Инженерные системы. Часть 1: Котельные.
По просьбам комментаторов другого поста (#comment_57904834) решил создать серию постов про инженерные системы.
Я намерен сделать 5 частей по системам, с которыми я в разной степени знаком и с которыми сталкивается или не сталкивается большинство участников нашего сообщества: котельные, тепловые сети, отопление, вентиляция, кондиционирование. Посты очень длинные, но при этом информация в них будет самая общая. Рассказывать я собираюсь об общих принципах работы, без глубокого ковыряния и заумных формул, иначе всё повествование превратится в тоскливое болото (да и формулы я помню далеко не все).
Тема первой части не совсем в моей специализации, но в общих чертах, что к чему и как оно работает, всё равно напишу, потому что комфорт в типичной квартире, все эти "прислонить ножки к батарее", "положить триконы, чтобы утром одеть тёплые", да и вообще "не замёрзнуть зимой" начинаются с главного - с котельной. Специалистов прошу сильно меня не ругать и вопросов на засыпку в этой части не задавать, но вот поправлять и исправлять ошибки очень даже прошу.
Итак, вот оно - сердце, пламенный мотор и источник жизни любого района в любом городе средней полосы и выше - котельная:
На данных фотографиях представлена Самарская ТЭЦ (теплоэлектроцентраль). Тепло-электро-централью она называется потому, что вырабатывает не только тепловую, но и электрическую энергию. Каким образом это происходит напишу чуть ниже.
По данным интернета данная ТЭЦ планово вырабатывает 2132 Гкал/ч (гигакалорий в час), а обслуживает третью часть жилого сектора областного центра и более пяти крупных промышленных предприятий (данные с http://so-ups.ru/index.php?id=1430). Третья часть жилого сектора - это ориентировочно 300 тысяч человек. Такая вот махина.
Главный агрегат в любой котельной - это, конечно, котёл:
На данной картинке представлен паровой котёл ДКВР-6,5 без кожуха. Кстати, высота этой штуки 5 метров с хвостиком или почти 2 этажа. В этой серии высота котлов достигает 9,6 метров, а вот например котёл ГМ-50-14 в длину имеет 18 метров, в ширину 11, а в высоту 14,6 метра (это, на секундочку, примерно 5 этажей).
Принцип действия такой дурынды заключается в том, чтобы преобразовать химическую энергию топлива (угля, мазута, газа, дерева - да чего угодно, лишь бы горело) в тепловую энергию теплоносителя (воды, пара, хладагента - да опять же чего угодно, лишь бы по трубам бегало). Проще говоря, мы сжигаем топливо, горячие продукты сгорания нагревают теплоноситель, а он в свою очередь подаётся дальше - либо на нагрев чего-то ещё, либо напрямую в тепловую сеть. Кстати, первичный теплоноситель бегает как раз по тем трубкам, которые в изобилии изображены на картинке выше. По подъёмным трубкам теплоноситель поднимается из нижнего барабана в верхний, по опускным - обратно.
Насколько я знаю, в настоящее время прямая подача первичного нагретого теплоносителя используется только в бытовых котлах, которые устанавливаются в отдельно взятом доме. В промышленных установках первичный теплоноситель всегда идёт на теплообменик, в котором он нагревает теплоноситель вторичный (как раз ту воду, которая потом уходит в теплосети по всему городу):
На картинках выше представлен водо-водяной теплообменник, именно с помощью него происходит теплообмен между первичным и вторичным теплоносителями. Холодная вода бежит по трубкам, а горячая - в пространстве между ними (или наоборот, не помню хоть убей). Через стенки трубок они обмениваются тепловой энергией, одна водичка остывает, вторая нагревается, всё очень просто. Примерно так же выглядит пароводяной теплообменник:
Только у него в трубках всегда течёт холодная (нагреваемая) вода, а в пространстве между ними - пар. Связано это с тем, что пар при охлаждении конденсируется, т.е. превращается в воду, и откачивается снизу через патрубок. Тоже всё просто.
Как видим, существует два основных процесса в котлах: нагрев воды и приготовление пара (прямо так и называется). Если с первым всё понятно, мы сталкиваемся с ним постоянно, то вот паровые котлы - вещь более универсальная. Именно из-за них мы называем котельные тепло-электро-централями.
Добавлю изображение котла ДЕ, чтобы легче ориентироваться:
Так вот, мы нагрели воду в нижнем барабане и за счёт огромного теплопритока вода начинает превращаться в пар, который накапливается в верхнем барабане. Да не просто накапливается, а под большим давлением (представьте, что вы варите пельмешки под крышкой с дырочкой - из этой дырочки происходит чух-пух сантиметров на 20). Под этим давлением пар поступает на пароводяной теплообменник, а дальше инженеры придумали гениальную вещь.
Они увидели, что после теплообменника остаётся большое количество пара, которое придется охладить, чтобы подать обратно в котёл. Для этого придётся строить какие-то установки, в которых мало того будет теряться энергия этого оставшегося пара, так ещё будет затрачиваться работа на его охлаждение. И чтобы не выполнять всех этих контрпродуктивных действий, они придумали пар подавать на турбину, вот такую:
Принцип действия простой донельзя: пар под давлением подаётся в кожух турбины, за счёт его кинетической энергии турбина крутится. А на её валу установлен электродвигатель обратного действия (прошу прощения у электриков, я в этом вопросе ноль, называю как представляю). То есть ротор двигателя вращается, искусственно создавая переменное магнитное поле, а это поле в свою очередь создаёт переменный ток. Одним источником закрываем две потребности - в тепловой и электрической энергии.
Кстати, те самые пресловутые дымовые газы или продукты сгорания после котла через дымовой тракт отправляются в дымовые трубы, по которым всегда можно определить котельную издалека:
Эти трубы не зря такие высокие, в них за счёт разности плотностей горячих газов и холодного воздуха возникает естественное гравитационное давление, которое помогает газам вылететь повыше. А если его возникает недостаточно, то подключают дымовые вентиляторы. Вопрос давления мы подробнее рассмотрим в части о вентиляции.
В принципе, мы рассмотрели основной процесс, происходящий в котельной: сжигание топлива - нагрев первичного теплоносителя - нагрев вторичного теплоносителя - подача его в сеть. После этого весь цикл повторяется, но чтобы описать его полностью, нужно рассказать про остальные части комплекса теплоснабжения.
Теперь детали, цифры, всякие интересные штуки, самые явные отличия от бытовых систем:
1). Основной тип котельных в большинстве крупных городов - газовые с паровыми котлами. В них подача топлива производится через горелки (ГМ, ГМГ и другие):
Но в отдалённых районах, или там, где нет централизованного газоснабжения, используются другие виды топлива, в основном это уголь, мазут, дерево, т.н. гранулы, торф и всякое такое. Сжигание мазута может производиться через газовые горелки, они чаще всего универсальные. А вот для сжигания твёрдого топлива используются колосниковые решётки:
Куски топлива сначала дробят, чтобы скорость горения и передачи энергии были максимальны, затем полученную крошку насыпают на решётку и дальше она как в фильме ужасов медленно движется в раскалённое жерло камеры сгорания. Процесс этот должен происходить непрерывно, т.к. при угасании пламени придётся снова разжигать первую порцию топлива, а это перебой в подаче тепла, печалька у потребителя, увольнение по статье у оператора котельной установки.
2). Вторая необычная в быту деталь была видна в первой, это дутьевые вентиляторы на горелках, вот они на переднем плане у каждого котла:
Из школьного курса химии все помнят, что пресловутое горение - это на самом деле экзотермическая реакция окисления горючего вещества. Иными словами, это реакция топлива и окислителя с выделением теплоты. Окислителем в случае горения топлива в котле является кислород, содержащийся в воздухе (так же как и в случае с газовой горелкой на плите, разве что у котла бомбит повеселее). В качестве топлива примем природный газ, основную массу которого (70-98%) составляет метан. Реакция окисления метана в кислороде выглядит так:
То есть на каждую молекулу метана нужны две молекулы кислорода. Кроме того мы помним, что кислорода в атмосферном воздухе всего лишь 23% по массе. Итого на каждый килограмм метана в газовом топливе нам требуется 8,7 кг атмосферного воздуха (всё это прикидочно, просто чтобы представить порядок цифр).
Так вот, расход газа для котла ДЕ 10-14 (соразмерный с котлами на предыдущих картинках) составляет 710 кубометров в час. Соответственно, воздуха для сжигания этого газа требуется 710 * 8,7 = 6 177 кубометров в час. Шесть тысяч! Это почти два кубометра в секунду. Вот для примера один кубометр кирпича:
И вот для подачи на горелку двух таких объёмов ежесекундно и нужны дутьевые вентиляторы.
3). Все помнят, что вода кипит при температуре 100 °С. Но на самом деле, температура кипения любого вещества зависит от давления, и чем оно выше, тем выше данная температура (и наоборот). Этим объясняется тот факт, что яичко на высокой горе не сварится в кипятке и останется сопливым, просто давление там ниже и температура кипения тоже. В котлах же ситуация обратно противоположная.
В водогрейных котлах конечная температура воды может достигать 150 °С и выше. Кипение при этом не допускается, потому что пар имеет гораздо больший удельный объём, чем у воды (проще говоря, это трах, бабах, фонтан перегретой воды и остановка котельной).
Поэтому давление в котле должно быть строго определённым, например для 150 °С оно составляет не менее 5 атмосфер (для сравнения, это давление человек ощутит на глубине 40 м под водой (1 атмосфера воздушная + по одной атмосфере на каждые 10 м воды).
В паровых котлах ситуация ещё веселее. Температура воды ограничена температурой кипения при определённом давлении, дальше она превращается в пар. А вот у пара эти параметры по сути не ограничены (на самом деле ограничены критической точкой, но там всё сложно и такие температуры на практике не используются). Например, в здоровенном котле ДЕ-25-24-380 пар нагревается до температуры 380 °С и давления в 23 атмосферы! Это давление на глубине в 220 м.
4). Все обращали внимание на признаки любого индустриального района - огромные ужасные трубы, дышащие ядовитыми газами и отравляющими несчастных горожан, сокращая их без того короткую и печальную жизнь:
На самом деле, это совершенно безобидные устройства - градирни. Их задача, всего-навсего, охлаждать поступающую из тепловой сети воду. Когда осенью запускают котельную, температура на улице достаточно высокая и за счёт низкой теплоотдачи вода в котельную возвращается очень тёплой.
Так как регулировать теплоотдачу в котле мы особо не можем, а подавать тёплую воду на нагрев опасно (повышается конечная температура воды, за ней давление, а потом трах-бабах из предыдущего пункта), воду для дополнительного охлаждения подают в эти градирни, где она стекает по стенкам с большой высоты по большой площади и остывает. Так что "отравленные газы" это всего лишь водяной пар.
Кстати, обратите внимание, работают все три градирни и на деревьях висят листочки, это значит что на улице ну прям очень тепло, а котельную уже запустили. По мере похолодания и увеличения теплопотерь их будут отключать.
На этом по котельным всё. Часть абзацев приклеена вплотную к предыдущим, потому что редактор ругается на 51 блок. Остальные части буду делать по мере наплыва вдохновения.
Дополнения, замечания и вопросы предлагаю писать в комментариях.