Energy
education

сайт для тех, кто хочет изучать энергетику

Теплоснабжение

Microsoft Excel

Системы централизованного теплоснабжения

Системы централизованного теплоснабжения - источник производства тепловой энергии работает на теплоснабжение группы зданий и связан транспортными устройствами с приборами потребления тепла.

5. Подбор клапанов регулирующих устройств

Принцип подбора клапанов — общий для всех исполнительных механизмов регулирующих устройств (регуляторов температуры и давления прямого действия, регулирующих клапанов с электроприводами). Он также может использоваться при выборе балансировочной, подпиточной (соленоидных клапанов) и другой трубопроводной арматуры. Регулирующий клапан должен пропустить в бескавитационном и бесшумном режиме расчетное количество теплоносителя через теплоиспользующую систему при заданных параметрах теплоносителя, обеспечив требуемое качество и точность регулирования (в совокупности с исполнительными устройствами и регулирующими приборами).

Пропускная способность

В основе подбора регулирующего клапана лежит его условная пропускная способность $K_{vs}$, которая соответствует расходу $G$ (м3/ч) холодной воды ($Т = 20$ °C), проходящей через полностью открытый клапан при перепаде давлений на нем $ΔР_{кл.} = 1$ бар. $K_{vs}$ — конструктивная характеристика клапана. При выборе клапана его $K_{vs}$ должна быть равна или близка значению требуемой пропускной способности $K_v$ с рекомендуемым запасом:

$$K_{vs} ≥ K_v$$
Определение условной пропускной способности клапана.
Определение условной пропускной способности клапана.

Требуемая пропускная способность определяется в зависимости от расчетного расхода теплоносителя через клапан и от фактического перепада давлений на нем по формуле, м3/ч:

$$K_v = \frac{1.2·G_p}{\sqrt{ΔР_{кл.}}}$$

где $G_р$ — расчетный расход теплоносителя через клапан, м3/ч; $ΔР_{кл.}$ — заданный перепад давлений на клапане, бар.

Расчетный расход теплоносителя

Системы отопления и вентиляции. При определении требуемой пропускной способности регулирующего клапана для систем отопления и вентиляции расчетный расход теплоносителя $G_{рО(В)}$ определяется по их тепловой нагрузке $Q_{О(В)}$ (кВт) и температурному перепаду $ΔT = (Т_1 – Т_2)$ в контуре, где установлен клапан, м3/ч:

$$G_{рО(В)} = \frac{0.86·Q_{О(В)}}{Т_1 – Т_2}.$$

При этом температурный перепад принимается по температурному графику при расчетной температуре наружного воздуха для проектирования отопления (например, 150–70 °C).

Система ГВС. Подбор регулирующих клапанов для подогревателей сис-темы ГВС производится при расходе греющего теплоносителя, который определяется по максимальной часовой тепловой нагрузке на ГВС $Q_{ГВС}$ (кВт) и перепаду температур греющего теплоносителя в точке излома температурного графика (например, 70–40 °C). Расчетный расход теплоносителя через клапан системы ГВС при непосредственном водоразборе из тепловой сети принимается в размере максимального часового расхода горячей воды для хозяйственно-питьевых нужд или на технологический процесс.

Пропускная способность клапанов регулирующих устройств, обслуживающих одновременно систему отопления и систему ГВС, например общего для этих систем регулятора перепада давлений, определяется:

  • при одноступенчатом нагреве воды для системы ГВС — по сумме их расчетных расходов;
  • при двухступенчатой смешанной схеме нагрева воды (I ступень водоподогревателя и система отопления подключены к тепловой сети последовательно, II ступень — параллельно системе отопления) — по сумме расчетных расходов на отопление и ГВС с коэффициентом 0.8.

Система подпитки. При выборе подпиточных устройств расчетный часовой расход берется в размере 20 % от полного объема воды в системе теплопотребления, включая подогреватель и расширительный сосуд. Объем воды в системе отопления с достаточной точностью можно принимать из расчета 15 л на каждый кВт тепловой мощности системы.

Расчетный перепад давлений

Выбор расчетного перепада давлений на регулирующих клапанах — наиболее сложно решаемая проблема. Если расход теплоносителя через клапан задан однозначно, то перепадом давлений на нем можно варьировать. От принятого перепада давлений зависит не только калибр клапана, но также работоспособность и долговечность регулирующего устройства, бесшумность его функционирования, качество регулирования. Выбор перепада давлений для всех регулирующих клапанов теплового пункта следует производить комплексно, во взаимосвязи, с учетом конкретных условий и приведенных ниже требований. Исходной величиной для выбора перепада давлений на регулирующих клапанах теплового пункта является перепад давлений в трубопроводах тепловой сети на вводе в здание (на узле ввода теплового пункта) $ΔР_с$. Обычно перепад давлений на вводе в здание принимается по официальным данным теплоснабжающей организации с запасом 20% ($0.8·ΔР_с$). Для обеспечения качественного процесса регулирования и долговечной работы регулирующего клапана перепад давлений на нем должен быть больше или равен половине перепада давлений на регулируемом участке:

$$ΔР^{откр}_{кл} ≥ 0.5·ΔР_{ру}$$

или

$$ΔР^{откр}_{кл} ≥ Р{то}.$$

Регулируемый участок — это часть трубопроводной сети с теплоиспользующей установкой, где расположен клапан, между точками со стабилизированным перепадом давлений или при его колебаниях в пределах ±10 %.

Выбор перепада давлений на регулирующем клапане.
Выбор перепада давлений на регулирующем клапане.

Рекомендуемое абсолютно минимальное значение перепада давлений на регулирующем клапане $ΔР^{мин}_{кл} = 0.3$ бар. В то же время перепад давлений на клапане не должен превышать предельно допустимое значение, гарантирующее работу клапана в бескавитационном режиме. Проверку клапана на возникновение кавитации следует осуществлять при температурах проходящего через него теплоносителя. С этой целью для выбранного клапана определяется предельно допустимый перепад давлений $ΔР^{пред}_{кл}$ и сравнивается с принятым перепадом при расчете $K_v$. Предельно допустимый перепад давлений на регулирующем клапане рассчитывается по формуле, бар:

$$ΔР^{пред}_{кл} = Z·(P_1 – Р^{из б}_{нас.}),$$

где $Z$ — коэффициент начала кавитации. Принимается по каталогам на регулирующие клапаны в зависимости от их типа и диаметра; $P_1$ — избыточное давление теплоносителя перед регулирующим клапаном, бар; $Р^{из б}_{нас.}$ — избыточное давление насыщенных паров воды в зависимости от ее температуры $Т_1$ в бар. Если рассчитанный $ΔР^{пред}_{кл}$ окажется меньше принятого ранее $ΔР_{кл}$, то необходимо либо уменьшить заданный перепад давлений на клапане путем перераспределения его между элементами трубопроводной сети, в том числе за счет дополнительной установки какого-либо дросселирующего устройства (например, ручного балансировочного клапана) перед клапаном, либо переместить клапан на обратный трубопровод, где температура теплоносителя менее 100 °C. При применении не разгруженного по давлению клапана перепад давлений на нем не должен превышать также предельного значения, свыше которого клапан не будет закрываться под воздействием привода, у которого ограничено усилие. Во всех случаях в целях минимизации шумообразования перепад давлений на регулирующих клапанах рекомендуется принимать не более 2.5 бар.

Регулирующие клапаны в сочетании с электрическими приводами имеют относительный диапазон регулирования не менее 1:30, т. е. клапан обеспечивает пропорциональное регулирование при уменьшении расхода проходящей через него среды по сравнению со значением $K_{vs}$ в 30 раз. Если требуется расширить диапазон регулирования, можно установить два клапана параллельно: один — с бóльшей пропускной способностью, подобранный на номинальный расход теплоносителя, а второй — с мéньшей пропускной способностью, рассчитанный на пропуск 1/30 части номинального расхода. При этом электрические соединения клапанов должны быть выполнены таким образом, чтобы сначала открывался «маленький» клапан и только после его полного открытия — «большой». Для обеспечения такой последовательности работы клапанов можно использовать их концевые выключатели (встроенные или дополнительные). Для системы подпитки перепад давлений на соленоидном клапане определяется как разность между требуемым статическим давлением в системе теплопотребления при ее независимом присоединении к тепловой сети и давлением перед клапаном (в обратном трубопроводе тепловой сети или создаваемое подпиточным насосом). Определение расчетных параметров и последовательность выбора регулирующих клапанов проиллюстрированы в приведенных ниже примерах.

Пример 1

Подобрать регулирующий клапан при следующих условиях:

  • клапан устанавливается на обратном трубопроводе после теплоиспользующей установки;
  • теплоноситель — вода с температурой в обратном трубопроводе: $Т_2 = 70$ °C;
  • потери давления в теплоиспользующей установке (в сети): $ΔР_{то} = 1.5$ бар;
  • располагаемый напор на регулируемом участке произвольный (определяется по результатам подбора клапана);
  • расчетный расход теплоносителя: $G_р = 10$ м3/ч.

Решение 1. Расчетный перепад давлений на клапане из условия $ΔР_{кл} ≥ 0.5·ΔР_{ру}$, т.е. $ΔР_{кл} ≥ ΔР_{то}$, принимается равным $ΔР_у$, бар:

$$ΔР_{кл} = ΔР_{то} = 1.5.$$

2. Рассчитывается требуемая пропускная способность клапана по формуле, м3/ч:

$$K_v = \frac{1.2·10}{\sqrt{1.5}} = 9.8.$$

3. Из технического каталога выбирается клапан Ду 25 с $K_{vs} = 10$ м3/ч (ближайший больший к $K_v$).

Пример 2

Выбрать регулирующий клапан при следующих исходных данных:

  • теплоноситель — вода с температурой: $Т_1 = 150$ °C, и давлением насыщенных паров: $Р_{нас} = 3.85$ бар;
  • избыточное давление теплоносителя перед клапаном: $Р_1 = 7$ бар;
  • предварительно заданный перепад давлений на регулирующем клапане: $ΔР_{кл} = 2.5$ бар;
  • расчетный расход теплоносителя: $G_р = 40$ м3/ч.

Решение 1. Рассчитывается требуемая пропускная способность клапана по формуле, м3/ч:

$$K_v = \frac{1.2·40}{\sqrt{2.5}} = 30.4.$$

2. Из каталога «Регулирующие клапаны с электроприводами и гидравлические регуляторы температуры и давления» предварительно выбирается клапан Ду 50 с $K_{vs} = 32$ м3/ч и коэффициентом начала кавитации $Z = 0.5$.

3. Рассчитывается предельно допустимый перепад давлений на клапане с запасом 10 %, бар:

$$ΔР^{пред}_{кл} = 0.5 · (7 – 3.85) · 0.9 = 1.4.$$

4. Так как принятый первоначально перепад давлений на клапане оказался больше предельно допустимого по условиям кавитации ($ΔР_{кл} = 2.5 > ΔР^{пред}_{кл} = 1.4$), $K^{тр}_{v} пересчитывается при $ΔР_{кл} = 1.4$ бар, м3/ч:

$$K_v = \frac{1.2·40}{\sqrt{1.4}} = 40.6.$$

5. По скорректированному значению $K_v$ выбирается клапан Ду 65 с $K_{vs} = 50$ м3/ч и коэффициентом начала кавитации $Z = 0.5$.

Пример 3

Выбрать моторные регулирующие клапаны и клапаны регуляторов перепада давлений для теплового пункта.

Схема теплового пункта .
Схема теплового пункта .

Исходные данные:

  • Теплоноситель — вода, подаваемая из закрытой системы теплоснабжения по температурному графику с «летней» срезкой для ГВС.
  • Расчетная температура теплоносителя в тепловой сети: $Т_1 = 150$ °C и $Т_2 = 70$ °C. Температура в точке «излома» графика: $T’_1 = 70$ °C и $T’_2 = 40$ °C.
  • Избыточное давление в трубопроводах тепловой сети: подающем: $Р_1 = 12$ бар, обратном: $Р_2 = 4$ бар.
  • Расчетная тепловая нагрузка: на отопление: $Q_О = 1000$ кВт, на вентиляцию: $Q_В = 2000$ кВт, на ГВС: $Q_{ГВС} = 500$ кВт.
  • Потеря давления: в системе отопления: $∆Р_О = 0.5$ бар, в системе вентиляции: $∆Р_В = 1$ бар, в первой ступени водоподогревателя ГВС (по греющей воде): $∆Р_{ГВС1} = 0.3$ бар, во второй ступени водоподогревателя ГВС (по греющей воде): $∆Р_{ГВС2} = 0.2$ бар.

Решение 1. Расчетный расход через регулирующий клапан в узле приготовления теплоносителя для системы отопления рассчитывается по формуле, м3/ч:

$$G_{ОТ} = 0.86 · Q_О / (T_1–T_2) = 0.86 · 1000 / (150 – 70) = 10.75.$$

2. Расчетный расход через клапан регулятора перепада давлений для системы вентиляции, м3/ч:

$$G_В = 0.86 · Q_В / (T_1 – T_2) = 0.86 · 2000 / (150 – 70) = 21.5.$$

3. Расчетный расход через регулирующий клапан системы ГВС, м3/ч:

$$G_{ГВС} = 0.86 · Q_{ГВС} / (T’_1 – T’_2) = 0.86 · 500 / (70 – 40) = 14.33.$$

4. Расчетный расход через клапан регулятора перепада давлений РПД1 для систем отопления и ГВС, м3/ч:

$$G_{РПД1} = 0.8 · (G_О + G_{ГВС}) = 0.8 · (10.75 + 14.33) = 20.06.$$

5. Предельно допустимый перепад давлений по условию бескавитационной работы на клапанах регуляторов перепада давлений для систем отопления с ГВС ($∆P^{макс}_{РПД1}$) и системы вентиляции ($∆P^{макс}_{РПД2}$) при $Z = 0.5$ (рекомендуемое значение для предварительного расчета) и $Р_{нас} = 3.85$ бар, бар:

$$∆P^{макс}_{РПД1} = ∆P^{макс}_{РПД2} = Z · (Р_1 – Р_н) = 0.5 · (12 – 3.85) = 4.1.$$

6. Принимаем перепад давлений на регуляторах перепада давлений с запасом 10 %, бар:

$$∆Р_{РПД1} = ∆Р_{РПД2} = 0.9 · 4.1 = 3.7.$$

7. Давление в подающем трубопроводе перед регулирующими клапанами систем отопления и ГВС, бар:

$$Р_3 = Р_1 – ∆Р_{РПД1} = 12 – 3.7 = 8.3.$$

8. Предельно допустимый перепад давлений по условию бескавитационной работы на регулирующих клапанах системы отопления ($∆Р_{клОТ}$) и ГВС ($∆Р_{клГВС}$) при предварительно принятом $Z = 0.5$ и $Р_{нас} = 3.85$ бар, бар:

$$∆Р^{макс}_{клОТ} = ∆Р^{макс}_{клГВС} = Z · (Р_3 – Р_{нас.}) = 0.5 · (8.3 – 3.85) = 2.2.$$

9. Принимаем перепад давлений на клапанах систем отопления и ГВС с запасом 10 %, бар:

∆Р_{кл.О} = ∆Р_{кл.ГВС} = 0.9·2.2 = 2.

10. Излишний напор в кольце систем отопления и ГВС гасим на дополнительно устанавливаемом на вводе ручном балансировочном клапане БКI, принимая располагаемый напор на вводе с запасом 10 %, бар:

$$∆Р_{БК1} = 0.9 · (Р_1 – Р_2) – ∆Р_{РПД1} – ∆Р_{кл.О} – ∆Р_{ГВСI} = 0.9 · (12 – 4) – 3.7 – 2 – 0.3 = 1.2.$$

11. Излишний напор в кольце системы вентиляции гасим на дополнительно устанавливаемом ручном балансировочном клапане БК2, бар:

$$∆Р_{БК2} = 0.9 · (Р_1 – Р_2) – ∆Р_{БКI} – ∆Р_{РПД2} – ∆Р_В = 0.9 · (12 – 4) – 1.2 – 3.7 – 1 = 1.3.$$

12. Требуемая пропускная способность регулирующих клапанов, м3/ч:

для отопления:

$$K_v = \frac{1.2·G_О}{\sqrt{∆Р_{кл.О}}} = \frac{1.2·10.75}{\sqrt{2}} = 9.14;$$

для ГВС:

$$K_v = \frac{1.2·G_ГВС}{\sqrt{∆Р_{кл.ГВС}}} = \frac{1.2·14.33}{\sqrt{2}} = 12.2;$$

для РПД1:

$$K_v = \frac{1.2·G_РПД1}{\sqrt{∆Р_{РПД1}}} = \frac{1.2·20.06}{\sqrt{3.7}} = 12.54;$$

для РПД2:

$$K_v = \frac{1.2·G_В}{\sqrt{∆Р_{РПД2}}} = \frac{1.2·21.5}{\sqrt{3.7}} = 13.44.$$

13. Клапаны выбираются по каталогу на основе требуемых пропускных способностей: для отопления: Ду = 25 мм c $K_{vs} = 10$ м3/ч и $Z = 0.5$; для ГВС: Ду = 32 мм c $K_{vs} = 16$ м3/ч и $Z = 0.5$; для РПД1: Ду = 32 мм c $K_{vs} = 16$ м3/ч и $Z = 0.55$; для РПД2: Ду = 32 мм c $K_{vs} = 16$ м3/ч и $Z = 0.55$.