Тема 4. Устройство систем и история развития тепло- и газоснабжения.
При рассмотрении этой темы предусмотрено посещение лабораторий кафедры ТГС, где студенты будут ознакомлены с устройством «отдельно элементами систем теплогазоснабжения».
4.1. Теплоснабжение
Системой теплоснабжения называют комплекс технических устройств, обеспечивающих приготовление теплоносителя, его транспортирование и распределение по потребителям.
Назначение системы теплоснабжения - обеспечение потребителей теплоты необходимым количеством тепловой энергии требуемых параметров.
Потребителями теплоты являются системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, горячего водоснабжения, а также технологические установки промышленных предприятий.
Применяют централизованные и децентрализованные (автономные) системы теплоснабжения. В централизованных системах один источник теплоты обслуживает раздельно расположенные теплопотребляющие устройства ряда абонентов.
В децентрализованных (автономных) системах теплоснабжения каждый, потребитель имеет собственный источник теплоты. Теплоноситель - материальная среда, которая используется для передачи теплоты от источника к потребителям. В системах теплоснабжения в качестве теплоносителя служат вода и водяной пар. Воздух для передачи теплоты на значительное расстояние малопригоден из-за его невысокой плотности и теплоемкости.
Вода: плотность р=1000 кг/м3; удельная теплоемкость с=4187Дж/кг; скорость движения v<=1.5 м/с;
Пар: плотность р=0,6 - 1,6 кг/м3; скрытая теплота парообразования г = 2250 - 2160 кДж/кг; v = 4'0 - 80 м/с.
Скрытой теплотой парообразования называют количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг воды, нагретой до температуры кипения, в пар.
Теплоноситель - горячая вода или водяной пар с соответствующими параметрами - приготовляются в водогрейных или паровых котлах. Возможно использование альтернативных источников теплоты, которые рассматриваются ниже.
Для обеспечения теплотой больших жилых массивов городов и промышленных предприятий применяются системы централизованного теплоснабжения. Источниками теплоты в них являются теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) или крупные (обычно районные) котельные. Те и другие имеют высокий к.п.д., теплоноситель-вода от них транспортируется по тепловым сетям протяженностью до 20-30 км с диаметром труб до 1000-1500 мм, протяженность паропроводов составляет несколько километров. Мощность ТЭЦ - 1000-3000 МВт, котельных - 100-500 МВт.
Система централизованного теплоснабжения начинается источником теплоты и заканчивается абонентским вводом в здание.
Применяются водяные и паровые системы теплоснабжения. К преимуществам воды как теплоносителя относятся значительно меньшие потери теплоты при транспортировании. В больших системах температура воды падает примерно на 1°С на 1 км теплопровода, в то же время давление пара снижается примерно на 0,1 - 0,15 МПа, что соответствует 5-10 °С.
Преимуществом воды как теплоносителя является также возможность регулирования подачи теплоты путем изменения температуры воды (качественное регулирование). Водяная система более проста в эксплуатации, чем паровая, так как в ней отсутствуют конденсатоотводчики, конденсатопроводы, конденсатные насосы. При теплоносителе - воде поддерживается более низкая температура отопительных приборов. Это является гигиеническим преимуществом воды. Трубопроводы, транспортирующие воду, в меньшей степени подвержены коррозии и служат дольше, чем паропроводы.
Достоинством пара является возможность удовлетворять как отопительные, так и технологические нагрузки, а также малое гидростатическое давление. С учетом преимуществ и недостатков теплоносителей водяные системы применяют для теплоснабжения жилых домов, общественных и коммунальных зданий, предприятий, которым необходима горячая вода, а паровые системы - для снабжения промышленных предприятий. Централизованное теплоснабжение городов составляет до 70-80 % в крупных городах, в которых преобладает современная застройка. Источником до 50-60 % теплоты для жилищно-коммунального сектора являются ТЭЦ.
На ТЭЦ в энергетических котлах (рис. 2.1) получают перегретый пар высокого давления. Пар подается в турбины, где отдает часть энергии для выработки электричества. Основная часть пара проходит через отборы и поступает в станционные теплообменники, где он нагревает теплоноситель-воду системы теплоснабжения. На ТЭЦ осуществляется комбинированная выработка тепловой и электрической энергии: теплота высокого потенциала используется для выработки электроэнергии, а теплота низкого потенциала - для теплоснабжения. Комбинированная выработка теплоты и электроэнергии обеспечивает высокую эффективность использования топлива. На ТЭЦ 33 % теплоты расходуется на производство электроэнергии, 47 % на централизованное теплоснабжение. Среднегодовой к.п.д. ТЭЦ обычно 55 %.
В районных котельных экономический эффект достигается благодаря использованию более крупных котельных установок, имеющих высокий к.п.д. В этих котельных может быть механизирована подача топлива, удаление золы и шлака.
Сокращение количества источников теплоты и их укрупнение позволяет значительно улучшить экологическую ситуацию в крупных городах. Уменьшается количество дымовых труб, через которые в окружающую среду выбрасываются продукты сгорания.
Нет необходимости в большом числе складов топлива, может быть механизирован процесс удаления золы и шлаков. Легче осуществлять очистку дымовых газов от токсичных компонентов.
Наряду со значительными преимуществами, централизованное теплоснабжение имеет определенные недостатки. К ним, в первую очередь, относятся значительные потери теплоты в тепловых сетях, достигающие 30 %.
В настоящее время в Российской Федерации находятся в эксплуатации более 30 тыс. км магистральных тепловых сетей и около 240 тыс. распределительных сетей.
Значительная часть тепловых сетей выполнена с применением малоэффективной теплоизоляции и некачественной гидроизоляции. Это приводит к значительным сверхнормативным тепловым потерям и ускоренной коррозии труб. Перерасход топлива в тепловых сетях составляет 20-25 млн. т условного топлива в год.
Сейчас в ряде случаев более эффективно и экономично применение децентрализованных (автономных) систем теплоснабжения.
4.2 Газоснабжение. Природные и искусственные газы.
Их свойства. Газопроводы и газораспределительные сети.
В последние десятилетия резко увеличилось применение газового топлива, в том числе для теплоснабжения. Газ имеет значительные преимущества по сравнению с другими видами топлива: высокая теплота сгорания, удобство транспортирования, нет необходимости удаления золы и шлаков и др. Горючие газы бывают природные и искусственные.
В системах теплоснабжения используют, главным образом, природные газы. Природный газ представляет собой смесь различных углеводородов, основным из которых является метан СН4. Его содержание составляет до 97...98 %. В небольших количествах в природных газах содержатся тяжелые углеводороды: этан, пропан, бутан, а также диоксид углерода (углекислый газ), азот.
Природные газы легче воздуха. Низшая теплота сгорания природных газов газовых месторождений Российской Федерации находится в пределах Q =(35...38) МДж/м3. Плотность - в пределах 0,71 - 0,78 кг/м3.
Теплотой сгорания газа называют количество теплоты, выделяющейся при сжигании 1 м3 или 1 кг газа. Различают высшую и низшую теплоту сгорания.
Высшей теплотой сгорания QPS называют количество теплоты, которое выделяется при сгорании топлива с учетом теплоты конденсации водяных паров, содержащихся в топливе. В низшей теплоте сгорания 0^ это количество теплоты
не учитывается.
Природные газы, по сравнению с искусственными, относительно безвредны, если в них не содержится сероводород. Метан СНЦ, из которого в основном состоят природные газы, не ядовит, не имеет запаха и вкуса. Метан в смеси с воздухом при концентрации примерно 5-15 % способен взрываться от искры, например при включении электроприборов, от открытого огня.
Искусственные газы получают в результате термической переработки твердого топлива - угля, сланцев, торфа или жидкого топлива - нефти. Например, коксовый газ получают в процессе сухой перегонки каменных углей при их нагревании до температуры 900 - 1100°С без доступа воздуха. Продуктами процесса являются кокс, применяемый в металлургической промышленности, и коксовый газ. Коксовый газ является смесью водорода №- 57 %, метана СН4 - 23 %, оксида углерода СО - 6,8 % и прочих газов - 13,2%. Основными горючими составляющими коксового газа являются водород и метан. Q коксового газа достигает 20 МДж/нм3. Нормальным метром кубическим (нм3) принято считать 1 м3 газа при нормальном атмосферном давлении и температуре 20 С.0
Содержание в искусственных газах высокотоксичного оксида углерода (угарный газ) представляет большую опасность для жизни людей. Концентрация в закрытых помещениях 0,15% СО через 0,5 часа может вызвать тяжелые отравления, а концентрация 0,4 % - смерть.