4. Индивидуальное задание
Влияние различных эксплуатационных факторов на тепловые потери в тепловых сетях.
Важнейшим параметром, определяющим эффективность работы системы теплоснабжения, является её надёжность, под которой понимается способность системы к бесперебойному снабжению потребителей тепловой энергией необходимого количества и качества.
Если источники теплоты характеризуются сегодня 100-процентной надёжностью, обеспечиваемой соответствующими техническими решениями и резервированием основного оборудования, то системы транспорта теплоты все ещё не отмечаются должной надёжностью и экономичностью.
В наших тепловых сетях из-за их технического несовершенства потери теплоты по мере старения теплопроводов доходят до 20% (в т.ч. 3-5% с утечками теплоносителя через неплотности) от количества транспортируемой теплоты, а удельная поврежденность оказывается на два порядка выше, чем у индивидуальных западных конструкций теплопроводов, и не всегда может содержаться на приемлемом уровне из-за ограниченности финансовых средств и слабой ремонтно-восстановительной базы предприятий теплосетей. Средний срок службы традиционных подземных теплопроводов составляет 12-15 лет, а иногда и меньше, при расчетном 25 лет.
Для поддержания работоспособности существующих тепловых сетей требуются колоссальные физические и материальные затраты. К примеру, в России суммарные ежегодные затраты на ликвидацию коррозионных повреждений теплосетей достигают 150 млн. долларов США.
Изучение причин и динамики поврежденности теплосетей в крупных городах за 30-летний период, а также обработка статистических данных о повреждаемости, по материалам ОРГРЭС показали, что на 85-90% они происходят по причине наружной коррозии трубопроводов.
После 10-15 лет эксплуатации теплосетей в неблагоприятных тепловлажностных условиях аварийность резко возрастает и не всегда может сдерживаться на приемлемом уровне из-за ограниченности материально-технической базы предприятий тепловых сетей. В то же время, чтобы контролировать и регулировать ситуацию, необходимо иметь теоретический прогноз поврежденности. На основании обработки обширного материала (по повреждаемости теплосетей и в зависимости от срока службы, диаметров, протяжённости, условий прокладки, состояния, качества ремонтных работ и др.) была выведена зависимость повреждаемости теплосетей от срока эксплуатации трубопроводов. При этом четко прослеживаются две группы трубопроводов: диаметром 50-200 мм и 250-1400 мм. К первой группе относятся квартальные теплосети, и их удельная повреждаемость к 20 годам эксплуатации достигает 3-5 повреждений в год на 1 км, т.е. по существу сети становятся неработоспособными. Причиной тому - несовершенство конструкций, низкий уровень строительства и неблагоприятные условия эксплуатации. Для второй группы трубопроводов абсолютная удельная повреждаемость меньше, что вполне закономерно, поскольку это транзитные и распределительные сети, и надёжность их должна быть выше - по ним транспортируется теплота большому числу потребителей.
Для двухтрубных сетей повреждаемость подающего трубопровода в 1,5-3,5 раза выше обратного, что объясняется активизацией наружной коррозии при температурах теплоносителя 70-85 0С, поддерживаемых в теплосетях большую часть года.
Выбор оптимальной толщины тепловой изоляции теплопроводов. Для выбора толщины тепловой изоляции при проектировании теплопроводов и нормирования потерь теплоты через изоляцию при их эксплуатации применяются нормы потерь теплоты. Рекомендованные в 70-80-х годах для практического пользования таблицы нормативных потерь являлись едиными для теплосетей канальной (непроходных двухячейковых и одноячейковых каналов) и бесканальный прокладки. При этом теплопотери для подающего и обратного трубопроводов давались как для однотрубной прокладки, а при совместной прокладке трубопроводов теплопотери суммировались. В то же время при совместной прокладке трубопроводов их теплопотери перераспределяются и существенно отличаются от табличных значений: для подающего трубопровода они оказываются несколько выше нормативных, а для обратного - значительно ниже. При этом суммарные теплопотери, как показали многочисленные расчеты, оказываются на 20-30% ниже соответствующих нормативных значений. В целом применение единых норм теплопотерь для различных условий прокладки теплопроводов приводит к искаженным результатам и неоптимальным решениям. Их введение в ту пору было оправдано лишь тем, что при дешевом топливе избавляло проектировщиков от многовариантных ручных расчетов по выбору толщины изоляции.
В условиях массового применения ЭВМ учёт всего многообразия влияющих факторов (технических, экономических, режимных) при выборе толщины изоляции теплопроводов не представляет трудности, необходимо только иметь реальную информацию, что немаловажно. В частности, как показали исследования и наблюдения, применяемая в отечественной практике минераловатная теплоизоляция подземных тепловых сетей в эксплуатационных условиях находится, как правило, в увлажненном состоянии. Это значит, что величина коэффициента теплопроводности изоляции значительно увеличивается (иногда в 2-3 раза) против его значения для сухой изоляции, что приводит к повышению тепловых потерь прежде всего подающего трубопровода. Теплопотери обратного трубопровода за счёт повышения температуры воздуха в канале могут несколько снизиться.
На основании исследований установлено:
изменение коэффициента теплопроводности теплоизоляционного слоя в области его наибольших значений - до 0,15 Вт/(м·0С)- оказывает наиболее сильное влияние на оптимальную толщину изоляции;
при увеличении коэффициента теплопроводности изоляции свыше 0,15 Вт/(м·0С) экономически целесообразная толщина изоляции перестаёт зависеть от него, так как термическое сопротивление слоя изоляции становится соизмеримым с термическим сопротивлением канала и грунта. Возможные колебания коэффициента теплопроводности изоляционного слоя в эксплуатационных условиях обычно находятся в интервале от 0,1 до 0,2 Вт (м∙0С);
изменение расчетного графика температур теплоносителя оказывает сравнительно небольшое влияние на оптимальную толщину теплоизоляции;
необходимо выбирать экономически целесообразную глубину залегания теплотрассы, исключая ее прокладку под другими инженерными коммуникациями (во избежание попадания в канал канализационных и других вод) или непосредственно в зоне грунтовых вод.
Таким образом, фактор влажности нужно обязательно учитывать при проектировании, ибо если исходить из условия сухой изоляции, чего фактически не бывает в тепловых сетях традиционной подземной прокладки, то неоправданно завышается толщина изоляции обратного трубопровода и занижается подающего, что оказывает заметное влияние на качество и экономичность теплоснабжения.
Теплоизоляционные материалы, применяемые в тепловых сетях, должны быть рассчитаны на предельную рабочую температуру теплоносителя, а толщина изоляции при водяном теплоносителе должна выбираться по среднегодовой температуре теплоносителя в подающем и обратном трубопроводе.
В соответствии с требованиями плотность изоляционного материала не должна быть более 400 кг/м3, а теплопроводность более 0,07 Вт/(м∙0С) при температуре 25 0С. Их наименьшими значениями обладает пенополиуретан - соответственно 60 кг/м3 и 0,03 Вт/(м∙0С). В зависимости от рабочей температуры и теплофизических свойств применяемого материала теплоизоляционная конструкция может состоять из одного либо нескольких материалов (слоёв), например, минеральной ваты (рабочая температура до 700 0С) и пенополиуретана (рабочая температура до 150 0С). Комбинированная теплоизоляционная конструкция позволяет снизить её стоимость.
И еще одно обстоятельство, связанное с теплоизоляцией.
Теплоизоляция подземных теплопроводов может быть одним из источников наружной коррозии труб, так как в применяемых для тепловой изоляции материалах иногда содержатся серные и сернистые окислы, которые при увлажнении легко вымываются и, попадая на металлические поверхности, вызывают их интенсивную коррозию. Кроме того, многие коррозионно-активные вещества выбрасываются в атмосферу различными предприятиями, а также соль, которой вместе с песком посыпают дороги в зимний период, при выпадении осадков попадает в грунт и гидравлически неплотную конструкцию теплосетей. При изменяющемся влажностном режиме теплоизоляции (периодическое увлажнение и высыхание) концентрация этих веществ у стенки трубопровода будет непрерывно возрастать, что также приводит к интенсификации коррозионного процесса. Таким образом, при плохой гидроизоляции подземных теплопроводов подвесная, в частности минераловатная, изоляция стальных трубопроводов является активным концентратом коррозионно-агрессивных веществ.
Предотвращение коррозионной повреждаемости теплосетей. Как было уже сказано, повреждение тепловых сетей происходит в основном по причине наружной коррозии трубопроводов, вызываемой систематическим увлажнением теплоизоляции в гидравлически плохо защищенных подземных конструкциях. Увлажнение изоляции приводит также к росту тепловых потерь через поверхность теплопровода.
Эффективным мероприятием, сдерживающим эти негативные явления, оказывается воздушная вентиляция каналов подземных тепловых сетей. Она осушает каналы, снижает в них влажность воздуха, повышает температуру точки росы и предотвращает этим выпадение конденсата на ограждающих поверхностях канала.
В невентилируемых каналах относительная влажность может достигать 100%, что в сочетании с высокой температурой приводит к активизации коррозионных процессов трубопроводов и конструкций. Снижение относительной влажности воздуха в канале, к примеру, до 60% может снизить скорость кислородной коррозии металлических конструкций в 1,5-2 раза, что примерно пропорционально увеличивает межремонтный период и уменьшает тепловые потери на 10-15%.
Вентиляция каналов теплосетей может быть естественной и принудительной. Побудителем естественной вентиляции является разность плотностей приточного и вытяжного воздуха, а также перепад высот приточно-вытяжных устройств, что создаёт термическую тягу. Влияет на тягу и вызываемая ветром разность давлений воздуха между входным и выходным вентиляционными отверстиями. Однако, в расчётах этот фактор не учитывается ввиду изменчивости силы ветра.
Среднегодовая температура наружного воздуха всегда ниже, чем в канале, вследствие чего наружный воздух имеет относительно меньшую влажность. Благодаря этому имеется возможность испарения некоторого количества накапливающейся в канале влаги или уменьшения относительной влажности находящегося в нём воздуха до величины φ ≤ 60%.
Другим важным мероприятием, способствующим поддержанию воздуха в канале в сухом состоянии, является периодическая сушка изоляции теплопровода повышением температуры теплоносителя, на что расходуется топливо. Это возможно в теплоизоляционных конструкциях, которые в состоянии передавать накопленную в них влагу окружающему воздуху, создавая этим возможность сушки влажного теплоизоляционного материала. Этим свойством не обладает теплопровод с пенополиуретановой теплоизоляцией и наружной гидрозащитной полиэтиленовой трубой-оболочкой. Но он не должен допускать проникновения влаги внутрь теплоизоляции.
Качественным скачком в повышении надежности и экономичности систем транспорта теплоты явилось в 80-х годах создание и освоение на Западе принципиально новой универсальной конструкции теплопровода системы АВВ, названного предварительно теплогидроизолированным трубопроводом (ПИ-теплопровод).
Стальные трубы в ПИ-теплопроводах АВВ характеризуются низким гидравлическим сопротивлением (незначительной шероховатостью), которое в 1,4-1,8 раз меньше, чем у наших труб (производимых на заводах России и Украины), применяемых в тепловых сетях. Отсюда следуют и соответствующие требования к качеству сетевой воды в западных системах теплоснабжения, не допускающие появления коррозионных процессов.
У ПИ-теплопровода надземной прокладки в качестве защитной наружной оболочки может применяться плотное металлическое покрытие, адгезированное с теплоизоляцией, либо другое покрытие.
ПИ-теплопроводы оборудуются электронной системой аварийной сигнализации, которая позволяет с точностью до метра обнаруживать места с повышенной влажностью изоляции (нарушения герметичности) и при необходимости принимать меры по своевременному устранению неисправностей и повреждений.
Однако, ПИ-теплопроводам с гидрозащитной наружной полиэтиленовой оболочкой присущ и серьезной недостаток. При попадании по каким-либо причинам (некачественного выполнения гидрозащиты в местах стыков и отводов труб, установки арматуры, компенсаторов при монтаже труб, либо нарушение герметичности полиэтиленовой оболочки при монтаже и эксплуатации подземных ПИ-теплопроводов) в пространство между наружной полиэтиленовой оболочкой и металлической трубой (в пенополиуретановую изоляцию) влаги она оттуда не может быть удалена естественным путём. Постоянное присутствие влаги не только ухудшает качество тепловой изоляции, но и способствует активной коррозии металлического трубопровода и его быстрому выходу из строя. Поэтому, если произошло нарушение герметичности и намокание теплоизоляции на каком-то участке ПИ-теплопровода, этот участок подлежит замене на новый. Отсюда и вытекают жесткие требования к качеству изготовления, монтажа и условиям эксплуатации таких теплопроводов. Однако, по многолетнему опыту, подобное происходит крайне редко.
В завершении рассмотренного можно констатировать, что из всех известных на сегодняшних день технологий и конструкций прокладки подземных тепловых сетей, ПИ-теплопроводы по технико-экономическим параметрам, прежде всего энергосбережению и надёжности, являются наиболее предпочтительными, хотя по первоначальным затратам они могут значительно уступать традиционной канальной прокладке.
Литература
1. «Живые корни». А.В.Озерец. 2006.
2. «Повышение эффективности систем теплофикации и теплоснабжения». Б.В.Яковлев. Минск. Адукацыя i выхаванне. 2002.
3. Экзамен для руководителя. Охрана труда. Сост. Ласковнёв В.П., Гранович Л.А., Король В.В. Минск. Библиотека журнала «Ахова працы». 2004
Размещено на
