Комплексное решение проблемы защиты оборудования источников тепловой энергии, тепловых сетей и систем теплопотребления от повышения давления сетевой воды и гидравлических ударов — необходимое условие обеспечения надежного и безопасного теплоснабжения
Е.М. Шмырев, заместитель генерального директора — главный инженер,
Н.С. Лукьянова, инженер, ООО «НПК ОРГРЭС»;
А.А. Кобзов, генеральный директор, ООО «МПК-Сервис», г. Москва
Нормативными документами, такими как: «ПТЭ электрических станций и сетей Российской Федерации» — п. 4.11.8, 4.12.40, «ПТЭ тепловых энергоустановок» — п. 5.1.14, 6.2.62, 9.1.1, 9.1.42, а также СНиП 41-02-2003 «Тепловые сети» — п. 8.18, 15.14 устанавливаются требования по защите трубопроводов и оборудования всех элементов систем централизованного теплоснабжения (ЦТ) — водоподогревательных установок источников тепловой энергии (ТЭЦ, ГРЭС, котельных), тепловых сетей и систем теплопотребления от повышения давления сетевой воды сверх допускаемых значений и гидравлических ударов.
Требования указанных нормативных документов обусловлены высокой вероятностью возникновения аварий, сопровождающихся повышениями давления сетевой воды и гидравлическими ударами, вызванных потерей или перерывом электроснабжения подкачивающих насосных станций (ПНС), групп сетевых и подпи- точных насосов источников тепловой энергии, действием запорно-регулирующей арматуры, а также несанкционированными действиями персонала или посторонних лиц, приводящими к подобным аварийным ситуациям. За последние два года серьезные аварии на тепловых сетях, вызванные гидравлическими ударами, произошли в городах Улан-Удэ, Нижний Новгород, Калуга, Вологда, Воронеж, Санкт-Петербург, в Люберецком районе Московской области.
Все указанные аварийные ситуации вне зависимости от места нахождения источника возмущения сопровождаются изменением давления сетевой воды практически во всех точках системы ЦТ, распространяющегося со скоростью звука, равной примерно 1000 м/с с учетом упругих свойств стальных трубопроводов.
Анализ проблемы и способ ее решения
Очевидно, что решение проблемы защиты от повышения давления должно носить комплексный характер и учитывать взаимовлияние средств автоматизации и защиты, установленных в различных точках единой системы ЦТ.
Следует отметить, что наиболее опасными в части возможных последствий аварийные ситуации, как правило, обусловлены отключением под нагрузкой сетевых насосов источников тепловой энергии или подкачивающих насосов ПНС. Указанные аварийные режимы характеризуются резким повышением давления на всасывающей стороне насосных агрегатов с последующим переходом в квазистационарный режим.
На рис. 1 показаны пьезометрические графики системы теплоснабжения (эпюры изменения давления) соответственно до отключения ПНС-1, а также через 0,5, 7 и через 24 с после отключения.
На рис. 2-4 показаны графики изменения давления на насосной станции, на источнике тепловой энергии и в одной из конечных точек тепловой сети на ответвлении к потребителю.
Характер изменения давления в различных точках системы ЦТ свидетельствует о следующем:
■ на ПНС-1 (на всасе подкачивающих насосов) необходима установка быстродействующих сбросных устройств;
■ на источнике тепловой энергии необходимы мероприятия по повышению давления сетевой воды на всасе сетевых насосов во избежание возникающего кавитационного срыва, что может быть достигнуто, например, автоматическим (по технологической уставке) отключением одного из сетевых насосных агрегатов, при этом необходима проверка возможности вскипания теплоносителя в подающих трубопроводах (см. п. 4.11.8 «ПТЭ электрических станций и сетей Российской Федерации»);
■ в системах теплопотребления необходима установка сбросных устройств для защиты непосредственно подключенных систем теплопо- требления «нижней зоны» теплосети с допускаемым уровнем рабочего давления менее 8 кгс/см 2 .
Приведенный пример анализа изменения давления сетевой воды только при одной из возможных аварийных ситуаций в рассматриваемой системе ЦТ показывает необходимость проведения комплексного анализа нестационарных гидравлических режимов и разработки комплексных технических решений для всех элементов единой системы централизованного теплоснабжения.
Также необходима разработка мероприятий по повышению надежности электроснабжения сетевых насосных агрегатов источника тепловой энергии, подкачивающих насосных станций.
Установка защитных устройств без предварительной проработки нестационарных гидравлических режимов недопустима, поскольку может привести к обратному результату — опасность аварийной ситуации возрастает.
В последнее время в различных городах России участились случаи, когда по предложению проектной или инжиниринговой организации,
не имеющих достаточного опыта, и без необходимой проработки опасности возникающих нестационарных режимов, либо выполненных на довольно низком, зачастую примитивном уровне, эксплуатирующие организации устанавливают в одной из точек системы ЦТ устройство, которое производители в рекламных целях называют «противоударным» устройством или «стабилизирующим давление», необоснованно гарантируя выполнение требований «ПТЭ электрических станций и сетей РФ», «ПТЭ тепловых энергоустановок» и СНиП «Тепловые сети», своими действиями вводят в заблуждение потребителей своей продукции, нарушая тем самым Федеральный Закон «О техническом регулировании».
Применение устройств, называемых производителями «противоударными» или «стабилизирующими давление» в системах ЦТ, а на самом деле гасящих только кратковременные пульсации давления незначительной амплитуды, само по себе не приводит к аварийным последствиям, может даже некоторым образом повысить надежность системы, предотвращая преждевременное повреждение ветхих коррозионно-изношенных трубопроводов, вместе с тем создает ложное представление у эксплуатирующей организации и надзорных органов о защищенности оборудования системы ЦТ от повышения давления и гидравлических ударов и выполнении требований нормативных документов, что не способствует надежности и безопасности теплоснабжения.
Вместе с тем, в настоящее время существуют специализированные инжиниринговые организации, в частности ООО «НПК ОРГРЭС» и ООО «МПК-Сервис», накопившие достаточный реальный и подтвержденный на практике опыт успешного решения проблемы защиты от гидравлических ударов и повышения давления в различных системах теплоснабжения любой сложности, включая особо крупные системы ЦТ, на комплексной основе с учетом взаимного влияния устройств защиты, устанавливаемых на источнике тепловой энергии, в различных точках тепловой сети, в системах теплопотребления:
■ разработано и успешно используется на практике необходимое программное обеспечение, позволяющее определять параметры нестационарных гидравлических режимов в системах теплоснабжения любой сложности, разрабатывать требования к системам противоударной защиты, проводить необходимую предпроектную проработку;
■ осуществляется проектирование систем защиты от повышения давления и гидравлических ударов для всех элементов системы теплоснабжения;
■ организован выпуск эффективных быстродействующих устройств защиты от повышения давления различного типоразмера (мембранные сбросные устройства Ду=80-300 мм, Ру=1 МПа), проведены необходимые испытания, включая пульсации давления незначительной амплитуды, само по себе не приводит к аварийным последствиям, может даже некоторым образом повысить надежность системы, предотвращая преждевременное повреждение ветхих коррозионно-изношенных трубопроводов, вместе с тем создает ложное представление у эксплуатирующей организации и надзорных органов о занатурные с осциллографированием параметров переходных процессов на действующих объектах теплоснабжения;
■ осуществляется надзор за монтажом устройств защиты, пуско-наладочные работы с по- узловым и комплексным опробованием системы защиты и сдачей заказчику и надзорным органам.
Устройства (рис. 5), представляющие собой автоматические быстродействующие клапаны, обеспечивают защиту от повышения давления сетевой воды в системах теплоснабжения, предотвращают аварийное повышение давления сверх допускаемых значений, что подтверждается опытом эксплуатации подобных устройств более чем в 40 населенных пунктах Российской Федерации. Принцип работы устройств заключается в следующем. При повышении контролируемого давления в тепломагистрали выше заданной величины регулятор давления срабатывает и сбрасывает давление с импульсного клапана, который также производит сброс давления с надмембранного пространства мембранного сбросного устройства. При восстановлении в тепломагистрали рабочего давления регулятор давления подает давление на гидропривод импульсного клапана, который срабатывает на подачу рабочего давления в надмембранное пространство мембранного сбросного устройства.
Обеспечивается расчет параметров нестационарных гидравлических режимов с проверкой опасности возникновения и последствий гидравлических ударов и повышения давления с применением программно-расчетных комплексов, адекватно отражающих физические процессы распространения гидравлических ударов в системах ЦТ с учетом требований действующих нормативных документов.
Аварии, вызванные повышением давления и гидравлическими ударами, могут сопровождаться разрушением теплофикационного оборудования источника тепловой энергии, трубопроводов и оборудования тепловых сетей, массовыми разрывами отопительных приборов потребителей, что приводит к порче и утрате имущества, ожоговому травматизму людей, как правило, длительному прекращению теплоснабжения, а в период стояния низких температур наружного воздуха — часто к невозможности восстановить теплоснабжение вплоть до потепления с тяжелейшими социальными последствиями. Разрывы сетевых станционных трубопроводов нередко приводят к затоплению сетевой водой источника тепловой энергии со стороны тепловых сетей с «посадкой на ноль». Все это обуславливает необходимость комплексной проработки нестационарных гидравлических режимов с обязательным натурным опробованием устанавливаемых устройств защиты с осциллографированием давления в системе теплоснабжения.
О вопросах внедрения защиты оборудования систем теплоснабжения от повышения давления теплоносителя и гидравлических ударов
Журнал «Новости теплоснабжения», № 3, (19), март, 2002, С.22 – 25, www.ntsn.ru
Мартынов С.М., государственный инспектор, ГУ «Брянскгосэнергонадзор»
Из опыта эксплуатации крупных систем теплоснабжения (СТ), которые оснащены большим объемом запорной арматуры, насосного оборудования, а так же имеющих большую протяженность сетей и высокое гидравлическое сопротивление, известны трудности при обеспечении высокой степени их надежности. В частности, это относится как к крупным квартальным или районным котельным, так и к присоединенным сетям и системам теплопотребления. В таких СТ существует высокая вероятность возникновения аварийных либо переходных гидравлических процессов, характеризуемых колебаниями либо повышением давления сетевой воды, значения которых выходят за пределы допустимых значений прочностных характеристик оборудования и сетей. Подобные процессы возможны и в СТ невысокой мощности и протяженности, и кроме того могут иметь характер гидравлического удара. Степень же надежности проектируемых и, в большей степени эксплуатируемых СТ, является одним из важнейших факторов при осуществлении договорных отношений между теплоснабжающими организациями (ТСО) и потребителями тепловой энергии.
Отсутствие в составе СТ специализированных устройств защиты от названных явлений в значительной степени усугубляет аварийную ситуацию, приводит к цепному характеру ее распространения и серьезным последствиям для системы теплоснабжения, таким как:
— повреждение тепломеханического оборудования источников теплоснабжения;
— разрыв сетевых трубопроводов с затоплением помещений источников теплоснабжения, выводом из строя электрооборудования и потерей собственных нужд;
— прекращение теплоснабжения объектов ЖКХ и социальной сферы, предприятий, влекущее с серьезные социальные последствия и нанесение материального ущерба;
— разрыв отопительных приборов внутренних систем теплопотребления с затоплением помещений.
Подобные инциденты могут сопровождаться травматизмом обслуживающего персонала ТСО и третьих лиц.
Нарушения нормального гидравлического режима СТ имеют следующие технические причины:
— аварийные отключения сетевых и подпиточных насосов ТСО;
— закрытие (открытие) регуляторов, запорной, предохранительной и обратной арматуры на источниках теплоснабжения, в тепловых сетях и в тепловых пунктах потребителей (причем разрывы коррозионно-ослабленных трубопроводов могут происходить даже в случае плановых переключений в тепловых схемах, при перепуске насосов, уменьшении или увеличении подпитки сети);
— вскипание воды в котлах и оборудовании ТСО;
— разрывы магистральных сетевых трубопроводов.
В зависимости от инерционности системы трубопроводов и характеристик возмущения переходные гидравлические режимы можно подразделить на условно-стабильные и на гидравлические удары. Обе разновидности могут носить характер затухающего колебательного процесса.
Последние отличаются высокими значениями мгновенных давлений, высокой скоростью нарастания и спада давления (т.е. динамическим воздействием на оборудование) и высокой скоростью распространения. Вероятность гидравлического удара в СТ выше с увеличением длин и диаметров трубопроводов, а так же при оснащении СТ такими устройствами, отказ или срабатывание которых приводит к быстротечному знакопеременному изменению скорости теплоносителя (в т.ч. локальному), нарушению неразрывности потока, локальному понижению давления с достижением температуры кипения, вскипанию и последующей конденсации теплоносителя. Кроме того, величина скачкообразного приращения давления и скорость распространения ударной волны, вызванной гидроударом, находятся в пропорциональной зависимости от скорости и расхода теплоносителя в трубопроводе, а так же от степени упругости материала трубопровода.
Условно-стабильные режимы характеризуются монотонными нарушениями стационарного гидравлического режима, при которых скорость изменения (в т.ч. нарастания) давления невысока. Подобные режимы наиболее часто являются следствием операций с регулирующими клапанами, закрытия или открытия арматуры с электроприводом.
Кроме того, СТ обладают следующей особенностью: существует значительный разброс допустимых давлений для оборудования и трубопроводов, установленных в ТСО, тепловых сетях и системах теплопотребления. Например, системы теплопотребления, укомплектованные чугунными радиаторами, имеют допустимое давление 0,6 МПа и присоединены по зависимой схеме к тепловым сетям, имеющим допустимое давление 1,6 МПа. А эта разница обусловливает необходимость применения защиты от повышения давления, так как колебания последнего, возникающие, к примеру при отключении сетевых насосов, недопустимы для такой отопительной системы.
Таким образом, учитывая вероятность возникновения названных аварийных режимов необходимо разработать принципы практического применение для СТ комплекса работ по расчету параметров переходных гидравлических процессов и режимов, выявлению необходимости оснащения системы специальными устройствами защиты с определенными характеристиками (быстродействие; пропускная способность; простота в настройке и эксплуатации; стоимость). Следует сделать вывод, что приступать к проектированию и монтажу защитных устройств рационально только после проведения анализа гидравлического режима СТ.
Помимо технических проблем существуют и организационные. Заключаются они в необходимости разграничения степени ответственности субъектов теплоснабжения единой СТ, по соблюдению требований НТД, которые регламентируют предельные отклонения параметров и объем оснащения элементов СТ устройствами автоматики, регулирования и защиты, а так же договорных обязательств сторон по качеству тепловой энергии, в т. ч. и в аварийных ситуациях. Такие вопросы необходимо решать в порядке, определяемом Гражданским кодексом РФ (гл. 6 «Энергоснабжение»). Действующие же НТД предписывают установку специальных защитных устройств на всех элементах единой СТ, что вызывает многочисленные споры на всех стадиях взаимоотношений субъектов теплоснабжения:
· выдача технических условий на присоединение систем теплопотребления;
· заключение договоров теплоснабжения;
· подготовка к ОЗП и получение акта готовности к эксплуатации систем теплопотребления;
· расследование технологических нарушений;
· определение долей ущерба, подлежащего погашению различными ведомствами.
Юридические взаимоотношения между субъектами теплоснабжения регламентируются следующими основными документами: Гражданским кодексом РФ, часть 2-я, в основном главой 6 «Энергоснабжение», а также договорами теплоснабжения, исходя из которых, требования, учитываемые при решении вопросов по защите оборудования СТ от недопустимого повышения давления теплоносителя, таковы:
· надежность теплоснабжения, т.е. глубина и длительность ограничений, а также количество и длительность отключений;
· качество тепловой энергии, т.е. взятое ТСО обязательство выдерживать на границе балансовой принадлежности (или эксплуатационной ответственности) с потребителем оговоренных в договоре параметров: минимального перепада давления в подающем и обратном трубопроводах при давлении в подающем трубопроводе не более оговоренного значения; давления в обратном трубопроводе в пределах , удовлетворяющих по условиям прочностных характеристик оборудования потребителя и обязательном заполнении теплопотребляющих установок (ТПУ) потребителя и др.;
· требования к режимам теплопотребления, т.е. соблюдение потребителем обусловленных договором максимального часового расхода теплоносителя в подающем трубопроводе, максимального часового расхода теплоносителя, не возвращенного абонентом в тепловую сеть ТСО (в т.ч. несанкционированный водоразбор) и др.
В случае если в договоре теплоснабжения не отображены обязательства сторон по качеству тепловой энергии и режимам теплопотребления, могут быть приняты требования действующих НТД, устанавливающих допускаемые пределы отклонений указанных выше параметров. В соответствии требований п. 4.11.8 «ПТЭ электрических станций и сетей РФ» (ПТЭ) на каждом источнике теплоснабжения «должна быть предусмотрена защита обратных трубопроводов от внезапного повышения давления», при этом должно быть обеспечено поддержание заданного давления на всасывающей стороне сетевых насосов в рабочем режиме тепловой сети и при останове сетевых насосов. Эксплуатационный режим работы СТ определяется требованиями п. 4.11.1 и п. 4.12.38 ПТЭ, в которых оговорены пределы отклонения давления в рабочем режиме. Кроме того, п. 4.12.36 и 4.12.39 определяют требования к качеству тепловой энергии в случае отсутствия таковых в договорах теплоснабжения. Пункт 4.12.40 ПТЭ содержит также требования по необходимости оснащения тепловых сетей «специальными устройствами, предохраняющими систему теплоснабжения от гидроударов при аварийном прекращении электроснабжения сетевых и перекачивающих насосов». Таким образом, ПТЭ не допускают отклонений давления сетевой воды в статических и переходных режимах во всех точках подающих и обратных трубопроводов, для всех видов оборудования по тракту сетевой воды вне зависимости от места нахождения оборудования и, соответственно, его балансовой принадлежности.
«Правила эксплуатации теплопотребляющих установок и тепловых сетей потребителей» (п. 2.2.17); СНиП 2.04.07-86 «Тепловые сети» (п. 12.14); СП 41-101-95 «Проектирование тепловых пунктов» (п.п.3.5; 4.47) так же требуют безусловной установки на тепловых пунктах потребителей автоматических устройств, которые в т.ч.: «должны обеспечивать. заданное давление в обратном трубопроводе… защиту систем теплопотребления от повышенного давления и температуры воды в случае превышения допустимых предельных параметров». «Правила и нормы технической эксплуатации жилищного фонда» (1998г.) изд. п.п. 5.1.5 и 5.2.15 так же устанавливают требования к ТСО в части выдерживания параметров теплоносителя и недопустимости повышения давления.
Обобщая сказанное, можно сделать вывод: каждый элемент единой СТ (источник тепла, тепловые сети, системы теплопотребления) должен быть оборудован специальными устройствами защиты от недопустимого повышения (колебания; изменения ) давления теплоносителя, обеспечивающими поддержание заданного давления на границах эксплуатационной ответственности субъектов теплоснабжения при внезапных изменениях гидравлического режима, вызванных оборудованием данного элемента СТ. То есть, устройства защиты должны обеспечить поддержание давления в допустимых предел
Cтраницы: 1 | 2 | читать дальше>>
