Пьезометрический график

Распределение давлений в тепловых сетях удобно изображать в виде пьезометрического графика, который дает наглядное представление о давлении или напоре в любой точке тепловой сети и поэтому обеспечивает большие возможности учета многочисленных факторов (рельеф местности, высота зданий, особенности абонентских систем) при выборе оптимального гидравлического режима.

Пьезометрические графики разрабатываются для зимних и летних расчетных условий. Проектирование открытых систем теплоснабжения связано с необходимостью построения пьезометрических графиков для отопительного сезона с учетом максимальных водоразборов из подающих и отдельно из обратных трубопроводов. Давление, выраженное в линейных единицах измерения, называется напором давления или пьезометрическим напором. В системах теплоснабжения пьезометрические графики характеризуют напоры, соответствующие избыточному давлению, и они могут быть измерены обычными манометрами с последующим переводом результатов измерения в метры.

Рис. 5.3. Пьезометрический график двухтрубной тепловой сети с зависимыми схемами присоединения систем отопления: 1 –сетевой насос; 2 – перемычка сетевого насоса;
3 – станционный водонагреватель; 4 – расширительный бак

Рассмотрим пьезометрический график упрощенной системы теплоснабжения (рис. 5.3). Циркуляция воды в замкнутой сети осуществляется насосом 1. Расширительный бак 4, уровень воды в котором поддерживается постоянным, присоединен к обводной линии циркуляционного насоса 2. В реальных условиях вместо расширительного бака обычно устанавливают подпиточный насос. Если сетевой насос не работает, то напоры во всех точках системы теплоснабжения определяются уровнем воды в расширительном баке. При таком статическом состоянии системы теплоснабжения пьезометрический график представляет собой горизонтальную линию s – s, проведенную на уровне поверхности воды в расширительном баке. Напор в любой точке сети определяется величиной вертикального отрезка между данной точкой и линией s – s.

При динамическом режиме, когда сетевой насос включается в работу, пьезометрический график изобразится линией K₁A₁B₁C₁C₂B₂K₂ для тепловой сети и линией K₁NK₂ – для перемычки. Если за плоскость отчета напоров принять уровень О – О, то отрезок Н_с будет характеризовать статический напор в тепловой сети.

При работе сетевого насоса отрезок Н_п характеризует напор в нагнетательном патрубке насоса, а отрезок Н_вс – напор у всасывающего патрубка насоса. Разность Н_сн= Н_п – Н_вс соответствует напору, создаваемому сетевым насосом, который и расходуется на преодоление гидравлических сопротивлений при движении теплоносителя. Отрезки DН_т, DН_п DН_о составляют потери напора соответственно в подогревательной установке 3, подающей и обратной магистралях сети; DН₁, DН₂ – располагаемые напоры для абонентских систем I и II.

В системах отопления, присоединяемых к тепловой сети по зависимой схеме с элеваторным смешением, располагаемые напоры (DН₁, DН₂) расходуются в основном в водоструйных элеваторах. Потери напора в самих отопительных системах не превышают 1 – 2 м. Пренебрегая этой величиной, можно считать, что при работе сетевых насосов системы отопления и, в частности, наименее прочные их элементы – радиаторы, испытывают давление со стороны обратной магистрали. Отрезки Н_р,1 и Н_р,2 характеризуют напоры в радиаторах нижних этажей при динамическом режиме системы теплоснабжения; Н_c,1, Н_с,2 – то же, при остановке сетевых насосов.

Следует обратить внимание, что остановка сетевого насоса по-разному влияет на изменения давлений в различных абонентских системах. Если у абонента I остановка насоса уменьшает напор в радиаторе (Н_c,1<Н_p,1), то в радиаторе абонента II напор увеличивается (Н_c,2<Н_p,2).

При построении пьезометрического графика нужно выполнять следующие условия:

1. Давление в непосредственно присоединяемых к сети абонентских системах не должно превышать допускаемого как при статическом, так и при динамическом режиме. Для радиаторов систем отопления максимальное избыточное давление должно быть не более 0,6 МПа, что соответствует примерно напору в 60 м.

2. Максимальный напор в подающих трубопроводах ограничивается прочностью труб и всех водоподогревательных установок.

3. Напор в подающих трубопроводах, по которым перемещается вода с температурой более 100 °С, должен быть достаточным для исключения парообразования. В связи с неравномерным нагреванием воды в отдельных трубках водогрейных котлов температуру воды в них для определения давления, обеспечивающего невскипание, следует принимать на 30 °С выше расчетной температуры сетевой воды.

4. Для предупреждения кавитации напор во всасывающем патрубке сетевого насоса должен быть не меньше 5 м.

5. В точках присоединения абонентов следует обеспечить достаточный напор для создания циркуляции воды в местных системах. При элеваторном смешении на абонентском вводе располагаемый напор должен быть, не меньше 10 – 15 м. Наличие подогревателей горячего водоснабжения при двухступенчатой схеме требует увеличения напора до 20 – 25 м.

6. Уровни пьезометрических линий как при статическом, так и при динамическом режиме следует устанавливать с учетом возможности присоединения большинства абонентских систем по наиболее дешевым зависимым схемам. Статическое давление также не должно превышать допускаемого давления для всех элементов системы теплоснабжения. При определении статического давления возможность вскипания воды в подающих трубопроводах, как правило, можно не учитывать.

Пример построения пьезометрического графика для системы теплоснабжения (рис. 5.3) с учетом соблюдения вышеизложенных требований приведен на рис. 5.4. Сначала строится профиль местности по трассе теплопроводов. На профиле в принятом масштабе наносят высоты зданий. При построении пьезометрических графиков условно принимают, что оси трубопроводов совпадают с поверхностью земли. Такая условность вполне оправдана для подземных прокладок, когда заглубление трубопроводов не превышает 1 – 2 м. В этом случае фактические напоры в трубопроводах будут больше на величину их заглубления. Для воздушных прокладок, наоборот, напоры в трубопроводах будут меньше, и это обстоятельство следует учитывать при определении минимальных давлений, обеспечивающих невозможность вскипания воды в подающих или невозможность возникновения вакуума в обратных трубопроводах.

Статический напор (линия s – s) устанавливают из условия заполнения сетевой водой по возможности всех абонентских систем с запасом в 3 – 5 м по отношению к самому высокому абоненту. Проведем на 60 м ниже линии s – s горизонталь z – z. Тогда в зоне, расположенной между этими линиями, при статическом режиме напор не превышает 60 м и не опасен для чугунных радиаторов систем отопления.

Предельное положение пьезометрической линии для обратной магистрали при динамическом режиме (рис. 5.4, линия К₂В₂С₂) намечается из следующих соображений: а) максимальный пьезометрический напор не должен превышать 60 м в радиаторах нижних этажей систем отопления, присоединяемых по элеваторной схеме; б) для защиты систем отопления от опорожнения пьезометрическая линия должна быть не менее чем на 3 – 5 м выше зданий.

Действительный уклон пьезометрической линии определяется по данным гидравлического расчета. Потери напора в местной системе концевого абонента I соответствуют отрезку С₁С₂. Отложив от точки С₁ потери напора в подающей магистрали, проведем для этой магистрали пьезометрическую линию С₁В₁А₁. Точка К₁ располагается выше точки А₁ на величину потери напора в станционной подогревательной установке.

Пьезометрическая линия подающей магистрали должна удовлетворять следующим условиям: а) максимальный напор не должен превышать допустимого для труб и подогревательных установок; б) минимальный напор не должен допускать вскипания воды.

Невозможность вскипания воды на пьезометрическом графике может быть отражена двумя способами.

По первому способу от каждой точки поверхности земли откладывают напор Н_к, принимаемый по ниже приведенным данным:

Расчетная температура сетевой воды, ^оС 120 130 140 150 160 170 180

Максимальный напор, м 10 20 30 40 55 72 93

и проводят линию RLM, называемую линией невскипания.

Если пьезометрическая линия А₁В₁С₁ расположится выше линии RLM и нигде ее не пересекает, то вода в трубах кипеть не будет.

По второму способу ниже линии А₁В₁С₁ на величину Н_к проводят линию NP. Во всех точках, расположенных ниже линии NP, кипение невозможно, так как напор в этих точках больше Н_к. Только в местах пересечения линии NP с подающим трубопроводом и во всех точках, расположенных выше линии NP, при расчетных температурных условиях наступит парообразование. Второй способ наглядно иллюстрирует те уровни, до которых во избежание парообразования можно поднимать воду с расчетной температурой выше 100°С. В частности, у абонентов I и II сетевую воду из условия невскипания можно поднять только до отметок соответственно y₁, у₂.

Если перечисленные выше условия не могут быть выполнены для всех абонентов, то отдельные местные системы необходимо присоединять по независимой схеме.

При неровном рельефе местности, когда значительное количество потребителей теплоты выходит за границу нормального гидравлического режима, система теплоснабжения разбивается на независимые по давлению зоны.