Автоматическая установка поддержания давления и заполнения
AUTOMATIC UNIT FOR MAINTAINING PRESSURE AND FILLING

Автоматическая установка поддержания давления и заполнения относится к областям теплоснабжения, отопления, холодоснабжения, вентиляции и технологических систем. Автоматическая установка поддержания давления и заполнения применяется в качестве системы подпитки и заполнения систем теплоснабжения, отопления, холодоснабжения, вентиляции и технологических систем. Автоматическая установка поддержания давления и заполнения используется в индивидуальных тепловых пунктах (ИТП), центральных тепловых пунктах (ЦТП), котельных, системах холодоснабжения, холодильных центрах, энергоблоках, ТЭЦ и иных системах теплоснабжения, отопления, холодоснабжения, вентиляции и технологических системах (далее - «системах»).
Известны и применяются схемы присоединения системы отопления к тепловым сетям (фигура 1, фигура 2), которые содержат теплообменник (1), циркуляционный насос (2), регулирующий клапан с регулятором температуры (3), насос подпитки (4), запорный клапан подпитки (5) и расширительный бак (6). Насос подпитки предназначен для заполнения системы отопления и восполнения потерь воды. В системе, показанной на фигуре 1, используют открытый расширительный бак, а в системе, показанной на фигуре 2, используют бак мембранного типа.
Существенными недостатками открытого расширительного бака (фигура 1) являются необходимость установки бака выше верхней точки системы отопления, которая может находиться далеко от теплового пункта и при этом происходит постоянный контакт воды с воздухом.
Применение мембранного бака (фигура 2), в котором полость под мембраной заполнена водой и сообщается с системой отопления, а полость над мембраной заполнена воздухом под давлением, позволило размещать такие баки в тепловом пункте и исключить контакт воды с воздухом. Однако при расчете необходимого объема мембранного бака для систем отопления высоких зданий оказывается, что объем мембранного бака должен быть существенно больше (в 3-5 раз) объема открытого бака по причине низкого коэффициента использования объема бака.
Известные и применяемые автоматические установки поддержания давления (АУПД, фигура 3) позволили значительно сократить объем бака по сравнению с объемом мембранных баков. Объем бака при применении АУПД всего лишь на 30% больше объема открытого расширительного бака для одной и той же системы отопления. В состав установки входят перепускные клапаны (1), насосы (2) и безнапорный бак с мембраной (3), предотвращающей контакт воды с воздухом. Верхняя полость бака сообщается с атмосферой.
Ближайшим аналогом заявленного устройства является автоматическая установка поддержания давления, показанная на фигуре 3 и известная из электронных источников в сети интернет (http://splpro.ru/upload/pdf/catalog-spl-2016.pdf).
Установка содержит перепускной клапан (клапаны), насосы, бак, запорный клапан и работает следующим образом.
При повышении давления в системе отопления вследствие теплового расширения открывается перепускной клапан (клапаны) и излишки воды из системы отопления поступают в бак. После нормализации давления в системе отопления перепускной клапан (клапаны) закрываются. При падении давления воды в системе отопления включается насос и подает воду из бака в систему отопления. После нормализации давления воды в системе отопления насос отключается.
Бак оборудован устройством, измеряющим количество воды, находящейся в баке. При недостатке воды в баке открывается запорный клапан, бак пополняется.
Согласно требованиям свода правил по проектированию тепловых пунктов производительность насосов подпитки должна быть достаточной для заполнения системы за 5 часов. Автоматическая установка поддержания давления не справляется с этой задачей.
Такая установка хорошо справляется с задачей поддержания давления в системе отопления, однако производительность насосов и пропускная способность линии заполнения бака невысокие и ограничены временем и частотой включения насоса. Для выполнения этого требования проектируемые в наше время тепловые пункты дополнительно оборудуются насосами заполнения.
Подача насосов заполнения достаточна для заполнения системы отопления за 5 часов, а напор насосов заполнения, как правило, ниже напора насосов установки поддержания давления (в обратном трубопроводе теплосети имеется давление).
Таким образом, на данный момент применяются одновременно две раздельные системы с похожими целями, каждая из которых содержит по 2 насоса (1 рабочий, 1 резервный). В этих двух системах предусмотрены насосы с разными характеристиками: в автоматических установках поддержания давления применяются насосы с относительно небольшой подачей и высоким напором, а в качестве насосов заполнения используются насосы с меньшим, чем в автоматической установке поддержания давления напором и с большей подачей. Кроме того, при заполнении систем высоких зданий, на начальном этапе заполнения (первые 1-2 часа) насосы заполнения работают вне рабочей характеристики насосов H(Q). Такой режим работы является нерасчетным для деталей насосов и может привести к преждевременному выходу насосов из строя (фигура 4).
Термин «рабочая характеристика насоса H(Q)» по ГОСТ ISO 17769-1-2014 «Насосы жидкостные и установки. Основные термины, определения…» означает диапазон значений подач и напоров насоса при которых все его элементы работают в„расчетных режимах, без перегрузок и, следовательно, с низкой вероятностью поломок. На графиках зависимостей H(Q) насосов рабочая характеристика выделяется утолщенной линией.
Задачами, решаемыми путем усовершенствования ближайшего аналога являлись: уменьшение общего количества применяемых насосов для подпитки и заполнения, исключение работы насосов в нерасчетных режимах в начале процесса заполнения системы, снижение времени простоя насосов.
Техническим результатом заявленного устройства являются:
- сокращение количества насосов, предназначенных для подпитки и заполнения при полном сохранении функций АУПД (при этом производительность насосов подпитки является достаточной для заполнения системы за 5 часов);
- предотвращение работы насосов в нерасчетных режимах с помощью запорно-регулирующего клапана;
- компактность установки.
Сущность.
Сущность предлагаемой автоматической установки поддержания давления и заполнения заключается в применении единого устройства (установки) для поддержания давления в системах теплоснабжения, отопления, холодоснабжения, вентиляции и технологических систем и для функции первичного заполнения системы с обеспечением работы насосов в пределах значений рабочей характеристики насосов H(Q).
По сравнению с известной установкой, заявленная автоматическая установка поддержания давления и заполнения (АУПДЗ) дополнительно оборудована трехходовым краном и запорно-регулирующим клапаном. Для заполнения системы и поддержания давления используются одни и те же насосы. С помощью трехходового крана переключаются режимы работы:
- режим заполнения системы
- режим поддержания давления.
Запорно-регулирующий клапан создает требуемое гидравлическое сопротивление для сохранения рабочей точки насоса в пределах значений рабочей характеристики насосов H(Q) т.е. в зоне допустимых значений напоров и подач, при которых все элементы насосов работают без перегрузок.
Автоматическая установка поддержания давления и заполнения стандартно производится на базе 2-х, 3-х и 4-х насосов. Возможны различные комбинации количества рабочих и резервных насосов:
- 1 рабочий, 1 резервный;
- 2 рабочих;
- 2 рабочих, 1 резервный;
- 1 рабочий, 2 резервных;
- 3 рабочих;
- 3 рабочих, 1 резервный;
- 2 рабочих, 2 резервных
- 4 рабочих.
Количество рабочих и резервных насосов в режиме заполнения и в режиме поддержания давления может быть различным для одной и той же установки.
В описываемом варианте представленная автоматическая установка поддержания давления и заполнения содержит 3 насоса, 1 или 2 из которых, могут быть рабочими, остальные - резервными. В режиме поддержания давления, как в автоматической установке поддержания давления, работают перепускные клапаны, безнапорный расширительный бак с мембраной и один насос. Функция заполнения системы обеспечивается одновременной работой двух насосов. В начале процесса заполнения при помощи регулирующего клапана создается необходимое гидравлическое сопротивление в напорной линии автоматической установки поддержания давления и заполнения. Благодаря этому рабочая точка оказывается в пределах значений рабочей характеристики насосов H(Q), при которых все элементы насосов работают без перегрузок. По мере заполнения системы клапан открывается. Автоматическое управление насосами, запорно-регулирующим клапаном, электромагнитными клапанами, трехходовым клапаном, и иными устройствами с электрическим управлением осуществляется за счет применения автоматического шкафа управления (ШАУ). Основными элементами ШАУ являются контроллер, пускатели, автоматы защиты двигателя, реле контроля фаз. Также, для оптимальной работы насосов, возможно использование частотного преобразователя. Стандартно применяется свободно-программируемый контроллер с жидкокристаллическим дисплеем для визуализации работы автоматической установки поддержания давления и заполнения в режиме реального времени.
Программа управления для автоматической установки поддержания давления и заполнения разработана конструкторским отделом ООО «Ликон Рус» и является интеллектуальной собственностью ООО «Ликон Рус».
Заявленная автоматическая установка применяется для поддержания давления и заполнения систем теплоснабжения, отопления, холодоснабжения, вентиляции и технологических систем (далее - система). Установка состоит из насосного модуля, линии перепуска, линии подпитки, узла запорно-регулирующего клапана и шкафа управления. Насосный модуль содержит насосы, где на всасывающей линии каждого насоса предусматривается запорный кран, а на напорной линии обратный клапан и запорный кран. Всасывающие линии и напорные линии насосов объединены соответственно во всасывающий и напорный коллекторы. Линия перепуска предназначена для слива части воды из системы в безнапорный расширительный бак при повышении давления в системе. Она состоит из запорного шарового крана, фильтра, ручных балансировочных клапанов и электромагнитных клапанов, а для пополнения безнапорного расширительного бака имеется ответвление с водосчетчиком, ручным балансировочным клапаном и электромагнитным клапаном. Линия подпитки автоматической установки поддержания давления и заполнения содержит трехходовой кран. Узел запорно-регулирующего клапана состоит из запорно-регулирующего клапана, запорного шарового крана, штуцера для манометра и датчика давления. Безнапорный расширительный бак автоматической установки поддержания давления снабжен устройством измерения количества воды и мембраной. Установка включает также шкаф управления, содержащий контроллер, пускатели, автоматы защиты двигателя, реле контроля фаз.
Способ поддержания давления и заполнения системы с помощью автоматической установки заключается в том, что в режиме поддержания давления трехходовой клапан линии подпитки устанавливается в положение, соединяющее безнапорный расширительный бак с всасывающим коллектором насосного модуля, а запорно-регулирующий клапан открывается полностью. Если давление воды в системе при тепловом расширении возрастает выше установленного, то часть воды из системы сливается в безнапорный расширительный бак через линию перепуска. После нормализации давления в системе перепускной клапан (клапаны) закрываются. Если давление воды в системе падает ниже минимального, то включается насосный модуль и вода из бака поступает в систему отопления.
После нормализации давления воды в системе насосный модуль выключается. В данном режиме, как правило, работает один насос.
В режиме заполнения системы трехходовой кран устанавливают в положение, соединяющее источник воды для подпитки (обратный трубопровод теплосети) с всасывающим коллектором насосного модуля. Безнапорный расширительный бак отключен от источника воды для подпитки и от всасывающего коллектора насосного модуля. Запорно-регулирующий клапан открывают на 2-3%, затем включают два насоса насосного модуля, далее - контроллер управляет регулирующим клапаном с целью поддержания постоянного перепада давлений между напорным и всасывающим коллекторами насосного модуля для обеспечения работы насосного модуля в пределах значений рабочей характеристики насосов H(Q), т.е. работы насосов насосного модуля в пределах значений рабочей характеристики насосов, при которых все элементы насосов работают без перегрузок. По достижении заданного давления в системе отопления насосы отключаются.
В аварийном режиме подпитки, который предназначен для работы АУПДЗ при неисправности контроллера и некоторых других элементов системы трехходовой кран устанавливают в положение, соединяющее источник воды для подпитки (обратный трубопровод теплосети) с всасывающим коллектором насосного модуля (безнапорный расширительный бак отключен от источника воды для подпитки и от всасывающего коллектора насосного модуля). При падении давления в системе срабатывает датчик-реле давления воды в системе, установленный после запорно-регулирующего клапана. По сигналу данного датчика включается насос, открывается запорно-регулирующий клапан. При увеличении давления в системе до необходимого значения, по сигналу датчика-реле давления воды в системе отопления, установленного после запорно-регулирующего клапана, насос выключается, запорно-регулирующий клапан закрывается.
Для заполнения системы и поддержания давления используются одни и те же насосы.
На фигуре 5 показано оборудование, которое содержит заявленная автоматическая установка поддержания давления:
1. Насосный модуль
2. Линия перепуска
3. Линия подпитки
4. Узел запорно-регулирующего клапана
5. Бак безнапорный расширительный (далее - бак)
На фигуре 6 изображена трехмерная модель заявленной автоматической установки поддержания давления, которая включает следующее оборудование:
1. Насосный модуль
2. Линия перепуска
3. Линия подпитки
4. Узел запорно-регулирующего клапана
5. Бак безнапорный расширительный (далее - бак)
6. Шкаф правления (ШАУ) с контроллером
Насосный модуль (1) состоит из трех насосов, смонтированных на основании. На всасывающей линии каждого насоса предусматривается запорный кран, а на напорной линии - обратный клапан и запорный кран. Всасывающие линии и напорные линии насосов объединены во всасывающий и напорный коллекторы. Свободные концы коллекторов закрыты заглушками со спускными кранами. На коллекторах имеются штуцеры для присоединения манометров и датчиков давления.
Линия перепуска (2) предназначена для слива части воды из системы в бак при повышении давления в системе. Линия перепуска состоит из запорного шарового крана, фильтра, ручных балансировочных клапанов и электромагнитных клапанов. Для пополнения бака имеется ответвление с водосчетчиком, ручным балансировочным клапаном и электромагнитным клапаном. Для защиты мембраны бака от аварийного повышения давления предусмотрен предохранительный клапан.
Линия подпитки (3) содержит трехходовой кран и предназначена для подключения к источнику воды для подпитки (чаще всего это обратный трубопровод теплосети) и переключения режимов работы установки. При помощи трехходового крана устанавливаются:
режим поддержания давления;
режим заполнения.
Узел запорно-регулирующего клапана (4) состоит из запорно-регулирующего клапана и (или) запорного шарового крана, штуцера для манометра и датчика давления.
Бак (5) снабжен устройством измерения количества воды в баке (по массе либо уровню) и мембраной, отделяющей поверхность воды от контакта с атмосферным воздухом.
Шкаф управления ШАУ (6) включает в себя контроллер, пускатели, автоматы защиты двигателя, реле контроля фаз. Также возможно использование частотного преобразователя. Стандартно применяется свободно программируемый контроллер с жидкокристаллическим дисплеем для визуализации работы АУПДЗ в режиме реального времени. Программа управления для автоматической установки поддержания давления и заполнения разработана конструкторским отделом ООО «ЛиконРус» и является интеллектуальной собственностью ООО «ЛиконРус».
Автоматическая установка поддержания давления и заполнения может работать в трех режимах:
1. Режим поддержания давления
2. Режим заполнения системы
3. Аварийный режим подпитки.
1. Режим поддержания давления.
Трехходовой кран установлен в положение, соединяющее бак с всасывающим коллектором насосного модуля. Запорно-регулирующий кран открыт полностью. Алгоритм работы в данном режиме полностью совпадает с алгоритмом работы АУПД.
При повышении давления воды в системе отопления открывается электромагнитный клапан на линии перепуска и излишки воды поступают в бак. Когда давление воды в системе отопления падет до нормы, электромагнитный клапан на линии перепуска закрывается. Если давление в системе отопления падает ниже нормы, то включается насос и вода из бака поступает в систему отопления. В данном режиме возможно включение функции интенсивной деаэрации, при которой часть воды из системы периодически сливается в бак, где из воды выделяется растворенный воздух, а затем возвращается насосом в систему.
2. Режим заполнения системы.
Трехходовой кран установлен в положение, соединяющее источник воды для подпитки (обратный трубопровод теплосети) с всасывающим коллектором насосного модуля, (бак отключен от источника воды для подпитки и от всасывающего коллектора насосного модуля).
В момент включения режима заполнения запорно-регулирующий клапан открывается на 2-3%, затем включаются два насоса. Далее контроллер управляет регулирующим клапаном с целью поддержания постоянного перепада давлений между напорным и всасывающим коллекторами насосного модуля. Такая цель регулирования обеспечивает работу насосов в пределах значений рабочей характеристики насосов H(Q), т.е. работы насосов насосного модуля в пределах значений рабочей характеристики насосов, при которых все элементы насосов работают без перегрузок. По достижении заданного давления в системе насосы отключаются, клапан запорно-регулирующий остается в открытом положении. Система может быть переведена в режим поддержания давления.
3. Аварийный режим подпитки.
Этот режим работы используется при неисправности контроллера или датчиков и предназначен для сохранения работоспособности системы до прибытия службы сервиса. В данном режиме задействован один из насосов, датчик-реле давления, установленный после запорно-регулирующего клапана, запорно-регулирующий клапан. Трехходовой кран установлен в положение, соединяющее источник воды для подпитки (обратный трубопровод теплосети) с всасывающим коллектором насосного модуля, (бак отключен от источника воды для подпитки и от всасывающего коллектора насосного модуля).
При падении давления в системе отопления ниже нормы срабатывает датчик - реле давления, установленный после запорно-регулирующего клапана. По сигналу этого датчика - реле давления открывается запорно-регулирующий клапан и включается насос. Когда давление в системе увеличится до нормы, по сигналу датчика - реле давления насос отключается, запорно-регулирующий клапан закрывается.
Этот режим не предназначен для длительной эксплуатации по причине высокой частоты включения насоса.
Как показывает описание режимов работы использование заявленного устройства в коммунальном хозяйстве наряду с оптимизацией работы известного устройства значительно упрощает схемы ЦТП, ИТП, котельных, систем холодоснабжения, холодильных центров, энергоблоков, ТЭЦ и иных систем теплоснабжения, отопления, холодоснабжения, вентиляции и технологических систем, повышает компактность установок, требует меньшего количества насосов, исключает работу насосов в нерасчетных режимах.