Надежность систем теплоснабжения городов и предприятий легкой промышленности

НАДЕЖНОСТЬ СИСТЕМ 

ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ГОРОДОВ 

И ПРЕДПРИЯТИЙ ЛЕГКОЙ

ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Ф.А. ПОЛИВОДА

Москва
ИНФРА-М
2020

УЧЕБНИК

    Министерство образования и науки Российской Федерации

 Московский государственный университет дизайна и технологии

Рекомендовано в качестве учебника 
для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлениям подготовки 29.03.02 «Технология и проектирование 
текстильных изделий», 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника», 
15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств»
 (квалификация (степень) «бакалавр»)

УДК 697.4(075.8)
ББК 31.38я73
 
П50

Поливода Ф.А.
Надежность систем теплоснабжения городов и предприятий легкой 
промышленности : учебник / Ф.А. Поливода. — Москва : ИНФРА-М, 
2020. — 170 с.  — (Высшее образование: Бакалавриат). — www.dx.doi.
org/10.12737/19602.

ISBN 978-5-16-011830-7 (print)
ISBN 978-5-16-104285-4 (online)
В учебнике изложены основные принципы и методы построения высоконадежных водяных систем теплоснабжения, предназначенных для использования 
в коммунальном и производственном секторах тепловой энергетики городов. 
Подробно рассматриваются основополагающие понятия теории надежности, 
методы расчета безотказности технических устройств, проблемы резервирования, долговечности тепловой сети, новые методы создания резервных источников электроснабжения для котельной текстильных фабрик.
Издание соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования последнего поколения.
Учебник предназначен для обучающихся всех форм обучения направлений 
подготовки 29.03.02 «Технологии и проектирование текстильных изделий», 
13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника», 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств», будет полезен для обучения магистрантов 
и аспирантов вышеназванных направлений, а также для инженерно-технических работников и слушателей школ повышения квалификации.
УДК 697.4(075.8)
ББК 31.38я73

П50

А в т о р:
Поливода Ф.А., д-р техн. наук, доц., профессор кафедры промышленной 
теплоэнергетики Московского государственного университета дизайна и технологии
Р е ц е н з е н т ы:
Жмакин Л.И., д-р техн. наук, доц., заведующий кафедрой «Промышленная 
теплоэнергетика» Московского государственного университета дизайна и технологии;
Зройчиков Н.А., д-р техн. наук, проф., заведующий отделением технологий 
использования топлив и экологии энергетики ОАО «ЭНИН» им. Г.М. Кржижановского;
Горячкин Н.Б., канд. техн. наук, доцент кафедры «Теплоэнергетика железнодорожного транспорта» Московского государственного университета путей сообщения

ISBN 978-5-16-011830-7 (print)
ISBN 978-5-16-104285-4 (online)
© Поливода Ф.А., 2016

Работа подготовлена автором при поддержке фонда РФФИ,
грант № 16-08-00438

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

Введение

Настоящий учебник предназначен для студентов энергетических 

специальностей, обучающихся по направлению «Теплоэнергетика 
и теплотехника» и изучающих предмет «Надежность систем теплоснабжения» на 4–5 курсах. Сложность изучения данного предмета 
состоит в необходимости наличия производственного и эксплуатационного опыта, знания основ конструирования теплосетей, специальных понятий, которых у студентов недостаточно. Цель данной 
работы — компенсировать этот пробел и помочь слушателям 
в освоении дисциплины.

Понятие «надежность» является сложным, многогранным 

и скорее относится к философским понятиям. Однако оно может 
быть охарактеризовано рядом числовых характеристик, поддающихся расчету, и поэтому является научным. Как и в любом философском учении, в теории надежности можно выделить ряд категорий, органично связанных друг с другом. Бытует мнение, что изучение проблем надежности технических устройств является 
второстепенным, неважным по сравнению с профилирующими дисциплинами. Это не так. Действительно, если бы надежность энергетической станции или космического корабля была равна нулю, то 
объект взорвался бы в первые секунды пуска! Многочисленные элементы сложного технического устройства, например ткацкого 
станка, определяют длительность работы того или иного узла, его 
повреждаемость, возможность ремонта и т.д. Одним словом, возникает картина целесообразности устройства вообще.

Таким образом, теория надежности является первичным условием 

для существования и разработки любого сложного оборудования или 
агрегата. Предварительная оценка работоспособности особенно 
важна, когда идет речь о летательных аппаратах, объектах атомной 
энергетики, транспорте и т.п. Теплоэнергетическая система микрорайона города или текстильного предприятия относится к объективно опасным системам городского хозяйства, и хотя аварии на ней 
не носят столь катастрофического характера, как, например, на АЭС, 
ущерб от аварии может быть очень высоким и составлять десятки 
миллионов и даже миллиарды рублей. Россия — северная страна, 
и в результате аварии без отопления и горячей воды остаются жилые 
дома, детсады, больницы. Нарушается комфортность проживания 
населения, портится городской ландшафт, осложняется движение 
транспорта. Отсутствие отопления может привести даже к гибели 
людей вследствие переохлаждения.

Теория надежности позволяет предсказать возможные аварии, 

оценить их ущерб и выбрать расчетным путем наиболее правильные 
технические решения. В настоящей работе особый акцент делается 
на тепловой энергетике, в частности на системах теплоснабжения 
городов и предприятий легкой промышленности. Рассматриваются 
наиболее уязвимые места и даются рекомендации по снижению 
рисков; подробно изучаются классические категории надежности 
и их связь с практикой; приводятся расчетные методики для оценки 
параметров теплоносителя, поступающего к потребителю от удаленного источника.

В учебнике излагаются методики расчетов, описываются ос
новные тепловые и технологические схемы энергетического оборудования предприятий легкой промышленности, которое подлежит 
оценке на надежность. Работа снабжена значительным числом иллюстраций и примеров, позволяющих глубже освоить представленный материал. В конце каждой главы приведены контрольные 
вопросы по лекционному курсу.

В результате освоения предмета студент должен овладеть обще
образовательными и профессиональными компетенциями. В частности, ОК-1:
• знать основы теории надежности для оценки работоспособности 

и безаварийности систем энергоснабжения предприятий легкой 
промышленности;

• уметь использовать эти знания для восприятия новой инфор
мации, возникающей в процессе решения нестандартных задач;

• владеть знаниями и умениями, достаточными для постановки 

цели и решения технических задач, возникающих в процессе 
энергоснабжения потребителей.
ПК-2:

• знать методы расчета показателей безаварийности и долговеч
ности энергоустановок;

• уметь определять безотказность работы энергетического обору
дования, методы резервирования систем энергообеспечения;

• владеть методами анализа термодинамических характеристик теп
ловых объектов в целях выработки наиболее безопасных решений 
для их эксплуатации.
ПК-18:

• знать практические способы измерений тепловых и эксплуатаци
онных параметров энергетического оборудования, характеризующих надежность объекта;

• уметь самостоятельно проводить испытания энергетического обо
рудования предприятий легкой промышленности;

• владеть методами визуализации эксперимента с анализом резуль
татов и привлечением законов математической статистики.
ПК-19:

• знать основные принципы работы энергетических установок 

и методы их безопасной эксплуатации;

• уметь самостоятельно проводить исследования по прилагаемым 

к установкам рабочим инструкциям и методическим указаниям;

• владеть техническими приемами для сбора информации, подго
товки отчетов, разработки производственных методик, оценки 
надежности оборудования предприятий легкой промышленности. 

Глава 1 

Общие ВОпрОсы и Определения

Понятие «надежность» — сложное и многоуровневое. Для упро
щения изучения его разбивают на ряд простых понятий («категории 
надежности»), подробно рассматриваемых в гл. 3. Кроме того, существуют и числовые оценки надежности, ее «количественное» содержание. Таким образом, устанавливается диалектическая взаимосвязь: 
надежность — это совокупность оценок «качественного» и «количественного» характера (категории + числовые оценки).

В данной главе даются основные понятия, термины и опреде
ления, которые будут использоваться в тексте работы.

1.1. нОрматиВные дОкументы, характеризующие пОнятие 

надежнОсти

Основным нормативным документом, определяющим понятие 

надежности, является ГОСТ 27.002-83 «Понятие надежности. Термины и определения». В нем, в частности, говорится, что «надежность теплоэнергетической системы — это свойство обеспечивать ее 
бесперебойную работу в течение всего срока эксплуатации и поддерживать в заданных интервалах функциональные параметры, заложенные в договоре о теплоснабжении».

Тем самым в законодательстве устанавливается норма, согласно 

которой поставщик обязан гарантировать потребителю согласно договору не только стабильность теплоснабжения, но и обеспечение 
определенных параметров [1]. Какие это параметры? Основных параметров для водяных систем теплоснабжения три:

1) температура теплоносителя tт,°C;
2) расход теплоносителя G, кг/с;
3) давление на абонентском вводе pa, атм (или напор На, м).
Кроме того, предъявляются и другие требования «химического» 

характера согласно ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая» [2].

В договоре о теплоснабжении учитывается также гарантиро
ванное количество теплоты, Гкал, которое поставщик отпускает потребителю в течение года. Температура воды для систем домового 
отопления оговаривается в соответствии с температурным графиком 
и составляет для пика ОЗМ (осенне-зимний максимум) +95°C [3].

Согласно «Строительным нормам и правилам» (СНиП) темпера
тура горячей воды должна быть в местах водоразбора +55 ± 5°C [4].

Температура холодной воды устанавливается +5°C для зимнего 

(отопительного) периода и +15°C для летнего периода. Это связано 
с естественным процессом нагрева почвы в летний период. В почве 
трубы водоснабжения проложены на определенной глубине, и эти 
температуры могут несколько отличаться от норм. Отопительный 
период зависит от географической широты города, для которого проектируется система теплоснабжения. Например, в Москве он составляет zот = 205 сут, в Якутске — 289 сут, а в Сочи — всего 67 сут! 
Причем согласно СНиП [5] температура внутри жилых помещений 
должна составлять +18°C, внутри детских садов +21°C; внутри кинотеатров +14°C и т.д.

Любое отклонение от заданных температур (как внутри поме
щений, так и по горячей воде) может расцениваться как нарушение 
надежности теплоснабжения, и на первый план выходит необходимость расчетного прогнозирования этой ситуации.

Температура воды на абонентском вводе называется каче
ственным показателем. Расход теплоносителя по трубе G, кг/с, называется количественным показателем и зависит от многих факторов.

Поэтому задачей надежного теплоснабжения является обеспе
чение потребителя теплоносителем заданного качества и заданного 
количества.

Давление воды (или напор) на вводе потребителя влияет на устой
чивость водоснабжения верхних этажей здания. Избыточный напор 
в местах водоразбора не должен быть менее 0,5 м (или Δр = 0,05 атм). 
Причем максимальное значение давления воды также оговаривается: 
на вводе 1-го этажа здания оно не должно превышать 6 атм избыточных (или 60 м напора) исходя из прочности чугунных отопительных радиаторов. Обеспечение требуемого напора вдоль всей 
трассы водоснабжения решается посредством пьезометрического 
графика. Указанные значения напора, согласно СНИиП 2.04.07-86 
(41-002-2003) «Тепловые сети» [6], соответствуют надежному водоснабжению. Однако на практике бывают и случаи «опрокидывания» 
циркуляции. Подробнее данный материал будет обсужден в разд. 
«Пьезометрический график».

1.2. система теплОснабжения

Согласно ГОСТ 19431-84 системой теплоснабжения называется 

совокупность энергоустановок, связанных между собой стальными 
трубопроводами (тепловой сетью) [7]. Система теплоснабжения 
в общем случае содержит три основных элемента (рис. 1.1).

Источник тепла 1 (ТЭЦ, РТС, КТС, АЭС) связан тепловой сетью 2

с потребителем 3. Как правило, тепловая сеть содержит два трубопровода — прямой (подающий) и обратный. По прямому трубопроводу подается теплоноситель высоких параметров: перегретая вода 
с температурой до +150°C и давлением до 16 атм. Вследствие высокого давления вода в трубе не вскипает. После отдачи тепла потребителю вода поступает на источник по обратной трубе с температурой +30…+70°C.

Различают магистральные и локальные (распределительные) теп
ловые сети. Магистральные сети служат для передачи горячей воды 
на большие расстояния (до 50 км). Трубопроводы имеют большие 
проходные сечения Dу = 250…1400 мм. Распределительные сети применяются для разводки теплоносителя внутри небольшого микрорайона или группы домов и носят местный (локальный) характер. 
Как правило, диаметры трубопроводов в них составляют от 100 до 
200 мм. Распределительные сети подключаются к магистральной 
сети через тепловые камеры.

По характеру водоснабжения различают открытую и закрытую 

схемы теплоснабжения. В открытой схеме горячая вода разбирается 
по внутридомовому водопроводу непосредственно из теплосети. Ее 
качество довольно низкое: вода содержит большое количество примесей, ржавчины, песка и др. При закрытой схеме используется промежуточный теплообменник. В нем сетевая вода нагревает чистую 
водопроводную воду, не сообщаясь с ней. Таким образом обеспечивается высокое качество «бытовой» горячей воды, направляемой 
потребителям. Многие южные города России подключены по открытой схеме как наиболее простой и дешевой. В Москве используется только закрытая схема.

Для подключения локальной сети к потребителю используют 

центральный или индивидуальный тепловой пункт (ЦТП или ИТП), 
содержащий переключающую арматуру и насосы, теплообменники, 
приборы учета тепловой энергии. Располагаются тепловые пункты 
в глухих бетонных сооружениях внутри двора или в подвале жилого 
дома. На схемах тепловые пункты изображаются в виде зачерненных 

рис. 1.1. Система теплоснабжения:

1 — источник теплоты (РТС, ТЭЦ); 2 — тепловая сеть; 3 — потребители тепла

кружков с указанием номера, а тепловые камеры — в виде квадратиков.

Конфигурация тепловой сети может быть радиальной или коль
цевой (по аналогии с метро). На представленной схеме имеется удаленный источник тепла, магистральная сеть и многочисленные потребители (рис. 1.2, a). Тепловая сеть, обслуживающая текстильное 
предприятие, может быть и локальной (местной). Источником теплоты для нее является заводская ТЭЦ или РТС. К местной сети крупного предприятия может быть подключен жилой поселок, расположенный рядом с текстильной фабрикой.

Магистральная сеть прокладывается так, чтобы охватить наи
большую площадь застройки района. В кольцевой схеме по краям 
центрального кольца расположены три источника энергии: ТЭЦ–1, 
ТЭЦ–2, ТЭЦ–3. В случае аварии на одном из участков кольца (или 
при повреждении источника) данная схема более надежна (рис. 1.2, 
б), поскольку имеется возможность отключения аварийного участка 
и запитка потребителей другим способом. Изображенная на рис. 1.2 
тепловая сеть называется также однолинейной схемой.

В системе теплоснабжения наиболее слабым и уязвимым звеном 

является тепловая сеть. При мощности источника Qи ≥ 20 Гкал/ч сис
рис. 1.2. Конфигурация тепловой сети:

а — радиальная; б — кольцевая; 1 — источник (ТЭЦ); 2 — магистральная сеть; 

3 — тепловая камера; 4 — ЦТП

тема теплоснабжения называется централизованной. Мелкие отопительные котельные, расположенные внутри небольшого района, 
образуют децентрализованную систему теплоснабжения. Например, 
в Москве в микрорайоне Куркино, где жилые дома находятся далеко друг от друга, была использована децентрализованная система. 
Этому способствовал и геодезический профиль местности: глубокие овраги, холмы, лес. Строительство крупной РТС было признано нецелесообразным, так как большая часть тепла терялась бы 
при транспортировке к удаленным объектам, а строительство самой 
теплосети было крайне дорогим. В научной литературе нет однозначного ответа на вопрос, какая система надежнее: централизованная или децентрализованная, поскольку ущерб от аварии может 
быть различным. Однако, безусловно, тепловая сеть — наиболее 
часто повреждаемый элемент. Будучи пассивным по своей природе 
элементом, тепловая сеть, кроме того, в определенных режимах 
становится бесполезной, так как ее КПД может оказаться равным 
нулю. В этом случае тепловые потери на сети превышают потребляемое тепло, а температура горячей воды у потребителя составляет 
всего +20…+30°C.

В данной работе особое внимание уделяется исследованию про
цессов на тепловой сети, ведущих к аварии либо недостаточности 
теплоснабжения. Проблема повышения надежности источника (например, котельного агрегата) рассматривается в разд. «Резервирование».

1.3. ЧислОВые характеристики надежнОсти

Числовые характеристики тесно связаны с теорией вероятностей 

и математической статистики, поскольку, как уже говорилось выше, 
понятие надежности имеет философский, фундаментальный характер. Числом можно описать то или иное «количество» надежности данного «качества» (т.е. данной категории). Но одно лишь 
число не может охарактеризовать всю надежность устройства, поэтому надо определять «количество» надежности по каждому аспекту. 
Например, изделие может быть безотказным, но иметь малый срок 
службы — медицинский препарат, который должен быть использован за 5 с, или маршевый двигатель космического корабля, работающий всего 40 с, и т.п.

Совокупность показателей надежности устройства образует некую 

таблицу, наиболее полно отражающую «качество» изделия в целом 
и желательность его приобретения, а также «живучесть» изделия (не 
следует путать с количественными и качественными параметрами 
теплоносителя в системе теплоснабжения).