Расчетная схема тепловой сети. Гидравлический расчет тепловых сетей: понятие, определение, методика расчета с примерами, задачи и оформление

Глава2. МЕТОДИКА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА

ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ

2.1. ЗАДАЧИ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА

Гидравлический расчет тепловой сети ведут по участкам. Основной задачей гидравлического расчета является определение диаметров трубопроводов d на каждом участке, обеспечивающих пропуск заданного расхода теплоносителя G при заданных потерях давления Dp или напора DН. Также могут быть решены и другие задачи: определение потерь давления Dр или напора DН на участках тепловой сети диаметром d при заданных расходах G, определение пропускной способности G участков трубопроводов диаметром d при перепадах давления на участках Dр или потерях напора DН.

На основании результатов гидравлического расчета участков определяют потери давления или напора по сети в целом, выбирают оборудование, в том числе насосы для водяных и конденсатных сетей, разрабатывают гидравлические режимы.

2.2. ОСНОВЫ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАСЧЕТА

Потери давления на участках теплопроводов складываются из потерь на трение, называемых также линейными потерями Dр Л, и потерь в местных сопротивлениях Dр М:

Dр=Dр Л +Dр М (2.1.)

где Dр Л – потеря давления собственно в трубопроводе;

Dр М – потеря давления при расширениях, сужениях, поворотах трубопровода и в различных устройствах, установленных на участке (компенсаторах, задвижках, клапанах и т.д.).

Рассмотрим более подробно линейные потери давления Dр Л при течении несжимаемой жидкости. Плотность несжимаемой жидкости ρ при изменении давления практически не меняется. При этом условии на участке трубопровода с внутренним диаметром d скорость теплоносителя ω также остается неизменной. В этом случае линейная потеря давления Dр Л определяется по формуле Дарси-Вейсбаха

Dр Л =λ, (2.2.)

где λ – коэффициент гидравлического трения;

L – длина участка трубопровода.

При гидравлических расчетах часто используют понятие удельной линейной потери давления R Л, которая представляет собой линейную потерю давления. отнесенную к единице длины участка трубопровода.:

R Л =Dр Л /L. (2.3.)

Из уравнений (2.1.) и (2.2.) следует, что

R Л =λ. (2.4.)

При ламинарном течении теплоносителя по трубопроводу коэффициент гидравлического трения определяют по формуле Пуазейля-Гагена

λ=64/Re. (2.5.)

Эту формулу используют при Re≤2300. При более высоких значениях числа Рейнольдса, в так называемой переходной области, коэффициент гидравлического трения в гидравлически гладких трубах следует рассчитывать по формуле Блазиуса

λ=0,3164/Re 0,25 . (2.6)

Большинство труб, используемых для теплоснабжения, с точки зрения гидравлики являются шероховатыми. В переходной области режим течения жидкости в таких трубах определяется не только числом Re, но и величиной относительной эквивалентной шероховатости k Э /d, которая представляет собой отношение абсолютной эквивалентной шероховатости k Э к внутреннему диаметру трубы d. Под абсолютной эквивалентной шероховатостью k Э понимают такую высоту выступов равномерной искусственной шероховатости, при которой коэффициент гидравлического трения получается таким же, как и в реальной трубе.

Значения эквивалентной шероховатости, м, определенные опытным путем для различных видов труб приведены ниже.

Паровые сети……………………………………………………………………0,0002

Водяные тепловые сети ………………………………………………………..0,0005

Тепловые сети горячего водоснабжения и конденсатопроводы…………….0,001

Для расчета гидравлического трения в рассматриваемых условиях наиболее удобна формула А.Д.Альтшуля

λ=0,11. (2.7.)

Эта формула используется при 10≤Re<500.

Re<10 она практически совпадает с (2.6.).

При Re≥500 коэффициент гидравлического трения λ практически не зависит от Reи определяется только относительной эквивалентной шероховатостью , при этом линейная потеря давления Dр Л пропорциональна квадрату скорости течения ω. Поэтому область Re≥500 называют областью квадратичного закона. Поэтому в области квадратичного закона можно определить коэффициент гидравлического трения по формуле Б. Л. Шифринсона

λ=0,11() 0,25 (2.8.)

При Re>500 (2.7.) практически совпадает с (2.8.).

Получим формулу расчета удельной линейной потери давления R Л при внутреннем диаметре теплопровода d и пропускной способности участка сети G. Уравнение (2.4.) с учетом уравнения неразрывности

где G – массовый секундный расход теплоносителя на участке, преобразуется к виду

R Л =λ. (2.10.)

Отсюда следует, что

d=; (2.11.)

G=. (2.12.)

В зависимости от режима работы теплопровода в уравнения (2.10) – (2.12.)

следует подставлять значение коэффициента гидравлического трения λ из (2.5.) - (2.8.).

Режим работы водяных тепловых сетей чаще всего соответствует области квадратичного закона. В этих условиях (2.10) – (2.12.) с учетом (2.8.) принимают вид

Гидравлический расчет производят в следующей последовательности:

Выбирают на трассе тепловых сетей главную магистраль – наиболее протяженную и загруженную, соединяющую источник теплоснабжения с дальними потребителями.

Разбивают тепловую сеть на расчетные участки, проставляют номера (сначала по главной магистрали, затем по ответвлениям), определяют расчетные расходы теплоносителя и измеряют длину участков.

Задавшись удельными потерями давлений на трение, исходя из расходов теплоносителя на участках, по номограмме (приложение 10) , составленным для труб с коэффициентом эквивалентной шероховатости k e = 0,0005 мм, находят диаметр трубопроводов, действительные удельные потери на трение и скорость движения теплоносителя, которая должна быть не более 3,5 м/c.

Определив диаметры расчетных участков тепловой сети, разрабатывают монтажную схему теплопроводов, размещая по трассе запорную арматуру, неподвижные опоры, компенсаторы.

По монтажной схеме устанавливают местные сопротивления на расчетных участках и находят сумму коэффициентов местных сопротивлений и их эквивалентные длины, в зависимости от диаметра трубопровода.

Определяют приведённую длину расчетного участка тепловой сети

Находят потери давления на расчетных участках тепловой сети

4.1 Определение расходов сетевой воды

Расчетный расход сетевой воды, т/ч , в закрытых системах теплоснабжения для определения диаметров труб в водяных тепловых сетях при качественном регулировании отпуска теплоты следует определять отдельно для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения по формулам:

На отопление :

где и – температуры в подающем и обратном трубопроводах тепловой сети при расчетной температуре наружного воздуха для проектирования систем отопления и вентиляции.

На вентиляцию :

Расчетные расходы сетевой воды на горячее водоснабжение, т/ч зависят от схемы присоединения водоподогревателей. При двухступенчатой схеме присоединения расход воды определяют по следующим формулам:

где среднечасовой расход воды на горячее водоснабжение, т/ч.

И температура в подающем и обратном теплопроводах в точке излома графиков температур воды.

Формулы для определения расчетного расхода сетевой воды при параллельной схеме присоединения подогревателей приведены в .

Суммарный расчетный расход сетевой воды, т/ч, в двухтрубных тепловых сетях при качественном регулировании по отопительной нагрузке:

где коэффициент, учитывающий долю среднего расхода воды на горячее водоснабжение, принимается в зависимости от мощности системы теплоснабжения (k=1,0 при k=1,0 при ).

Для потребителей с тепловым потоком 10 МВт и менее суммарный расчетный расход воды следует определять по формуле:

При центральном качественном регулировании отпуска теплоты по совмещённой нагрузке отопления и горячего водоснабжения расчетный расход сетевой воды определяется как сумма расходов воды на отопление и вентиляцию без учета нагрузки горячего водоснабжения:

Расчетный расход сетевой воды в неотопительный период, т/чопределяется по формуле:

где определяют по формуле (33), с учётом того, что максимальную тепловую нагрузку на горячее водоснабжение определяют с учётом повышения температуры холодной воды до 15 o C;

Коэффициент, учитывающий изменение расхода воды на горячее водоснабжение в неотопительный период по отношению к отопительному, принимаемый для жилищно-коммунального сектора равным 0,8. Для курортных и южных городов , для промышленных предприятий .

ПРИМЕР 4. Для двух кварталов района города определить расчетный суммарный расход сетевой воды. Данные по расчетным тепловым потокам взять из примера 1. Температура воды в подающем трубопроводе , в обратном Регулирование отпуска теплоты производится по совмещенной нагрузке на отопление и горячее водоснабжение.

Расчет ответвлений.

Участок 5. Располагаемое давление на уч.5 Р Р.5, Па, принимаем равным потерям давления на участке 4.

Р 4 = 23400 Па.

Вычисляем средние удельные потери давления на участке Rc P , Па/м, по формуле

Rср= Р Р, Уч / С пр, (2.25)

где - располагаемое давление расчетного участка, Па, равное потерям дав­ления из точки разветвления потоков до наиболее удаленного потребителя; С пр -приведенная длина расчетного участка, м.

Rср=23400/104 = 225 Па/м

Ориентируясь на значение Rc P =225 Па/м и G p =18,5 кг/с, по или прил. 4. принимаем диаметр участка d=125 мм, действительные удельные потери составят R 5 =270 Па/м.

Аналогично производится предварительный расчет других ответвлений. Ре­зультаты расчета заносятся в табл.2.2.

После проведения предварительного гидравлического расчета разрабатыва­ем монтажную схему теплопроводов (рис. 2.13).

Рис. 2.13. Монтажная схема тепловой сети

Находим по монтажной схеме эквивалентную длину местных сопротивле­нии м, по прил.5, результаты заносим в табл. 2.3. Уточненные значения эквивалентных длин участков заносятся в табл.2.2 и проводится окончательный расчет: пересчитываются значения приведенных длин пр и потерь давлений Р на участках.

Вычисляется невязка между располагаемым давлением Р р, Па, и окончательными потерями давления на ответвлениях Р, Па, по формуле

В случае, если величина невязки превышает ±10%, может потребоваться шмена диаметра на некоторых участках и корректировка гидравлического расче-i.i 1 [ри невозможности увязки потерь давления подбором диаметров избыточное (Явление гасится на вводах в абонентские установки с помощью дроссельных (иафрагм или шайб.

2.5.5. Построение пьезометрического графика

После выполнения гидравлического расчета приступают к построению пье­зометрического графика (графика давлений) для расчетной магистрали и одного из ответвлений (по заданию руководителя). Пьезометрическим называется напор, отсчитанный от оси прокладки теплопровода.

Пьезометрический график позволяет определить напор и располагаемый напор в любой точке сети; учесть взаимное влияние рельефа местности, высоты присоединенных потребителей и потерь напора в сети; выбрать схемы присоеди­нения потребителей.

График давлений строится для статического и динамического режимов сис­темы теплоснабжения. При его построении по оси ординат откладывают значения напоров в подающей и обратной магистралях тепловой сети, отметки рельефа ме­стности и высоты присоединенных потребителей. По оси абсцисс строят профиль местности и откладывают длину расчетных участков. Ввиду небольшого заглубления теплопроводов (около 1,5 м) ось теплотрассы условно принимают совпа­дающей с поверхностью земли.

После построения профиля местности и нанесения высот присоединенных тотребителей разрабатывают график напоров при статическом режиме, когда циркуляция теплоносителя в тепловой сети отсутствует, и напор в системе под­держивается статическими (подпиточными) насосами. При таком режиме график напоров представляет собой прямую, параллельную оси абсцисс, расположенную выше всех присоединенных потребителей на 3...5 м, для обеспечения заполнения водой систем отопления абонентов сети. Максимальный статический напор в теп­ловой сети при присоединении отопительных установок по зависимым схемам не должен превышать 60 м из условия механической прочности чугунных отопи­тельных приборов. При разработке статического режима следует стремиться к установлению одинакового статического напора для всей системы теплоснабже­ния. Когда невозможно достигнуть этого условия, тепловую сеть разделяют на несколько статических зон или присоединяют потребителей по независимой схе­ме.

После построения линии статического напора разрабатывают график напо­ров при динамическом режиме, когда циркуляция теплоносителя в тепловой сети осуществляется сетевыми насосами. Построение начинают с нанесения линий максимальных и минимальных допустимых пьезометрических напоров. Макси­мальный напор в подающем теплопроводе не должен превышать 160 м по усло­вию прочности стальных трубопроводов и арматура. Минимальный напор должен обеспечивать невскипание теплоносителя при его циркуляции в сети. Эта вели­чина зависит от расчетной температуры воды. Например, при Т] = 150С° напор, обеспечивающий невскипание теплоносителя, равен 38 м.

Для обратного теплопровода максимальный напор при зависимых схемах присоединения потребителей не должен превышать 60 из условия механической прочности чугунных отопительных приборов, при независимых схемах - 100 м из условия прочности водоподогревателей. Минимальный пьезометрический напор для обратной магистрали должен обеспечивать избыточный напор в сети для за­щиты системы от подсоса воздуха и предупреждения кавитации насосов. Мини­мальный напор принимают равным 5 м. Линии действительных динамических напоров подающей и обратной магистралей не должны выходить за линии пре­дельных значений напоров. На рис. 2.14 приведен пример построения пьезомет­рического графика для двухтрубной тепловой сети. Построение линий напора по­дающего и обратного трубопроводов производится на основании полученных по­терь давления на участках (см. табл. 2.2).

Иногда требуется построить пьезометрический график при заданном распо­лагаемом давлении. При этом должно быть известно значение напора в подающем трубопроводе.

Вычерчивание графика напоров подающей магистрали начинают из точки, соответствующей напору на вводе в микрорайон (по заданию). Напор в конце первого участка меньше на величину потерь напора при движении по нему рас­четного расхода теплоносителя, и далее - напор в конце каждого последующего участка уменьшается на величину потерь напора в нем. При построении следует обратить внимание, что в табл.2,2 приведены потери давления Р, измеряемые в

Длина 1, м

Паскалях, а на пьезометрическом графике откладываются значения напора 11, измеряемые в метрах водяного столба. Допустимо принять следующее соотношение: 1 м вод. ст. = 10 4 Па.

Потери давления в обратном трубопроводе принимаются такими же, как и в подающем, поэтому пьезометр обратной линии строят из точки, соответствующей давлению в обратной магистрали на вводе, симметрично пьезометру подающей пинии.

Гидравлический расчет - один из важнейших разделов проектирования и эксплуатации тепловой сети.

При проектировании в гидравлический расчет входят следующие задачи:

1)определение диаметров трубопроводов;

2)определение падения давления (напора);

3)определение давлений (напоров) в различных точках сети;

4)увязка всех точек системы при статическом и динамическом режимах с целью обеспечения допустимых давлений и требуемых напоров в сети и абонентских системах.

В некоторых случаях может быть поставлена также задача определения пропускной способности трубопроводов при известном их диаметре и заданной потере давления.

Результаты гидравлического расчета дают следующий исходный материал:

1)для определения капиталовложений, расхода металла (труб) и основного объема работ по сооружению тепловой сети;

2)установления характеристик циркуляционных и подпиточных насосов, количества насосов и их размещения;

3) выяснения условий работы источников теплоты, тепловой сети и абонентских систем и выбора схем присоединения теплопотребляющих установок к тепловой сети;

5) разработки режимов эксплуатации систем теплоснабжения.

Для проведения гидравлического расчета должны быть заданы схема и профиль тепловой сети, указаны размещение источников теплоты и потребителей и расчетные нагрузки.

Схема тепловой сети определяется размещением источников теплоты (ТЭЦ или котельных) по отношению к району теплового потребления, характером тепловой нагрузки потребителей района и видом теплоносителя. Основные принципы, которыми следует руководствоваться при выборе схемы тепловой сети, - надежность и экономичность теплоснабжения. При выборе конфигурации тепловых сетей следует, как правило, стремиться к получению наиболее простых решений и наименьшей длины теплопроводов

Более сложной задачей считается выбор схемы водяных тепловых сетей, поскольку их нагрузка, как правило, менее концентрирована. Водяные тепловые сети в современных городах обслуживают большое число потребителей, измеряемое нередко тысячами и даже десятками тысяч присоединенных зданий, расположенных на территориях, измеряемых часто многими десятками квадратных километров.

Водяные тепловые сети должны четко разделяться на магистральные и распределительные. К магистральным обычно относятся теплопроводы, соединяющие источники теплоты с районами теплового потребления, а также между собой. Теплоноситель поступает из магистральных сетей в распределительные сети и по распределительным сетям подается через групповые тепловые подстанции или местные тепловые подстанции к теплопотребляюшим установкам абонентов. Непосредственное присоединение тепловых потребителей к магистральным сетям не следует допускать, за исключением случаев присоединения крупных промышленных предприятий.

Уравнение Бернулли для установившегося движения по трубопроводу несжимаемой жидкости, выражающее, отнесенный к единице массы, энергетический баланс этой жидкости без учета ее энтальпии, может быть записано в виде:

Где Z 1 и Z 2 - геометрическая высота оси трубопровода в сечениях 1 и 2 по отношению к горизонтальной плоскости отсчета,

w 1 , и w 2 - скорости движения жидкости в сечениях 1 и 2, м/с;

р 1 и р 2 - давления жидкости, измеренные на уровне оси трубопровода в сечениях 1 и 2, Па;

δр - падение давления на участке 1 - 2;

ρ - плотность жидкости, кг/м3;

g- ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с2.

Первый член в Z 1 g - удельная энергия высоты в данном сечении, (отнесенная к единице массы жидкости), Дж/кг;

w 2 /2 - удельная кинетическая энергия жидкости в данном сечении, Дж/кг;

р/ρ - удельная потенциальная энергии жидкости в данном сечении, Дж/кг;

δр /ρ - удельная потеря потенциальной энергии жидкости из-за трения и местных сопротивлений на участке трубопровода 1-2, Дж/кг, которая переходит в теплоту, что приводит к увеличению удельной энтальпии жидкости в процессе ее движения по трубопроводу.

Наряду с удельной энергией в гидравлическом расчете тепловых сетей широко используется другой параметр - напор, м:

где р - давление в трубопроводе, Па

ρ/γ=H - пьезометрический напор, м;

γ – удельный вес жидкости, Н/м 3 .

При гидравлическом расчете трубопроводов обычно заданы расход теплоносителя и суммарное паление давления на участке. Требуется определить диаметр трубопровода. Расчет состоит из двух этапов: предварительного и проверочного. Гидравлический расчет упрощается при использовании номограмм.

Предварительный расчет.

1.Задаются долей местных потерь или вычисляют ее.

2.Находят удельное линейное падение давления.

3.Определяют среднюю плотность теплоносителя на участке.

4.Определяют диаметр трубопровода из предположения его работы в квадратичной области.

Проверочный расчет.

1.Предварительно рассчитанный диаметр округляют до ближайшего по стандарту. Используя для этого таблицу стандартных диаметров труб, применяемых при транспортировке воды и водяного пара.

2.Определяют число Re. сравнивают его с предельным Re пр, рассчитанным ранее. Устанавливают расчетную область, в которой работает трубопровод.

3. При расчете паропроводов сопоставляют полученное значение ρ ср с предварительно принятым. При большом расхождении задаются более близкими значениями этих величин и вновь осуществляют проверочный расчет.

По результатам расчета строится пьезометрический график сети.

В задачу гидравлического расчета входят:

Определение диаметра трубопроводов;

Определение падения давления (напора);

Определение давлений (напоров) в различных точках сети;

Увязка всех точек сети при статическом и динамическом режимах с целью обеспечения допустимых давлений и требуемых напоров в сети и абонентских системах.

По результатам гидравлического расчета можно решить следующие задачи.

1. Определение капитальных затрат, расхода металла (труб) и основного объема работ по прокладке тепловой сети.

2. Определение характеристик циркуляционных и подпиточных насосов.

3. Определение условий работы тепловой сети и выбора схем присоединения абонентов.

4. Выбор автоматики для тепловой сети и абонентов.

5. Разработка режимов эксплуатации.

a. Схемы и конфигурации тепловых сетей.

Схема тепловой сети определяется размещением источников тепла по отношению к району потребления, характером тепловой нагрузки и видом теплоносителя.

Удельная протяженность паровых сетей на единицу расчетной тепловой нагрузки невелика, поскольку потребители пара – как правило, промышленные потребители – находятся на небольшом расстоянии от источника тепла.

Более сложной задачей является выбор схемы водяных тепловых сетей вследствие большой протяженности, большого количества абонентов. Водяные ТС менее долговечны, чем паровые вследствие большей коррозии, больше чувствительны к авариям из-за большой плотности воды.

Рис.6.1. Однолинейная коммуникационная сеть двухтрубной тепловой сети

Водяные сети разделяют на магистральные и распределительные. По магистральным сетям теплоноситель подается от источников тепла в районы потребления. По распределительным сетям вода подается на ГТП и МТП и к абонентам. Непосредственно к магистральным сетям абоненты присоединяются очень редко. В узлах присоединения распределительных сетей к магистральным устанавливаются секционирующие камеры с задвижками. Секционирующие задвижки на магистральных сетях обычно устанавливаются через 2-3 км. Благодаря установке секционирующих задвижек уменьшаются потери воды при авариях ТС. Распределительные и магистральные ТС с диаметром меньше 700 мм делаются обычно тупиковыми. В случае аварий для большей части территории страны допустим перерыв в теплоснабжении зданий до 24 часов. Если же перерыв в теплоснабжении недопустим, необходимо предусматривать дублирование или закольцовку ТС.

Рис.6.2. Кольцевая тепловая сеть от трех ТЭЦ Рис.6.3. Радиальная тепловая сеть

При теплоснабжении крупных городов от нескольких ТЭЦ целесообразно предусмотреть взаимную блокировку ТЭЦ путем соединения их магистралей блокировочными связями. В этом случае получается кольцевая тепловая сеть с несколькими источниками питания. Подобная схема имеет более высокую надежность, обеспечивает передачу резервирующих потоков воды при аварии на каком-либо участке сети. При диаметрах магистралей, отходящих от источника тепла 700 мм и менее, обычно применяют радиальную схему тепловой сети с постепенным уменьшением диаметра трубы по мере удаления от источника и снижения присоединенной нагрузки. Такая сеть наиболее дешевая, но при аварии теплоснабжение абонентов прекращается.

b. Основные расчетные зависимости