Гидравлический расчёт тепловой сети. Пьезометрический график. Выбор насосов

Расчёт ведём согласно с [1], [5] и [6].

Ггидравлический расчёт только для максимально зимнего периода, то есть при расчётной температуре наружного воздуха.

Диаметры труб прямого и обратного хода сетевой воды примем одинаковыми. В совокупности с тем, что вязкость и плотности воды, а также эквивалентная шероховатость приняты постоянными, такой шаг обеспечит нам одинаковое падение давления в подающем и обратном трубопроводах и, следовательно, упростит расчёт.

6.1 Расходы воды по объектам снабжения

Суммарный расчётный расход объекта:

, кг/с (6.1)

где k – коэффициент запаса учитывает долю среднего расхода воды на горячее водоснабжение при регулировании по нагрузке отопления, принимаем по [1], как для закрытой системы с мощностью более 100 МВт (см. табл. 3.4) k = 1,0:

, – температуры воды в подающем и обратном трубопроводах первичного теплоносителя подогревателя ГВС в точке излома температурного графика (т.е. когда расход воды на ГВС максимален), равны: ºС и ºС.

Расчётный расход воды на 1-й жилой район:

184,41 кг/с;

Расчётный расход воды на 2-й жилой район:

209,914 кг/с;

Расчётный расход воды на промышленное предприятие:

110,81 кг/с;

Суммарный расчётный расход теплосети: G = G₁ + G₂ + G₃ =184,41 + 209,914 + 110,81 = 505,13 кг/с

6.2 Выбор и расчёт магистрали

Для начала напомним себе геометрию сети – рис. 6.1. Видим, что имеются две магистрали: участок И - ПП и направление на какой-то из жилых районов. Необходимо определить по максимальному падению давления главную магистраль:

(6.2)

где R_л – линейное удельное падение давления в трубопроводе, примем R_л = 50 Па/м;

– геометрическая длина участка сети;

– эквивалентная длина местных сопротивлений, принимаем ориентировочно

= 20% от геометрической длины;

Z₁, Z₂ – геометрические высоты источника и приёмника соответственно;

– плотность воды, примем = 980 кг/м³. Вода при расчёте принимается несжимаемой жидкостью;

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

1-й жилой район: 165 027,6 Па;

2-й жилой район: 178 227,6 Па;

Таким образом 2-я магистраль – трубопровод от источника теплоснабжения до второго жилого района или И - ТК - Ж2. Обозначим её красной пунктирной линией, для наглядности.

Рисунок 6.1 Схема сети. Основные геометрические параметры

Участок И - ТК:

а) Задаёмся R_л = 75 Па/м;

б) Расход: G = G₁ + G₂ = 184,41 + 209,914 = 394,32 кг/с

в) Воспользуемся уравнением Дарси: , чтобы получить выражение для ориентировочного расчёта диаметра. Принимаем, что трубопровод работает в квадратичной области, для которой действительна формула Шифринсона: , где k_экв – эквивалентная шероховатость стенок трубопровода. По указаниям [1] принимаем k_экв = 0,0005 м. Тогда формула Дарси приобретает вид: , отсюда выражаем диаметр d: 0,507 м;

г) Подбираем трубу с ближайшим внутренним диаметром по ГОСТ 10706-76 на стальные сварные трубы группы А: d_Г = 512 мм, толщина стенки δ = 9 мм.

д) Скорость воды в трубопроводе: 1,954 м/с;

е) Критерий Рейнольдса: . Здесь – кинематическая вязкость, примем её при средней температуре в магистральных трубопроводах = 105ºС, и при давлении превышающем критическое при 105ºС на 50 кПа (запас на невскипание) 2,8·10^-7. Тогда: 3 573 632;

ж) Предельное число Рейнольдса: ;

з) Re > Re_пр значит гидравлическое трение считается по формуле Шифринсона: 0,0194;

и) Тогда по формуле Дарси: 71,08 Па/м;

к) Поскольку нам доподлинно неизвестно как расставлена арматура на трассе, то, во избежание гадательных манипуляций, воспользуемся рекомендациями [1]. Примем на данном участке следующую арматуру:

Тогда: ;

л) Потери давления на участке: 290 590,28 Па = 29 059 кПа.

Участок ТК - Ж2:

а) Задаёмся R_л = 70 Па/м;

б) Ориентировочный диаметр: 0,404 мм;

в) ГОСТ 8731-87 на стальные бесшовные горячекатаные и холоднокатаные трубы: d_Г = 408 мм, толщина стенки δ = 9 мм, наружный диаметр d_О = 426 мм;

г) Скорость воды в трубопроводе: 1,638 м/с;

д) 2 387 302,32;

е) 463 488;

ж) Шифринсон: 0,0206;

з) Дарси: 66,35 Па/м;

и) Рассуждения аналогичны предыдущему участку

;

к) Потери давления на участке: 97 705,21 Па;

Теперь рассчитаем магистраль И - ПП, но поскольку подключать её будем через общий коллектор, то применим методика расчёта участка, то есть когда падение давления задано.

Участок И - ПП:

а) ;

где :

a. - некоторый коэффициент принимаем по [4 ]

b. - суммарный коэффициент местного сопротивления арматуры установленной на данном участке

c. - располагаемый перепад давлений:

б) 431,58 Па/м;

в) 0,224 м;

г) ГОСТ 8731-87: d_Г = 230 мм, толщина стенки δ = 7 мм, Условный проход d_О = 244 мм;

д) Скорость воды в трубопроводе: 2,72 м/с;

е) 2 235 473;

ж) 261 280;

з) Шифринсон: 0,0238;

и) Дарси: 374,78 Па/м;

к) м;

л) 337 189,86 Па;

м) Расчётное падение давления: 388 295,45 Па;

н) Небаланс: 51 105,63 Па = 5,316 м вод. ст.;

о) Необходимо установить на участке И - ПП устройство понижающее давление, самое распространённое из них – диафрагма. Рассчитаем размер её отверстия:

132,87 мм;

После установки диафрагмы падение давления на участке И - ПП: 388 295,45 Па.

6.3 Расчёт ответвления ТК - Ж1

Основой расчёта служат известный расход в ответвлении и падение давления в главной магистрали, от узла присоединения ответвления ТК - Ж1 до абонента Ж2. Принципиально расчёт не меняется.

а)

б) 154,3 Па/м;

в) 0,3307 мм;

г) ГОСТ 8731-87: d_Г = 338 мм, толщина стенки δ = 9 мм, наружный диаметр d_О = 356 мм;

д) Скорость воды в трубопроводе: 2,1 м/с;

е) 2 531 599,36;

ж) 383 968;

з) Шифринсон: 0,0216;

и) Дарси: 137,55 Па/м;

к) 83,23 м;

л) 87 100,89 Па;

м) Расчётное падение давления: 97 705,21 Па;

н) Небаланс: 10 604,32 Па = 1,103 м вод. ст.;

о) Необходимо установить на участке ТК – Ж1 устройство понижающее давление, самое распространённое из них – диафрагма. Рассчитаем размер её отверстия: 253,97 мм;

п) После установки диафрагмы падение давления на участке ТК - Ж1: 97 705,21 Па.

6.4 Результаты гидравлического расчёта

Сведём результаты расчётов параграфов 6.1 - 6.3 в таблицу 6.1:

Таблица 6.1 Результаты гидравлического расчёта сети при максимально зимнем режиме

Участок	G, кг/с	, м	dГ, мм	u, м/с	Rл, Па/м	, м	l	, Па	, м. вод. ст.
Магистральные трубопроводы
И - ПП	110,81		0,23	2,721	374,78	59,71	0,0238	388 295,49	110,81
И - ТК	394,32		0,512	1,954	71,08	2 208,29	0,0194	290 590,28	394,32
ТК - Ж2	209,91		0,408	1,638	66,35	702,66	0,0206	97 705,21	209,91
Ответвление
ТК - Ж1	184,41		0,338	2,097	137,55	83,23	0,0216	97 705,21	184,41

6.5 Пьезометрический график

Основные требования к пьезометрическому режиму сети по условиям надёжной работы можно свести к следующим:

1. Давление в сети не должно превышать допустимых давлений в элементах оборудования сети. Приведём величины допустимых давлений для элементов, которые нам потребуются:

– чугунные радиаторы – 60 м. вод. ст.;

– пароводяные теплообменники – 1,4 МПа = 145,6 м. вод. ст.;

– арматура и трубопроводы – 1,6 МПа = 166,4 м. вод. ст.;

2. Необходимо обеспечивать избыточное давление во всех элементах системы теплоснабжения для защиты от подсосов воздуха и кавитации насосов. Примем запас давления 5 м. вод. ст.

3. Необходимо обеспечивать невскипание сетевой воды при гидродинамическом режиме наличием избыточного давления. Значит в подающем трубопроводе давление должно быть следующим:
Р_под > Р_нас(t_нас) = 476 101 Па = 49,5227 м. вод. ст. Примем 50 м. вод. ст.

Гидростатический режим

Построение начинаем с гидростатического режима, когда циркуляции нет и система заполнена водой с температурой не выше 100ºС.

Самая высокая точка системы – это отопительные установки 2-го жилого района, имеющие высоту: Н₂ = Z₂ + h_зд2 = 2 + 20 = 22 м; Возьмём запас 7 м. вод. ст. во избежание подсосов воздуха в систему и кавитации насосов. Тогда полный статический напор сети Р_S = 29 м. вод. ст.

Самой низкой точкой системы являются отопительные установки промышленного предприятия (оно подключено через общий коллектор), их геометрическая высота составляет 0 м. На них будет действовать напор в 29 м. вод. ст., но это безопасно для отопительных установок ПП, поскольку допустимая по условиям прочности величина составляет 60 м. вод. ст. (чугунные радиаторы).

Гидродинамический режим

1. Давление в коллекторе обратного трубопровода на источнике принимаем: = 15 м. вод. ст. из условия нормальной работы насосов. Заметим только, что полный статистический напор сети изменён до 60 м. вод. ст., что также не нарушает статический режим.

2. Давление в точке ТК: 45,226 м. вод. ст.

3. Давление в обратном трубопроводе на абонентских вводах в жилые районы:

55,389 м. вод. ст.

4. Давление в прямом трубопроводе на абонентских вводах в жилые районы с учётом потерь давления в абонентской установке, 15 м. вод. ст.:

70,389 м. вод. ст.

Видим, что мы над линий П_min.

5. В прямом трубопроводе в точке ТК: 80,552 м. вод. ст.

6. Коллектор прямого трубопровода в точке И: 110,778 м. вод. ст.

7. Нагнетательный патрубок сетевого насоса: 125,778 м. вод. ст. Здесь – потери в сетевых подогревателях.

8. Прямой трубопровод на вводе в ПП: 70,389 м. вод. ст.

9. Обратного трубопровода на вводе в ПП: 55,389 м. вод. ст.

Только что рассчитанный режим изобразим на рисунке 6.2.

Обозначения на рисунке 4.2:

П_max, П_min – максимально и минимально допустимое полное давление в подающем

трубопроводе;

О_max, О_min – аналогично в обратном трубопроводе;

М₁, М₂, М₃ – линии смены масштаба;

S – линия полного статистического напора сети.

6.6 Выбор насосов

Выбор любого насоса производится по напору и подаче. Имеет, конечно, значение вид перекачиваемой среды и температуры этой среды. В нашем случае подавать необходимо воду, с температурой не более 70ºС.

Выбранная нами схема подключения абонентов и подогрева воды предусматривает выбор насосов следующего назначения:

1. Сетевые – обеспечивают движение воды в сетевых трубопроводах. Источник [1] требует наличия не менее двух сетевых насосов, один из которых является резервным;

2. Подпиточные – компенсируют утечки воды в сети. Для закрытой сети их число также должно быть не менее двух, при одном резервном;

3. Циркуляционные – создают циркуляцию воды в локальных водяных системах. Требования к их количеству аналогичны предыдущим.

Сетевые насосы

Располагаемый напор сети, то есть напор который должен обеспечить насос:

ΔН_С = ΔН_Т + ΔН_ПОД + ΔН_ОБР + ΔН_АБ (6.3)

где ΔН_Т – уже упомянутые потери давления в сетевых подогревателях, ΔН_Т = 15 м. вод. ст.;

ΔН_ПОД – потери давления в подающей линии, ΔН_ПОД = ΔР_И-ТК + ΔР_ТК-Ж2 = 30,226 + 10,163 =

40,389 м. вод. ст.;

ΔН_ОБР – потери давления в обратной линии, ΔН_ОБР = ΔН_ПОД = 40,389 м. вод. ст.;

ΔН_АБ – потери давления в абонентской установке или располагаемый напор на абонентском вводе, принят ранее 15 м. вод. ст.;

Тогда по формуле (6.3):

ΔН_С = ΔН_Т + ΔН_ПОД + ΔН_ОБР + ΔН_АБ = 15 + 40,389 + 40,389 + 15 = 110,778 м. вод. ст. =

1 129 935,6 Па

Подача сетевого насоса равна расчётному расходу сетевой воды G = G_И-ТК + G_И-ПП = 394,32 +

+110,81 = 505,13 кг/с = 1 855,6 м³/ч.

В своём выборе мы будем руководствоваться данными [4] и [8]. Итак, выбираем насос СЭ-2500-180-16. Их будет установлено 2, один – рабочий, один – резервный. Характеристики насоса:

Насос	Подача, м3/ч	Напор, м. вод. ст.	Кавитационный запас, м. вод. ст.	КПД не менее, %	Частота, об/мин	Но, м. вод. ст.	SН,
СЭ-2500-180-16			7,5		3 000	249,7	14,2·10-6

Построим характеристику сети и насоса:

Сеть:

Характеристика выглядит следующим образом: . По одной известной нам точке на рабочем графике сети найдём параметр S:

= 32,173·10^-6 .

Насос:

Характеристика: , здесь Н_о – максимальный напор, S_Н – параметр насоса.

Построенную характеристику приведём на рисунке 6.3.

Рисунок 6.3 Характеристики насоса на сеть

Точка пересечения: V_Д = 1 855,59 м³/ч, Н_Д = 110,78 м. вод. ст.

Подпиточные насосы

Напор этого насоса должен быть равен полному статистическому напору сети, то есть:

ΔН_П = P_S = 60 м. вод. ст.

Подача подпиточного насоса должна обеспечивать восполнение потерь в сети. Согласно [1], приложение 23: для закрытых систем теплоснабжения необходимо предусматривать 0,75% объём подпитки, (относительно полного объёма воды в сети) и аварийную подпитку в размере 2%. Тогда:

(6.4)

(6.5)

где Q – мощность системы теплоснабжения, Q = 191,33 МВт из таблицы 3.5;

65 – объём сети на МВт нагрузки, проектная величина;

Тогда:

93,27 м³/ч.

248,72 м³/ч.

Выбираем 2 насоса КМ 45/55 и 3 – КМ 90/55. Все насосы при этом подключены параллельно, но постоянно в работе находятся лишь оба КМ 45/55, обеспечивающие подпитку. Один из КМ 90/55 включается в работу в случае аварии, а другой резервный.

Характеристики выбранных насосов:

Циркуляционные насосы

Нам предстоит выбрать насос обозначенный номером 10 на рисунке 1.1. Он обеспечивает циркуляцию воды в отопительной системе при качественном регулировании на источнике или при аварии в сети.

Напор равен падению давления в установках абонента, то есть максимум 15 м. вод. ст.

Подача будет различна для всех абонентов. По данным таблиц 3.1, 3.2 и 3.3:

1-й жилой район: 164,65 кг/с = 604,84 м³/ч, выбираем и устанавливаем параллельно 2 насоса КМ 290/18 и один КМ 45/30;

2-й жилой район: 187,42 кг/с = 688,49 м³/ч, установим в параллель 2 насоса КМ 160/20;

Промышленное предприятие: 86,94 кг/с = 319,38 м³/ч, выбираем насос КМ 160/20.

Характеристики выбранных насосов

Основные характеристики выбранных в параграфе 6.6 насосов сведём в таблицу 6.2: