Старый Оскол, Белгородская область, Россия
Белгород, Белгородская область, Россия
Белгород, Белгородская область, Россия
Белгород, Белгородская область, Россия
ГРНТИ 67.01 Общие вопросы строительства
ББК 38 Строительство
В настоящее время интенсивного городского строительства возникает необходимость присоединения новых абонентов к существующим тепловым сетям. Зачастую, данные подключения новых абонентов приводят к гидравлической разрегулировке сети, что в свою очередь сказывается на обеспечении существующих потребителей теплом. Для того чтобы, по возможности, снизить вероятность разрегулировки, необходимы соответствующие рекомендации, которые можно получить в ходе исследований. В статье, авторами был произведен соответствующий эксперимент, направленный на выявление тенденции влияния подключения новых абонентов на гидравлическую стабильность всей сети. Результатом исследования стали соответствующие рекомендации, которые будут полезны инженерным работникам как при проектировании новых, так и реконструкции старых сетей.
централизованное теплоснабжение, тепловые сети, гидравлическая разрегулировка, надежность теплоснабжения, коэффициент гидравлической устойчивости.
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. Кущев Л.А., Дронова Г.Л. Пути снижения энергозатрат в жилищно-коммунальном хозяйстве // Вестник БГТУ им В.Г. Шухова. 2008. №2. С. 24–-25.
2. Парамонова Е.Ю., Елистратова Ю.В., Семиненко А.С. Проблема перетопов и недотопов в отопительный период // Современные наукоемкие технологии. 2013. № 8-1. С. 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. Башмаков И.А. Повышение энергоэффективности в системах теплоснабжения часть 1. проблемы российских систем теплоснабжения // Энергосбережение. 2010. № 2. С. 46–54.
5. Стерлигов В.А., Мануковская Т.Г., Крамченко Е.М. Системы водяного теплоснабжения и отпуск теплоты // Сантехника, отопление, кондиционирование. 2012. №12 (132). С. 60–63.
6. Абдулаев Д.А., Маркелова Е.А., Сабирзянов А.Р., Миронов Н.Ю. Гидравлическая устойчивость тепловой сети // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2017. №1 (52). С. 67–85.
7. Пашенцева Л.В. Влияние нарушения гидравлической устойчивости на надежность теплоснабжения // Строительство и техногенная безопасность. 2012. №44. С. 85–88.
8. Minko V.A., Seminenko A.S., Alifanova A.I., Elistratova J.V., Tkach L.V. Аssumptions and premises of heating systems hydraulic calculation methods: part 2 // Ecology, Environment and Conservation Paper. 2015 Vol 21. Issue 2. Pp. 1075-1080.
9. Брянская Ю.В. Совершенствование методов гидравлического расчета характеристик течения и сопротивления в трубах / автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук // Московский государственный строительный университет (национальный исследовательский университет). Москва, 2003
10. Минко В.А., Семиненко А.С., Елистратова Ю.В. Допущения и предпосылки методов гидравлического расчета систем отопления // Успехи современного естествознания. 2014. № 4. С. 114–118.
11. Горленко О.А., Можаева Т.П., Проскурин А.С. Метод анализа полных факторных экспериментов // Методы менеджмента качества. 2009. № 3. С. 44–48.
12. СП 124.13330.2012 «Тепловые сети». Актуализированная редакция СНиП 41-02-2003. введ. 2013–01–01.
13. Ананьина Л.И., Первак Г.И. Гидравлическая устойчивость абонентских установок // Сборник материалов Всероссийской научной студенческой конференции. 2015. С. 12–14.
14. Шеремет Е.О., Семиненко А.С. Применение тепловых насосов в системах централизованного теплоснабжения в целях повышения экономичности и энергоэффективности тепловых сетей // Современные наукоемкие технологии. 2013. № 8-1. С. 54–57.
15. Скрипченко А.С. Оптимизация теплогидравлического режима тепловых сетей // Материалы XI Международной учебно-научно-практической конференции. Трубопроводный транспорт -2016. Уфа: УГНТУ 2016. С. 377–379.
