автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Методы и средства повышения эффективности транспорта тепловой энергии

На правах рукописи

РОДИЧЕВ Леонид Васильевич

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТРАНСПОРТА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург - 2006

Работа выполнена на кафедре промышленной теплоэнергетики в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Официальные оппоненты:

Доктор техн. наук, профессор Сапожников Сергей Захарович

Доктор техн. наук, профессор, академик архитектуры Чистович Сергей Андреевич

Доктор техн. наук, профессор Аракелян Эдик Койрунович

Ведущая организация — ОАО «Северо-Западный энергетический инжиниринговый центр»

Защита диссертации состоится 10 октября 2006 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.229.04 в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29 в аудитории 411 ПГК

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Автореферат разослан « 8 » сентября 2006 г.

Ученый секретарь * / диссертационного совета Му^ей?/,- К.А. Григорьев канд.техн. наук, доцент ,,__^уК^^гУ '

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время более двух третей общего теплопотребления в городах и населенных пунктах покрывается системами теплофикации от городских и промышленных крупных ТЭЦ и системами централизованного теплоснабжения от котельных с единичной мощностью свыше 20 Гкал/ч.

Концепция политики РАО «ЕЭС России» в области теплофикации и централизованного теплоснабжения предусматривает сохранение доминирующей роли в обеспечении теплом городов и промышленных комплексов. Вместе с тем, с учетом изменения структуры собственности как в производственной, так и жилищно-коммунальной сфере, доля децентрализованного теплоснабжения неизбежно возрастет. Особенно это касается городов и населенных пунктов с малой плотностью застройки, а также теплоэлектроснабжения зданий и предприятий мелкого и среднего бизнеса, коттеджной застройки, промышленных цехов, использующих для отопления газовое топливо.

Сохранение доминирующей роли теплофикации и централизованного теплоснабжения в обеспечении тепловой энергией городов и промышленных комплексов обусловлено рядом факторов.

В городах России созданы уникальные по своим размерам системы централизованного теплоснабжения, охватывающие всю городскую инженерную инфраструктуру и послужившие аналогом для создания систем теплофикации и централизованного теплоснабжения во многих развитых странах мира.

Комбинированное производство тепловой и электрической энергии на городских ТЭЦ позволяет значительно более экономично использовать органическое топливо по сравнению с их раздельным производством.

На крупных теплоэнергетических установках (ТЭЦ, котельные) возможно организовать экологически чистое сжигание низкосортных местных видов топлива (например бурый уголь, торф, твердые бытовые отходы, древесные отходы и др.), что практически неосуществимо в мелких установках.

Удаление мощных источников генерации энергии, работающих на органическом топливе, от центров тепловой нагрузки значительно улучшает состояние воздушной среды в городах.

Участившиеся в последнее время аварии в системах централизованного теплоснабжения городов предельно обнажили недостатки инженерной инфраструктуры и показали, насколько велика ее роль в обеспечении условий нормальной жизнедеятельности населения, выд-

винули проблему развития и реконструкции систем теплоснабжения в разряд стратегических государственных задач

Недостаточное в течение многих лет выделение финансовых средств на устранение физического гпноса основных фондов рассматриваемых систем, отсутствие государственной целенаправленной политики в этой области неизбежно приводят к ускорешпо деградации систем теплофикации и теплоснабжения, снижению их эффективности.

Наиболее уязвимым звеном в системе централизованного теплоснабжения являются тепловые сети, общая протяженность которых в России составляет более 200 тыс. км (в пересчете на двухтрубную прокладку). Неудовлетворительное состояние тепловых сетей приводит не только к высоким потерям при транспортировке теплоносителя, но и к их частым повреждениям. Оценка физического состояния тепловых сетей, выполненная различными экспертами, показала, что 40 - 50 % теплопроводов уже выработали свой амортизационный ресурс Поэтому большая часть аварий в системах теплоснабжения связана именно с их повреж-деиием.

Высокая степень физического и морального износа источников тепловой энергии, до 50 - 70 %, также резко снижает эффективность теплоснабжения.

На многих теплоэлектроцентралях из- ia физического износа уже демонтирована часть паровых турбин, в ре {ультате чего резко снижается экономия, заложенная в принцип комбинированной выработки тепловой и электрической энергии. Эффективность работы многих ТЭЦ в последнее десятилетие сни шлась из-за уменьшения подключенной тепловой нагрузки, вызванной, с одной стороны, спадом промышленного производства, а с другой — тем, что многие потребители построили собственные автономные теплоисточники.

Целыо диссертационной работы является разработка технических предложений и мероприятий но повышению надежности и эффективности теплопроводов от источника до потребителя и улучшению их гидравлических режимов в том числе:

разработка методики выявления дефектов теплопроводов различного класса с помощью современных способов дефектоскопии (разрушающих и неразрушающих),

разработка методики прогнозирования работоспособности и диагностики технического состояния сварных стыков теплопроводов;

разработка ультразвукового и зеркально-теневого методов контроля трубопроводов с использованием изгибных волн ЛЭМБА,

повышение эффективности гидравлических режимов теплосети за счет резервных связей;

разработка технических предложений по использованию защиты от электрохимической коррозии;

оценка возможности поэтапного перехода от открытой к закрытой системе теплоснабжения;

повышение эффективности управления отпуском тепловой энергии в условиях рынка.

Научная новизна работы:

на основе разработанной методики оценки состояния теплопроводов разработаны и усовершенствованы способы выявления дефектов на трубопроводах тепловых сетей;

предложена и о пробирована методика прогнозирования работоспособности и технического состояния сварных стыков теплопроводов;

на базе использования изгибных волн ЛЭМБА предложено использование ультразвукового и зеркально-теневого методов контроля состояния теплопроводов;

на основе выполненных расчетов гидравлических режимов теплосети даны рекомендации по развитию схем теплоснабжения районов Санкт-Петербурга;

разработаны и внедрены технические предложения по использованию электрохимической защиты трубопроводов тепловых сетей;

дано обоснование возможности поэтапного перехода от открытой к закрытой системе теплоснабжения;

на основе разработанной АСУ ТП даны рекомендации по совершенствованию управления отпуска тепловой энергии в рыночных условиях.

Личный вклад автора:

предложена и внедрена комплексная система диагностики на основе современных методов контроля трубопроводов тепловых сетей с использованием современной информационно-измерительной техники;

разработаны и внедрены в производство рекомендации по улучшению гидравлического и температурного режимов тепловых сетей, оптимизации температурных графиков отпуска тепловой энергии;

разработаны предложения по поэтапному переходу от открытой к закрытой системе теплоснабжения;

разработана структура АСУ ТП систем отпуска тепловой энергии.

Практическая значимость работы:

реализован и внедрен в производство комплекс мероприятий по выявлению дефектов теплопроводов на базе современных методов контроля и диагностики их состояния;

предложены и внедрены в производство методы защиты от электрохимической коррозии;

даны практические рекомендации по улучшению гидравлических режимов тепловых сетей, разработана схема управления отпуском тепловой энергии

Объектом исследований является система теплопроводов Санкт-Петербурга с системами их прокладки и защиты от внутренней и внешней коррозии, а также их гидравлическими и тепловыми режимами.

На защиту выносятся:

разработка и создание комплексной методики оценки состояния и работоспособности теплопроводов на основе современных методов контроля к диагностики;

разработка мероприятий по повышению эффективности гидравлических и температурных режимов тепловых сетей.

со-щанис систем электрохимической защиты металла теплопроводов;

технические предложения по постепенному переходу от открытой к закрытой системе теплоснабжения для систем отопления Санкт-Петербурга;

разработка и создание системы АСУ ТП по отпуску тепловой

энерпш.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на выставке-конференции инновационных проектов я разработок "Наука - технологии - производство -рынок" (2000 г., ЦНТИ, г. Смоленск); на VII, IX и X международных научно-технических конференциях "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (2001, 2003, 2004 гг., МЭИ, Москва); межвузовской научно-технической конференции, посвященной XXXII Неделе науки СПбГПУ; научно-технических конференциях: "Информационные технологии, ресурсосбережение, энергетика и экономика" (2003 г., СФ МЭИ, г. Смоленск), "Проблемы развития централизованного теплоснабжения" (2004 г., Са-мараэнерго , г Самара), "Экономика, экология и общество России в 21 -м столетии" (2004 г, МВШУ, Санкт-Петербург), а также научных семинарах

кафедр "Промышленная теплоэнергетика" Смоленского филиала МЭИ и Санкт-Петербургского политехнического университета. Результаты работы докладывались 12 мая 2004 г. на заседании Научного совета по проблемам теплоэнергетики и энергомашиностроения Российской академии наук.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 12 научных работах, в том числе в двух монографиях, а также статьях, опубликованных в ведущих научных журналах; сборниках материалов научных конференций. По теме диссертации получено 3 патента.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, б глав, заключения, списка литературы из 130 наименований, 7 приложений, изложена на 339 страницах машинописного текста, включает 35 таблиц и 103 иллюстрации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность решаемой в диссертации проблемы, сформулированы цель и связанные с ее реализацией научные и технические задачи. Определены новизна и практическая значимость работы. Приведены сведения о практической реализации результатов.

В первой главе, посвященной анализу исторического развития теплофикации Санкт-Петербурга и современному состоянию проблемы, дана краткая историческая справка состояния теплофикации до 1917 года. Отмечается вклад петербургских ученых в развитие теплофикации: В.В. Дмитриева и А.К. Павловского, Л.Л. Гинтера, Е.Ф. Бродского, М.В.Кир-пичева, И.С. Ланина и ряда других. После образования СССР были пе-реведенны в режим теплофикации ТЭЦ-1, ТЭЦ-2, ТЭЦ-3. В предвоенные годы была построена ТЭЦ-5 «Уткина заводь». Особенно бурного развития достигла теплофикация СПб в послевоенные годы, когда были сооружены ТЭЦ-14, ТЭЦ-15, ТЭЦ-17, Северная и Южная ТЭЦ. Выработка электроэнергии на тепловом потреблении достигла 40% от общей энерговыработки. Протяженность тепловых сетей, подключенных к ТЭЦ, составила 1,5 тыс. километров, а тепловая нагрузка потребителей — порядка 10200 Гкал/ч. Была проведена большая работа по вводу в эксплуатацию насосно-перекачивающих станций, центральных тепловых пунктов и ряда других объектов.

В этой главе дается характеристика закрытых и открытых систем теплоснабжения.

Основные преимущества закрытой системы теплоснабжения: гидравлическая изолированность водопроводной воды, поступающей в установки горячего водоснабжения, от воды, циркулирующей в тепловой сети, благодаря чему обеспечивается стабильное качество горячей воды;

простота санитарного контроля системы ГВС, благодаря короткому пути прохождения водопроводной воды от ввода в -здание до водоразборного крана;

простота контроля герметичности такой системы, так как он производится по расходу на подпитку;

оборудование системы подпитки тепловой сети значительно дешевле в связи с малым расходом подпиточной воды.

К недостаткам закрытых систем теплоснабжения относятся: сложность и повышенная стоимость оборудования ИТП и ЦТП. обусловленные необходимостью установки водо-водяных теплообменников;

выпадение накипи в водо-водяных подогревателях и трубопроводах местных установок ГВС из-за отсутствия чимводоочистки водопроводной воды (при использовании воды, имеющей карбонатную жесткость Ж8 более 7 мг-экв/л);

коррозия оборудования ГВС из-за поступления в них недеаэ-рированной водопроводной воды, насыщенной агрессивными газами Основные преимущества открытых систем теплоснабжения: возможность утилизации низкопотенциальной теплоты электростанций и промышленных предприятий в системах ГВС;

упрощение и удешевление абонентских вводов вследствие простоты оборудования, используемого для приготовления горячей воды в зданиях;

более длительный срок службы местных установок горячего водоснабжения по сравнению с закрытыми системами;

возможность использования для транзитного транспорта теплоты однотрубной системы.

Недостатки открытых систем:

усложнение и удорожание системы станционной водоподготовки; нестабильность (по запаху, цветности и другим качествам) воды, поступающей в водоразбор при зависимой схеме присоединения отопительных установок к тепловой сети и высокой окисляемости водопроводной воды, что может быть устранено практически только при 100 %-ном присоединении отопительных установок по независимой схеме.

усложнение контроля герметичности тепловых сетей в связи с тем, что в открытых системах теплоснабжения расход подпитки не характеризует плотность системы;

усложнение и увеличение объема санитарного контроля системы теплоснабжения;

усложнение эксплуатации системы теплоснабжения из-за нестабильности гидравлического режима, связанного переменным расходом воды в обратной линии.

Внедрение метода непосредственного разбора сетевой воды для горячего водоснабжения присоединенных потребителей потребовало решения ряда задач:

обеспечение требуемого качества воды в тепловых сетях; обеспечение требований Санитарных правил по поддержанию температуры воды в системах горячего водоснабжения на уровне 60 — 75°С;

поддержание гидравлического режима в тепловой сети и на тепловых пунктах, обеспечивающего постоянный залив всех присоединенных к теплосети систем потребителей при любом режиме работы систем горячего водоснабжения.

В главе приводятся характеристики теплопроводов и способы их прокладки в составе рабочего трубопровода, а также конструкции изоляции.

К наиболее современным изолирующим материалам относятся: полиуритан и производная на его основе - полимербетон и бион. Выбор теплоизоляционной конструкции и ее размеров зависит от типа теплопровода и располагаемых исходных материалов. При использовании современных теплоизолирующих материалов можно получить экономию около 9 млн. т усл. топлива в год под снижение потерь в окружающую среду. Даются характеристики несущих конструкций, опор, подвесок при сооружениях теплопроводов для канальной и бесканальной прокладки теплопроводов.

Для расчета времени, в течение которого температура внутри отапливаемого помещения может понизиться до нормируемого минимального уровня, являющегося одним из показателей надежности теплоснабжения на уровне потребителя здания, можно использовать зависимости:

где °С - внутренняя температура, которая установится в помещении через время г (ч) после нарушения нормального теплового режима; , °С — внутренняя температура, которая была в помещении в момент нарушения нормального теплового режима; гн, °С - средняя температура наружного воздуха за период нарушения теплового режима, т.е. та время г (ч); Оо, Дж/ч - подача теплоты в помещение; Дж/(ч-°С) - удельные расчетные тсплопотери здания; е = 2,72 - основание натурального логарифма; р, ч -коэффициент аккумуляции здания.

I. Под надежностью тепловых сетей понимается их способность обеспечивать потребителей требуемым количеством теплоносителя при заданном его качестве, оставаясь в течение заданного срока (25 - 30 лет) в работоспособном состоянии. Для характеристики безотказности можно использавать выражение для изменения потока отказов во времени

где г, год - срок действия теплопровода, отсчитанный от года ввода в работу;

год - наработка на первый отказ; (к, год — число лет после первого отказа, за которые поток отказов достигнет значения X - I - 1/е = 0.63 1/(км год).

Параметры / и ¡к характеризуют надежность данной конструкции теплопровода при заданных условиях сш сооружения С увеличением /ц и снижается значение X и замедляется темп роста потока отказов. Если по статистическим эксплуатационным данным известны значения и "к за произвольно выбранный год и то параметр может быть найден расчетным путем по формуле

I - ,,,

4 1п[1 /(1-А.)Г

Преимущество предлагаемого решения заключается в возможности получения общей закономерности динамики отказов конкретных конструкций теплопроводов на основе статистической обработки эксплуатационных материалов или экспериментальных данных, полученных экспресс-методом путем искусственного форсирования коррозионного процесса.

В качестве показателя безотказности может быть также исполь-ювана вероятность безотказной работы, как величина, однозначно связанная с параметром потока отказа. 10

2. Долговечность - свойство сохранять работоспособность до наступления предельного состояния, когда дальнейшее их использование недопустимо и экономически нецелесообразно.

Математическое описание этого условия имеет следующий вид

(Ек+/Ж<Ху, (4)

где кк, руб/км — удельные начальные затраты на сооружение нового теплопровода; Еа — нормативный коэффициент отчислений, принимаемый равным 0,12 1/год; / — доля ежегодных отчислений на амортизацию, текущий ремонт и общесетевые расходы, равная 0,075 1/год; у, руб/отказ -затраты на ликвидацию одного отказа с учетом расхода на компенсацию ущерба от нарушения теплоснабжения.

На основе зависимости (4) может быть найдено значение предельного потока отказов А, 1/(км-год), при котором экономически целесообразно сооружение нового теплопровода

• (5)

3. Ремонтопригодность — способность к поддержанию работоспособного состояния участков тепловых сетей путем обеспечения их ремонта.

В качестве основного параметра, характеризующего ремонтопригодность теплопровода, можно принять время необходимое для ликвидации повреждения. Этот параметр зависит: от конструкции теплопровода, типа укладки (надземный или подземный), диаметра трубопровода, расстояния между секционирующими задвижками, оснащения теплоснабжающего предприятия машинами, механизмами и транспортом для выполнения аварийно-восстановительных работ. Как правило, параметр гр должен определяться экспертным путем для каждого конкретного теплоснабжающего предприятия с учетом местных условий.

Для предварительного вычисления параметра гр (ч) может быть принята предложенная автором зависимость

2р = а [1 + (6 + с/) «Г-2] , (6)

где /, м — расстояние между секционирующими задвижками; с/, м — диаметр трубопровода; а, Ь, с — постоянные коэффициенты, зависящие от способа укладки теплопровода (подземный, надземный) и его конструкции, а также от уровня механизации ремонтных работ.

4. Сохраняемость - способность сохранять безотказность, долговечность и ремонтопригодность в течение всего срока эксплуатации.

Надежность тепловых сетей рекомендуется исследовать раздельно для распределительных и магистральных трубопроводов. Необходимо структурировать весь комплекс с выделением двух уровней:

системы транспорта теплоты по магистральным тепловым сетям от источника до промышленных предприятий, жилых микрорайонов и административно-общественных центров;

распределительные тепловые сети, передающие теплоноситель от магистральных тепловых сетей до потребителей теплоты, т.е. до ИТП отапливаемых зданий.

Для систематизации и изучения показателей, характеризующих надежность тепловых сетей в каждом конкретном предприятии, целесообразно создавать банк данных по повреждаемости тепловых сетей и установить соответствующие количественные показатели, базирующиеся на статистических данных Можно предложить два таких показателя: относительная повреждаемость тепловой сети

(7)

ЕМл ' к '

где М , м: - материальная характеристика участков тепловой сети, выключенных из работы при аварш! или отказе, ч - время вынужденного выключения участков сети, вызванное аварией или отказом и его устранением; Ми - произведение материальной характеристики тепловой сети данной системы теплоснабжения на плановую длительность ее работы за заданный период времени (обычно за год);

относительный аварийный недоотпуск тепловой энергии

ц = (8)

где - аварийный недоотпуск теплоты за год; Т.О - расчетный отпуск теплоты за год.

По динамике изменения приведенных показателей во времени (например, из года в год) можно судить о прогрессе или деградации надежности систем централи юванного теплоснабжения.

Установлено, что основной причиной появления дефектов в тепловых сетях является коррозионное старение теплопроводов (внутренняя и наружная коррозия), поэтому задачи исследований были сформулированы следующим образом.

анализ причин, вызывающих старение трубных коммуникаций и теплотехнического оборудования теплопроводов.

разработка эффективного метода защиты теплопроводов от наружной коррозии;

разработка комбинированного способа тепловой и антикоррозионной защиты для теплопроводов, оборудования и арматуры;

разработка методики математической оптимизации конструктивных и теплофизических параметров комбинированной системы защиты теплопроводов; .

определение оптимальных конструктивных и теплофизических параметров комбинированной системы защиты теплопроводов;

внедрение результатов разработок в практику эксплуатации теплопроводов.

Глава 2 посвящена проблемам диагностики и оценки состояния системы теплоснабжения и ее основных узлов (элементов). Статистический анализ, проведенный Го сгортсхнадзором РФ, показывает, что технические причины, вызывающие аварии трубопроводов, делятся на ряд категорий: повреждения, возникающие в результате случайных внешних воздействий — 33 %; ошибки, допущенные при проектировании и монтаже трубопроводов - 24 %; брак, заложенный в заводских условиях производства труб - 17 %; наружная коррозия трубопроводов - 20 %; нарушение регламента эксплуатации - 6 %.

Более половины аварий на трубопроводах связаны с накоплением повреждений в металле и сварных швах. Эти повреждения с течением времени становятся причиной отказа в работе трубопроводов. В этом случае суть отказа в работе трубопровода заключается в разрушении целостности ТС, сопровождающемся возникновением утечек теплоносителя из трубопровода наружу. Интенсивность утечек зависит от размеров очага разгерметизации трубопровода и может достигать значительных масштабов.

На основе анализа современных методов дефектоскопии (разрушающих и неразрушающих) выполняется оценка степени опасности повреждений. Для определения уровня напряжений условие динамического равновесия материала нагруженной как с внутренней, так и с внешней стороны трубы, выраженное в напряжениях, может быть представлено следующей системой дифференциальных уравнений:

дол/дхк~ 0, /, к =1,2,3;

(9)

аиа>А1в« +

(10)

(11)

где ал — компоненты тензора напряжений, хк- координаты рассматриваемой точки тела в некоторой системе координат; пк - компоненты единичного вектора, направленного по внешней нормали поверхности тела; р1 -компоненты внешней силы, действующей на единицу поверхности тела; С/0 - внутренняя энергия взаимного сцепления микрочастиц тела; ¿А^ -поток энергии в точках, совпадающих с берегами трещин, который возникает за счет перемещения краев последних благодаря действию концентраций напряжений; <10"- внешний поток энергии.

Анализ системы уравнений (9), (10) применительно к трубе осуществляется в системе цилиндрических координат л:(= г; х,= ф; х3 = 2 (г имеет направление, совпадающее с осью трубы), тогда ее решение имеет вид:

а„= (г,=Р1( 1 - Дг2) - ф2{ 1 - Аг,))/Дг]2; (12)

% = (г'р.О + Лг2) - + А^,))/Аг|2; (13)

ств= - г2-р2)(Х/(Х + Ц))/Дг12, (14)

где р, и р, - соответственно внутреннее и внешнее давления, действующие на стенки трубы; г1 и г, - внутренний и внешний радиусы трубы; Дг,,— = (гу - г,2); Д/-( = г2/ г2, Дг2= г2! п; X и ц - коэффициенты Ламе.

Уравнения (12) — (14) позволяют определить величину напряжения в любой точке материала стенки, но без учета концентрации местных напряжений, которые, как правило, возникают при наличии резких изменений формы поверхности тела.

Если в рассматриваемой зоне тела присутствует концентрация напряжений из-за резких изменений формы поверхности тела, распределение напряжений описывается при помощи гармонического уравнения для функции Эри в полярных координатах (.*,= р, х2= ср, хг~ г, при этом ось 2 имеет направление наибольшего линейного размера трещины):

(дг/др2+ (д/др) /р + (дУ <Э<р2)) /р2) (д2и/др2+ (ди/др) /р + д2и/д(р2)/р2) = 0;

(15)

ар= [(ди/др) /р + (д2и/дср;) /р2]; стф- д2и! ¿>(р2;

где £/(р,ф) — общий интеграл этого уравнения; стр, стф .о^ - компоненты тензора напряжений, выражающие через функцию Эри в полярных координатах.

Статистические данные об авариях в тепловых сетях показывают, что несквозные трещины, как правило, приводящие к разрушению стенок труб, имеют сложную криволинейную конфигурацию. По этой причине вдоль протяженности таких повреждений угол а меняет свою величину в широких пределах. Это означает, что в соответствии с уравнением (15) в различных участках повреждения значение а будет различным. Наибольшее значение а 1р™х соответствует величинам угла а = 0, и, а наименьшее значение — а = л/2, Зл/2. Таким образом наибольшую опасность, с точки зрения возможности разрушения стенок труб в результате дальнейшего развития трещины вследствие внешнего силового воздействия, представляют участки трещин (в зависимости от глубины Л и ширины ти), имеющие направление вдоль образующих труб.

Результаты расчета напряженного состояния стенок трубы в зоне указанных повреждений (с учетом действия гидравлического удара) приведены в табл. 1.

Большое значение имеет система неразрушающего контроля, предназначенная для оценки интенсивности коррозии в тепловых сетях и повышения их надежности. Важным мероприятием является создание системы мониторинга и диагностики теплопроводов с последующим формированием системы их капитального ремонта, то есть перехода на системы автоматизированного управления состоянием трубопроводов и технического оборудования. В обобщенном виде комплекс исследований иллюстрирует блок-схема, представленная на рисунке.

Система контроля коррозионной стойкости теплоизолированных труб включает:

1) теоретический анализ ультразвукового метода контроля с целью учета физических особенностей и определения способа получения измерительной информации с достаточным уровнем достоверности. Анализ необходим, поскольку аналитическое описание параметров возбужденных колебаний со средой не является детерминированными функциями и коррозионное поражение поверхности не имеет прямой количественной оценки;

2) оценку метрологических характеристик системы контроля, обеспечивающих ее достоверность. Под системой контроля в данном случае понимается совокупность аппаратных средств и самого объекта, поскольку информативные свойства системы в значительной мере определяются локальными свойствами тракта прохождения сигнала;

Таблица 1

Сведения о параметрах повреждений на наружной поверхности теплопровода, механических характеристиках стали трубы в результатах расчета напряженного состояния стенок трубы в зоне локальных повреждений

Повреждение Параметры повреждений •р" Я« Механические характеристики материала (стали) труб Соотношение нормативных параметров стали с данными, характеризующими напряженное состояние стенок трубы в зоне локальных повреждений

и . мм т, мм К мм а За а • О« Г! «г

1 450 22 3 0 2,01 2,06 2,35 4,02 а9тах<[ст] - материал трубы работает в зоне упругих деформаций, опасности нет

2' 30 1,5 2 62 2,45 2,06 2,35 4,02 афшах>ат- материал трубы работает в зоне пластических деформаций

2" 50 1,5 2 0 4,02 2,06 2,35 4,02 офт,к>спр - напряжение в материале стенки трубы превышает предел прочности

2" 40 1,5 2 21 3,78 2,06 2,35 4,02 о,,тах>аг— материал трубы работает в зоне пластических деформаций

Блок-схема системы контроля коррозионной стойкости теплоизолированных труб

3) экспериментальную оценку информативности и достоверности метода контроля. Цель исследований — фактологическая оценка выбранных информативных параметров, получение конкретных данных для разработки методики контроля и конструирования задающих и приемных элементов;

4) методологическую и схемотехническую проработку способа получения измерительной информации.

Методы ультразвукового контроля, а также других методов (акустический метод Лэмба и др.) позволяют своевременно выявить дефекты в теплопроводах.

Разработанная методика контроля коррозионного состояния труб включает:

выбор схемы контроля: метода ультразвукового контроля, типа волн; поверхности, через которую вводят ультразвуковые волны, угла ввода;

подготовку изделия к контролю: выработку требований к качеству поверхности, разделение крупногабаритных изделий на участки для последовательного контроля;

составление рекомендаций по подготовке аппаратуры: проверку, выбор и настройку частоты, чувствительности;

разработку правил поиска коррозийных участков: выбор пути контроля, шага и скорости сканирования (коммутации);

оценку результатов контроля: определение местоположения коррозийных участков, измерение площади, оценка изменения площади во времени.

Измерение толщины стенки трубы с исполь даванием пьезометрических излучателей и др. приборов имеет большое значение для составления графиков превентивной замены участков теплопроводов.

К указанным методам добавляются различные способы определения течи в местах повреждений (течеискания), акустический метод, тепловизионная съемка и ряд других.

В главе дается также прогноз работоспособности сварных соединений трубопроводов методом акустической эмиссии.

Для дальнейшего развития централизованного теплоснабжения большое значение имеет анализ влияния на надежность работы элементов тепловых сетей инженерно-геологических условий прокладки теплопроводов. В этих условиях необходимо оценивать эффективность теплоизоляции трубопроводов, исследовать зависимости величины тепловых потерь от глубины прокладки теплопроводов и диаметра труб, определять влияние расстояния между трубами в случае бесканальной прокладки, различие в тепловых потерях при бесканальной и канальной

прокладках трубопроводов и ряд других факторов. Важно установить зависимость величины тепловых потерь от срока эксплуатации, эффективной теплопроводности грунта, коэффициента теплообмена с атмосферой, температуры теплоносителя и др.

Глава 3 посвящена оценке работоспособности современных схем транспорта тепловой энергии. В главе дается подробный анализ работы систем теплоснабжения, оценка методов и графиков регулирования и основных параметров работы тепловых сетей. В зависимости от объекта, вида потребителей тепловой энергии различают центральное, групповое, местное и индивидуальное регулирование. Для обеспечения высокой экономичности теплоснабжения следует применять комбинированное регулирование, которое является рациональным сочетанием центрального, группового, местного и индивидуального регулирования. Эффективное регулирование может быть достигнуто только с помощью автоматических систем регулирования (САР). Центральное регулирование ведется по тепловой нагрузка, характерной для данного района. Такой нагрузкой может быть отопление и горячее водоснабжение. Несмотря на все многообразие систем регулирования количество теплоты, переданное потребителю, определяется уравнениями теплового баланса и теплопередачи

д-ЮАт^^-г^п, (16)

где <2 - количество теплоты, отданное за время и; кК - произведение коэффициента теплопередачи нагревательных приборов на их поверхность нагрева; к - коэффициент теплопередачи нагревательных приборов; Е — поверхность нагрева нагревательных приборов; Д? - средняя разность температур между греющей и нагреваемой средой; IV— эквивалент расхода первичной (греющей) среды; т,, т2 - температуры первичной (греющей) среды на входе в нагревательный прибор и на выходе из него.

Средняя разность температур может быть представлена в первом приближении как разность между среднеарифметическими температурами греющей и нагреваемой среды

2 2 2 е1"- у >

где - средняя температура нагреваемой среды; (2 - температуры вторичной (нагреваемой) среды на входе в нагревательный прибор и на выходе из него.

Из уравнений (16) - (17) следует

т„ = т.

О

«К'

(1В)

Из совместного решения находится.

_ к "О"

(19)

1 0,5 "

+ —

kF Wn

Далее в главе дастся характеристика центрального регулирования при различных видах нагрузки при количественном и качественном регулировании, а также приводятся способы построения графиков температур и расхода сетевой воды на отопление и горячее водоснабжение.

Дается сравнительная оценка количественного и качественного регулирования отпуска тепловой энергии. Рассмотренный расчет гидравлических сопротивлений и режимов работы систем теплоснабжения базируется на программном комплексе «Zulu 5.2» фирмы «Политерм» (Санкт-Петербург). На базе поверочных расчетов теплосети по указанной программе с использованием закона Кирхгофа выполнен расчет потока распределения в трубопроводной сети

Рассмотрен график регулирования отпуска тепловой энергии от ТЭЦ АО «Ленэнерго» за отопительный сезон 2002 - 2003 гг. Проанализированы причины износа систем теплоснабжения, состояние и их аварийность. Даны рекомендации по повышению надежности систем теплопроводов в процессе их эксплуатации:

проведение обследования состояния и условий работы сетевых трубопроводов для шинирования работ по повышению надежности на ближайшую ремонтную кампанию и разработки долгосрочных мероприятий;

внедрение комплекса современных инструментальных обследований состояния тепловых сетей: тепловизионная аэросъемка, пирометрические обследования, метод электронно-акустической эмиссии, измерения электрических потенциалов, применение акустических и ультразвуковых течеискатслей;

проведение в полном объеме температурных и гидравлических испытаний сетевых трубопроводов перед началом ремонтной кампании;

оснащение участков тепловых сетей, наиболее подверженных электроэрозии вследствие высокой активности воздействия блуждающих токов, установками катодной зашиты;

повышение надежности запорной арматуры, в том числе замена ее на поворотные шаровые краны;

разработка мер по консервации оборудования тепловых сетей при простое в межотопительный период;

применение при замене трубопроводов пенополиуретановой теплоизоляции.

Долгосрочные мероприятия должны предусматривать: разработку концепции развития тепловых сетей Санкт-Петербурга в соответствии с Генеральным планом развития города для гарантированного обеспечения теплоснабжения потребителей при отключении отдельных участков для проведения ремонтно-восстановительных работ, а также с учетом предстоящей реструктуризации холдинга и изменения структуры выработки тепловой и электрической энергии;

разработку перспективного плана модернизации тепловых сетей в части полного перехода на канальную подземную и надземную прокладку сетевых трубопроводов, применения теплоизоляционных и гидроизолирующих материалов, адекватных условиям эксплуатации, а также надежной отключающей арматуры и устройств температурной компенсации трубопроводов;

реконструкцию существующих и строительство новых насосно-перскачивающих станций, в том числе внедрение систем частотно-регулируемого привода.

В главе 4 изложены методы и средства повышения надежности систем теплоснабжения: защита от электрохимической коррозии, оптимизация конструктивных н технологических параметров антикоррозионной изоляции, диагностика эффективности экранирования антикоррозионного покрытия от действия окружающей среды. Рассматривается также проблема повышения эффективности конструкций теплопроводов. Приведена аналитическая оценка современных конструкций тепловых сетей, включающая особенности канальной и бесканальной прокладки. Предпочтение отдается канальной прокладке теплопроводов с использованием высокоэффективных теплоизоляционных материалов с учетом воздушной прослойки. Даются примеры распределения температуры по толщине изоляции, определяемой при помощи уравнения теплового потока.

Определена эффективность применения оптических экранов для снижения тепловых потерь от теплопровода. На базе численного анализа процессов теплопередачи через тепловую защиту находится предельная величина тепловой изоляции для различного диаметра труб Дана оценка интенсивности теплопереноса через комбинированное теплозащитное покрытие (табл. 2).

В главе 5 дается анализ развития сетей теплоснабжения одного из районов Санкт-Петербурга. В зависимости от территориального расположения различных тепловых потребителей дается краткая характеристика суммарной подключенной тепловой нагрузки для основных магистралей с учетом коэффициента устойчивости. Предлагаются мероприятия по обеспечению тепловых нагру зок до 2015 года (табл. 3). Большое значение придается подключению вновь строящихся жилых зданий и других объектов к действующим тепловым сетям с учетом реконструкции. Весь этот план увязывается со строительством и вводом в действие новых энергоисточников (ТЭЦ-5 и др) (настоящие наименования источников энергии и тепловых сетей изменены).

Таблица 2

Интенсивность теплопереноса через комбинированное теплозащитное покрытие (число экранов /V 3)

Ьт, Ч Fu2 5/2 1Ьг Л, Ип ад

0,000 483,7 483,7 0,1 0,0 42,8 440,7 30,9

0,002 450,9 437,7 13,2 0,0 39,8 411,0 28,9

0,004 424,1 400,7 23,4 0,0 37,4 386,7 27 ~>

0,006 401,8 370,1 31,6 0,0 35,4 366,3 25,8

0,008 382,8 344,4 38,4 0.0 33,7 349,1 24,6

0,010 366,5 322,4 44,1 0,0 32,3 334,2 23,6

0,012 366,9 283,5 46,2 37,1 32,3 334,5 23,6

0,014 370,9 251,6 47,6 71,6 32,7 338,2 23,8

0,016 375,4 227,4 49,0 99,1 33,1 342,3 24,0

0,018 380,4 208,3 50,2 121,8 33,5 346,8 24,3

0,020 385,7 192,9 51,5 141,3 34,0 351,7 24,6

0,022 391,5 180,3 52,7 158,5 34,5 357.0 24,9

0,024 397,6 169,7 53,8 174,0 35,1 362,6 253

0,026 404,1 160,8 55,0 188 Л 35,6 368,5 25,6

0,028 410,9 153,2 56,2 201,6 36,2 374,7 26,0

Таблица 3

Перечень мероприятий по развитию схемы теплоснабжения для обеспечения прироста тепловых нагрузок на перспективу

до 2015 г.

№ п/п Название т/сетей Длина, п.м Диаметр, мм Цель строительства

1 Строительство Резервной т/м: 1.1. от Южной т/м до Транзитной р/с 1.2. от Транзитной р/с до р/с кварт. 7 1.3. от р/с кварт. 7 до р/с кварт. 17-18-19 1.4. от р/с Кварт. 17-1819 до р/с Шоссейная 1825 1050 2000 1065 800 800 600 500 1. Перевод на новую магистраль зон снабжения р/с Транзитная, кварт. 7, кварт. 17-18-19, что обеспечивает возможность прироста тепловых нагрузок в зоне Южной т/м за НПС

2 Строительство участков, соединяющих Резервную т/м с существующими р/сетями: 2.1. по р/с Транзитная 2.2. по р/с кварт. 7 2.3. по р/с кварт. 17-1819 2.4. по р/с Шоссейная 160 125 275 500 500 600 2. Резервирование зоны р/с Шоссейная

250 500

3 Соединение Восточной т/м и Западной т/м: 300 600 Резервирование зоны Восточной т/м в Центральном районе

4 Перекладки существующих теплотрасс

4.1 Транзитная т/м: 2.1. от НО-3 до последующего перехода диаметра 8 800 Перекладка участков для увеличения пропускной способности

2.2. от НО-5 до последующего перехода диаметра 2.3. от ТК-6 до ТК-7а 2.4. от ТК-10 до ТК-11а 25 116 140 00 00 00 о о о о о о

4.2 Т/м Западная от ТК-41 (секц. задвЛ до ТК-46 (секц. задв.) 485 500 На перспективу увеличения нагрузок по р/с Новая

4.3 Р/с квартала 14-15 от Шоссейной р/с до ТК-3 293 400 Для ликвидации участков с высокими удельными потерями

Предлагаемый комплекс мероприятий п план реконструкции тепловых сетей существенно улучшит надежность и качество теплоснабжения и горячего водоснабжения Санкт-Петербурга.

Проведенные исследования показали целесообразность поэтапного перехода от открытой к закрытой схеме теплоснабжения. Большое значение для этого перехода имеет организация водно-химического режима. Сравнительная оценка водно-химического режима для открытой и закрытой систем показала преимущества перехода на закрытую систему теплоснабжения.

Дальнейший переход на ¡акрытую схему присоединения систем ГВС позволит обеспечить:

снижение расхода тепловой энергии на отопление и ГВС; уменьшение удельных расходов топлива на производство теплоты и электрической энергии на перекачку теплоносителя;

ввод в хозяйственную деятельность помещений закрываемых центральных тепловых пунктов (ЦТП);

снижение расходов тепловой энергии на собственные нужды котельных;

увеличение срока службы водогрейных котлов, магистральных и квартальных тепловых сетей;

снижение затрат на эксплуатацию котельных и тепловых сетей; кардинальное улучшение качества теплоснабжения потребителей, что будет способствовать исчезновению "перстопов" в осенне-зимние периоды, а также во время положительных температур в отопительный сезон;

подключение дополнительной нагрузки за счет экономии тепловой энергии и уменьшение ввода дополнительных мощностей; улучшение экологической обстановки в регионе. Большое значение уделяется организации работы тепловых пунктов (индивидуальных и центральных) для повышения надежности систем теплоснабжения. Предлагается комплекс мероприятий по повышению эффективности управления системой теплоснабжения путем создания транспортной компании.

Реформа системы теплоснабжения Санкт-Петербурга, рассмотренная в главе 6, должна базироваться на оптимальном использовании существующего потенциала и нацелена на решение следующих главных задач:

обеспечение надежности и безопасности теплоснабжения; экономическая оптимизация теплоснабжения, включая энергосбережение;

оптимизация движения ресурсов, обеспечение финансирования текущей деятельности и инвестиционных проектов;

создание организации и отношений ее субъектов, которые способны решать вышеуказанные задачи в интересах города в целом, а также всех его жителей и предприятий;

обеспечение эффективного минимально необходимого и достаточного влияния властей на создание, развитие и деятельность вышеуказанной организации системы теплоснабжения города с обеспечением адекватных социальных гарантий.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основании статистического анализа повреждения теплопроводов предложен комплекс мероприятий по снижению аварийности тепловых сетей. На базе анализа современных методов дефектоскопии (разрушающих и неразрушающих) предложена методика выявления дефектов теплопроводов различного класса.

2. Предложенная методика прогнозирования работоспособности и диагностики технического состояния сварных соединений позволяет существенно поднять их уровень надежности.

3. Дано обоснование ультразвуковому, зеркально-теневому методам контроля эффективности покрытия с использованием изгибных волн Лэмба, разработана ультразвуковая экспериментальная многоканальная установка, существенно повышающая эффективность выявлении дефектов в теплосети.

4. Предложен активный метод организации работ по результатам диагностики для ликвидации места повреждения на основе программного обеспечения, которое позволяет на базе информации о дефектах достаточно точно определить места повреждения.

5. В зависимости от конструкции и характеристики подземных теплопроводов изменяется их надежность и потери теплоты через поверхность изоляции.

6. Показано, что управление тепловыми сетями должно базироваться на создании на АСУ ТП с широким использованием телеуправления и телемеханики. Необходимо постепенное внедрение системы диагностики влажности изоляции трубопроводов, обнаружение разгерметизации теплопроводов на базе различных методов контроля.

7. Отказ от тепловых камер позволяет предотвратить причину 65% всех дефектов в тепловых сетях. Вместе с тем это требует перехода от традиционных устаревших технических решений к современному обо-

рудованию и новым техническим решениям (шаровые краны, бескамсрные врезки, самокомпенсирующнс трубы)

8. На базе анализа характеристик тепловой сети, определяющих надежность теплоснабжения, является важным: наличие резервных связей, возможность обеспечения резервного теплоснабжения потребителя от другого источника, возможность поддержания стабильного гидравлического режима тепловой сети, поддержание стабильного температурного режима в помещении.

9. Аналитическая оценка теплоснабжения районов Санкт-Петербурга позволила разработать комплекс мероприятий по улучшению режимов работы тепловой сети и источников теплоснабжения применительно к конкретным районам с учетом подключения новых потребителей и развития новых источников (ТЭЦ-5 и др.).

10. Разработка комплекса мероприятий перехода от открытой к закрытой системе теплоснабжения, в который входит" установка аккумуляторных баков, оснащение ЦТП и ИТП регуляторами температуры на горячее водоснабжение и др.

11. Реформа управления системой теплоснабжения Санкт-Пстер-бурга должна базироваться на оптимальном использовании существующего потенциала и нацелена на решение следующих основных задач.

обеспечение надежности и безопасности теплоснабжения.

экономическая оптимизация теплоснабжения, включая энергосбережение;

оптимизация движения ресурсов, обеспечение финансирования текущей деятельности и инвестиционных проектов;

создание организации и отношений ее субъектов, которые способны решать вышеуказанные задачи в интересах города в целом, а также всех его жителей и предприятий;

обеспечение эффективного минимально необходимого и достаточного влияния властей на создание, развитие и деятельность вышеуказанной организации системы теплоснабжения города с обеспечением адекватных социальных гарантий.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах*:

1. Исследование физико-химической обстановки, вызывающей коррозию труб и арматуры в тепловых камерах, и разработка эффективного метода-их защиты // Строительство трубопроводов. 1993. № 1. (З.Ф. Каримов).

2. Физическое моделирование процессов коррозии металла под слоем антикоррозионной защиты // Строительство трубопроводов. 1993. № 6. (З.Ф. Каримов).

3. Гидродинамические факторы, интенсифицирующие внутреннюю коррозию в теплопроводах// Строительство трубопроводов. 1994. № 2. (З.Ф. Каримов).

4. Статистический анализ коррозионного старения теплопроводов // Строительство трубопроводов. 1994. № 5.

5. Комбинированная тепловая и антикоррозионная защита теплопроводов // Строительство трубопроводов. 1995. № 9. (Ю.Ф.Оскин, З.Ф.Каримов).

6. Новый способ снижения тепловых потерь в теплопроводах // Промышленная энергетика. 1996. № 5. (З.Ф. Каримов).

7. Комбинированное антикоррозионное покрытие для защиты трубных коммуникаций и арматуры в камерах теплопроводов и способ его нанесения. Патент РФ. № 2067718. 1996. (Ю.Ф.Оскин, З.Ф. Каримов).

8. Акустический контроль состояния поверхности теплоизоляционных труб / Материалы VII Международной научно-технической конференции "Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства контроля природной среды, материалов и промышленных изделий", г. Череповец. 1997. (C.B. Николаев).

9. Комбинированные покрытия для защиты трубных коммуникаций и арматуры в камерах теплопроводов и способ его нанесения. Патент РФ. № 2067718. 1997. (С. В. Оскин).

10. Система и способ контроля состояния трубопровода в реальном времени и трубопровод, снабженный такой системой. Патент РФ. № 2227910. 2002. (В.Е. Поляков, А.И. Потапов).

11. Снижение ресурса эксплуатационной безопасности тепловых сетей и методы их защиты. СПб: Изд-во СПбГПУ. 2002.

12. Эффективность транспорта тепловой энергии. СПб. 2006.

* В скобках указаны соавторы.

Типография ООО "Дом Шуан" Подписано к печати 18.08.06. Объем 1,5 п.л. Тираж 120. Заказ 26.

Введение.

Глава 1. Развитие теплофикации в Санкт-Петербурге.

Современное состояние проблемы.

1.1. Развитие теплофикации в

Ленинграде - Санкт-Петербурге (1924-2006 гг.).

1.2. Открытая и закрытая системы теплоснабжения.

Особенности открытой системы в Санкт-Петербурге.

1.3. Основные конструкции теплопроводов и способы их прокладки

1.4. Повреждаемость теплопроводов и основные причины дефектов в теплосетях.

Глава 2. Диагностика и оценка состояния системы теплоснабжения и ее элементов.

2.1. Современные методы дефектоскопии

2.2. Повышение надежности теплоснабжения путем оптимизации схемы тепловых сетей.

2.3. Влияние инженерно-геологических условий прокладки теплопроводов на надежность тепловых сетей.

Глава 3. Работоспособность современных схем теплоснабжения

3.1. Анализ работы и оценка систем теплоснабжения.

3.2. Причины износа систем теплоснабжения.

3.3. Методы и средства для оценки и анализа дефектов

Глава 4. Методы и средства для повышения надежности в системах теплоснабжения.

4.1. Защита от электрохимической коррозии.

4.2. Совершенствование конструкций теплопроводов и их элементов.

4.3. Комплексный подход к повышению надежности теплоснабжения.

Глава 5. Повышение эффективности систем теплоснабжения.

5.1. Открытая и закрытая системы теплоснабжения.

5.2. Повышение эффективности управления системой

Глава 6. Управление системой транспорта тепловой энергии и теплоснабжения Санкт-Петербурга.

6.1. Существующая система и ее проблемы.

6.2. Правовое обоснование управления системой.

6.3. Переход на прямые договора поставки тепловой энергии населению.

В настоящее время более двух третей общего теплопотребления в городах и населенных пунктах обеспечивается системами теплофикации от крупных городских и промышленных ТЭЦ и системами централизованного теплоснабжения от котельных с единичной мощностью свыше 20 Гкал/ч.

Концепция политики РАО «ЕЭС России» в области теплофикации и централизованного теплоснабжения предусматривает сохранение доминирующей роли крупных производителей в обеспечении теплом городов и промышленных комплексов. Вместе с тем, с учетом изменения структуры собственности как в производственной, так и в жилищно-коммунальной сфере, доля децентрализованного теплоснабжения неизбежно возрастет. Особенно это касается городов и населенных пунктов с малой плотностью застройки, а также теплоэлектро-снабжения зданий и предприятий мелкого и среднего бизнеса, коттеджной застройки, промышленных объектов, использующих для отопления газовое топливо.

Сохранение доминирующей роли теплофикации и централизованного теплоснабжения обусловлено рядом факторов.

В городах России созданы уникальные по размерам системы централизованного теплоснабжения, охватывающие всю городскую инженерную инфраструктуру и послужившие аналогом для создания систем теплофикации и централизованного теплоснабжения во многих развитых странах.

Комбинированное производство тепловой и электрической энергии на городских ТЭЦ позволяет более экономично использовать органическое топливо по сравнению с их раздельным производством.

На крупных ТЭЦ и в котельных возможно организовать экологически чистое сжигание низкосортных местных видов топлива (бурого угля, торфа, твердых бытовых отходов, древесных отходов и др.), что практически неосуществимо в мелких установках.

Удаление мощных источников генерации энергии, работающих на органическом топливе, от центров тепловой нагрузки значительно улучшает состояние воздушной среды в городах.

Участившиеся в последнее время аварии в системах централизованного теплоснабжения городов предельно обнажили недостатки инженерной инфраструктуры и показали, насколько велика ее роль в обеспечении условий нормальной жизнедеятельности населения, выдвинули проблему развития и реконструкции систем теплоснабжения в разряд стратегических государственных задач.

Недостаточное в течение многих лет выделение финансовых средств на устранение физического износа основных фондов рассматриваемых систем, отсутствие целенаправленной государственной политики в этой области неизбежно привели к ускорению деградации систем теплофикации и теплоснабжения, снижению их эффективности.

Наиболее уязвимым звеном являются тепловые сети, общая протяженность которых в России составляет более 200 тыс. км (в пересчете на двухтрубную прокладку). Неудовлетворительное состояние тепловых сетей приводит не только к высоким потерям при транспортировке теплоносителя, но и к их частым повреждениям. Оценки физического состояния тепловых сетей, выполненные различными экспертами, показали, что 40 - 50 % теплопроводов уже выработали свой амортизационный ресурс. Поэтому большая часть аварий в системах теплоснабжения связана именно с их повреждением.

Высокая степень физического и морального износа источников тепловой энергии, до 50 - 70 %, также резко снижает эффективность теплоснабжения.

На многих ТЭЦ из-за физического износа уже демонтирована часть паровых турбин, в результате чего резко снижается экономия от комбинированной выработки тепловой и электрической энергии. Эффективность работы ТЭЦ в последнее десятилетие снизилась также из-за уменьшения подключенной тепловой нагрузки, вызванной, с одной стороны, спадом промышленного производства, а с другой тем, что многие потребители построили собственные автономные теплоисточники.

Целью диссертационной работы является разработка технических предложений и мероприятий по повышению надежности и эффективности теплопроводов от источника до потребителя и улучшению их гидравлических режимов в том числе: разработка методики выявления дефектов теплопроводов различного класса с помощью современных способов дефектоскопии (разрушающих и нераз-рушающих); разработка методики прогнозирования работоспособности и диагностики технического состояния сварных стыков теплопроводов; разработка ультразвукового и зеркально-теневого методов контроля трубопроводов с использованием изгибных волн Лэмба; повышение эффективности гидравлических режимов теплосети за счет резервных связей; разработка технических предложений по использованию защиты от электрохимической коррозии; оценка возможности поэтапного перехода от открытой к закрытой системе теплоснабжения; повышение эффективности управления отпуском тепловой энергии в условиях рынка.

Научная новизна работы: на основе разработанной методики оценки состояния теплопроводов разработаны и усовершенствованы способы выявления дефектов на трубопроводах тепловых сетей; предложена и апробирована методика прогнозирования работоспособности и технического состояния сварных стыков теплопроводов; на базе использования изгибных волн Лэмба предложено использование ультразвукового и зеркально-теневого методов контроля состояния теплопроводов; на основе выполненных расчетов гидравлических режимов теплосети даны рекомендации по развитию схем теплоснабжения районов Санкт-Петербурга; разработаны и внедрены технические предложения по использованию электрохимической защиты трубопроводов тепловых сетей; дано обоснование возможности поэтапного перехода от открытой к закрытой системе теплоснабжения; на основе разработанной АСУ ТП даны рекомендации по совершенствованию управления отпуска тепловой энергии в рыночных условиях.

Личный вклад автора состоит в следующем: предложена и внедрена комплексная система диагностики на основе современных методов контроля трубопроводов тепловых сетей с использованием современной информационно-измерительной техники; разработаны и внедрены в производство рекомендации по улучшению гидравлического и температурного режимов тепловых сетей, оптимизации температурных графиков отпуска тепловой энергии; разработаны предложения по поэтапному переходу от открытой к закрытой системе теплоснабжения; разработана структура АСУ ТП систем отпуска тепловой энергии.

Практическая значимость работы: реализован и внедрен в производство комплекс мероприятий по выявлению дефектов теплопроводов на базе современных методов контроля и диагностики их состояния; предложены и внедрены в производство методы защиты от электрохимической коррозии; даны практические рекомендации по улучшению гидравлических режимов тепловых сетей, разработана схема управления отпуском тепловой энергии.

Объектом исследований является система теплопроводов Санкт-Петербурга с системами их прокладки и защиты от внутренней и внешней коррозии, а также их гидравлическими и тепловыми режимами.

На защиту выносятся: разработка и создание комплексной методики оценки состояния и работоспособности теплопроводов на основе современных методов контроля и диагностики; разработка мероприятий по повышению эффективности гидравлических и температурных режимов тепловых сетей; создание систем электрохимической защиты металла теплопроводов; технические предложения по постепенному переходу от открытой к закрытой системе теплоснабжения для систем отопления Санкт-Петербурга; разработка и создание системы АСУ ТП по отпуску тепловой энергии.

Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения.

1. Энергетическая стратегия России (основные положения). М.: Институт энергетических исследований РАН. 1994.

2. Агурин А.П., Рендель ЕЛ, Нестерев НЛ. Металлические покрытия тепловой изоляции. М.: Энергия. 1966.

3. Адлер Ю.П., Маркова Е.В, Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука. 1976.

4. Авторское свидетельство №360607, БИ №36,1973.

5. Арсеньев Г.В., Белоусов В.Л., Дранченко A.A. и др. Тепловое оборудование и тепловые сети. М.: Энергия. 1988.

6. Адрианов В.Н. Основы радиационного и сложного теплообмена. М.: Энергия. 1979.

7. Аладьев И.Т. Экспериментальное определение локальных и средних коэффициентов теплоотдачи при турбулентном течении жидкости в трубах // Изв. АН СССР ОТН. 1951. №11.

8. Бабенков В.И., Круженков Е.Е., Прядко Б.И. Определение потерь тепла в тепловых сетях // Энергетик. 1984. №12.

9. Басацкая Л.В., Ермолова И.Н. Теоретическое исследование ультразвуковых продольных и подповерхностных волн в твердых средах // Дефетоско-пия. 1980. №7.

10. Батов С.Г., Шушулов К.Н. Однотрубная система теплоснабжения с повышенными параметрами. Киев: Наукова думка. 1972.

11. Блох А.Г. Основы теплообмена излучением. М. Госэнергоиздат. 1962.

12. Блох А.Г, Гурвич A.M., Носовицкий А.И. Лучистый теплообмен в запыленной газовой среде // Теплоэнергетика. 1955. №2.

13. Бояринцев Д.М. Теплопередача через жидкостные и газовые прослойки // Журнал техн. физики. 1950.:№ 8.

14. Бреховских Л.М., Годин O.A. Акустика слоистых сред. М.: Наука. 1989.

15. Бугорская С.Н., Зейгарник ЮЛ., Шиков В.К. Об интенсивности теплообмена в каналах с пористыми металлическими наполнителями // Теплоэнергетика. 1984. № 2.

16. Викторов И.А. Ультразвуковые поверхностные волны в твердых телах. М.: Наука. 1981.

17. Викторов И.А. Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и Лэмба в технике. М.: Изд-во АН СССР. 1966.

18. Воронков С.Т. Совершенствование теплозащиты энергетического оборудования // Промышленная энергетика. 1984. № 9 .

19. Гаррисон Т.Р. Радиационная пирометрия. М.: Мир. 1964.

20. Громов Н.К., Лямин A.A., Сурин М.А., Шубин Е.П. Совершенствование конструкций подземных тепловых сетей. М.: Стройиздат. 1979.

21. Греберь Г., Эрк С., Григуль У. Основы учения о теплообмене. М.: И.Л. 1958.

22. Грилихес С.Я., Евсеева Т.А., Соловьева Л.В. Защитно-декоративные покрытия алюминия. Л. 1980.

23. Джонс Р., Факаоару И. Неразрушающие методы испытаний бетонов. М.: Стройиздат. 1974.

24. Дэже Д., Хониг М. Трубопровод с вакуумной теплоизоляцией // Промышленная энергетика. 1991. №2.

25. Евалева K.M. Опыт эксплуатации тепловых сетей Ленинграда с армо-бетонной изоляцией при бесканальной прокладке / Материалы семинара: Совершенствование теплоизоляционных установок. М.: 1968.

26. Ермолов И.Н., Алешин Н.П., Потапов А.И. Акустические методы контроля. М.: Высшая школа. 1991.

27. Есарев В.И. Новые конструкции компенсаторов для тепловых сетей. Обзорная информация. М.: Информэнерго. 1987.

28. Желудкова Е.А. Исследование теплозащитных характеристик изоляционных конструкций бесканальных теплопроводов методом зонда: Авто-реф. дисс.канд. техн. наук. Л.: МИСИ. 1978.

29. Жуковский B.C. Термодинамика. М.: Энергоатомиздат. 1983.

30. Захаренко С.Е. Справочник по тепловым сетям (строительство и монтаж). М.: Госэнергоиздат. 1958.

31. Зингер Н.М., Любарская А.И., Малафеев В.А. Нормативные параметры абонентских вводов систем теплоснабжения // Теплоэнергетика. 1992. №12.

32. Ивакин Б.Н. Методы моделирования сейсмических волновых явлений. М.: Наука. 1969.

33. Иванов В.А. Тепловые расчеты водяных систем теплоснабжения. Саратов. 1992.

34. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение. 1975.

35. Извеков A.B., Коновальцев С.И., Данилов O.A. и др. Потери тепла в вентилируемых каналах тепловых сетей // Теплоэнергетика. 1994. № 12.

36. Исаченко В.Л., Осипова В.А., Сукомел A.C. Теплопередача. М.: Энергоиздат. 1981.

37. Каримов З.Ф., Родичев Л.В. Оптимизация конструктивных и технологических параметров антикоррозионной изоляции для теплопроводов // Строительство трубопроводов. 1995. №1.

38. Керцелли Ю.Л. Основные направления развития тепловых сетей и систем теплоснабжения. М.: Энергия. 1974.

39. Крашенинников А.И. Монолитная теплоизоляция ячеистых бетонов и пластмасс. JI.: Стройиздат. 1971.

40. Кеше Г. Коррозия металлов. М.: Металлургия. 1984.

41. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. M.-JL: Машгиз. 1962.

42. Коррозия: Справочник / Под ред. Л.Л. Шраера. М.: Металлургия. 1981.

43. Курс химии / Под ред. Г.А. Дмитриева, Т.П. Лучинского, В.Л. Семичи-на. Изд-во Высшая школа. 1971.

44. Кирпичев М.В. Теория подобия. М.: Изд-во АН СССР. 1953.

45. Каганер М.Г., Глебова Л.Н. Теплопроводность изоляционных материалов под вакуумом // Кислород. 1959. №1.

46. Кондратьев К.Я. Лучистый теплообмен в атмосфере. ГИМИЗ. 1956.

47. Ковылянский Я.А., Ройнштейн Л.И., Красовицкий A.C. Снижение тепловых потерь при использовании полимербетона в качестве изоляции подземных теплопроводов // Энергетическое строительство. 1982. № 9.

48. Лыков A.B., Михайлов Ю.А. Теория тепло- и массопереноса. М.: Изд-во Высшая школа. 1967.

49. Макаров A.A., Чупятов В.П. Возможности энергосбережения и пути их реализации // Промышленная энергетика. 1995. № 6.

50. Маляцкий И.Л. Оптимизация тепловой изоляции трубопроводов электростанций // Теплопроводность и диффузия. Рига: Риж. политех, ин-т. 1987.

51. Маляцкий И.Л., Темкин А.Г. Метод определения оптимизированных толщин известково-кремнеземистых изделий при изоляции трубопроводов. Рига: ЛатНИИТИ. 1986.

52. Меренков А.П., Сеннова Е.В., Стенников В.А. Проблемы преобразования теплового хозяйства России // Известия АН. Энергетика. 1993.

53. Михайловский Ю.М. Атмосферная коррозия металлов и методы их защиты. М.: Металлургия. 1989.

54. Мостовой Г.А. Исследование теплового режима теплопроводов подземной прокладки: Автореф. дисс. канд.техн. наук. Л. 1969.

55. Никольский И.С. Индустриальные методы сооружения тепловых сетей. Учебное пособие. М.: МИСИ им. Куйбышева. 1982.

56. Нечаев Г.А. Новые способы изоляции теплопроводов подземной прокладки. М.: Энергия. 1992.

57. Оскин Ю.Ф., Родичев Л.В., Каримов З.Ф. Комбинированная тепловая и антикоррозионная защита теплопроводов // Строительство трубопроводов. 1995. №9.

58. Оскин Ю.Ф., Родичев JI.B., Каримов З.Ф. Комбинированное антикоррозионное покрытие для защиты трубных коммуникаций и арматуры в камерах теплопроводов и способ его нанесения. Патент РФ № 2067718.1996.

59. Оскин Ю.Ф., Каримов З.Ф. Методика технико-экономического расчета при проектировании системы тепловой защиты для тепловых сетей // Промышленная энергетика. 1996. № 9.

60. Оскин Ю.Ф., Каримов З.Ф. Определение нормативных параметров системы тепловой защиты для теплопроводов // Промышленная энергетика. 1996. №12.

61. Павлов И.И., Федоров M.JI. Котельные установки и тепловые сети. М.: Стройиздат. 1986.

62. Переверзов В.А., Шумов В.В. Справочник мастера тепловых сетей. JL: Энергоатомиздат JI.0.1987.

63. Петров-Денисов В.Г., Масленников Л.А. Процессы тепловлагообме-на в промышленной тепловой изоляции. М.: Энергоатомиздат. 1983.

64. Петров-Денисов В.Г., Ковылянский Я.А., Пичков А.М. и др. Оценка долговечности теплоизоляционных конструкций теплопроводов при их прокладке подземным бесканальным способом // Теплоэнергетика. 1992. №11.

65. Петухова Г.А. Теплофикация и тепловые сети. Иваново. 1976.

66. Поляков В.Е., Потапов А.И., Сборовский А.К. Ультразвуковой контроль качества конструкций. Л.: Судостроение. 1978.

67. Проектирование датчиков для измерения механических величин / Под ред. Е.П. Осадчего. М.: Машиностроение. 1979.

68. Правдин Б.М. Индустриальные способы изоляции теплопроводов. Л.: Энергия. 1979.

69. Правила техники безопасности при эксплуатации теплотехнического оборудования и тепловых сетей. М.: Энергоатомиздат. 1984.

70. Родичев Л.В. Статистический анализ коррозионного старения теплопроводов // Строительство трубопроводов. 1994. № 5.

71. Родичев Л.В., Каримов З.Ф. Исследование физико-химической обстановки, вызывающей коррозию труб и арматуры в тепловых камерах, и разработка эффективного метода их защиты // Строительство трубопроводов. 1993. №1.

72. Родичев Л.В., Каримов З.Ф. Физическое моделирование процессов коррозии металла под слоем антикоррозионной защиты. Строительство трубопроводов, 1993, №6.

73. Родичев Л.В., Каримов З.Ф. Гидродинамические факторы, интенсифицирующие внутреннюю коррозию в теплопроводах // Строительство трубопроводов. 1994. №2.

74. Родичев Л.В., Каримов З.Ф. Новый способ снижения тепловых потерь в теплопроводах // Промышленная энергетика. 1996. № 5.

75. Родичев Л.В., Каримов З.Ф. Экспериментальная оценка эффекта оптического экранирования и системы тепловой защиты теплопроводов // Теплоэнергетика (в печати).

76. Родичев Л.В., Каримов З.Ф. Система тепловой защиты для высокотемпературных поверхностей // Теплоэнергетика (в печати).

77. Ройтштейн Л.И., Горовой А.Г. Исследование термовлагопроводности конструкций теплопроводов с полимербетонной изоляцией. Сб. научн. трудов. М.: ВНИИТИ Энергопром. 1988.

78. Ройтштейн Л.И. Термовлажностные исследования пенобетона с учетом условий эксплуатации в подземных теплопроводах // Сб. научн. трудов: Оборудование систем центрального теплоснабжения. М.: ВНИИТИ Энергопром. 1980.

79. Ройтштейн Л.И., Мудров О.В. Исследование процессов сушки теплоизоляционных конструкций в теплопроводах // Сб. трудов ВЗПИ. Серия Строительство. М. 1976. Вып. 116.

80. Руденко Ю.А., Ушаков И.А. Надежность систем энергетики. М.: Наука. 1986.

81. Свет Д.Я. Температурное излучение металлов и некоторых веществ. М.: Металлургиздат. 1964.

82. Сарумов Ю.А., Шушко А.И., Умеркин Г.Х. и др. Как улучшить эксплуатационные свойства битумоперлитной изоляции // Архитектура и строительство Подмосковья. 1981. №9.

83. Синявский B.C., Вальков В.Д., Калинин В.Э. Коррозия и защита алюминиевых сплавов. М.: Металлургия. 1986.

84. Скучик Е. Основы акустики. М.: ИЛ. 1958. Том 1.1959. Т. 11.

85. Современное состояние и перспективы развития измерений теплопроводности газов и жидкостей (ГК по стандартам). М.: 1988.

86. Соколов Е.Я. Развитие теплофикации России // Теплоэнергетика. 1993.9.

87. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. М.: Энергоиздат. 1982.

88. Скворцов A.A. Внедрение, совершенствование и опыт эксплуатации бесканальных тепловых сетей. М.: Информэнерго. 1979.

89. Стрижевский И.В., Сурин М.А. Защита подземных теплопроводов от коррозии. М.: Энергия. 1983.

90. Сперроу Э.М. Сесс Р.Д. Теплообмен излучением. М.Э. 1972.

91. СНиП 2.04.14-88. Тепловая изоляция оборудования и теплопроводов / Госстрой СССР. М. 1989.

92. Справочник проектировщика: проектирование тепловых сетей / Под ред. A.A. Николаева. М.: Энергоиздат. 1965.

93. Стырикевич М.А. Основные задачи теплоэнергетики на ближнюю и дальнюю перспективу // Теплоэнергетика. 1989. № 11.

94. Сучков Д.И. Определение скорости коррозии металла в условиях внешнедифузного режима / Теплоэнергетика. 1995. №7.

95. Темкин А.Г., Маляцкий И.Л. Оптимизация тепловой изоляции трубопроводов электростанций. Рига: ЛатНИИНТИ. 1986.

96. Темкин А.Г., Маляцкий И.Л. Метод определения оптимизированных тепловых потерь трубопроводов, изолированных перлитоцементом или извест-ково-кремнеземистыми изделиями (ИКИ). Рига: ЛатНИИНТИ. 1986.

97. Темкин А.Г., Маляцкий И.Л. Метод определения тепловых потерь трубопроводов, изолированных минеральной ватой. Рига: ЛатНИИНТИ. 1986.

98. Темкин А.Г., Маляцкий И.Л. Метод определения толщины минера-ловатной изоляции трубопроводов. Рига: ЛатНИИНТИ. 1986.

99. Темкин А.Г., Маляцкий И.Л. Метод выбора оптимизированных толщин перлитоцементной изоляции трубопроводов. Рига: ЛатНИИНТИ. 1986.

100. Темкин А.Г., Маляцкий И.Л. Метод определения равно экономических оптимизированных толщин известково-кремнеземистых изделий при изоляции трубопроводов. Рига: ЛатНИИНТИ. 1986.

101. Темкин А.Г., Маляцкий И.Л. Метод выбора равно экономических оптимизированных толщин перлитоцементной изоляции трубопроводов. Рига: ЛатНИИНТИ. 1986.

102. Темкин А.Г., Маляцкий И.Л. Метод выбора равно экономических толщин минераловатной изоляции трубопроводов. Рига: ЛатНИИНТИ. 1986.

103. Томашев Н.Д., Локотинов A.A. Определение толщины пленки влаги на металлах при атмосферной коррозии // Заводская лаборатория. 1958. №4.

104. Умеркин Г.Х. Математическое планирование эксперимента при создании многослойной конструкции теплопровода // Теплоэнергетика. 1992. № И.

105. Уонг X. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров. М.: Атомиздат. 1979.

106. Филимонов С.С., Хрусталев Б.А., Мазилин М.С. Теплообмен в многослойных пористых теплоизоляциях. М.: Энергия. 1983.

107. Физические величины. Справочник / Под ред. И.О. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат. 1991.

108. Хижняков C.B. Практические расчеты тепловой изоляции. М.: Энергия. 1976.

109. Хрилев Л.С., Васильев В.М., Давыдов Б.А. Энергосбережению -экономическую и правовую основу // Промышленная энергетика. 1995. №6.

110. Хрилев Л.С., Тихомиров Ю.А., Куйбышев А.Б. Основные пути энергосбережения в системах теплоснабжения // Промышленная энергетика. 1989. №8.

111. Хрилев Л.С., Воробьев С.М., Кутовой Г.П., Рафиков Л.П. Развитие теплофикации в рыночных условиях с учетом формирования электрического и топливно-энергетического баланса страны // Теплоэнергетика. 1994. №12.

112. Хэкфорд Г.Л. Инфракрасное излучение. М.: Энергия. 1964.

113. Черпаков П.В. О теплоотдаче цилиндра в потенциальном потоке / ДАН СССР. 1940. XXIX. №4.

114. Черпаков П.В., Шимко Н.Г. О регулярном тепловом режиме в многослойной среде. ИФЖ. 1963. Т.6. № 9.

115. Шорин С.Н. Теплопередача. М.: Высшая школа. 1964.

116. Шубин Е.П. Материалы, методы, устройства и расчет тепловой изоляции трубопроводов. СЗИ. 1968.

117. Яворский Б.М., Детлаф A.A. Справочник по физике. М.: Наука. 1968.

118. Ярышев H.A. Теоретические основы измерения нестационарных температур. М.: Энергия. 1967.

119. Boraj Jaude. Vorisolierte Feruhusunsrohre helfen Energie spareu. Pern-warme Int. 1977. № 4. pp.154-155.

120. Roditchev L.V., Karimov S.F. Warmeschutsystem fur Hochtemperaturflachen. XV Kongress der internationalen Konferenz fur industrielle Energiewirtschaft. Leipzig. 23-25 September. 1996.

121. Heitz E. Chemo-Mechanical Effekts of flow on Corrozion. 1990. V. 47. № 2. pp. 135-145.

122. Nesic S., Pastlethwaite V. A Predictive Model for Located Errosion-Corrosion. V. 46. № 2. pp. 582-587.

123. Meinecke E.A. Clark R.C. Mechanical Properties of Polymerie Foams. Technomic Publishing Company Inc. Ch. 4.1973.

124. Nielsen L.E. Mechanical Properties of Polymers and Composites. J. Comp. Mat. 3. 1969. p.368.

125. Gregg S., Sing K.S. Surfase Area, Porosity and Adsorption. Acad. Press. London. 1967. №V. p. 143

126. Nishiwaki N., Hirata M. Tsuchida Heat Transfer on a Surfase covered by cold air film.1 Trans. ASME. Part 4. Sect. A. 1960. p. 675.

127. Seban RA., Back I.N. Velosity and Temperature Profiles in a wall. Internat. J. Heat and Mass Transfer. 1961. V. 3. № 4.

128. Papell S., Trout A.M. Experimental investigation of air film-cooling applied to an adiabatic wall by means of an axially discharging slot. NASA TND -9. 1959.

129. Soliman M., Johnson H.A. Transient heat transfer for forced convection flow over a flat plate of appreciable thermal capacity and containing an exponential time-dependent heat source. Int. J. Heat and Mass Transfer. 1968. V. 11. № 1. pp. 2738.