Отраслевая конференция 
«Теплоснабжение-2019»
РосТепло.ru - Информационная система по теплоснабжению
РосТепло.ру - всё о теплоснабжении в России
ИЗОПРОФЛЕКС-115А

Решение вопросов согласованности работы схем регулирования гидравлических режимов и систем технологических защит в тепловых сетях систем централизованного теплоснабжения

К.т.н. Л.П. Канина, ОАО «МОЭК»;
Г.А. Чапкина, ОАО «МОЭК-Проект», г. Москва

О гидравлических режимах в системах централизованного теплоснабжения

Основной задачей электростанций, котельных, электрических и тепловых сетей является производство, преобразование, распределение и отпуск электрической и тепловой энергии потребителям.

Одним из важнейших условий нормальной работы системы централизованного теплоснабжения (СЦТ) является создание гидравлического режима, обеспечивающего давление в тепловой сети, достаточное для подачи в теплопотребляющие установки сетевой воды в соответствии с заданной тепловой нагрузкой. Гидравлические режимы определяются характеристиками основных элементов системы теплоснабжения: теплоподогревательная установка с сетевыми насосами источника тепла, тепловая сеть с насосно-перекачивающими станциями (НПС) и узлами регулирования, теплопотребляющие установки. Надежность работы и устойчивость теплового и гидравлического режима СЦТ должны обеспечиваться автоматическими устройствами регулирования и защиты, установленными на источниках тепла, в тепловой сети и в системах теплопотребления.

Совместная работа источника тепла и НПС в системах централизованного теплоснабжения невозможна без комплексной автоматизации каждого из этих элементов.

Срабатывание автоматических устройств регулирования, установленных в НПС, при отсутствии автоматических устройств регулирования на источнике тепла, может привести к аварийной ситуации в СЦТ. Вместе с тем, переход к статическому режиму или режиму с пониженной циркуляцией без останова сетевых насосов НПС может вызвать недопустимые нарушения режима работы СЦТ. Таким образом, вследствие жесткой гидравлической зависимости между источником тепла и НПС схемы их автоматизации следует решать взаимоувязанно в рамках единой системы.

При нарушениях нормального гидравлического режима, обусловленных аварийными отключениями сетевых насосных групп источника тепла,

НПС, несанкционированным закрытием регуляторов, клапанов рассечки, установленных на магистральных тепловых сетях, могут возникать переходные гидравлические режимы, сопровождающиеся возникновением недопустимых давлений по условиям прочности оборудования.

Система защиты

Основной целью защиты оборудования СЦТ от недопустимых изменений давлений в переходных гидравлических режимах, имеющих характер гидравлического удара, например, при несанкционированном останове сетевых насосов НПС, является исключение возможных причин их возникновения и (или) уменьшение динамических возмущений до допустимых значений.

Разработке мероприятий по защите от недопустимых давлений в переходных гидравлических режимах в трубопроводных системах посвящены многочисленные работы, начиная с начала XX столетия: Н.Е.Жуковского, А.А. Сурина, Л.Ф. Мошнина, В.С. Дикаревского, К.П. Вишневского, Б.Н. Громова, Б.И. Свинухова и др. [2-13].

Вопросам исследования переходных гидравлических режимов в СЦТ и средствам защиты оборудования СЦТ посвящен ряд работ [1, 8-13, 19, 20]. В этих работах подробно изложены методы расчета переходных гидравлических режимов, приведены результаты расчетного и экспериментального исследования переходных гидравлических режимов, показана адекватность используемых методик расчета реальным физическим процессам.

Для СЦТ по сравнению с другими системами транспорта жидкости характерна значительная разница допустимых давлений для различного эксплуатируемого оборудования. При этом наименьшее допустимое давление характерно, как правило, для зависимо-присоединенных отопительных установок - не выше 0,6 МПа. Аварийные отключения сетевых насосов в большинстве случаев обусловливают повышение давления в обратных теплопроводах, недопустимое для зависимо-присоединенных отопительных установок потребителей. Как следствие, разрывы отопительных приборов вызывают большие материальные ущербы и серьезные социальные проблемы. Кроме того, возможны разрушения сетевых подогревателей и встроенных теплофикационных пучков в конденсаторах на источниках тепла.

Помимо повышения давления для оборудования СЦТ представляет опасность резкое снижение давления до давления вскипания теплоносителя и возможность возникновения последующей нестационарной (быстрой) конденсации, сопровождающейся значительным локальным увеличением давления. Наиболее часто встречаются аварийные ситуации такого рода - это вскипание теплоносителя за водогрейными котлами источника тепла при отключении сетевых насосов и последующая нестационарная конденсация (конденсационные удары) при повторном пуске или включении резервного сетевого насоса. При этом возможны разрушения подающих теплопроводов и как следствие ожоговый травматизм персонала.

Возможность возникновения переходных гидравлических режимов, сопровождающихся возникновением недопустимого, по условиям прочности оборудования давления, обусловливает необходимость применения систем защиты в указанных режимах.

Выполнение защиты оборудования ТЭЦ, котельных, тепловых сетей и потребителей тепла от недопустимых изменений давлений в переходных гидравлических режимах требуют нормативные документы: «Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей», «Правила технической эксплуатации тепловых энергоустановок», Актуализированная редакция СНиП 41-02-2003 «Тепловые сети».

В качестве защитных устройств наибольшее распространение в СЦТ получили быстродействующие сбросные устройства, позволяющие за счет выпуска сетевой воды в приемные емкости снижать повышения давлений до допустимых значений.

Среди этих устройств в СЦТ нашли применение гидрозатворы-переливы, быстродействующие сбросные клапаны. Установка таких устройств наиболее целесообразна вблизи источников возмущения, как правило, это сетевые насосные группы (например, в обратном коллекторе источника тепла или во всасывающем коллекторе НПС, установленной в обратном трубопроводе).

Каждая СЦТ имеет свои конструктивные особенности:

■ конфигурацию тепловых сетей (радиальная или кольцевая структура тепловых сетей, разветвленность, количество параллельно присоединенных теплопотребляющих установок);

■ количество НПС, установленных в подающих или обратных трубопроводах, с различным составом оборудования;

■ схемы размещения теплоподогревательного оборудования источника тепла;

■ схемы и состав сетевого насосного оборудования источника тепла.

В связи с этим для каждой конкретной СЦТ необходимо определение возможности возникновения аварийных переходных гидравлических режимов и разработка системы защиты.

Выбор защитных устройств и мероприятий в СЦТ необходимо осуществлять на основе расчетных данных и/или экспериментальных исследований переходных гидравлических режимов при наиболее часто встречающихся в практике эксплуатации возмущениях, вызванных отказами в работе оборудования СЦТ

В систему защиты от недопустимых давлений входит защита оборудования СЦТ в статическом режиме при отключении сетевых насосов источника тепла или НПС. При повышении давления в послеаварийном стационарном режиме (при отключении сетевых насосов НПС) или статическом режиме осуществляется рассечка тепловой сети на гидравлически независимые зоны [17, 18].

Внедрение защитных устройств требует внесение изменений в схемы автоматизации источников тепла и НПС (например, в схему автоматики включения резерва (АВР) сетевых насосов, в технологические уставки работы оборудования, изменение времени закрытия/открытия запорно-регулирующей арматуры и др.).

Автоматизация гидравлических режимов

Поддержание заданных давлений в гидравлическом режиме СЦТ производится за счет работы системы автоматизации гидравлических режимов на источниках тепла и в тепловых сетях.

В течение отопительного сезона, а также в суточном диапазоне времени происходят значительные колебания расходов сетевой воды и давлений.

Регулирование параметров гидравлических режимов как на НПС, так и на источниках тепла может осуществляться частотными регуляторами приводов электродвигателей, установленных на сетевых насосах. Задачей регулирования является поддержание заданного по условиям гидравлического режима тепловых сетей давления в подающем коллекторе источника тепла либо в обратном или подающем коллекторе НПС.

Другой способ регулирования — использование дросселирования на напоре сетевых насосов либо в напорном коллекторе источника тепла или НПС регуляторами давления.

Каждый из этих способов имеет свою зону применения, в зависимости от эффективности и режимов работы СЦТ.

В качестве регулирования может использоваться линия рециркуляции в обвод группы сетевых насосов с регулирующей арматурой. Однако этот способ регулирования не экономичен.

Согласованность систем автоматизации и защит

Следует отметить, что автоматизация каждого элемента СЦТ с применением современных средств автоматизации, с большим быстродействием, обусловливает в большинстве случаев возникновение переходных гидравлических режимов.

Вместе с тем, системы защит от недопустимых изменений давлений в ряде случаев имеют узкий диапазон настройки срабатывания.

При этих обстоятельствах система автоматизации и система защит могут оказаться взаимоисключающими.

Работа системы автоматизации гидравлического режима тепловых сетей, включающая регулирующие и защитные устройства должна быть взаимоувязана. Для этого необходимо выполнить анализ работы оборудования при наиболее вероятных аварийных переходных гидравлических режимах и определить допустимые скорости изменения срабатывания запорно-регулирующих устройств, уставки регулирования и защиты, при необходимости выдержки по времени на начало срабатывания защитных или регулирующих устройств. Решение этой задачи должно быть комплексным, включающим разработку (корректировку) технологической схемы источника тепла, НПС совместно с алгоритмом работы системы автоматики и электрической схемой.

Несогласованность в работе защитных и регулирующих устройств может обусловить в аварийных режимах вместо стабилизации режима — несанкционированный останов НПС. Так, например, на одной из НПС аварийное отключение одного сетевого насоса из двух работающих из-за нескорректированного срабатывания АВР сетевого насоса и клапана рассечки привело к несанкционированному останову НПС. Причиной в данном случае послужило одновременное срабатывание обеих защит. При этом время открытия арматуры на напоре сетевого насоса, включаемого по АВР, было больше времени закрытия клапана рассечки. Время открытия арматуры на напоре сетевого насоса настраивалось по режиму регулирования в эксплуатационном режиме. В результате клапан рассечки закрылся до момента открытия арматуры на напоре сетевого насоса, включаемого по АВР, следовательно до восстановления нормального гидравлического режима, что привело к отключению сетевых насосов НПС.

Следует обратить внимание - внедрение средств защиты, определение требований к конструктивным параметрам и настройке защитных устройств без предварительного обоснования (расчетного или экспериментального) - не допустимо. Ранее об этом упоминалось в [19-20]. Используемые методы расчета переходных гидравлических режимов в тепловых сетях должны подтверждаться результатами экспериментального исследования, что показывает адекватность используемых методик расчета переходных гидравлических режимов реальным физическим процессам, происходящим в тепловых сетях. Также необходимо применять противоударные устройства, апробированные практикой эксплуатации в тепловых сетях или экспериментальными исследованиями. В противном случае, неверно выбранные средства защиты либо не обеспечат защиту (например, стабилизаторы давления компании ООО «ЭКОВЭЙВ Технологии» и ЗАО «Волнотех»), либо могут привести к развитию аварии.

Пример технических решений по защите оборудования СЦТ от недопустимых изменений давлений и автоматизации гидравлических режимов в СЦТ

В качестве примера рассмотрена система защит и автоматизации применительно к одной из НПС (НС-4) в СЦТ, представленной на рис. 1, разработанная с учетом анализа согласованности работы систем регулирования и защит.

В зимнем режиме НС-4 предназначена для подачи теплоносителя от ТЭЦ с температурой до t=150 ОС на город, с поддержанием заданного давления в подающем трубопроводе и поддержания заданного давления в обратном трубопроводе со стороны потребителей низкой зоны города, при работе насосно-перекачиваю- щей группы сетевых насосов.

Циркуляция сетевой воды в обратном теплопроводе обеспечивается сетевыми насосами НП-1, 2, 3, 4, 5 (рис. 2).

Для определения средств защиты и работы системы регулирования были выполнены расчеты переходных гидравлических режимов при аварийных отключениях сетевых насосов НС-4, при работе системы АВР сетевых насосов и при работе сбросных устройств.

На рис. 3-5 представлены результаты расчета при полном аварийном отключении сетевых насосов НС-4. На ряде потребителей давления превышают допустимые величины давлений для зависимо-присоединенных отопительных установок, с резким нарастанием давления за t=2- 5 сек, что может привести к разрушению отопительных установок. Аналогичное явление возникает в случае установки сбросных устройств с недостаточным быстродействием. Следовательно, на НС-4 необходима установка быстродействующего сбросного устройства с достаточным быстродействием. Кроме того, система автоматизации гидравлического режима, включающая регулирующие и защитные устройства, должна быть взаимоувязана.

На основании анализа результатов проведенных расчетов была определена система автоматизации гидравлического режима.

Автоматизацией гидравлического режима на НС-4 должно быть предусмотрено:

1. Стабилизация давления в подающем трубопроводе - в работе используется регулирующий клапан РК-А (запорно-регулирующий поворотный затвор с электроприводом), с ограничением диапазона регулирования: на закрытие 10О и на открытие 50О. Указанное ограничение вводится во избежание значительных колебаний давлений при значениях близких к полному закрытию регулирующего клапана РК-А и уменьшения зоны нечувствительности при регулировании (более 50О).

2. Стабилизация давления во всасывающем коллекторе сетевых насосов - в работе используется регулирующий клапан РК-Д (запорно-регулирующий поворотный затвор с электроприводом) на напорном коллекторе НС-4. Время полного закрытия (открытия) регулирующего клапана для плавного регулирования должно составлятьt=50-60 с.

3. Обратный клапан ОК (установленный на байпасе сетевых насосов и регулирующего клапан РК-Д) обеспечивает пропуск воды в обратном трубопроводе при отключении подкачивающих насосов НС-4 и имеет функцию защиты от гидравлического удара при аварийном отключении перекачивающих насосов НС-4.

4. Защита обратного трубопровода от недопустимого повышения давления и гидроударов должна выполняться быстродействующим сбросным клапаном КП, со сбросом воды в приемную емкость.

5. Ввод в действие резервного сетевого насоса (АВР насоса):

■ по факту отключения рабочего сетевого насоса (исчезновение напряжения);

■ по повышению давления выше уставки, с выдержкой по времени t=3-5 с. Выдержка по времени вводится во избежание одновременности срабатывания АВР сетевых насосов. Так, например, срабатывание защит по АВР в схеме электроснабжения и по технологическим уставкам может привести к избыточному пуску сетевого насоса. В этом случае в СЦТ возникают дополнительные колебания расходов сетевой воды, соответственно и давлений, происходит дополнительная нагрузка на силовое оборудование НПС, диспетчеру требуется корректировка режима работы НПС, с выводом избыточного сетевого насоса из работы.

6. Автоматическое закрытие запорной арматуры на напоре рабочего сетевого насоса НС-4 при его отключении и открытие соответствующей запорной арматуры на напоре резервного сетевого насоса при его включении.

7. Включение резервного источника питания при падении напряжения на основном источнике (АВР секции, предусматривающие включение выключателя при исчезновении напряжения на одной из секций 6-10 кВ).

8. Отключение НС-4 по факту снижения давления в подающем трубопроводе НС-4 при отключении сетевых насосов ТЭЦ, с выдержкой по времени t~30 с.

На рис. 6 представлена блок-схема предлагаемой системы регулирования параметров и срабатывания системы защиты на НС-4.

Выводы

1. Возможность возникновения аварийных переходных гидравлических режимов, сопровождающихся недопустимыми изменениями давления, обусловливает необходимость защиты оборудования СЦТ в указанных режимах. Требования выполнения защиты оборудования ТЭЦ, котельных, тепловых сетей и потребителей тепла от недопустимых изменений давлений в переходных гидравлических режимах предусмотрены в нормативно-технических документах [14-16].

2. Выбор защитных устройств и мероприятий при аварийных переходных гидравлических режимах в СЦТ необходимо базировать на данных расчетных и/или экспериментальных исследований переходных гидравлических режимов в тепловых сетях при наиболее часто встречающихся в практике эксплуатации возмущениях, вызванных отказами в работе оборудования СЦТ.

3. В систему защиты от недопустимых давлений входит защита оборудования СЦТ в статическом режиме при отключении сетевых насосов источника тепла или НПС [17, 18].

4. Работа системы автоматизации гидравлического режима, включающая регулирующие и защитные устройства, должна быть взаимоувязана.

Литература

1. Громов Б.Н., Свинухов Б.И., Сальман В.И. и др. - В сб.: Гидравлические и тепловые режимы систем централизованного теплоснабжения (5-я Международная конференция по централизованному теплоснабжению). Методы защиты тепловых сетей от нарушений гидравлических режимов. Киев, 1982.

2. Жуковский Н.Е. О гидравлическом ударе в водопроводных трубах. - М.-Л. Гос. Изд. Техн. - Теоретич. Лит., 1949, 104 с.

3. Сурин А.А. Гидравлический удар в водоводах и борьба с ним. - Трансжелдориздат, 1946, 371 с.

4. Мошнин Л.Ф., Тимофеева Е.Г. Указания по защите водоводов от гидравлического удара. - М., 1961, 294 с.

5. Дикаревский В.С., Маркин А.А. Противоударные устройства в водоснабжении на железнодорожном транспорте. Конспект лекций. Л., 1970, 44 с.

6. Вишневский К.П. Расчет переходных процессов, связанных с явлением гидравлического удара. - В кн.: Интенсификация и оптимизация городских и промышленных водоводов. М., 1973, с. 96-108.

7. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. - М.: Энергоиздат, 1982, 360 с.

8. Громов Б.Н., Канина Л.П., Нестке К., ШнайденбахП. Методы расчета нестационарных гидравлических режимов в водяных тепловых сетях // Теплоэнергетика. 1981. № 7. С. 36-40.

9. Громов Б.Н. Переходные гидравлические процессы в тепловых водных сетях. - В кн.: Теплофикация и централизованное теплоснабжение. М.: ВТИ, 1974.

10. Свинухов Б.И. Исследование переходных гидравлических процессов в системах теплофикации. - В кн.: Автоматика в строительстве. М.: Тр. МИСИ, 1973, № 117.

11. Лаврентьев В.Л. Исследование переходных гидравлических процессов в сетях теплоснабжения: Автореф. дис. на соиск. учен. степени канд. техн. наук. Новосибирск, 1982.

12. Громов Б.Н., Свинухов Б.И. Неустановившиеся гидравлические процессы в тепловых сетях // Электрические станции. 1972. № 10.

13. Громов Б.Н., Канина Л.П., Сидлер В.Г. Нестационарные гидравлические процессы и противоударные мероприятия в водных тепловых сетях. Новые информационные технологии управления развитием и функционированием трубопроводных систем энергетики. Иркутск: РАН СО СЭИ, 1993.

14. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей РФ. М.: СПО ОРГРЭС, 2003.

15. Правила технической эксплуатации тепловых энергоустановок. Утв. Приказом Минэнерго России от 24.03.03 № 115.

16. Актуализированная редакция СНиП 41-02-2003 «Тепловые сети».

17. Манюк В.И., Каплинский Я.И., Хиж Э.Б., Манюк А.И., Ильин В. К. Наладка и эксплуатация водяных тепловых сетей. - Справочник. М., 2008.

18. Водяные тепловые сети. Справочное пособие под редакцией Н.К. Громова, Е.П. Шубина. - М., 1988.

19. Канина Л.П., Чапкина Г.А. Вопросы комплексной защиты оборудования систем теплоснабжения при переходных гидравлических режимах. // Новости теплоснабжения № 6, 2004 г.

20. Канина Л.П. Проблемы и пути решения комплексной защиты оборудования систем теплоснабжения в аварийных переходных гидравлических режимах. // Новости теплоснабжения. № 1, 2006 г.

Л.П. Канина, Г.А. Чапкина, Решение вопросов согласованности работы схем регулирования гидравлических режимов и систем технологических защит в тепловых сетях систем централизованного теплоснабжения

Источник: Журнал "Новости теплоснабжения" №03 (174), 2015 г. , www.rosteplo.ru/nt/175

Оставить комментарий

Тематические закладки (теги)

Тематические закладки - служат для сортировки и поиска материалов сайта по темам, которые задают пользователи сайта.

Похожие статьи:

Программы Auditor

Отраслевая конференция «Теплоснабжение-2019»

Москва, 22-24 октября 2019 г.
Примите участие!

Подробнее