§ 2. Местное автоматическое регулирование расхода тепла

Количественная оценка несоответствия между значениями параметров теплоносителя, устанавливаемых на ТЭЦ, и теми значениями, которые требуется поддерживать в абонентских вводах, может быть выполнена с использованием коэффициентов и величин, приведенных в табл. 22.

Таблица 22 Формулы, характеризующие зависимость между параметрами теплоносителя и коэффициентом расхода тепла

Примечание.

Д Лтп — требуемые величины температурных перепадов а тепловой сети и в системе отопления; 64 — требуемый температурный перепад между нагревательным прибором и воздухом в помещении; в тр — отклонения температуры теплоносителя в системе отопления и тепловой сети.

Помимо общего размера нарушений подачи тепла, при оценке температурного режима помещений должны быть приняты во внимание длительность нарушения режима и динамические характеристики (теплоустойчивость) отапливаемых помещений.

Кроме того, необходимо учитывать, что отклонения параметров теплоносителя в существующих системах отопления вызывают непропорциональное изменение теплоотдачи у нагревательных приборов, расположенных в различных этажах.

В качестве показателя, дающего представление о непропорциональности в изменении расходов тепла, может быть принят коэффициент Р, равный

где г/Мин — коэффициент расхода тепла в приборах отстающего этажа.

Во избежание разрегулировки системы отопления и сохранения пропорционального распределения тепла между нагревательными приборами при местном автоматическом регулировании должна обеспечиваться определенная зависимость параметров теплоносителя в системе от расхода тепла, т. е. регулирование должно производиться по оптимальному количественно-качественному графику.

Указанная зависимость может быть аппроксимирована нижеприведенной системой линейных уравнений:

коэффициент смешения

коэффициент расхода воды в системе отопления

температура воды после системы отопления

температура воды после смесительного устройства

коэффициент расхода воды из тепловой сети

где величины без индекса «г» относятся к расчетному режиму (коэффициент у = 1), а величины с индексом «у» — к искомому.

Используя формулы табл. 22 и уравнения (39) — (43), можно определить:

нарушения режимов работы систем отопления при отсутствии автоматического регулирования в абонентских вводах или при несовершенстве этого регулирования;

необходимую глубину (диапазон) регулирования в автоматизированных абонентских вводах;

необходимый закон изменения расходов воды в системе отопления при местном автоматическом регулировании расхода тепла, обеспечивающий пропорциональное изменение теплоотдачи нагревательных приборов, т. е. исключающий разрегулировку систем отопления.

Для оценки систем автоматического регулирования абонентских вводов, для расчета и настройки автоматических регуляторов удобно пользоваться графиком, приведенным на рис. 22. Анализ графика показывает, что с увеличением расхода воды в тепловой сети х коэффициент смешения и должен уменьшаться, а расход воды в системе отопления — увеличиваться. На характер зависимостей u = f(x) и хсаст = F(x) коэффициент отпуска тепла ф практически не влияет.

Рис.22. Зависимости u = f(x) и Сист = M при которых обеспечивается пропорциональное распределение тепла между нагревательными приборами Условные обозначения: О — Ф=0,2; Д — р=0,6.

Таким образом, регулирование отопительной нагрузки при зависимом присоединении местных систем следует производить путем одновременного изменения коэффициента смешения и расхода воды из тепловой сети.

В табл. 23 — 26 приведены требуемые значения коэффициентов смешения в абонентских вводах при несоответствии статических и динамических характеристик местных систем характеристикам, на которые ориентируется режим центрального регулирования расхода тепла. Приведенные данные показывают, что коэффициент смешения для абонентских вводов некоторых зданий должен иметь различные расчетные значения (например, для зданий, где фактическая поверхность нагрева приборов отличается от требуемой).

Таблица 23 Необходимые значения коэффициентов смешения в абонентских ввода зданий с различными расчетными внутренними температурами

Таблица 24 Необходимые значения коэффициентов смешения в здании, имеющем стены в 1,5 кирпича (6 — 2,5 кирпича)

Время после скачкообразного изменения наружной температуры	Коэффициент смешения
0	2,2
5	2,2
14	1,78
24	1,77
48	1,92
72	2,12

Таблица 25 Необходимые значения коэффициентов смешения в абонентских вводах зданий с различными соотношениями быстрых и медленных тепловых потерь 01>р = 0.5)

Во-вторых, эти коэффициенты необходимо в ряде случаев изменять в зависимости от величины тепловой нагрузки (в частности, когда расчетные температуры воздуха в зданиях отличаются от температур, которые заложены в основу построения режима центрального регулирования). И, наконец, коэффициенты смешения должны меняться в динамике, во время переходного процесса (например, для зданий, где соотношения быстрых и медленных тепловых потерь отличаются от расчетного соотношения).

Таблица 26 Необходимые значения коэффициентов смешения при несоответствии установленной поверхности нагрева приборов

Отношение фактической поверхности	Коэффициент смешения при и, равном
нагрева к требуемой поверхности	2,2	1,4
1,4 1,2 1,0 0,8	4,07 3,16 2,20 1,25	2,96 2,18 1,40 0,61

На рис. 23 показаны различные технологические схемы автоматического регулирования в абонентских вводах.

Рис. 23. Технологические схемы автоматического регулирования в абонентских вводах

а — при обычном элеваторном присоединении систем отопления; б — при элеваторном присоединении систем с обводной линией; в — при двухэлеваторном присоединении; г — при насосном присоединении; д — при последовательном присоединении насоса и элеватора; в — при независимом присоединении систем с искусственной циркуляцией; ж — то же, с естественной циркуляцией ввода, оборудованного обводной линией, приведены на рис. 25.

Автоматизация обычной элеваторной схемы (рис. 23, а) была осуществлена Теплосетью Мосэнерго и Физико-энергетическим институтом АН Латвийской ССР.

Благодаря своей простоте эта схема получила наиболее широкое распространение.

Вместе с тем, как видно из рис. 24, режимы регулирования по рассматриваемой схеме обладают существенными недостатками. Прежде всего не обеспечивается сколько-нибудь значительный рост теплопотребления здания при увеличении пропуска воды из тепловой сети. Так, при коэффициенте смешения и = 1,4 увеличение расхода воды из тепловой сети в два раза приводит к росту подачи тепла в здание всего на 30%. Кроме того, регулирование по этой схеме связано с неизбежным нарушением пропорционального распределения тепла между нагревательными приборами системы отопления. В качестве примера можно привести показатели режима при уменьшении расхода воды из сети на 50% при и — 2,2. Для предотвращения разрегулировки в системе отопления коэффициент смешения должен составлять и = 3,8, а коэффициент расхода воды в системе отопления л; сист = 0,90.

Применение двухпозиционных регуляторов расхода тепла (режима местных пропусков) при этой схеме связано с тепловой разрегулировкой системы отопления: при периодических отключениях системы отдаленные (по ходу воды) приборы получают в среднем за сутки меньшее количество тепла, чем расположенные близко. С повышением частоты отключений размер тепловой разрегулировки увеличивается. Поэтому применение режима местных автоматических пропусков оказывается допустимым только для условий малопротяженных систем отопления (с небольшой разницей в величинах транспортного запаздывания для «головных» и «хвостовых» нагревательных приборов) и для затрубленного регулирования, при котором отключения системы происходят не часто (несколько раз в сутки).

Схема с обводной линией у элеватора (рис. 23,6) предложена ЛНИИ АКХ им. К. Д. Памфилова с целью расширения диапазона местного регулирования тепловой нагрузки. Результаты экспериментальных исследований гидравлического режима абонентского.

При этой технологической схеме регулирующий орган, установленный на основном трубопроводе перед элеватором, нормально открыт, а на обводной линии — нормально закрыт. В том случае, когда тепловые потери здания меньше, чем поступление тепла из тепловой сети, работает регулирующий орган на основном трубопроводе (режим /). При размере тепловых потерь, превышающем отпуск тепла из сети, происходит открытие обводной линии (режим //).

Рис 24 Показатели теплового (а) и гидравлического (б) режимов абонентского ввода с элеваторным узлом смешения при местном количественном регулировании расхода тепла /-требуемые значения параметров; 2-параметры, обеспечиваемые при данной схеме регулирования

Рис. 25. Показатели режимов работы абонентского ввода с элеваторным узлом смешения, оборудованным обводной линией Условные обозначения: А, А, X, О, О — экспериментальные данные; Ар, — отношение потерь давления в трубопроводах абонентского ввода (до элеватора) к общим потерям давления

На рис. 25 видно, что режим регулирования клапаном на основном трубопроводе (х <. 1) характеризуется постоянным коэффициентом смешения и уменьшением расхода воды в системе отопления пропорционально изменению расхода сетевой воды (хс, ст = х). Такой режим работы при значительном уменьшении тепловой нагрузки вызывает разрегулировку систем отопления.

Режим регулирования клапаном на обводной линии у элеватора (х) характеризуется снижением коэффициента смешения; при этом крутизна кривой u = f(x) зависит от относительного гидравлического сопротивления трубопроводов абонентского ввода (Ар).

Таким образом, для обеспечения устойчивой работы системы отопления при рассматриваемой схеме (как при первом режиме, так и при втором) система должна рассчитываться на повышенный расход воды (при х = 1 х СИСт = 1,2). Кроме того, для предотвращения существенной разрегулировки систем отопления одновременно следует ограничить диапазон изменения расходов воды из тепловой сети ( — 40% -4- +20%).

Недостатком рассматриваемой схемы является также усложнение и удорожание автоматики: применение двух регулирующих органов и исполнительных механизмов, наличие переключателя команд с одного исполнительного механизма на другой, их оснащение ограничителями хода клапана (диапазона регулирования).

Более определенными преимуществами по сравнению с описанными обладает схема с двумя элеваторами (рис. 23, в), предложенная В. Г. Драчневым в ЛНИИ АКХ им. К. Д. Памфилова. Один из элеваторов является нерегулируемым и обеспечивает пропуск в систему отопления минимально заданного расхода воды из тепловой сети. Перед вторым элеватором устанавливается регулятор расхода тепла.

Некоторые результаты экспериментальных исследований режима работы абонентского ввода с двумя элеваторами приведены на рис. 26, из которого видно, что режим регулирования при рассматриваемой схеме оказывается более благоприятным по сравнению с одноэлеваторной обычной схемой.

Рис. 26. Показатели режимов работы абонентского ввода с двухэлеваторной схемой

1 — оптимальный режим регулирования; 2 — то же, фактический; 3 — зона регулирования

При увеличении расхода воды из тепловой сети, обусловленном открытием регулирующего органа перед элеватором, суммарный коэффициент смешения снижается, а расход воды в системе отопления

несколько повышается. Показатели режима работы системы отопления при этом близко соответствуют оптимальному режиму.

Необходимо также отметить, что при двухэлеваторной схеме автоматика оказывается значительно проще по сравнению со схемой, имеющей обводную линию. Более того, автоматика абонентского ввода с двумя элеваторами может быть выполнена проще, чем автоматика для одноэлеваторной обычной схемы. Объясняется это тем, что при двухэлеваторной схеме местное регулирование мало сказывается на циркуляции воды в системе отопления. Поэтому рассматриваемая схема хорошо сочетается с применением наиболее дешевых устройств двухпозиционного регулирования.

Результаты экспериментальных исследований режима работы абонентского ввода с насосным узлом смешения (рис. 23, г) приведены на рис. 27. Регулирование расхода тепла на вводе осуществляется с помощью клапана, установленного на подающем трубопроводе до узла смешения. Рассмотрение приведенных данных показывает, что при этом методе регулирования характер изменения расхода воды в системе отопления хСИст и коэффициента смешения и близко соответствует требуемым режимам Так, в диапазоне изменений расхода воды из сети Д% — ±0,5 разница между фактически полученными и требуемыми значениями составила менее 5%.

В нормальных условиях эксплуатации схема обеспечивает хорошие показатели теплового и гидравлического режимов системы отопления. Достоинство ее заключается в том, что при полном отключении подачи теплоносителя из тепловой сети в аварийных ситуациях благодаря работе насоса в системе сохраняется нормальная циркуляция воды. В связи с этим удлиняется время сохранения приемлемых температурных условий в отапливаемых помещениях после прекращения подачи тепла и уменьшается опасность выхода системы отопления из строя вследствие замерзания воды в трубах.

Недостаток схемы с насосным узлом смешения заключается в возможности резких нарушений нормального теплоснабжения здания при остановке циркуляционного насоса или неисправности регулятора.

Рис. 27. Показатели режима работы абонентского ввода с насосным узлом смешения

Условные обозначения: требуемые значения параметров, О. А — то же, фактические

Этого недостатка лишена схема, показанная на рис. 23, д, особенность которой заключается в последовательной работе двух смесительных устройств: насоса и элеватора.

Таблица 27 Показатели гидравлического режима абонентского ввода

Некоторые показатели гидравлического режима абонентского ввода при указанной схеме приведены в табл. 27, из которой видно, что включение насоса на перемычке приводит к существенному повышению коэффициента смешения и усилению циркуляции в системе отопления. Расход воды из тепловой сети при этом сокращается.

Расчеты показали, что путем подбора комбинации характеристик водоструйного и центробежного насосов оказывается возможным обеспечить при этой схеме оптимальный режим работы систем отопления в широком диапазоне местного регулирования тепловой нагрузки.

На рис. 23, е, ж приведены схемы местного автоматического регулирования расхода тепла при независимом присоединении абонентских установок к тепловой сети. Следует отметить, что такие схемы наиболее распространены за рубежом. Достоинство их заключается в гибкости и высокой надежности в связи с гидравлической изоляцией систем отопления от тепловой сети. Циркуляция воды в системе отопления осуществляется с помощью

бесшумных бессальниковых насосов, монтируемых непосредственно на трубопроводе (см. рис. 23, е).

Учитывая, что отечественная промышленность еще не выпускает таких насосов, существенный интерес представляет также схема с естественной циркуляцией теплоносителя в системе отопления (см. рис. 23,ж).

Перспективными для отечественных систем теплоснабжения являются регуляторы, разработанные ЛНИИ АКХ им. К. Д. Памфилова (см. рис. 28).

Рис. 28. Общий вид регулятора конструкции ЛНИИ АКХ

Они отличаются универсальностью и могут применяться на абонентских вводах с любым видом присоединения систем отопления к тепловой сети (элеваторным, с помощью насоса на перемычке, независимым), в открытых и

закрытых тепловых сетях, в условиях качественного и количественно-качественного центрального регулирования. По принципу действия они являются электрическими и комплектуются в основном из изделий, серийно выпускаемых отечественной промышленностью.

Рис. 29. Принципиальная электрическая схема автоматического регулятора ЛНИИ АКХ

ЛКИ — лампа контроля напряжения; ДТИВ, ДТПВ — датчики температуры наружного воздуха и температуры горячей воды: 3d — задатчик; РП — регулирующий прибор; ЦБ — измерительный блок; ЭБ — электронный блок; РБ — реле «больше тепла»; РМ — реле «меньше тепла»; ИРР — избиратель режима работы; КУ — ключ управления; ИМ — исполнительный механизм; KB — конечный выключатель; ОБ, ОМ — обмотки двигателя исполнительного механизма; С — конденсатор; положения ИРР: Рун. — ручной; О — отключено; Лег. — автоматический; положения КУ: Б — «больше тепла», М — «меньше тепла»

В регуляторе использованы следующие приборы и элементы (рис. 29): электронный регулирующий прибор РПИБ-С; датчик температуры наружного воздуха с защитой от солнечной радиации, изготавливаемый по чертежам ПКБ ЛНИИ АКХ; датчик температуры теплоносителя — медный термометр сопротивления ТСМ-148; регулирующий клапан с моторным исполнительным механизмом ПР-1М.

Регулирующий прибор РПИБ-С осуществляет алгебраическое суммирование сигналов от датчиков, включенных по схеме прямой компенсации, обеспечивает заданное соотношение температур наружного воздуха и теплоносителя в соответствии с выбранным отопительным графиком. Угол наклона графика задается путем подбора величины сопротивления датчика температуры наружного воздуха.

Работа регулятора осуществляется следующим образом (см. рис. 30).

Рис. 30. Принципиальная технологическая схема системы местного автоматического регулирования расхода тепла ЛНИИ АКХ

а — присоединение системы отопления по двухэлеваторной схеме; б — присоединение системы отопления через насосный узел смешения; в — независимое присоединение системы отопления; 1 — датчик температуры наружного воздуха; 2 — регулирующий прибор; 3 — исполнительный механизм; 4 — регулирующий орган; 5 — датчик температуры теплоносителя

При отклонении температуры теплоносителя от значения, заданного отопительным графиком, превышающим чувствительность регулирующего прибора 2, на выходе последнего появляется электрический сигнал, достаточный для срабатывания выходных реле. В свою очередь, выходные реле своими контактами включают исполнительный механизм 3, который через редуктор связан с регулирующим органом 4. Регулирующий орган изменяет расход воды из тепловой сети до тех пор, пока регулирующий прибор не будет сбалансирован. Это произойдет, когда температура воды, подаваемой в систему отопления, установится в соответствии с выбранным отопительным графиком. В системе принят изодромный (ПИ) закон регулирования. Изменение угла наклона отопительного графика — оперативное со щита управления.

Рис. 31. Температурный режим работы абонентского ввода, оборудованного автоматикой ЛНИИ АКХ / и 2 — теоретические (расчетные) кривые; 3 — экспериментальные данные

На рис. 31 приведены данные о работе рассматриваемой системы, из которых видно, что она обеспечивает достаточно точное поддержание заданного отопительного графика.

Длительные эксплуатационные испытания системы местного автоматического регулирования ЛНИИ АКХ подтвердили, что во всех случаях ее работа приводит к заметной стабилизации температуры в отапливаемых помещениях, а также обеспечивает экономию тепловой энергии (в среднем за отопительный сезон до 10%).