Применение разборных пластинчатых теплообменников для подключения систем отопления и ГВС. Часть 1.

Предисловие

Особенности работы теплообменного оборудования возможно рассмотреть только через призму применения его в конкретной системе. В данном случае мы будем говорить о централизованном теплоснабжения и без понимания потребностей системы целиком, сложно определить оптимальные решения, которые не будут идти в противовес общей стратегии работы комплекса. В советское время в г. Ленинград за развитие системы теплоснабжения отвечал институт ЛенНИИпроект, все принятые решения основывались на общей концепции совместной работы ключевых узлов системы от источника до потребителя. В настоящее время в городе так же разрабатывается и утверждается схема теплоснабжения Санкт-Петербурга с учетом перспективы развития в будущем. Но если в ЛенНИИпроект разрабатывались типовые решения для всех разделов, включая внутренние инженерные системы и ИТП. То теперь во многом на текущие инженерные решения влияют социально-экономические аспекты каждого игрока на рынке, будь это государство, застройщик, экспертиза, теплоснабжающая компания, проектировщик или монтажник. Поэтому в рамках одного города встречаются различные подходы к организации подключения объектов к централизованной системе теплоснабжения. Как пример можно привести федеральный закон регламентирующий переход на закрытые системы теплоснабжения и фактическую реализацию данной программы в Санкт-Петербурге.

Основная тема нашего материала — это применение разборных пластинчатых теплообменников для подключения систем отопления и ГВС. Наиболее сложным с точки зрения организации теплоснабжения объекта является присоединение системы горячего водоснабжения, поэтому проанализируем её работу в различных вариантах исполнения. Не даром в среде проектировщиков ходит поговорка «ГВС темный лес».

Независимое подключение системы отопления в данном случае не так многогранно, но работу данной системы мы так же рассмотрим.

Исторически сложилось так, что в отечественных теплофикационных системах применяются два способа горячего водоснабжения (ГВС) потребителей: приготовление воды необходимого качества и подогрев ее на ТЭЦ с последующим разбором горячей воды потребителями непосредственно из теплосети (в открытых системах) и подогрев водопроводной питьевой воды перед подачей потребителям сетевой водой в поверхностных теплообменниках местных тепловых пунктов (в закрытых системах). Эти два способа ГВС используются в равной мере: например, Москва располагает крупнейшей в мире закрытой системой теплоснабжения, а Санкт-Петербург - крупнейшей в мире открытой системой. Каждая из этих двух систем теплоснабжения обладает своими достоинствами и своими недостатками. Дискуссия о том, какая из этих двух систем лучше, началась с полемики патриархов теплофикации профессоров С.Ф. Копьева и Е.Я. Соколова в 40-50-е гг. прошлого века и не заканчивается до сих пор. Порядок выбора систем теплоснабжения при новом проектировании долгое время регламентировался несовершенными рекомендациями, в которых одним из важнейших факторов при выборе типа системы был химический состав примесей в исходной воде городского источника водоснабжения. (Журнал «Новости теплоснабжения» №10 (146) 2012 г., http://www.ntsn.ru/10_2012.html)

Каждая система обладает рядом преимуществ и недостатков. И чтобы лучше понять работу закрытой системы теплоснабжения с теплообменным оборудованием сперва проанализируем её работу.

Для сравнения работы различных вариантов подключения, проведем расчет потребления расходов теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах для разных режимов аналогично методике «построения графиков и расходов сетевой воды» (Теплофикация и тепловые сети 7-е издание) и оценим влияние на организацию узла подготовки теплоносителя. В качестве примера используем усредненный объект со следующими параметрами:

Открытое водоснабжение

Режим работы открытой системы теплоснабжения в межотопительный период

Рассчитанные параметры:

Летом отсутствует нагрузка системы отопления, поэтому система теплоснабжения обеспечивает минимально необходимую температуру на нужды ГВС и теплоноситель полностью разбирается из подающего трубопровода, т.е. подмес теплоносителя из обратного трубопровода отсутствует G``гвс=0 т/ч. Соответственно расход теплоносителя из тепловой сети определяется через максимальную нагрузку и разницу температур холодной воды Tх=5 ˚С из водопровода и горячей воды Tгвс=70 ˚С, подаваемой абоненту, и составляет 5 т/ч. В летнем режиме это максимальный расход из подающего трубопровода. Расход в обратном трубопроводе зависит от наличия циркуляционного расхода, для упрощения в данном примере циркуляционный расход не будет учтен.

Режим работы открытой системы теплоснабжения в точке излома отопительного графика, Tн= 3,3 ˚С, T``1=70 ˚С, T``2=42 ˚С.

Для данного режима теплоснабжения из подающего трубопровода тепловой сети разбирается максимальный расход, соответствующий сумме максимального расхода на нужды ГВС и максимального расхода системы отопления. Расход в обратном трубопроводе остается неизменным и равен расходу системы отопления.

При температуре наружного воздуха выше, чем в точке излома, температура теплоносителя в подающем трубопроводе сохраняется неизменной для обеспечения параметров горячего водоснабжения. Уменьшение нагрузки системы отопления до точки излома будет компенсироваться за счет местной автоматики снижением расхода греющего теплоносителя.

Режим работы открытой системы теплоснабжения от точки излома до расчетной температуры наружного воздуха, пример для Tнв= -10 ˚С, T`1=108 ˚С, T`2=57 ˚С.

Режим работы открытой системы теплоснабжения в расчетный отопительный период, Tнв= -24 ˚С

В расчетный период подача теплоносителя на нужды ГВС из подающего трубопровода отсутствует, а расход системы ГВС полностью разбирается из обратного трубопровода. Для данного режима максимальный расход в подающем трубопроводе соответствует расходу системы отопления, при этом расход в обратном трубопроводе будет варьироваться от максимального расхода на отопление до разницы расходов отопления и ГВС. Для объектов с расходом на нужды ГВС большем, чем расход системы отопления при данном режиме, не исключается разбор теплоносителя из обратного трубопровода тепловой сети.

Организация узла подготовки ГВС

Работа централизованного теплоснабжения сопряжена с протяженными тепловыми сетями и как следствие подключение абонентов происходит при сложных гидравлических условиях низкого давления в обратном трубопроводе, высокого давления в подающем трубопроводе или высокой статики объекта. В данном случае у абонента требуются не только поддержание температурного режима за счет регулирующего клапана, но и стабилизация давлений при помощи дополнительных регуляторов давления. При открытом теплоснабжении задающим параметром давления, поступающим к потребителю, является минимальное значение давления в точках отбора теплоносителя, как правило — это обратный трубопровод. Для осуществления смешения в подающем трубопроводе давление должно быть снижено до значения в обратном трубопроводе в точке отбора, для этого на подающей линии совместно с регулирующим клапаном устанавливается регулятор перепада давлений. При этом отбор импульса давления от обратного трубопровода должен производиться до обратного клапана по ходу движения теплоносителя, в противном случае, есть риск закрытия обратного клапана и открытие регулятора перепада давлений, что спровоцирует рост давления и температуры в системе ГВС.

При большой разнице давлений между подающей и обратной линиями необходимо дросселировать избыточное давление на подающем трубопроводе при помощи регулирующей арматуры, которая находится в условиях высокой расчетной температуры теплоносителя и низких допустимых перепадов давлений в следствии ограничения по кавитационному расчету. В некоторых случаях стандартной связки регулирующего клапана и регулятора перепада давлений недостаточно для редуцирования располагаемого напора и требуется устанавливать дополнительный регулятор давления (на схеме не указан).

При необходимости повышения давления в точке смешения, например для уменьшения перепада на подающей линии или для обеспечения требуемого давления в системе ГВС, возможно рассмотреть установку дополнительного клапана подпора на общем выходе в сеть за отбором теплоносителя на нужды ГВС. При этом необходимо убедиться, что давление в обратном трубопроводе не превышает пороговые значения для других систем и остаточного перепада достаточно для работы остального оборудования.

Если расход системы ГВС больше расхода системы отопления, то установка регулятора подпора может спровоцировать перекрытие участка на обратном трубопроводе, откуда производится отбор теплоносителя, и привести к ограничению расхода и снижению давления в системе, тогда необходимо исключить регулятор подпора, а для обеспечения требуемого давления на подающей линии установить повысительную насосную станцию.

По эксплуатации данной системы можно сделать следующие заключения:

• предъявляет меньше требований к материалам трубопроводов и арматуре, установленной на трубопроводах у абонента, так как используется централизованно подготовленная вода;
• суммарный перекачиваемый расход меньше, чем для закрытой системы теплоснабжения так как нет необходимости в доставке дополнительного греющего теплоносителя;
• усложняет эксплуатацию тепловых сетей. Разность расходов в подающем и обратном трубопроводе и неравномерное изменение этих расходов сказывается на гидравлических режимах работы тепловых сетей;
• удорожает систему водоподготовки на источнике;
• имеет выраженные пики водопотребления в часы максимального водопотребления, что приводит к скачкам расхода как в подающем трубопроводе, так и в обратном;
• при неблагоприятных условиях необходимо поддерживать гидравлический режим абонента при помощи дополнительного оборудования, что осложняет эксплуатацию и наладку системы.

Итог:

Открытая система ГВС на данный момент не допустима для применения на объектах нового строительства, но все еще широко распространена в старом фонде, и даже обновляется по программе модернизации. Полный отказ от открытой системы требует колоссальных затрат для всех участников, так как приведет к изменению:

• принципа работы теплофикационных источников, специализированных для работы на открытые системы теплоснабжения;
• диаметров тепловых сетей и сетей водоканала, а также оборудования, установленного на сетях, в следствии перераспределения расходов теплоносителя;
• переоборудование инженерных систем абонентов, начиная от установки подготовки горячей воды в ИТП и заканчивая перекладкой трубопроводов внутренних систем, выполненных из углеродистой стали, непригодных для работы на не подготовленном теплоносителе.