автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Повышение эффективности системы теплоснабжения в нефтедобывающих районах Западной Сибири

ТЮМЕНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНАЯ

АКАДЕМИЯ

УДК 697.3.34 На правах рукописи

МОИСЕЕВ БОРИС ВЕНИАМИНОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ В НЕФТЕГАЗОДОБЫВАЮЩИХ РАЙОНАХ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ

Специальность 05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

ДИССЕРТАЦИЯ

в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

Работа выполнена на кафедре "Теплогазоснабжения и вентиляции" Тюменской государственной архитектурно-строительной академии и в Тюменском государственном нефтегазовом университете Официальные оппоненты :

- академик PA ACH, заслуженный деятель науки и техники, доктор технических наук, профессор Чистович С.А.;

- доктор технических наук, профессор Бодров В.И.;

- доктор технических наук, профессор Сазонов Э.В. Ведущее предприятие - ОАО «Нефтегазпроект» Научный консультант - доктор технических наук,

Защита состоится 20 ноЯоря 1998 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 064.71.01 г Т' • *нс • ш государственной

профессор Шаповал А.Ф.

архитектурно-строительной академии ул.Луначарского, 2

01, г.Тюмень,

С диссертацией в виде научно библиотеке Тюменской государственно мии

■ков* гься в

Mi /й акаде-

Диссертация в виде научного доклада

у< 1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент

Малышкин А.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Топливно-энергетический комплекс Западной Сибири является одним из основных составляющих развития экономики государства и оказывает большое влияние на развитие научно-технического прогресса, а также во многом определяет темпы роста национального дохода.

В «Основных направлениях энергетической политики Российской Федерации на период до 2010 года» указывается, что энергетическая политика Российской Федерации определяет следующие приоритеты и структурные изменения:

- повышения эффективности использования топливно-энергетических ресурсов и создания необходимых условий для перевода экономики страны на энергосберегающий путь развития;

- реализации потенциала энергосбережения за счет создания и внедрения высокоэффективного топливо- и энергопотребляющего оборудования, теплоизоляционных материалов и строительных конструкций.

В нефтегазодобывающих районах Западной Сибири предприятия нефтяной и газовой промышленности являются крупными потребителями тепловой энергии, на выработку которой затрачивается около 5-6 % всей добываемой нефти и попутного газа. Для передачи и обеспечения потребителей тепловой энергией сооружаются системы теплоснабжения.

Капитальные затраты .при сооружении систем теплоснабжения coot до 30 % средств, расходуемых на строительство объектов при ойстве территорий. В Западной Сибири эти затраты увеличиваются .>2 раза из-за сложных климатических и грунтовых условий. Слож-т проектирования и строительства обусловливается заболоченностью и

¡ием водонасыщенных грунтов с большой глубиной промерзания. — ценностями проектирования, строительства и эксплуатации в таких ус-

ловиях являются учет и прогнозирование температурного режима грунтов и строительных конструкций при взаимодействии с окружающей средой. Строительство без учета этих особенностей приводит к аварийным последствиям [1, 18, 27,29, 30].

Централизованные системы теплоснабжения (ЦСТ), также как и га-30-, нефте-, электро- и водоснабжения (условно), являются системами энергетики. Поэтому ЦСТ представляют собой большие энергетические системы, которым предъявляются особенно высокие требования. Как известно, с увеличением производительности любой технической системы падает ее надежность, но требования к надежности растут - это является одним из противоречий, связанных с развитием систем. Следовательно, обеспечение надежности и экономичности теплоснабжения является актуальной проблемой, значение которой возрастает с увеличением мощности теплоснабжающей системы.

Значительный вклад в развитие различных сторон рассматриваемой проблемы внесли Богословский В.Н., Вялов С.С., Дубина М.М., Ионин A.A., Копьев С.Ф., Кудрявцев В.А., Кутателадзе С.С., Лыков A.B., Мельников П.И., Михеев М.А., Порхаев Г.В., Соколов Е.Я., Табунщиков Ю.А., Фокин К.Ф., Цытович H.A., Чистович С.А., Чудновский А.Ф., и др.

Новые условия хозяйствования выдвигают актуальные задачи эффективного использования энергии и топливно-энергетических ресурсов, а также повышение надежности системы теплоснабжения в нефтегазодобывающих районах Западной Сибири [ 30, 34, 42, 43, 44,45,46, 47, 49].

Целью настоящего исследования является теоретическое и экспериментальное обобщение и решение комплексной народно-хозяйственной проблемы, ставящей целью повышение эффективности и надежности функционирования системы теплоснабжения в Западно-Сибирском регионе.

Основные задачи диссертационной работы :

1. Определение геокриологических особенностей грунтов при строительстве инженерных коммуникаций на нефтегазопромыслах Западной Сибири.

2. Разработка математической модели расчета и установление закономерностей теплового процесса взаимодействия прямоугольных каналов теплопроводов с сезоннопромерзающими грунтами.

3. Разработка методики проведения экспериментальных исследований с целью изучения и прогнозирования температурного режима грунта на действующих тепловых сетях.

4. Установление закономерностей изменения теплофизических свойств грунтов Среднеобского региона Западной Сибири.

5. Разработка и проверка в производственных условиях новых методов и технических решений для повышения эффективности и надежности работы системы теплоснабжения в Западно-Сибирском регионе.

Связь с тематикой научно-исследовательских работ. Диссертационная работа выполнялась согласно постановлению правительства РФ № 1087 «О неотложных мерах по энергосбережению» и в рамках целевой комплексной программы «Нефть и газ Западной Сибири», а также общеобластной программы «Энергосбережение в Тюменской области».

Научная новизна диссертации состоит в создании научно-практических основ повышения эффективности и надежности работы системы теплоснабжения в Западной Сибири на базе комплексного и системного подхода. В работе получены следующие новые результаты:

1. Установлено, что по геокриологическим факторам нефтедобывающий район Среднего Приобья принципиально отличается как от освоенных в строительном отношении районов средней полосы, так и от районов Крайнего Севера.

2. Экспериментально изучен температурный режим сезоннопромер-зающих грунтов на действующих теплотрассах в Среднеобском регионе Западной Сибири.

3. Исследовано влияние различных факторов на величину талой зоны грунта вокруг канала теплопроводов, определено время стабилизации температурного режима грунта, оценено влияние изменения величины коэффициента теплоотдачи внутри канала, а также влияние коэффициентов теплопроводности мерзлого и талого грунтов на температурный режим грунта.

4. На основании обобщения результатов решения серии задач_ методом моделирования и экспериментальных данных получены критериальные уравнения для определения предельной величины талой зоны вокруг канала теплопроводов в сезоннопромерзающем грунте, и в целях максимального облегчения расчетов по предлагаемым формулам составлены обобщенные расчетные номограммы.

5. Предложен метод приближенного расчета температурных полей вокруг канала теплопроводов в виде суммы двух полей - температурного поля, образованного тепловым влиянием самого канала теплопроводов, определенного при нулевой температуре окружающего грунтового массива, и естественного температурного поля грунта, зависящего от сезонных колебаний температуры наружного воздуха.

Практическая ценность и реализация работы состоит в том, что разработанные теоретические и методические основы проектирования системы теплоснабжения использованы при обустройстве нефтегазовых месторождений Западной Сибири.

Автором предложена совместная прокладка коммуникаций при обустройстве нефтегазопромыслов, обоснованная теплотехническими и технико-экономическими расчетами. Данный метод применен во многих проектах, разрабатываемых в Сибирском филиале Гипрогеолстроя, Гипротюмен-

нефтегазе, он получил практическое применение в строительных организациях Среднего Приобья.

На основании полученных научных результатов исследований в области теплового взаимодействия инженерных коммуникаций с сезоннопро-мерзающим грунтом на нефтегазопромыслах разработаны и внедрены два нормативных документа в системе Миннефтегазстроя, две научно-исследовательские работы отмечены второй премией Тюменским областным правлением НТО НГП с вручением дипломов лауреатов конкурса за лучшую творческую работу по освоению нефтяных и газовых месторождений Западной Сибири (с экономическим эффектом в размере 541 тыс. руб. в ценах 1983 г.).

Теоретические и практические результаты исследований используются при чтении лекций и выполнении курсовых работ для студентов ТюмГА-СА и ТюмГНГУ.

На защиту выносятся следующие результаты теоретических и экспериментальных исследований:

1. Математическая постановка задачи теплового взаимодействия прямоугольных каналов теплопроводов с сезоннопромерзающими грунтами.

2. Метод обобщенных переменных и критериальные уравнения для расчета величины талой зоны грунта вокруг канала.

3. Метод расчета температурных полей вокруг прямоугольных каналов в сезоннопромерзающих грунтах.

4. Закономерности изменения теплофизических свойств грунтов Среднеобского района Западной Сибири.

5. Новый метод совмещенной прокладки инженерных коммуникаций в одном коридоре.

Методы и достоверность исследований. Для выполнения исследований автором использовались современные методы математической физики, мерзлотоведения, системный анализ, электро- и гидромоделирования, а также численные методы решения задач теплопроводности, методы обработки теоретических и экспериментальных исследований, анализ результатов и их обобщение по теории подобия. Достоверность теоретических разработок подтверждена сходимостью с результатами натурных исследований в пределах 10%.

Апробация работы. Результаты выполненных исследований и основные положения диссертации доложены автором на международных. Всесоюзных и Всероссийских конференциях; семинарах; научно-технических советах:

- первой научно-технической конференции Гипротюменнефтегаза (г.Тюмень, 1967 г.) ;

- пятом Всесоюзном совещании-семинаре по обмену опытом строительства в условиях сурового климата (г. Тюмень, 1968 г.) ;

- второй научно-технической конференции Гипротюменнефтегаза (г. Тюмень, 1968 г.);

- шестом Всесоюзном совещании-семинаре по обмену опытом строительства в суровых климатических условиях (г. Красноярск, 1970г.);

- третьей научно-технической конференции Гипротюменнефтегаза (г. Тюмень, 1970 г.);

первой научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава Тюменского инженерно-строительного института (г. Тюмень, 1972 г.) ;

- областной научно-технической конференции строителей (г.Тюмень, 1975 г.);

- областной научно-технической конференции "Проблемы освоения нефтегазовых ресурсов Западной Сибири" (г. Тюмень, 1979 г.);

- республиканской межвузовской конференции молодых ученых (г.Тюмень, 1979 г.);

- зональной научно-технической конференции "Нефть и газ Западной Сибири" (г. Тюмень, 1981 г.) ;

- Всесоюзной конференции "Проблемы освоения Западно-Сибирского топливно-промышленного комплекса" ( г. Уфа, 1982 г.);

- Всесоюзной научно-технической конференции (г. Тюмень, 1987 г.);

- областной научно-технической конференции "Нефть и газ Западной Сибири» (г. Тюмень, 1987 г.);

- международной научно-практической конференции «Тюменская нефть вчера и сегодня» (г. Тюмень, 1997 г.) - три доклада;

- ISIAQ Fifth International Conference on Healthy Buildings (Washington DC, USA, 1997 );

- международной научно-практической конференции "Проблемы экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири" (г.Тюмень, 1998 г.) - два доклада;

- Всероссийском научном семинаре с международным участием «Надежность систем энергетики: достижения, проблемы, перспективы» (г.Иркутск, 1998 г.) - два доклада;

- международной научно-практической конференции «Современное строительство» (г.Пенза, 1998г.).

Публикации. По теме диссертации 'опубликовано 50 работ, в том числе:

- четыре монографии ";

- два научно-технических обзора ;

- два нормативных документа, утвержденных Миннефтегазстроем.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Современное централизованное теплоснабжение представляет собой большую энергетическую систему, источниками теплоты которой являются крупные ГРЭС, ТЭЦ и котельные. Выработанная теплота транспортируется и распределяется по тепловым сетям между потребителями. Для теплоснабжения используется примерно одна треть расходуемых страной энергетических ресурсов.

В Российской Федерации под землей в каналах различных конструкций проложено 80% теплопроводов, под землей бесканально - Ю.%, на эстакадах над землей - 10 % (рис. 1,2) [18,27,29, 30,42, 43, 44, 45].

Известно, что подземный способ прокладки теплопроводов в непроходных каналах из готовых сборных железобетонных элементов является одним из распространенных. Однако, данные тепловые сети отличаются недолговечностью и большими капитальными затратами. Кроме того, срок службы каналов превышает в 2 - 3 раза срок эксплуатации проложенных в них теплопроводов. Количество повреждений теплотрассы на 1 км в год (удельная повреждаемость) после 20-25 лет работы теплопроводов по статистическим данным находится в пределах: для трубопроводов большого диаметра (500 мм и выше) - от 0,5 до 1 повреждения на 1 км прокладки двухтрубной сети, среднего диаметра (200 - 400 мм) - 1 - 2 и малого диаметра (150 мм и ниже) - 3 - 5 повреждений в год. По данным ВНИПИ-энергопрома порядка 40 % функционирующих в стране тепловых сетей нуждаются в ремонте, а 15 % вообще находятся в аварийном состоянии. Статистика также показывает, что 15 % отказов теплотрасс имеет место из-за плохого качества строительно-монтажных работ.

Рис. 1. Раздельная прокладка инженерных сетей: а - одиночный трубопровод непосредственно в грунте; б - бесканальные трубопроводы тепловых сетей, покрытые теплоизоляционным слоем; в - тепловые сети в подземных непроходных- каналах; г - наземные каналы тепловых сетей в обваловании; д - теплопроводы .проложенные надземно по сваям-опорам

80 мм; 2,9км

20,0 %

" " / * / 150 мм; 4,9км • / ^ *

—200 мм ; 4,4км

Рис. 2. Сургутские межквартальные теплосети, проложенные под землей

В течение последних десятилетий развитие систем централизованного теплоснабжения в стране не обеспечивалось должным ростом их технического уровня. Используемые сегодня при проектировании тепловых сетей схемные >и конструктивные решения имеют серьезные недостатки. В настоящее время в большинстве случаев тепловые сети изготовляются не в заводских условиях, а на монтажных площадках, либо в полевых условиях (на трассе). Изготовление в заводских условиях теплопроводов, с антикоррозийной, тепло- и гидроизоляционной защитой, обеспечит надежную работу тепловых сетей в тяжелых термовлажностных режимах [1, 6, 8, 9, 11, 18, 27, 29, 30,42]. Следует учесть реально существующую ситуацию аварийности работы теплосетей в течение продолжительного периода. Вследствие этого надо внедрять новые методы контроля их работы.

Действующие тепловые сети не удовлетворяют современным требованиям надежности и долговечности ни по качеству строительных конструкций теплопроводов, ни по теплофизическим показателям, т.е. не обеспечивают нормативных значений потерь теплоты. На практике часто встречаются случаи непозволительно высоких потерь теплоты, увеличенных по сравнению с нормативными в 2 - 4 раза. Общие, превышающие нормативные, потери теплоты составляют в настоящее время при пересчете на перерасход условного топлива 20 - 25 млн. т в год (рис. 3, 4) [ 42, 43,44,45,46, 47,49].

Сложившаяся ситуация имеет место, главным образом, из-за того, что поверхностные и грунтовые воды проникают в каналы вследствие большой водопроницаемости железобетонных элементов последних, а также некачественной заделки стыков этих сборных элементов. Вода, попавшая в канал, постепенно увлажняет тепловую изоляцию, которая, не имея надежной гидроизоляции, со временем разрушается, теряя свои

Потери в основных п

подводящих открь[;ыеоРкна магистралях со/ 10% ь/о

Потери на ТЭЦ 10%

Потери от утечек 15%

Потери з распределительных

магистралях N. 15 %

I гатери во

Полезное тепло 40%

внутреннем водопроводе 5%

Рис. 3. Тепловой баланс центрального отопления

180

20 32 50 80 125 200 300 400 500 600 700 800 1000 1200

Номинальный диаметр, мм

Рис. 4. Потеря тепла в системе трубопроводов теплосетей на метр трубы при температуре 100°С

теплоизоляционные свойства, и инициирует одн