318 |
|
|
жд2 |
УТ2 |
76 |
14,7 |
0,6916 |
8,6 |
0,335 |
23,9 |
0,332207 |
|
24,6 |
|
УТ1 |
УТ2 |
108 |
59 |
1,71116 |
21,4 |
1,109 |
22,3 |
0,045550 |
0,006652 |
|
|
УТ2 |
ЦТП |
159 |
13 |
4,8992 |
61,2 |
0,227 |
24,5 |
0,000121 |
0,006773 |
25,37 |
|
школа |
УТ16 |
76 |
42 |
1,1125 |
13,9 |
2,5 |
11,5 |
0,085399 |
0,058001 |
15,9 |
|
хоз.блок |
УТ16 |
57 |
30 |
0,192 |
2,4 |
0,3 |
10,2 |
1,875000 |
|
3,4 |
|
УТ16 |
УТ1 |
76 |
14 |
1,3045 |
16,3 |
1,136 |
16,5 |
0,008551 |
0,066552 |
19,3 |
|
1а-1 |
УТ1 |
76 |
25 |
0,41 |
5,1 |
0,148 |
22 |
0,857209 |
0,040707 |
5,4 |
|
УТ1 |
УТ2 |
108 |
59 |
1,71116 |
21,4 |
1,109 |
22,3 |
0,004843 |
0,045550 |
23,4 |
Найдя характеристики сопротивления каждого участка и всей сети, определили необходимое количество опытов (пересчетов гидравлических характеристик) исходя из теории полного факторного эксперимента. [11]
Полный факторный эксперимент – это эксперимент, в котором реализуются все возможные сочетания уровней факторов. Необходимое количество опытов n при этом определяется по формуле:
n=N^k=3^2=9, (2)
где N – количество уровней факторов, k – количество факторов.
В нашем случае факторами являются точка подключения нового потребителя и его тепловая нагрузка. Таким образом, количество факторов k=2, количество уровней факторов N=3. Таким образом, девять пересчетов гидравлических характеристик будут удовлетворять требованиям проведения полного факторного эксперимента.
С помощью программного комплекса Microsoft Excel выполнили пересчет гидравлических характеристик тепловой сети, с учетом поочередного подключения в точке 1, точке 2 и точке 3 нового потребителя с тепловой нагрузкой, равной 10, 50 и 90 % от нагрузки ветви.
По формуле (1) определили коэффициент гидравлической устойчивости для жилых домов. Результаты вычисления коэффициента гидравлической устойчивости жилого дома №6 свели в таблицу 2.
Таблица 2
Результаты вычисления коэффициента гидравлической устойчивости жилого дома №6
|
|
0 |
0,42 |
1 |
|
0,1 |
0,965 |
0,982 |
0,987 |
|
0,5 |
0,843 |
0,921 |
0,944 |
|
0,9 |
0,750 |
0,871 |
0,907 |
где – тепловая нагрузка после точки подключения нового потребителя, Гкал/ч;
– общая тепловая нагрузка на ветвь, Гкал/ч; Qi – тепловая нагрузка подключаемого потребителя, Гкал/ч.
Отношение условно выражает координату точки подключения потребителя.
Анализ результатов вычисления коэффициента гидравлической устойчивости жилого дома №6 (рис. 6) показал, что величина изменения коэффициента гидравлической устойчивости находится в пределах от 1 % до 25 %. Понижение коэффициента гидравлической устойчивости негативно влияет на надежность всей системы теплоснабжения [6–7]. Так, в таблице 3 приведена зависимость показателя надежности системы теплоснабжения от коэффициента гидравлической устойчивости.
Рис. 2. Зависимость коэффициента гидравлической устойчивости жилого дома №6 от тепловой нагрузки
и точки подключения нового потребителя
Таблица 3
Зависимость показателя надежности системы теплоснабжения
от коэффициента гидравлической устойчивости
|
Изменение гидравлической устойчивости, доля ед. |
Максимальный предел надежности, доля ед. |
|
До 0,05 |
0,93–0,91 |
|
0,060‒0,10 |
0,90–0,84 |
|
0,11‒0,15 |
0,83–0,79 |
|
0,16‒0,20 |
0,78–0,71 |
|
0,21–0,25 |
0,70–0,66 |
|
0,26–0,30 |
0,65–0,61 |
|
0,31–0,35 |
0,60–0,56 |
В соответствии с СП 124.13330.2012 «Тепловые сети» (актуализированная редакция СНиП 41-02-2003), минимально допустимый показатель вероятности безотказной работы системы централизованного теплоснабжения (СЦТ) в целом следует принимать равным Рсцт = 0,86. А минимально допустимый показатель готовности СЦТ к исправной работе принимается Kг = 0,97 [9]. Таким образом, минимально допустимый показатель надежности системы централизованного теплоснабжения находится по формуле:
Нсцт = Pсцт∙Kг = 0,86∙0,97 = 0,83 (3)
Показатель надежности Нсцт = 0,83 соответствует 0,11 доли единиц изменения гидравлической устойчивости системы согласно табл. 3. Значит, при уменьшении гидравлической устойчивости ниже данного значения система теплоснабжения не будет являться надежной.
Таким образом, по табл.2. видим, что при подключении в каждой рассмотренной точке потребителя с тепловой нагрузкой, равной 10% от нагрузки ветви, величина изменения гидравлической устойчивости всегда остается в пределах допустимой для обеспечения надежности системы теплоснабжения. А при подключении во всех рассмотренных точках потребителя с тепловой нагрузкой, равной 90% от нагрузки ветви, величина изменения гидравлической устойчивости не удовлетворяет уровню обеспечения надежности системы теплоснабжения. При подключении в точке 1 и 2 потребителя с тепловой нагрузкой, равной 50% от нагрузки ветви, величина изменения гидравлической устойчивости остается в пределах допустимой для обеспечения надежности системы теплоснабжения, а при подключении в точке 3 не удовлетворяет требованиям обеспечения надежности.
Выводы. Таким образом, чем больше тепловая нагрузка подключаемого потребителя и чем ближе к конечному потребителю он расположен, тем большее влияние оказывается на его коэффициент гидравлической устойчивости. Для устранения разрегулировки необходимо выполнение расчетов потокораспределения, и в случае отклонения реальных расходов от расчетных значений проведение наладочных мероприятий. По существу, наладочные мероприятия заключаются в увязке гидравлических сопротивлений теплопотребляющих установок в соответствии с режимом работы сетевого оборудования [5, 14, 15] и требуемыми расходами теплоносителя.
1. Kuschev L.A., Dronova G.L. Puti snizheniya energozatrat v zhilischno-kommunal'nom hozyaystve // Vestnik BGTU im V.G. Shuhova. 2008. №2. S. 24–-25.
2. Paramonova E.Yu., Elistratova Yu.V., Seminenko A.S. Problema peretopov i nedotopov v otopitel'nyy period // Sovremennye naukoemkie tehnologii. 2013. № 8-1. S. 48–50.
3. Balaman Ş. Y., Selim H. Sustainable design of renewable energy supply chains integrated with district heating systems: A fuzzy optimization approach. Journal of Cleaner Production. 2016. Vol. 133. Pp 863–885.
4. Bashmakov I.A. Povyshenie energoeffektivnosti v sistemah teplosnabzheniya chast' 1. problemy rossiyskih sistem teplosnabzheniya // Energosberezhenie. 2010. № 2. S. 46–54.
5. Sterligov V.A., Manukovskaya T.G., Kramchenko E.M. Sistemy vodyanogo teplosnabzheniya i otpusk teploty // Santehnika, otoplenie, kondicionirovanie. 2012. №12 (132). S. 60–63.
6. Abdulaev D.A., Markelova E.A., Sabirzyanov A.R., Mironov N.Yu. Gidravlicheskaya ustoychivost' teplovoy seti // Stroitel'stvo unikal'nyh zdaniy i sooruzheniy. 2017. №1 (52). S. 67–85.
7. Pashenceva L.V. Vliyanie narusheniya gidravlicheskoy ustoychivosti na nadezhnost' teplosnabzheniya // Stroitel'stvo i tehnogennaya bezopasnost'. 2012. №44. S. 85–88.
8. Minko V.A., Seminenko A.S., Alifanova A.I., Elistratova J.V., Tkach L.V. Assumptions and premises of heating systems hydraulic calculation methods: part 2 // Ecology, Environment and Conservation Paper. 2015 Vol 21. Issue 2. Pp. 1075-1080.
9. Bryanskaya Yu.V. Sovershenstvovanie metodov gidravlicheskogo rascheta harakteristik techeniya i soprotivleniya v trubah / avtoreferat dissertacii na soiskanie uchenoy stepeni kandidata tehnicheskih nauk // Moskovskiy gosudarstvennyy stroitel'nyy universitet (nacional'nyy issledovatel'skiy universitet). Moskva, 2003
10. Minko V.A., Seminenko A.S., Elistratova Yu.V. Dopuscheniya i predposylki metodov gidravlicheskogo rascheta sistem otopleniya // Uspehi sovremennogo estestvoznaniya. 2014. № 4. S. 114–118.
11. Gorlenko O.A., Mozhaeva T.P., Proskurin A.S. Metod analiza polnyh faktornyh eksperimentov // Metody menedzhmenta kachestva. 2009. № 3. S. 44–48.
12. SP 124.13330.2012 «Teplovye seti». Aktualizirovannaya redakciya SNiP 41-02-2003. vved. 2013–01–01.
13. Anan'ina L.I., Pervak G.I. Gidravlicheskaya ustoychivost' abonentskih ustanovok // Sbornik materialov Vserossiyskoy nauchnoy studencheskoy konferencii. 2015. S. 12–14.
14. Sheremet E.O., Seminenko A.S. Primenenie teplovyh nasosov v sistemah centralizovannogo teplosnabzheniya v celyah povysheniya ekonomichnosti i energoeffektivnosti teplovyh setey // Sovremennye naukoemkie tehnologii. 2013. № 8-1. S. 54–57.
15. Skripchenko A.S. Optimizaciya teplogidravlicheskogo rezhima teplovyh setey // Materialy XI Mezhdunarodnoy uchebno-nauchno-prakticheskoy konferencii. Truboprovodnyy transport -2016. Ufa: UGNTU 2016. S. 377–379.
