Пьезометрический напор в обратном трубопроводе. Эксплуатация тепловых сетей
5.5. Пьезометрический график
При проектировании и эксплуатации разветвленных тепловых сетей широко используется пьезометрический график, на котором в конкретном масштабе нанесены рельеф местности, высота присоединенных зданий, напор в сети; по нему легко определить напор () и располагаемый напор (перепад давлений) в любой точке сети и абонентских системах.
На рис. 5.5 приведены пьезометрический график двухтрубной водяной системы теплоснабжения и принципиальная схема системы. За горизонтальную плоскость отсчета напоров принят уровень I - I , имеющий горизонтальную отметку 0; , – график напоров подающей линии сети; , – график напоров обратной линии сети; – полный напор в обратном коллекторе источника теплоснабжения – напор, развиваемый сетевым ом 1; Н ст – полный напор, развиваемый подпиточным ом, или, что то же, полный статический напор тепловой сети; Н к – полный напор в точке К на нагнетательном патрубке а 1; – потеря напора сетевой воды в теплоподготовительной установке III ;
Н
n
1 – полный напор в подающем коллекторе источника теплоснабжения: 
.
Располагаемый напор сетевой воды на коллекторах 
. Напор в любой точке тепловой сети, например в точке 3,
обозначается следующим образом: – полный напор в точке 3
подающей линии сети; –
полный напор в точке 3
обратной линии сети.
Если геодезическая высота оси трубопровода над плоскостью отсчета в этой точке сети равна Z
3 , то пьезометрический напор в точке 3
подающей линии , а пьезометрический напор в обратной линии . Располагаемый напор в точке 3
тепловой сети равен разности пьезометрических напоров подающей и обратной линий тепловой сети или, что одно и то же, разно сти полных напоров 
.
Располагаемый напор в тепловой сети в узле присоединения абонента Д:
Потеря напора в обратной линии на этом участке тепловой сети
 |
При гидравлическом расчете паровых сетей профиль паропровода можно не учитывать вследствие малой плотности пара. Падение давления на участке паропровода принимается равным разности давлений в концевых точках участка. Правильное определение потери напора, или падения давления в трубопроводах, имеет первостепенное значение для выбора их диаметров и организации надежного гидравлического режима сети.
Для предупреждения ошибочных решений следует до проведения гидравлического расчета водяной тепловой сети наметить возможный уровень статических напоров, а также линии предельно допустимых максимальных и минимальных гидродинамических напоров в системе и, ориентируясь по ним, выбрать характер пьезометрического графика из условия, что при любом ожидаемом режиме работы напоры в любой точке системы теплоснабжения не выходят за допустимые пределы. На основе технико-экономического расчета следует лишь уточнить значения потерь напора, не выходя за пределы, намеченные по пьезометрическому графику. Такой порядок проектирования позволяет учесть технические и экономические особенности проектируемого объекта.
Основные требования к режиму давлений водяных тепловых сетей из условия надежности работы системы теплоснабжения сводятся к следующему:
1) не разрешается превышение допустимых давлений в оборудовании источника, тепловой сети и абонентских установок. Допустимое избыточное (сверх атмосферного) в стальных трубопроводах и арматуре тепловых сетей зависит от применяемого сортамента труб и в большинстве случаев составляет 1,6–2,5 МПа;
2) обеспечение избыточного (сверх атмосферного) давления во всех элементах системы теплоснабжения для предупреждения кавитации ов (сетевых, подпиточных, смесительных) и защиты системы теплоснабжения от подсоса воздуха. Невыполнение этого требования приводит к коррозии оборудования и нарушению циркуляции воды. В качестве минимального значения избыточного давления принимают 0,05 МПа (5 м вод. ст.);
3) обеспечение не вскипания сетевой воды при гидродинамическом режиме системы теплоснабжения, т.е. при циркуляции воды в системе.
Во всех точках системы теплоснабжения должно поддерживаться , превышающее насыщенного водяного пара при максимальной температуре сетевой воды в системе.
На пьезометрическом графике в масштабе наносятся рельеф местности, высота присоединенных зданий, напор в сети. По этому графику легко определить напор и располагаемый напор в любой точке сети и абонентских системах.
За горизонтальную плоскость отсчета напоров принят уровень 1 – 1 (см.рис.6.5). Линия П1 – П4 – график напоров подающей линии. Линия О1 – О4 – график напоров обратной линии. Н о1 – полный напор на обратном коллекторе источника; Н сн – напор сетевого насоса; Н ст – полный напор подпиточного насоса, или полный статический напор в тепловой сети; Н к – полный напор в т.К на нагнетательном патрубке сетевого насоса; DH т – потеря напора в теплоприготовительной установке; Н п1 – полный напор на подающем коллекторе, Н п1 = Н к – DH т. Располагаемый напор сетевой воды на коллекторе ТЭЦ Н 1 =Н п1 -Н о1 . Напор в любой точке сети i обозначается как Н п i , H oi – полные напоры в прямом и обратном трубопроводе. Если геодезическая высота в точке i есть Z i , то пьезометрический напор в этой точке есть Н п i – Z i , H o i – Z i в прямом и обратном трубопроводах, соответственно. Располагаемый напор в точке i есть разность пьезометрических напоров в прямом и обратном трубопроводах – Н п i – H oi . Располагаемый напор в тепловой сети в узле присоединения абонента Д есть Н 4 = Н п4 – Н о4 .
Рис.6.5. Схема (а) и пьезометрический график (б) двухтрубной тепловой сети
Потеря напора в подающей линии на участке 1 – 4 есть 
. Потеря напора в обратной линии на участке 1 – 4 есть 
. При работе сетевого насоса напор Н
ст подпиточного насоса регулируется регулятором давления до Н
о1 . При остановке сетевого насоса в сети устанавливается статический напор Н
ст, развиваемый подпиточным насосом.
При гидравлическом расчете паропровода можно не учитывать профиль паропровода из-за малой плотности пара. Потери напора у абонентов, например 
, зависит от схемы присоединения абонента. При элеваторном смешении DН
э = 10…15 м, при безэлеваторном вводе – Dн
бэ =2…5 м, при наличии поверхностных подогревателей DН
п =5…10 м, при насосном смешении DН
нс = 2…4 м.
Требования к режиму давления в тепловой сети:
В любой точке системы давление не должно превышать максимально допустимой величины. Трубопроводы системы теплоснабжения рассчитаны на 16 ата, трубопроводы местных систем – на давление 6…7 ата;
Во избежание подсосов воздуха в любой точке системы давление должно быть не менее 1.5 ата. Кроме того, это условие необходимо для предупреждения кавитации насосов;
В любой точке системы давление должно быть не меньше давления насыщения при данной температуре во избежание вскипания воды.
Для анализа работы тепловых сетей, выбора сетевого оборудования, схем подключения абонентов к тепловым сетям необходимо разрабатывать гидравлические режимы водяных тепловых сетей (пьезометрические графики). Они показывают изменение давления по длине трубопроводов и в элементах тепловых сетей. Гидравлические режимы следует разрабатывать для отопительных и неотопительных периодов, а также для аварийных режимов.
Пьезометрический график строят для двух режимов работы: статического, когда сетевой насос не работает, и динамического при работающем сетевом насосе. При статическом режиме циркуляция воды отсутствует, а давление ее во всех точках трубопроводов одинаково. Величина этого давления должна быть достаточной для заполнения местных систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения в случае останова сетевого насоса. На практике статическое давление поддерживается работой подпиточного насоса, подключаемого к всасывающему патрубку сетевого насоса. Соответственно, давление, развиваемое подпиточным насосом, должно быть равно давлению перед сетевым насосом.
При расчете пьезометрического графика необходимо соблюдать следующие условия:
1. Статическое давление в системах теплоснабжения при теплоносителе воде не должно превышать допускаемое давление в оборудовании источника теплоты, в трубопроводах водяных тепловых сетей, в оборудовании тепловых пунктов и в системах отопления, вентиляции и горячего водоснабжения потребителей, непосредственно присоединенных к тепловым сетям.
2. Статическое давление должно обеспечивать заполнение водой систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения потребителей, непосредственно присоединенных к тепловым сетям, в случае останова сетевого насоса.
3. Давление воды в подающих трубопроводах водяных тепловых сетей при работе сетевых насосов должно приниматься исходя из условий невскипания воды при ее максимальной температуре в любой точке подающего трубопровода, в оборудовании источника теплоты и в приборах систем потребителей, непосредственно присоединенных к тепловым сетям.
4. Давление воды в обратных трубопроводах водяных тепловых сетей при работе сетевых насосов должно быть избыточным (не менее 0,05 МПа), не превышать допускаемого давления в системах потребителей и обеспечивать заполнение местных систем (превышать давление, создаваемое столбом воды в системах отопления многоэтажных зданий).
5. Давление и температура воды во всасывающих патрубках сетевых, подпиточных, подкачивающих и смесительных насосов не должны превышать допускаемых по условиям прочности конструкций насосов.
6. Перепад давлений на вводе двухтрубных водяных тепловых сетей в здания при определении напора сетевых насосов (при элеваторном присоединении систем отопления) следует принимать равным расчетным потерям давления на вводе и в местной системе с коэффициентом 1,5, но не менее 0,15 МПа.
По пьезометрическому графику видно что:
1.Напор во всасывающем патрубке сетевого насоса выше 5м во избежание ковитации.
Н вс. = 10м > 5м
2.Линия давления в обратной магистрали расположена выше всех зданий, что обеспечивает заполнение водой всех абонентских систем отопления. Условие выполняется.
3.Напор обратной магистрали не превышает по прочности допустимого
Н доп. = 60 м;
Н обр. = 45,8м;
Н обр. < Н доп.
Условие выполняется.
4.Напор в подающей магистрали Н Г не превышает допустимого давления по прочности труб.
Н доп. тр. = 100 м;
Н под тр. . = 66,7 м;
Н под тр. . < Н доп. тр.
Условие выполняется.
5.Напор в обратной магистрали в статическом и динамическом режимах не превышает по прочности допускаемое давление в элементах систем теплопотребления:
Н обр. = 45,8 м;
Н доп. = 60 м;
Н обр. < Н доп.
Условие выполняется.
6.Давление в подающей магистрали превышает давление насыщения, т.е. условие невскипания для данной температуры теплоносителя равной 150°С соблюдается.
Выбор насосов
Для подбора любого насоса необходимо знать его производительность (подачу) и развиваемое давление (напор). При этом следует учитывать, что требуемые режимы работы (производительность и давление) должны находиться в пределах рабочей области его характеристики. По требуемой подаче и напору на сводном графике полей предварительно выбирают насос нужного типоразмера, а затем по графической характеристике уточняют правильность выбора и определяют все остальные показатели (коэффициент полезного действия, мощность на валу электродвигателя, число оборотов, диаметр рабочего колеса).
Производительность сетевого насоса равна суммарному расходу теплоносителя в тепловой сети на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение.
Давление сетевого насоса, МПа расходуется на преодоление сопротивления системы теплоснабжения
где - потеря давления в сетевом оборудовании котельной, МПа;
Потеря давления в подающей магистрали, МПа;
Потеря давления в обратной магистрали, МПа;
Потеря давления у абонента, МПа.
Потери давления определяем по пьезометрическому графику.
В двухтрубных системах теплоснабжения при наличии круглогодовой нагрузки горячего водоснабжения целесообразна установка не менее двух сетевых насосов с разными характеристиками: один для работы в холодный период с максимальной производительностью, другой – для перекачки воды в системе горячего водоснабжения в теплое время года. Производительность второго насоса:
.
Кроме этого обязательна установка резервного насоса.
Для компенсации утечек воды и поддержания необходимого уровня пьезометрического давления, как при статическом, так и при динамическом режиме, необходима установка подпиточного насоса.
Развиваемое им давление принимается равным давлению во всасывающем патрубке сетевого насоса и определяется положением пьезометрической линии в обратной магистрали. Расход подпиточного насоса, м 3 /ч в зависимости от вида системы теплоснабжения определяется по формулам:
Для подпитки закрытой тепловой сети
;
Для подпитки открытой тепловой сети
,
где V – объем воды в системе теплоснабжения, м 3 ;
Максимальный расход воды на горячее водоснабжение, м 3 /ч.
Объем воды в системе теплоснабжения может быть определен по фактическим размерам труб (длине и диаметру) или по удельным показателям, определяющим объем воды, приходящийся на единицу тепловой мощности. Объем воды определяется для всех элементов системы теплоснабжения: котельной, наружных трубопроводов, местных абонентских систем. Удельные объемы воды, м 3 /МВт можно принять равными:
Для котельной 
;
Для наружных трубопроводов 
;
Для систем отопления ;
Для систем вентиляции ;
Для систем горячего водоснабжения ;
, 
, 
, 
;
С учетом изложенного объем воды может быть определен по формуле
где - суммарный расчетный расход теплоты в системе теплоснабжения, МВт;
, , – расчетные расходы теплоты на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение, соответственно, МВт.
Минимальное число рабочих подпиточных насосов принимается равным: в закрытых системах – один, в открытых – два. В обоих случаях предусматривается один резервный насос той же производительности.
В системах теплоснабжения в качестве сетевых циркуляционных и подпиточных насосов могут использоваться насосы следующих типов:
1. СЭ –горизонтальные спирального типа с рабочими колесами двойного входа одноступенчатые. Насосы типа СЭ используют в качестве сетевых в крупных системах теплоснабжения и устанавливают на подающих трубопроводах тепловых сетей для перекачивания перегретой воды с температурой до 180°С и с рабочим давлением на входе насосов от 0,4 до 2,5 МПа.
2. Д –горизонтальные одноступенчатые с полуспиральным подводом жидкости к рабочему колесу. Предназначены для воды с температурой не выше 85°С и максимальным подпором 20 м вод.ст.
3. К – Центробежные насосы консольного типа.
Характеристики насосов для тепловых сетей приведены в справочной литературе .
Расчет сетевого насоса:
Объем перекачиваемой воды для зимних условий:
Объем перекачиваемой воды для летних условий:
, (т/час);
Выбираем два сетевых насоса:
Для зимнего периода два насоса марки Д630-90 с параметрами: диаметр рабочего колеса – 450, номинальная подача – 630 м³/час, полный напор – 63 м, КПД – 75%, Мощность на валу насоса – 365 кВт.
Для летнего периода Д200-95 с параметрами: диаметр рабочего колеса – 240, номинальная подача – 200 м³/час, полный напор – 64 м, КПД – 85%, Мощность на валу насоса – 70 кВт.
Также предусматривается один резервный насос марки Д630-90 и один резервный марки Д200-95.
Расчет подпиточного насоса:
, (МПа);
Объем перекачиваемой воды:
, (м³), , (м³),
, (м³), , (м³);
, (т/ч);
Выбираем подпиточный насос К20/30 с параметрами: диаметр рабочего колеса – 162, номинальная подача – 20 м³/час, полный напор – 30 м, КПД – 64%, Мощность на валу насоса – 2,7 кВт.
Предусматривается резервный насос такой же марки.
Пьезометрический график представляет собой графическое изображение напоров в тепловой сети относительно местности, на которой она проложена.
При построении графика на горизонтальной оси откладывают длину сети, а на вертикальной оси напоры. За начало координат в магистральных сетях принимается местоположение источника теплоты. В принятых масштабах строятся профиль трассы и высоты присоединенных потребителей. Для магистральных тепловых сетей могут быть приняты масштабы: горизонтальный М г 1:10000; вертикальный М в 1:1000.
При сравнительно спокойном профиле трассы построение пьезометрического графика начинают обычно с нейтральной точки 0. Нейтральная точка 0 у всасывающего патрубка сетевого насоса принимается таким образом, чтобы обратная линия тепловой сети располагалась выше на 3-5 м. наиболее высоко расположенных зданий.
Далее, используя результаты гидравлического расчета, строится линия потерь напора обратной магистрали. Линия давлений в обратной магистрали должна быть достаточно высокой (что свидетельствует о наполнении местных систем), не пересекать здания на графике (условие бесперебойности) и в то же время быть минимальной (чтобы не повредились приборы отопления – условие безопасности).
Затем строится линия располагаемого напора для системы теплоснабжения для расчетного квартала, величина которого может быть принята 40-50 м.в.ст.
Затем откладывается величина потерь напора в коммуникациях источника теплоты, при отсутствии данных принимается равной 25-30 м.в.ст.
Затем строится линия статического давления, которая должна
превышать на 3-5 м наиболее высоко расположенные здания.
ПРИМЕР 6. По данным гидравлического расчета (пример 5) построить пьезометрический график. Расчетные температуры сетевой воды 150-70 о С. Этажность зданий принять 16 этажей. Высота этажа здания составляет 3 м.
Решение:
Начальную точку 0 принимаем в нейтральной точке у всасывающего патрубка сетевого насоса такой, чтобы обратная линия располагалась на 3-5 м выше наиболее высоко расположенных зданий. Оптимальное значение начальной точки составляет 48 м.в.ст. Для проверки выбранной начальной точки проводим линию давления в обратной магистрали по всей ее длине. Отметка линии напора в конце магистрали составляет 48 м.в.ст. плюс потери напора 6, 83 м.в.ст, т.е 54,83 м.в.ст. Полученная линия давления располагается на 4,83 м выше наиболее высоко расположенных зданий, высота которых составляет 50 м. Исходя из этого можно считать принятую отметку нейтральной точки 48 выбранной правильно.
Строим линию располагаемого напора для системы теплоснабжения квартала 2. Располагаемый напор в данном примере принят равным 40 м.в.ст.
Затем строим линию потерь напора подающего трубопровода. Превышение точки С по отношению к точке D будет равно потерям напора в подающей магистрали, которые принимаются равными потерям напора в обратной магистрали и составляют в данном
примере 6,83 м.
Рисунок 6. Пьезометрический график тепловой сети
Ордината H сум, замыкающая подающую и обратную в начале магистрали(у источника тепла), изображает суммарное падение давления подающей и обратной магистрали и концевого ввода (напор у вывода из котельной). Н п – потребный напор подпиточного насоса при динамическом режиме. Н сн – напор сетевого насоса. H ит – потери напора в коммуникациях источника теплоты.
В тепловых сетях для характеристики гидравлического потенциала наряду с давлением р используется напор Н. Под напором понимается давление, выраженное в линейных единицах, как правило, в метрах столба жидкости, перемещаемой по трубопроводу, т.е.
где H – напор, м; р – давление теплоносителя, кгс /м2 или Н/м2; γ – удельный вес теплоносителя, кгс/м3 или Н/м3.
Аналогичную формулу можно записать и для потерь напора:
где– падение давления или располагаемый перепад давлений.
Удельная линейная потеря напора, отнесенная к единице длины трубопровода, определяется но формуле
Формула (9.2) линейного падения давления с учетом соотношения (9.3) примет вид
Формулы (9.5), (9.6) с учетом соотношения (9.7) приводятся к единой формуле
Гидравлический режим тепловой сети определяют многие факторы: геодезические отметки высот местности, высота зданий, потеря давления (напора) на участках сети и проч. Все эти факторы в определенном масштабе отражаются на пьезометрических графиках. При использовании таких графиков различают полный напор, который отсчитывается от одного общего для всей сети условного горизонтального уровня, и пьезометрический напор (пьезометрическая высота), отсчитываемый от уровня прокладки оси трубопровода в данной точке.
В качестве конкретного примера рассмотрим пьезометрический график двухтрубной сети, приведенной на рис. 9.1. На нем величинапредставляет напор, развиваемый сетевыми насосами ТЭЦ или котельной.
Исходя из условия надежной работы, к режиму давлений водяных тепловых сетей предъявляются следующие требования.
1. Избыточные давления (выше атмосферного) в обратных трубопроводах, а следовательно, и в присоединенных к сети отопительных системах не должны превышать допустимых величин (6 ати для чугунных отопительных приборов). Отметим, что в прямых трубопроводах обеспечение допустимых давлений в отопительных приборах потребителей теплоты обеспечивается с помощью дросселирующих диафрагм (шайб). Отмстим, что обратным называется трубопровод, по которому теплоноситель возвращается от потребителей к источнику теплоты.
Рис. 9.1.
– линия пьезометрических напоров прямого трубопровода; – линия пьезометрических напоров обратного трубопровода; – геодезическая отметка высоты местности; I–I – условная плоскость отсчета, имеющая геодезическую отметку высоты, равную нулю (); Н 1 – пьезометрическая высота на входе в прямой трубопровод; Н 2 – пьезометрическая высота на выходе из обратного трубопровода; ΔH 1 – располагаемый напор на входе в теплосеть; Н 3 – полный напор в прямом трубопроводе у потребителя, расположенного в точке С местности; ΔH 2 – пьезометрическая высота в прямом трубопроводе у потребителя в точке С; ΔH 1 – пьезометрическая высота в обратном трубопроводе у потребителя в точке С; Н 4 – полный напор в обратном трубопроводе потребителя в точке С; ΔН 2 – располагаемый напор у потребителя в точке С ; Н 5 – пьезометрическая высота в конечной точке прямого трубопровода; Н 6 – пьезометрическая высота на входе в обратный трубопровод; ΔН 3 – располагаемый напор в конечной точке теплосети; L – длина трубопроводов теплосети; SS – линия статического напора
- 2. Для предупреждения подсосов воздуха избыточные давления в тепловой сети и присоединенных отопительных системах должны быть не ниже 0,5 ати.
- 3. Из условия обеспечения бескавитационной работы сетевых насосов давление во всасывающей камере должно быть не ниже 0,5 ати.
- 4. Перепад давлений между прямым и обратным трубопроводами (располагаемый перепад давлений) не должен быть ниже допустимой величины (не менее 20 м). Этот перепад должен превышать потерю напора в отопительных системах потребителей. Если это условие невыполнимо (например, при отоплении высотных зданий), то на абонентских вводах устанавливаются повысительные насосные.
- 5. Необходимо обеспечивать невскипание воды во всех трубопроводах тепловой сети и системах отопления абонентов. Ввиду того что температура воды в прямом трубопроводе может превышать 100°С, при некотором давлении, большим атмосферного, может произойти ее вскипание. В связи с этим на пьезометрический график наносится линия статического давления SS. Это линия, характеризующая давление вскипания жидкости в прямом трубопроводе при заданной температуре теплоносителя как при его движении, так и в неподвижном состоянии. Следовательно, давление в прямом трубопроводе не должно быть ниже статического давления. Так как температура воды в обратном трубопроводе всегда меньше 100°С, по условиям вскипания жидкости давление здесь не должно быть ниже атмосферного. В практике эксплуатации тепловых сетей для обеспечения невскипания жидкости и предупреждения подсосов воздуха избыточное давление в обратном трубопроводе не должно быть ниже 0,5 ати.
При отсутствии повысительных и понизительных насосных внутри теплосети пьезометрическая линия прямого трубопровода всегда нисходящая. Наклон этой линии к плоскости отсчета I–I определяется потерями напора по длине трубы, которые, в свою очередь, зависят от рода теплоносителя, его расхода, шероховатости стенок трубопровода и других факторов. Пьезометрическая линия обратного трубопровода от точки В до точки В 2 всегда восходящая. Наклон этой линии зависит от тех же факторов, которыми определяется наклон пьезометрической линии прямого трубопровода.
При малых расходах теплоносителя в коротких трубопроводах большого диаметра потери напора по их длине будут незначительны. Пьезометрические линии прямого и обратного трубопроводов в этом случае будут представлять линии, практически параллельные условной плоскости отсчета I–I.
Напор H 2 в точке В задается подпиточными насосами станции (котельной). Создаваемый ими напор является базовым. Он не изменяется при любых изменениях параметров внутри сети, в том числе и при изменении наклона пьезометрической линии ВВ 2 обратного трубопровода, величина которого определяется факторами, отмеченными выше.