Гидравлический расчет в тепловых сетях: мертвый подход или живая модель?

В настоящее время эксплуатация сетей централизованного теплоснабжения практически неотделима от систематического применения соответствующих программных средств при воспроизведении и анализе ситуаций при тех или иных планируемых или проведенных технических решениях. И с каждым днем растет количество предприятий, руководство которых сознает необходимость внедрения таких систем. Рынок информационных технологий не заставил долго ждать своего отклика на неизменно возрастающий спрос, и количество предложений по данному аспекту оказалось весьма значительным.
Фундаментальным камнем программных комплексов, безусловно, является процедура гидравлического расчета характеристик при распределении потоков сетевой воды в структуре ветвей и узлов в подающей и обратной линиях сети, а также на вводах у потребителей. Как правило, в качестве основного назначения данный расчет используется для получения параметров дроссельных устройств, обеспечивающих наладку подачи теплоносителя ко всем потребителям. При этом в большинстве программ алгоритм расчета основывается на рассматриваемой ниже идеологии, вследствие чего получаемые результаты, по нашему мнению, не могут быть приемлемы для практического использования. Давайте попробуем разобраться, в чем тут дело.
Для удобства возьмем простейшую схему тепловой сети, состоящей из источника и двух потребителей, что вполне достаточно для анализа. Естественно эта схема берется как существующая, т.е. со своими длинами и диаметрами трубопроводов, со своими тепловыми нагрузками и требуемыми расходами сетевой воды у потребителей. Пусть в соответствии с тепловыми нагрузками потребителю «П-1» требуется теплоносителя 5 т/ч, а «П-2» — 8 т/ч (рис. 1).

Гидравлический расчет, как правило, выполняется следующим образом.

Первый случай. У потребителей задаются уже известные фиксированные расходы теплоносителя, обычно равные расчетным и, в зависимости от способа их присоединения (прямое или через элеваторный ввод) величины перепадов напоров на вводах. Затем, сливая эти расчетные расходы сетевой воды по ветвям через известные длины и диаметры трубопроводов, по общепринятым формулам рассчитываются напоры, гидравлические потери, перепады напоров и т.д. во всех узлах схемы. В конечном итоге вычисляются размеры дроссельных устройств, потери напоров в которых уже были включены в состав заранее принятых перепадов на вводах, а также разность напоров на источнике теплоснабжения, которая практически никогда не совпадает с реальной в фактическом режиме эксплуатации.

Второй случай. Все то же самое, только за точку отсчета берется известный перепад на источнике и относительно его по известным расчетным расходам в обратном направлении вычисляются потери напора и перепады, как в узлах, так и оставшиеся у потребителей. А далее рассчитываются дроссельные устройства по остаткам потерь напора на вводах за вычетом потерь напора у самих абонентов.
Мы видим, что в обоих случаях гидравлические сопротивления дроссельных устройств в расчетах не учитывались.
Теперь изобразим эту же схему (рис. 2) в двухтрубном исполнении, где четко видно, что ветвь «У-1» - «П-1» - «У-1» находится в параллели с ветвью «У-1» - «П-2» - «У-1». Одновременно с этим известно, что эти ветви обладают определенным гидравлическим сопротивлением, складывающимся из сопротивлений подающего участка трубопровода, самой системы отопления, всевозможной запорной арматуры и, наконец, обратного участка трубопровода (пусть дроссельное устройство пока не установлено).

Также ни для кого не является секретом нижеследующая формула для любого элемента сети:

где: ∆h — разность напоров, м; S — гидравлическое сопротивление, (м.ч2)/m2; G — расход, m/ч

Очевидно, что выше написанной формулой Америку мы не открыли, но вот здесь и начинается самое интересное. Пусть S1 — сопротивление ветви «У-1» - «П-1» - «У-1», а S2- сопротивление ветви «У-1» - «П-2» - «У-1». Теперь дело дошло до учета факта установки дроссельных устройств. Ясно, что в большинстве случаев сопротивление дроссельного устройства является определяющим в суммарном сопротивлении всей ветви. В ходе выше изложенной методологии расчета мы задавались фиксированными расходами в ветвях, тогда вопрос — что произойдет, если мы установим дроссель для потребителя «П-1»? То есть, мы значительно увеличили сопротивление S1 и, тем самым, изменили соотношение расходов этих двух ветвей. А это значит, что нам необходимо пересчитать ветвь «У-1» - «П-2» - «У-1» и получить другой диаметр дроссельного устройства. Однако, как только мы его установим — расход изменится и в соседней ветви «У-1» -«П-1» - «У-1» - и от этого никуда не деться - действуют законы гидравлики (см. ур-е 3). Как вы уже догадались, процесс этот будет повторяться многократно. А если речь зайдет не о двух потребителях, а хотя бы о двух-трех сотнях, а то и тысячах? Так что же получается, тот набор параметров дроссельных устройств, что мы посчитали в самом начале, не годится? Ответ очевиден.

Надо признать что, существует незначительный процент тепловых сетей, на которых полученный набор дросселей будет худо-бедно работать. Как говорится, сломанные часы тоже показывают правильное время два раза в сутки. Отсюда же рождается так называемый этап «доналадки» — когда начинается бесконечное хождение по потребителям, связанное с корректировкой размеров дросселей и их заменой.
Рассмотрим еще один случай. На рис. 3 изображены две параллельные области одной сети. Пусть в область 1 подключили новый потребитель, требующий по своей тепловой нагрузке большого расхода теплоносителя. Что мы получим в результате все того же расчета? Правильно, сколько нужно добавить расхода на источнике и некое изменение перепада. Вся беда в том, что мы при этом не получим ответ, куда и в какой степени распределится добавленный расход.

Подобные результаты ждут нас и при замене любого диаметра трубопровода в подающей или обратной линиях сети, например, в середине схемы. При этом мы точно также будем задаваться расчетными расходами у потребителей, а на источнике увеличится располагаемый перепад. Т.о. получается, что при уменьшении диаметра трубопровода в 3 раза у потребителей останется все без изменений. Стоит ли задавать вопрос: что произойдет в реальной жизни? Вы и так все сами прекрасно понимаете.

Иначе говоря, программные комплексы, в основе которых лежит вышеизложенная идеология расчетов, корректно отвечает лишь на вопрос: сколько тем или иным потребителям необходимо получить теплоносителя. А какие расходы у них будут при реальном потокораспределении и как этого добиться — остается за рамками возможностей таких систем.


Обобщая вышеизложенное, основные недостатки можно выразить в следующем.
Во-первых, не воспроизводится количественная картина фактического распределения и перераспределения потоков сетевой воды в контурах тепловой сети. То есть, реально установившиеся расходы в ветвях схемы механически подменяются арифметическими суммами расчетных расходов потребителей, вследствие чего отсутствует возможность отследить последствия тех или иных возмущающих воздействий у самих же потребителей. К этим воздействиям можно отнести реальные действия, производимые в ежедневной эксплуатационной практике, а именно: изменение топологии в схеме; замена трубопроводов; включение-отключение существующих и новых потребителей; перекрытие задвижек в любых местах подающей и обратной магистралей; изменение напорных и расходных характеристик на источнике теплоснабжения и т. д.

Во-вторых, не предоставляется качественная оценка изменения тепловой обстановки в случае гидравлического разрегулирования -подаче нерасчетных расходов греющего теплоносителя к потребителям, а это может быть много больше или меньше по отношению к расчетным, причем не только в отопительных системах, а также включенных с ними в один узел системах вентиляции и установок горячего водоснабжения различных типов.
Прискорбно, что в подавляющем большинстве программных средств гидравлические расчеты базируются на вышеописанной идеологии. При этом существует незначительный процент систем, которые моделируют реальное потокораспределение теплоносителя, т.е. лишены перечисленных выше недостатков. 


Позволим себе привести несколько советов, что позволит их различить.
Проведите гидравлический расчет и распечатайте таблицу результатов расходов у потребителей. Затем уменьшите диаметр трубопровода, где-нибудь в подающей или обратной линиях сети посередине схемы, и вновь проведите расчет с последующей распечаткой тех же результатов. Сравните эти таблицы. Расходы у потребителей изменились? Если нет — значит система считает некий искусственный режим, далеко стоящий от реальной жизни.
И второе. Обратите внимание, если система отображает сколько нужно теплоносителя потребителям и нигде нет информации о том, сколько же они получат в результате реальной гидравлики, следовательно, данная программа не считает суммарное сопротивление сети и никакой речи о моделировании процессов в сетях даже идти не может.
Что хотите иметь именно Вы — решать только Вам. Авторы лишь постарались прояснить основные моменты, чтобы потом, при эксплуатации программных комплексов, они не всплыли неприятным сюрпризом.

к.т.н. Ю.А. Первовский, доцент;
О.В. Анподистов, технический директор, ООО НПП «Теплотэкс», г. Иваново

Журнал «Новости теплоснабжения» №01, 2004 г.