Правилами технической эксплуатации тепловых энергоустановок, утверждёнными приказом Министерства энергетики Российской Федерации №115 от 24.03.2003, регламентировано создание в организациях энергослужб, укомплектованных соответствующим по квалификации и подготовленным теплоэнергетическим персоналом. При потреблении тепловой энергии только для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения, что характерно для зданий общественного и административно назначения, ответственность за исправное состояние и безопасную эксплуатацию тепловых энергоустановок может быть возложена на работников, не имеющих специального теплоэнергетического образования, но прошедших обучение и проверку знаний в порядке, установленном Правилами. В обязанности персонала входит соблюдение гидравлических и тепловых режимов работы систем теплоснабжения установок. В холодный период года при отрицательных температурах наружного воздуха и при возможном прекращении циркуляции воды в системах, с целью предотвращения размораживания установок, системы теплоснабжения должны полностью дренироваться. Дренирование производится в соответствии с эксплуатационной инструкцией, составленной применительно к местным условиям.
Опасность размораживания калориферов в приточных вентиляционных установках, как правило, связывается с их работой на проектной производительности при падении температуры наружного воздуха ниже расчётной, либо с неподдержанием температурного графика регулирования или располагаемого давления теплоносителя в ИТП здания.
Опасность размораживания калориферов в приточных вентиляционных установках связывается с их работой на проектной производительности при падении температуры наружного воздуха ниже расчётной, либо с неподдержанием температурного графика регулирования или располагаемого давления теплоносителя в ИТП
Для защиты от размораживания современные установки снабжены автоматической блокировкой, срабатывающей по сигналу датчиков температур приточного воздуха и обратного теплоносителя. Блокировка предусматривает отключение вентилятора, перекрытие доступа наружного воздуха и перевод работы циркуляционного насоса на внутренний контур циркуляции смесительного узла. Однако практика показывает, что размораживание калориферов возможно и на выведенных из эксплуатации в холодный период года вентиляционных установках, если не выполняется требование дренирования системы теплоснабжения, и на временно отключённых установках, при нарушении правил их эксплуатации. При этом закрытие заслонки наружного воздухозабора мера недостаточная для предотвращения критического остывания воды в трубках калориферов, даже при подключённой к смесительному узлу действующей сети теплоснабжения. В качестве примеров могут быть приведены нанёсшие значительный материальный ущерб аварийные ситуации, возникшие в зданиях Делового центра и кафе города Екатеринбурга в декабре 2010-го и январе 2012 годов.
Офисное помещение Делового центра было затоплено горячей водой с протечкой её на нижележащие этажи. В помещении за подвесным потолком была смонтирована сборная установка системы приточной вентиляции и подведённая к ней сеть теплоснабжения с узлом смешения теплоносителя. С жалюзийной решёткой наружного воздухозабора установка соединена через гибкую вставку и переход воздуховодом D = 450 мм, L = 3 м. Собрана установка из секционного оборудования марки NED ООО «ТД ОВИК» (Москва).
Порядок расположения секций оборудования и их длина (по ходу движения воздуха): заслонка регулирующая с алюминиевыми пластинами CHR 60-30, с приводом двухпозиционного управления с пружинным возвратом, L = 0,168 м; фильтр карманный FRP 60-30, L = 0,64 м; трёхрядный водяной обогреватель (калорифер) WH 60-30/3, L = 0,192 м, расстояние до первого ряда трубок — 0,074 м. Размеры проходного сечения секций — 0,6 х 0,3 м. Воздуховод и приточная установка покрыты слоем отражательного теплоизолятора типа «Пенофол» толщиной 5 мм.
Сеть теплоснабжения данной установки (2Ду = 20 общей длиной 70 м) подключена в ИТП здания. В пределах помещения на подающем и обратном трубопроводах сети установлены отсекающие шаровые краны. Сеть подсоединена к калориферу через смесительный узел SMEX 60-6,3 обратной конфигурации. В состав оборудования узла входят: циркуляционный насос типа GHN; трёхходовой вентиль ESBE с сервоприводом пропорционального регулирования; трёхпозиционные шаровые запорные краны, установленные на байпасе, снабжённом обратным клапаном и регулировочным вентилем; сетчатый фильтр с отстойником на подающем трубопроводе.
С коллекторами калорифера смесительный узел соединён гибкими трубопроводами. Схема соединения коллекторов — противоток.
Перед возникновением аварийной ситуации вентиляционная установка на длительное время была выведена из эксплуатации. Блок управления был отключён. Запорно-регулирующая арматура сети теплоснабжения калорифера в момент протечки воды была в следующем положении. Отсекающие шаровые краны находились в положении «открыто». Трёхпозиционные шаровые запорные краны смесительного узла — в положении «Полностью открыто». Сервопривод трёхходового вентиля — в положении «Открыт внешний контур». Привод регулирующей заслонки вентиляционной установки — в положении «Закрыто».
Помещения кафе также были затоплены горячей водой из приточной вентиляционной установки. Установка была смонтирована за подвесным потолком помещения гарманже. С жалюзийной решёткой наружного воздухозабора установка соединена отводом сечением 600 х 350 мм. Порядок расположения секций оборудования: клапан воздушный АВК 600 х 350 мм с приводом двухпозиционного управления с пружинным возвратом Polar Bear ASO-R08F; воздушный фильтр FRL 600 х 350; калорифер водяной четырёхрядный PBAS 600 х 350-4-2,5; вентиляционный агрегат канальный RK 600 х 350 Е1. Отвод и приточная установка («холодная» часть) теплоизолированы. Между калорифером и вентагрегатом (перед гибкой вставкой) смонтирован капиллярный термостат защиты по температуре приточного воздуха Polar Bear PBFP-6. В приточном воздуховоде установлен канальный датчик температуры воздуха ТС-К330.
Сеть теплоснабжения калорифера включала узел смешения теплоносителя и узел подсоединения калорифера. Узел смешения прямой конфигурации смонтирован в помещении ИТП. В состав узла входят: фильтр магнитный механический муфтовый ФММ-32 Ду32; циркуляционный насос Grundfos UPS 25-40; трёхходовой вентиль Termomix D25S с электроприводом трёхпозиционного регулирования Polar Bear DAN 1N. На байпасе установлены шаровой кран и обратный клапан. С узлом подсоединения калорифера и распределительными коллекторами ИТП узел смешения соединён теплоизолированными трубопроводами 2Ду32 общей длиной 40 м. Для отключения узла от коллекторов ИТП на трубопроводах установлены отсекающие шаровые краны. Коллекторы калорифера подключены к теплосети по схеме противоток. В узле подсоединения в высших точках подающего и обратного трубопровода установлены тройники с пробками. Тройник на подающем трубопроводе снабжён шаровым краном для выпуска воздуха с гибким шлангом. В низшей точке подающего трубопровода установлен тройник с шаровым краном для спуска воды. Устройства для отключения калорифера от теплосети и автоматической деаэрации теплоносителя в узле подсоединения, а также датчик температуры и термостат защиты по температуре теплоносителя на обратном трубопроводе не установлены.
Перед аварией вентиляционная установка была выключена на ночное время. Запорно-регулирующая арматура сети теплоснабжения калорифера в момент протечки воды находилась в следующем положении: отсекающие шаровые краны и кран байпаса — в положении «открыто». Привод трёхходового вентиля — в положении «Равное открытие внешнего и внутреннего контуров». Привод воздушного клапана вентиляционной установки находился в положении «Закрыто».
Затопление помещения Делового центра явилось следствием разрывов калачей трубок калорифера из-за замораживания воды при уменьшении (отсутствии) её циркуляции и выхолаживании воздуха в теплоизолированной части приточной установки от пластин регулирующей заслонки до наружного ряда трубок. Схема соединения коллекторов калорифера «противоток» увеличила риск замораживания. Циркуляция воды в контуре теплоснабжения при указанном выше положении запорной и регулирующей арматуры достигается располагаемым давлением на распределительных коллекторах ИТП здания АР и давлением работающего циркуляционного насоса смесительного узла. Смесительный узел осуществляет качественное регулирование теплоотдачи калорифера. Статическое давление (напор) смесительного узла SMEX 60-6,3 в рабочей области графика подбора, необходимое для компенсации гидравлических потерь в калорифере и компонентах узла, составляет 4,0 м вод. ст. при минимально-достаточной пропускной способности 1,2 м3/ч теплоносителя (внутренний контур циркуляции перекрыт).
По данным энергослужбы здания показатели теплорегистратора «Карат», установленного в ИТП, на время обнаружения протечки теплосети составляли
ΔР = Рп - Ро = 6,4 - 5,9 = 0,5 кг/см2 = 5 м вод. ст., tг = 108 °C.
Температура наружного воздуха text в городе Екатеринбурге в течение двух суток, предшествующих аварийной ситуации, по данным ГУ «Свердловский ЦГМС» изменялась в пределах от -31 до -26 °C. Располагаемое давление теплоносителя на выходе из ИТП соответствовало проектному, температура — графику регулирования.
Перед аварией вентиляционная установка была выключена на ночное время. Запорнорегулирующая арматура сети теплоснабжения калорифера в момент протечки воды находилась в следующем положении: отсекающие шаровые краны и кран байпаса — в положении «открыто»
Минимальный расход теплоносителя в калорифере, достаточный для предотвращения его замораживания при закрытой регулирующей заслонке, может быть ориентировочно оценён следующим расчётом. При снижении средней температуры воздуха tв в объёме V приточной установки от пластин регулирующей заслонки до трубок:
до температуры замерзания воды, теплопотери через плотно закрытые пластины регулирующей заслонки площадью F = 0,6 х 0,3 = 0,18 м2 составят:
- это сопротивление теплопередаче; δср = = 0,01 м — средняя толщина пластин; αв = 1,85 х | 0 - (-13) |1/3 = 4,3 Вт/(м2·°С); αн = = 1,85 х | (-13) - (-26) |1/3 = 4,3 Вт/(м2·°С) — коэффициенты конвективного теплообмена на внутренней и наружной поверхностях пластин (значения рассчитаны при температурах поверхностей, равных средней температуре пластин); λ = = 187,6 Вт/(м2·°С) — коэффициент теплопроводности алюминия.
Достаточный для компенсации теплопотерь расход теплоносителя в калорифере, при остывании теплоносителя от tг = 108 °C в подающем коллекторе до tо = 0 °C в обратном, составит:
где ρ = 1000 кг/м3 и с = 4190 Дж/(кг*°С) — плотность и теплоёмкость воды, соответственно. При оценке пренебрегаем: остыванием воды в теплосети от индвидуального теплового пункта до калорифера; сопротивлением теплопередаче тонкостенных медных трубок калорифера; теплопоступлениями от окружающего воздуха в объёмы воздуховода и «холодной» части приточной установки через теплоизолированные стенки; тепловым потоком от калорифера, направленным в «тёплую» часть приточной установки.
Таким образом, замораживание воды в калорифере отключённой вентиляционной установке было возможно только при практическом отсутствии циркуляции в сети теплоснабжения. Причинами практического прекращения циркуляции, при наличии располагаемого напора теплоносителя ΔР = 5 м вод. ст. на выходе из ИТП, стали нерасчётные для сети дополнительные местные гидравлические сопротивления смесительного узла (шаровые запорные краны; трёхходовой вентиль, циркуляционный насос, фильтр) и калорифера при неработающем циркуляционном насосе, служащим для преодоления потерь давления в калорифере и компонентах смесительного узла. Не исключено также повышенное засорение сетчатого фильтра, в случае не проведения необходимой ревизии фильтра перед началом эксплуатации и один раз в три месяца при работе. Выполнение энергослужбой здания приведённого выше требования «Правил технической эксплуатации тепловых энергоустановок» о дренировании систем теплоснабжения исключило бы риск возникновения аварийной ситуации.
Затопление помещений кафе также явилось следствием разрыва трубок калориферов вентиляционной установки. Установка находилась в не полностью работоспособном состоянии. При положении «Включено» основного выключателя блока управления и автоматов защиты оборудования. электропривод трёхходового клапана находился в положении «Равное открытие внешнего и внутреннего контуров». При имитации режима «Авария» в положении «Включено» и при переводе основного выключателя в положение «Выключено» привод воздушного клапана обеспечивал возврат жалюзи в положение полного закрытия, вентагрегат отключался, циркуляционный насос продолжал работать, привод трёхходового клапана оставался в положении «Равное открытие внешнего и внутреннего контуров». Проверка показала, что неработоспособность привода трёхходового клапана связана с его заклиниванием и сгоранием элементов платы электропривода.
К аварийной ситуации привели недостатки конструктивного исполнения приточной установки, дефекты монтажа и нарушения правил эксплуатации. В узле подсоединения калорифера к теплосети не были установлены ни датчик температуры обратного теплоносителя, ни термостат защиты приточной установки от размораживания калорифера по температуре теплоносителя. Температура теплоносителя на выходе из теплообменного устройства не контролировалась. Это противоречило требованиям действовавшего СНиП 41-01-2003 «Отопление вентиляция и кондиционирование» (пункт 12.8а). В узле подсоединения калорифера на обратном трубопроводе отсутствовало устройство для автоматической деаэрации теплоносителя. Использование установленного на подающем трубопроводе шарового крана менее эффективно, требует регулярного обслуживания, увеличивает риск «завоздушивания» калорифера, прекращения циркуляции воды. Термостат защиты по температуре приточного воздуха Polar Bear PBFP-6 был смонтирован неправильно. Часть капиллярной трубки находится снаружи и вблизи коллектора горячей воды. Это вызывает срабатывание термостата при температурах воздуха после калорифера ниже температуры уставки термостата и увеличивает риск размораживания калорифера во время работы приточной установки.
К аварийной ситуации привели недостатки конструктивного исполнения приточной установки, дефекты монтажа и нарушения правил эксплуатации. В узле подсоединения калорифера к теплосети не были установлены ни датчик температуры обратного теплоносителя, ни термостат защиты приточной установки от размораживания калорифера по температуре теплоносителя
Авария, произошедшая на временно отключённой установке системы приточной вентиляции при слабо отрицательных (до -10 °C) температурах наружного воздуха, также была возможна лишь при практическом отсутствии циркуляции нагретой воды в калорифере. Зафиксированное положение неисправного клапана — «Равное открытие внешнего и внутреннего контуров» не могло привести к остыванию воды в калорифере при работающем циркуляционном насосе. Вероятная причина отсутствия циркуляции воды состоит в «завоздушивании» калорифера из-за несвоевременного удаления воздуха через установленный в узле подсоединения шаровой кран при обслуживании установки.
Нарушения правил эксплуатации выразились в невыполнении требований содержания тепловых энергоустановок в работоспособном и технически исправном состоянии, своевременного проведения профилактических работ, осмотра оборудования систем не реже одного раза в неделю.
