Принятая схема тепловых сетей в значительной мере определяет надежность теплоснабжения, маневренность системы, удобство ее эксплуатации и экономическую эффективность. Принципы построения крупных систем теплоснабжения от нескольких источников тепла, средних и мелких систем существенно отличаются.

Крупные и средние системы должны иметь иерархическое построе­ние. Высший уровень составляют магистральные сети, соединяющие источники тепла с крупными тепловыми узлами — районными тепловы­ми пунктами (РТП), которые распределяют теплоноситель по сетям низшего уровня и обеспечивают в них автономные гидравлический и температурный режимы. Необходимость строгого расчленения тепловых сетей на магистрали и распределительные сети отмечается в ряде работ[21]. Низший иерархический уровень составляют распределительные сети, которые транспортируют теплоноситель в групповые или индиви­дуальные тепловые пункты.

Распределительные сети присоединяют к магистральным в РТП через водоводяные подогреватели или непосредственно с установкой смесительных циркуляционных насосов. В случае присоединения через водоводяные подогреватели гидравлические режимы магистральных и распределительных сетей полностью разобщаются, что делает систему надежной, гибкой и маневренной. Жесткие требования к уровням дав­ления в магистральных теплопроводах, выдвигаемые потребителями, здесь снимаются. Остаются лишь требования непревышения давления, определяемого прочностью элементов тепловой сети, невскипания теплоносителя в подающем трубопроводе и обеспечения необходимого располагаемого напора перед водоподогревателями. В сеть высшего иерархического уровня теплоноситель может подаваться из различных источников с различными температурами, но при условии, чтобы они превышали температуру в распределительных сетях. Параллельная ра­бота всех источников тепла на объединенную магистральную сеть по­зволяет наилучшим образом распределять нагрузку между ними в целях экономии топлива, обеспечивает резервирование источников и позволяет, сократить их суммарную мощность. Закольцованная сеть повышает надежность теплоснабжения и обеспечивает подачу тепла потребителям при отказах отдельных ее элементов. Наличие несколь­ких источников питания кольцевой сети сокращает необходимый резерв ее пропускной способности.

В системе теплоснабжения с насосами в РТП отсутствует полная гидравлическая изоляция магистральных сетей от распределительных. Для больших систем с протяженными закольцованными магистральны­ми теплопроводами'и несколькими источниками питания задачу управ­ления гидравлическим режимом. сети при соблюдении ограничений в давлениях, предъявляемых потребителями, можно решить лишь при оснащении РТП современной автоматикой. Эти системы также позво­ляют поддерживать независимый циркуляционный режим теплоноси­теля в распределительных сетях и температурный режим, отличный от температурного режима в магистралях. В результате установки регу­ляторов давления на подающей и обратной линиях можно обеспечить в них пониженный уровень давления.

Рис. 6.1. Принципы по­строения крупной систе­мы теплоснабжения а — схема тепловых сечей высшего уровня; б — схема тзи-2 с насосным присоединен г—, ннем распределительных се» —] тей; в — схема РТП с при - 1—1 соединением тепловых сетей через водоводяные подогре­ватели; 1 — закольцованные тепломагистрали высшего уровня; 2 — крупные тепло» вые узлы (РТП); 3 — иере - мычкн, резервирующие теп* ловую сеть; 4 — перемычки, резервирующие источники тепла; 5 — распределитель­ные сети; 6 — тенловые пункты потребителей

На рис. 6.1 показана однолинейная принципиальная схема большой системы теплоснабжения, которая имеет два иерархических уровня тепловых сетей. Высший уровень системы представлен кольцевой магистральной сетью с ответвлениями к РТП. От РТП идут распреде­лительные сети, к Которым присоединены потребители. Эти сети состав­ляют низший уровень. К магистральной сети потребителей не присоединяют. Теплоноситель в магистральную сеть поступает от двух ТЭЦ. Система имеет резервный источник тепла — районную котельную (РК). Схема может быть выполнена с одним видом присоединения рас­пределительных сетей к РТП (рис. 6.1,6 или в) или комбинированной с двумя видами.

У систем с двумя иерархическими уровнями резервируют только высший уровень. Надежность теплоснабжения обеспечивается выбором такой мощности РТП, при которой надежность нерезервированной (ту­пиковой) сети оказывается достаточной. Принятый уровень надежности определяет протяженность и максимальные диаметры распределитель­ной сети от каждого РТП. На высшем уровне резервируют и источники тепла, и теплопроводы. Резервирование осуществляют путем соедине­ния подающих и обратных магистралей соответственными перемычка­ми. Различают два вида перемычек (см. рис. 6.1). Одни из них резервируют сеть, 'обеспечивая ее надежное функционирование при отказах участков теплопроводов, задвижек или другого оборудования сети. Другие резервируют источники тепла, обеспечивая переток тепло­носителя из зоны одного источника в зону другого при его отказах или ремонте. Тепломагистрали вместе с перемычками образуют единую кольцевую сеть. Диаметры всех теплопроводов этой сети, включая диаметры перемычек, должны быть рассчитаны на пропуск необходи­мого количества теплоносителя в самых неблагоприятных аварийных ситуациях. В нормальном режиме теплоноситель движется по всем теплопроводам системы и понятие кольцующей «перемычки» теряет смысл, тем более, что при переменных гидравлических режимах точки схода потоков могут перемещаться, и роль «перемычки» будут выпол­нять различные участки сети. Поскольку резервные элементы тепловой сети всегда находятся в работе, такое резервирование называется на­груженным.

Системы с нагруженным резервом имеют эксплуатационный недо­статок, заключающийся в том, что при возникновении аварии обнару­жить магистраль, на которой она произошла, представляет большие трудности, ибо все магистрали объединены в общую сеть.

Сохраняя принцип иерархического построения системы теплоснаб­жения, можно применить другой метод ее резервирования, используя
ненагруженный резерв. В этом случае перемычки, обеспечивающие ре­зервирование источников тепла, в нормальном режиме отключены и не работают. Здесь следует отметить, что поскольку в основу принципа построения схемы системы положена иерархичность и высший и низший уровень разделяются крупными тепловыми узлами, потребителей к перемычкам не присоединяют, независимо от того, являются они на­груженным или ненагруженным резервом. Каждая ТЭЦ обеспечивает теплоснабжение своей зоны. При ситуациях, когда возникает необхо­димость резервирования одного источника другим, в работу включа­ются резервные перемычки.

При использовании принципа ненагруженного резервирования коль­цевание сетей для обеспечения надежности теплоснабжения при отка­зах элементов теплосети можно осуществлять однотрубными перемыч­ками, как это было предложено в МИСИ им. В. В. Куйбышева. В местах присоединения перемычек к теплопроводам располагаются узлы, позволяющие переключать перемычки на подающую или обрат­ную лрнии в зависимости от того, на которой из них произошла авария (вероятность одновременного отказа двух элементов ничтожно мала).

Применение однотрубных перемычек позволяет существенно снизить дополнительные капитальные вложения в резервирование. При нор­мальном режиме сеть работает как тупиковая, т. е. каждая магистраль имеет определенный круг потребителей и независимый гидравлический режим. При аварийных ситуациях включаются необходимые резервные пер. емычки. При ненагруженном резервировании, так же как и при на­груженном, диаметры всех теплопроводов, включая перемычки, рассчи­тывают на пропуск необходимого количества теплоносителя при наи­более напряженных гидравлических режимах в аварийных ситуациях. Принципиальная схема сохраняется и может быть иллюстрирована рис. 6.1. Отличие от схемы с нагруженным резервированием состоит в том, что перемычки 3 выполняются однотрубными. Эксплуатация систе­мы осуществляется с закрытыми задвижками на всех перемычках 3 и 4. Такой режим эксплуатации удобнее, так как при независимых гид­равлических режимах магистралей легче контролировать их состояние. Кроме того, применение ненагруженного резерва — однотрубных пере­мычек— дает существенный экономический эффект.

Для обеспечения надежного и качественного теплоснабжения иерар­хического построения схемы и резервирования еще недостаточно. Не­обходимо обеспечить управляемость системы. Следует различать два вида управления системой. Первый вид обеспечивает эффективность теплоснабжения при нормальной эксплуатации, второй вид позволяет осуществлять лимитированное теплоснабжение потребителей при ава­рийных гидравлических режимах.

Под управляемостью системы в процессе эксплуатации понимают свойство системы, позволяющее менять гидравлические и температур­ные режимы в соответствии с изменяющимися условиями. Для возмож­ности управления гидравлическим и температурным режимами систе­ма должна иметь тепловые пункты, оснащенные автоматикой и уст­ройствами. позволяющими осуществлять автономные циркуляционные режимы в распределительных сетях. В наилучшей степени требовани­ям управляемости отвечают системы с иерархическим построением и РТП. РТП с, насосным присоединением распределительных сетей обо­рудуют регуляторами давления, которые поддерживают постоянное давление в обратной линии и постоянный перепад давлений между по­дающей и обратной линиями после РТП. Циркуляционные насосы поз­воляют поддерживать располагаемый перепад давлений после РТП постоянным при сниженном расходе воды во внешней сети, а также снижать температуру в сетях за РТП путем подмешивания воды из обратной линии. РТП оборудуют автоматикой, позволяющей отсекать их от магистральных теплопроводов при авариях в распределительных сетях. РТП присоединяют к магистралям с двух сторон секционирую­щей задвижки. Это обеспечивает питание РТП при аварии на одном из участков. Секционирующие задвижки на магистралях устанавлива­ют примерно через 1 км. Если РТП присоединять с двух сторон каждой задвижки, то для магистралей с начальным диаметром 1200 мм нагруз­ка РТП составит примерно 46 000 кВт (40 Гкал/ч). В новых планиро­вочных решениях городов основным градостроительным элементом яв­ляется микрорайон с тепловой нагрузкой 11 000—35 000 кВт (10— 30 Гкал/ч). Целесообразно создавать крупные РТП из расчета обеспе­чения теплоснабжения одного или нескольких микрорайонов. В этом случае тепловая нагрузка РТП будет составлять 35 000—70 000 кВт (30—60 Гкал/ч) [22]:

Другой способ присоединения распределительных сетей к маги­страли — ч^рез теплообменники, располагаемые в РТП, не требует оснащения РТП большим количеством автоматических устройств, так как гидравлически магистральные и распределительные сети разобщены. Такой способ особенно целесообразно применять при сложном рельефе местности и наличии зон с пониженными геодези­ческими отметками. Выбор способа следует осуществлять на основа­нии технико-экономического расчета.

Задача управления аварийным гидравлическим режимом возни­кает при расчете теплопроводов на пропуск лимитированного количе­ства теплоносителя при авариях.

Учитывая относительно малую продолжительность аварийных ситуаций на тепловых сетях и значительную теплоаккумулирующую способность зданий, в МИСИ им. В. В. Куйбышева был разработан принцип обоснования резерва пропускной способности тепловых се­тей исходя из лимитированного (пониженного) теплоснабжение по­требителей в период аварийных ремонтов на сетях. Этот принцип позволяет существенно сократить дополнительные капитальные вло­жения - в резервирование. Для практической реализации лимитиро­ванного теплоснабжения система должна быть управляемой при пе­реходе на аварийный гидравлический режим. Иначе говоря, потреби­тели должны отбирать из сети наперед заданные (лимитированные) количества теплоносителя. Для этого целесообразно на каждом вво­де в тепловой узел на байпасе устанавливать регулятор — ограничи­тель расхода. При возникновении аварийного режима подача тепло­носителя потребителям переключается на байпас. Блоки таких регу­ляторов следует устанавливать на вводе в РТП. Если РТП оборуду­ют регуляторами расхода, позволяющими осуществлять дистанционную перенастройку, тогда они могут выполнять роль регуляторов — ограни­чителей расхода.

Если аварийным гидравлическим режимом не управлять, тогда резерв пропускной способности сетей должен быть рассчитан на 100%-вый расход теплоносителя при авариях, что приведет к необос­нованному перерасходу металла.

Практическое осуществление управления эксплуатационными и аварийными режимами возможно лишь при наличии телемеханиза­ции. Телемеханизация должна обеспечить контроль параметров, сиг­нализацию о состоянии оборудования, управление насосами и за­движками, регулирование расхода сетевой воды.

Выше были рассмотрены оптимальные схемы современных боль­ших систем теплоснабжения. Небольшие системы теплоснабжения с нагрузкой, примерно соответствующей нагрузкам РТП, проектируют
нерезервированными. Сети выпол­няют тупиковыми разветвленными. С ростом мощности источника теп­ла возникает необходимость в ре­зервировании головной части теп­ловой сети.

Управляемые системы с иерархи­ческим построением являются со­временными прогрессивными систе­мами. Однако строящихся до пос­леднего времени тепловые сети и большинство эксплуатируемых от­носятся к так называемым обезличенным сетям. При таком решении всех потребителей тепла (и крупных, и малых) параллельно при­соединяют к сети, причем и к магистралям, и к распределительным теплопроводам. В результате такого способа присоединения, по су­ществу, теряется различие между магистральными и распределитель­ными сетями. Они представляют собой единую сеть с единым гид­равлическим режимом, отличает их лишь значение диаметра. Такая система не имеет иерархического построения, является неуправляе­мой и для ее резервирования в целях повышения надежности тепло снабжения необходимы значительные капитальные вложения. Из из­ложенного можно сделать вывод, что вновь строящиеся системы теп­лоснабжения должны проектироваться управляемыми с иерархиче­ским построением. При реконструкциях и развитии действующих си­стем также необходимо проектировать РТП и обеспечивать четкое разделение сегей на магистральные и распределительные.

Действующие тепловые сети по их построению можно разделить на два типа: радиальные и кольцевые (рис. 6.2). Радиальные сети являются тупиковыми, нерезервированными и поэтому они Не обеспе­чивают необходимой надежности. Такие сети можно применять для небольших систем, если источник тепла расположен в центре тепла - снабжаемого района.