автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Оценка транспортных потерь тепловой энергии через теплоизоляционные конструкции трубопроводов тепловых сетей

¿о/л^? / ^

Цыганкова Юлия Сергеевна

ОЦЕНКА ТРАНСПОРТНЫХ ПОТЕРЬ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ЧЕРЕЗ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ КОНСТРУКЦИИ ТРУБОПРОВОДОВ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск-2012

Работа выполнена на кафедре Автоматизации теплоэнергетических процессов Энергетического института Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Официальные оппоненты:

Скуратов Александр Петрович, доктор техн. наук, профессор; ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», кафедра «Теплотехника и гидрогазодинамика», профессор кафедры.

Богомолов Александр Романович, доктор техн. наук, доцент; Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, с.н.с.

Ведущая организация: Региональный центр управления энергосбережением (г. Томск).

Защита состоится 23 мая 2012 г. в 13°° на заседании диссертационного совета ДМ 212.099.07 при «Сибирском федеральном университете» по адресу г. Красноярск, ул. Ленина, 70, ауд. 204.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет».

Автореферат разослан «20» апреля 2012 г.

Ученый секретарь

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Кузнецов Гений Владимирович

диссертационного совета

Чупак Татьяна Михайловна

РОССИЙСКАЯ ГОСУДЛРС I НМ1ИАЯ ЬИГзЛИО!1КД

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы.

Повышение эффективности системы транспортирования тепловой энергии в настоящее время становится одним из приоритетных направлений Энергетической стратегии России. Низкие темпы реконструкции тепловых сетей привели к тому, что существенная доля трубопроводов (до 60 % от общей протяженности) длительное время эксплуатируется в нештатных режимах, что вызывает значительное увеличение непроизводительных транспортных потерь теплоты. Тепловые потери характеризуют эффективность расходования энергетических ресурсов, степень воздействия на окружающую среду и техническое состояние теплопроводов. Высокий уровень потерь в сетях (до 30 % от генерации) сопровождается дефицитом топливно-энергетических ресурсов и стабильным ростом тарифов на тепловую энергию. В сложившейся ситуации важно иметь доступные инструменты контроля транспортных потерь через теплоизоляционные конструкции трубопроводов с учетом их режимов работы. Объект исследования - тепловая сеть.

Предмет исследования - количественные значения транспортных тепловых потерь через теплоизоляционные конструкции трубопроводов.

Цель работы - оценка транспортных потерь тепловой энергии в сети теплоснабжения на основе декомпозиционного подхода, позволяющего в отличие от известных методик учитывать изменение теплозащитных свойств изоляции на конкретных участках трубопроводов вследствие влияния основных эксплуатационных факторов.

Задачи исследования:

1. Систематизировать возможные нештатные режимы работы тепловых сетей и выявить наиболее распространенные на практике дефекты изоляции.

2. Разработать алгоритмы определения тепловых потерь, учитывающие эксплуатационные условия и состояние изоляции трубопроводов.

3. Провести теоретические исследования и установить степень влияния типичных дефектов изоляции на удельные потери теплоты.

4. Разработать методику оценки тепловых потерь сетей теплоснабжения, позволяющую учитывать не только способы прокладки и конфигурацию трубопроводов, но также изменение теплозащитных свойств изоляции в процессе эксплуатации.

Научная новизна работы:

1. Впервые сформулирована и решена задача определения тепловых потерь в сетях теплоснабжения с учетом условий эксплуатации и неоднородности свойств изоляции отдельных участков трубопроводов: затопленная, увлажненная, полностью или частично разрушенная, деформированная изоляция.

2. Создана и апробирована методика оценки потерь теплоты в тепловых сетях на основе декомпозиционного подхода, отличающаяся от традиционного теплотехнического расчета учетом реальных условий эксплуатации трубопроводов

и изменений теплозащитных свойств изоляции по их длине, что существенно увеличивает точность оценки потерь по сравнению с СП 41-103-2000.

3. Впервые аналитически установлено влияние таких эксплуатационных факторов, как деформация и нарушение целостности изоляционного слоя, на удельные тепловые потери трубопроводов.

4. Выявлена и научно обоснована возможность снижения нормативов тепловых потерь до 28 % для современных изоляционных материалов.

Практическая значимость работы:

1. Разработанная методика позволяет более оперативно и с меньшими затратами оценивать потери теплоты в сетях по сравнению с экспериментальными исследованиями.

2. Анализ тепловых потерь на основе декомпозиционного подхода создает условия для выявления конкретных участков теплотрассы с аномальными потерями, оценки потенциала энергосбережения в тепловых сетях и рентабельности проведения ремонтно-изоляционных работ.

3. Предложенный способ определения потерь теплоты в трубопроводах, основанный на декомпозиции тепловой сети, может применяться для обоснования тарифов на транспортирование тепловой энергии в РЭК.

4. Разработанный программный комплекс можно использовать для интерпретации результатов тепловизионной съемки, идентификации дефектов изоляции и прогнозирования технического состояния подземных трубопроводов путем сопоставления зарегистрированных значений температур на поверхности трубопроводов с рассчитанными в программном продукте.

5. Предложенные автором практические рекомендации по применению эффективного изоляционного материала целесообразно выполнять при эксплуатации трубопроводов в нештатных условиях для минимизации тепловых потерь и увеличения срока службы трубопроводов.

6. Полученные результаты создают объективные предпосылки для пересмотра и корректировки существующих нормативов потерь теплоты в сетях теплоснабжения, что может увеличить эффективность транспортирования тепловой энергии.

Практическая реализация результатов работы:

Результаты научных исследований используются в следующих организациях:

1. В ООО научно-производственном объединении «Внедрение Энергосберегающих Технологий» для интерпретации результатов тепловизионной съемки.

2. В ООО «Тепломер» для более оперативной и менее затратной оценки потерь теплоты в сетях, по сравнению с экспериментальными исследованиями.

3. В ЗАО «Сибирский ЭНТЦ» и ОАО «ТомскНИПИнефть» для обоснованного выбора эффективных изоляционных материалов.

Практическая реализация результатов подтверждена актами об использовании и свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Достоверность полученных результатов обусловлена корреляцией расчетных тепловых потерь с измеренными при испытаниях тепловых сетей с со-

блюдением требований РД 34.09.255-97, а также согласованием с результатами энергоаудитов и с теоретическими следствиями других авторов.

Защищаемые положения:

1. Новая методика оценки потерь тепловой энергии в сетях теплоснабжения, основанная на декомпозиционном подходе и отличающаяся от известных возможностью учета условий эксплуатации и состояния изоляции по всей протяженности трубопроводов.

2. Алгоритмы определения тепловых потерь и изменения температуры теплоносителя в трубопроводах, позволяющие учитывать ухудшение теплофизиче-ских характеристик изоляции в реальных условиях.

3. Результаты теоретических исследований, отражающие влияние основных эксплуатационных факторов на транспортные потери тепловой энергии.

4. Целесообразность корректировки нормативов тепловых потерь до 28 % для изоляционных материалов с коэффициентом теплопроводности 0,035 Вт/(м К) и менее.

Личный вклад автора состоит в разработке методики оценки транспортных тепловых потерь на основе декомпозиционного подхода, выборе способов определения потерь теплоты для нештатных режимов работы тепловых сетей, создания и автоматизации алгоритмов решения, проведении теоретических исследований влияния основных эксплуатационных факторов на изменение удельных тепловых потерь, обработке и анализе полученных результатов, формулировке ключевых выводов работы. Автор выражает признательность научному руководителю, д.-ру физ.-мат. наук, профессору, заведующему кафедры Теоретической и промышленной теплотехники Г.В. Кузнецову и канд. техн. наук, доценту кафедры Теоретической и промышленной теплотехники В.Ю. Половникову за наставничество и методическую помощь при подготовке диссертации к защите.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на VII Всероссийском семинаре ВУЗов по теплофизике и энергетике (Кемерово, 2011); Международной молодежной научной школе «Энергия и человек» (Томск, 2011); Всероссийском совещании «Энергообеспечение и энергосбережение XII - региональный аспект» (Томск, 2011); XVII Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: эффективность, надежность, безопасность» (Томск, 2011), VI Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности энергетического оборудования» (Иваново, 2011), Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участие «Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2011), Всероссийской научно-технической конференции «Рынки конечных энергетических услуг. Условия формирования и развития» (Томск, 2011), V региональная научно-техническая конференция молодых специалистов ОАО «ТомскНИПИнефть» (Томск, 2012).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 14 печатных работ, включающих 3 статьи в периодических изданиях по списку ВАК, 10 ста-

тей в сборниках всероссийских и международных конференций, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, включающего 195 наименований, содержит 180 страниц, 20 рисунков, 25 таблиц, 5 приложений на 5 страницах.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, отражена практическая значимость и новизна полученных результатов, представлены защищаемые положения.

В первой главе проведен анализ современных подходов к определению тепловых потерь при транспортировании теплоносителя в сетях теплоснабжения. Выявлены их недостатки. Сделан вывод об отсутствии методики оценки тепловых потерь трубопроводов, учитывающей реальные режимы их работы и неоднородность теплозащитных свойств изоляции по всей протяженности тепловых сетей. Систематизированы наиболее распространенные на практике дефекты изоляции. Рассмотрены причины их возникновения и способы диагностики.

Обзор существующих подходов к оценке потерь в сетях показал, что экспериментальный способ определения потерь тепловой энергии (РД 34.09.25597) накладывает ряд ограничений на выбор испытуемых участков, что не позволяет проводить регулярные измерения на всех тепловых сетях в России.

Традиционный теплотехнический расчет (СП 41-103-2000, РД 153-34.20. 523-2003) не учитывает режимы эксплуатации трубопроводов и состояние изоляции по их длине, поэтому приводит к значительным погрешностям при определении тепловых потерь.

В последние годы (2003 - 2012 гг.) массовая тенденция к установке приборов учета тепловой энергии у потребителей создала условия для использования показаний счетчиков с целью вычисления потерь теплоты в сети. Однако подобный способ не позволяет анализировать тепловые потери на конкретных участках теплотрассы с нарушенным режимом работы.

Особый интерес представляют малозатратные теоретические способы оценки тепловых потерь. Такие методы, не заменяя экспериментальные, могут позволить определять потери тепловой энергии для любых конфигураций тепловых сетей.

Математическому моделированию тепловых потерь, обусловленных изменением свойств изоляции при эксплуатации трубопроводов, посвящены исследования Мунябина Л.И., Арефьева H.H., Иванова В.В., Черныша С.В, Букарова Н.В., Половникова В.Ю., Шкребко C.B., Чернышевой JI. А., Андрианова Д.Е., Штыкова P.A., Уткина Ю.В., Слепченка B.C., Ронделя А.Н., Шаповаловой H.H., Умеркина Г.Х., Dolía Rosa A., Eriksson D и др. Критический анализ имеющихся публикаций по рассматриваемой проблеме позволил установить, что достаточ-

но изучены лишь процессы увлажнения изоляции. Однако на практике часто встречаются и другие деструктивные факторы, связанные с физической деградацией и нарушением целостности изоляционного слоя. Такие дефекты изоляции недостаточно освещены в современной литературе.

Ограниченность и недостатки известных инструментов оценки тепловых потерь создали необходимость разработки новой методики, позволяющей объективно анализировать потери тепловой энергии во всей тепловой сети с учетом возможных нештатных режимов эксплуатации конкретных ее участков.

Во второй главе сформулирована задача анализа тепловых потерь при транспортировании теплоносителя на основе декомпозиционного подхода, позволяющего учитывать условия эксплуатации трубопроводов и состояние изоляции по их длине. Предложены способы определения потерь тепловой энергии с поверхности трубопроводов для наиболее часто встречающихся на практике дефектов изоляции: увлажнение, деформация, полное или частичное разрушение. Приведен алгоритм зарегистрированного программного комплекса, реализованного на базе пакета прикладных программ Ма11аЬ.

Апробация предлагаемой методики оценки потерь тепловой энергии проводится на примере фрагмента типичной двухтрубной тепловой сети г. Мари-инска (Кемеровская область) (рис. 1).

0-

S

3

ц . f . L2 ,f,LS . f . Ц .f, Ц

L27

П5Г

139

L£

1

L7 . f . L8

i 1ш

LIO

-pD

Ш

trwt,

JAL.

125

[™f

ш

ж.

ш

ш

ш

Рис. 1. Фрагмент типичной двухтрубной тепловой сети: И - источник теплоснабжения, L1 -L30 - характерные участки тепловой сети с различными условиями прокладки и состоянием изоляции, ГТ1 - П8 - потребители тепловой сети № 1 - 8

На первом этапе декомпозиция проводится в зависимости от способа прокладки. В частности, в рассматриваемом примере тепловой сети участки L6 -L10 проложены надземным способом, остальные - подземным в непроходных каналах. Затем тепловая сеть разбивается на участки, различающиеся видами изоляции: Ll - L19 изолированы пенополиуретаном (ППУ), L20 - L30 - минеральной ватой (МВ). На последнем этапе детализации по результатам визуаль-

ных осмотров, инструментальных диагностик теплотрассы, по статистическим данным, а также с учетом информации о районе прокладки проводится выделение участков, отличающихся условиями эксплуатации и состоянием изоляции по длине трубопроводов (табл. 1).

Таблица 1 - Характеристики участков тепловой сети

№ п/п Условия эксплуатации и состояние изоляции Номера участков (Ь)

1 Влажный воздух в канале 1, 2, 5, 20, 22

2 Деформация изоляции 3,12

3 Увлажнение изоляции 100 % 4, 11, 17,21

4 Проектные условия 6, 7, 8, 13,23,24, 27,30

5 Разрушение изоляции на 50 % 9

6 Отсутствует изоляция 10, 14, 16, 19, 26

7 Увлажнение изоляции 40 % 15

8 Увлажнение изоляции 80 % 18, 28

9 Увлажнение изоляции 60 % 25

10 Увлажнение изоляции 50 % 29

Задача оценки потерь теплоты решалась при следующих допущениях:

1. Не учитываются термические сопротивления стенок трубопроводов и каналов, поскольку они много меньше термического сопротивления слоя изоляции.

2. Изменение теплофизических характеристик в рассматриваемом температурном диапазоне несущественно.

3. В условиях затопления канала водой не рассматривается переходный процесс проникновения влаги в теплоизоляционный материал. На практике этот процесс занимает значительно меньший интервал времени по сравнению с продолжительностью пребывания трубопроводов в состоянии затопления.

4. Не рассматривается процесс испарения воды в слое изоляции и на внешнем контуре. При рабочих температурах тепловой сети эффект испарения незначителен.

5. Расчеты справедливы для закрытой системы теплоснабжения.

6. Отсутствуют утечки теплоносителя.

Принятые допущения не накладывают принципиальных ограничений на общность постановки задачи и отражают реальный режим работы теплотрассы.

Методика определения тепловых потерь при транспортировании теплоносителя, основанная на декомпозиции тепловой сети, базируется на положениях СП 41-103-2000 и соотношениях теории стационарной теплопроводности. Однако в отличие от известного способа расчета особое внимание уделено основным теплофизическим характеристикам, оказывающим наибольшее влияние на термическое сопротивление теплоизоляционной конструкции.

Удельные тепловые потери изолированного трубопровода определяются по соотношению, Вт/м:

*-(t,-th)

1

2-Я,

-ln-

d2aH

где тв— температура теплоносителя в трубопроводе, К; тн- температура окружающей среды, К; Яиз- коэффициент теплопроводности слоя изоляции, Вт/(мК); ан - полный коэффициент теплоотдачи от поверхности изоляции к окружающей среде, Вт/(м2-К); d2 - наружный диаметр изолированного трубопровода, м; di - наружный диаметр неизолированного трубопровода, м.

При расчете тепловых потерь подземных трубопроводов неизвестными величинами являются температуры воздуха в канале и поверхности изоляции. Обычно задача определения тепловых потерь решается методом последовательных приближений: задаются коэффициентом теплоотдачи на наружной поверхности теплопровода, определяют тепловые потери и температуру поверхности, затем проверяют расхождение принятой и расчетной величины ан. Разработанный программный комплекс позволяет достаточно точно оценивать тепловые потери за счет реализованного в алгоритме пошагового расчета. На каждом шаге вычисляются значения температур поверхности изоляции, воздуха в канале и коэффициента теплоотдачи от поверхности трубопровода.

Анализ тепловых потерь проводится с учетом изменения теплозащитных свойств изоляции под влиянием основных эксплуатационных факторов по следующим соотношениям.

1. Увлажнение изоляции.

Результирующий (эффективный) коэффициент теплопроводности увлажненной изоляции складывается из коэффициента теплопроводности каркаса (равен справочному значению коэффициента теплопроводности сухого материала) и теплопроводности воды. Допустимое содержание влаги ограничивается величиной открытой пористости теплоизоляции, которая существенно зависит от ее вида. В частности для волокнистых материалов, таких как минеральная вата, значение открытой пористости составляет / =0,73 от единицы объема изоляции, в то время как пористость пенополиуретана всего 0,1.

Эффективная теплопроводность увлажненной изоляции:

¿»^'flo+VWic. <рю+<рж=1> <"=/' (2)

где <рт,(рх~ объемная доля каркаса изоляции и жидкости в единице объема материала соответственно; Л^, справочный коэффициент теплопроводности изоляции и жидкости соответственно, Вт/(м-К); максимальная объемная

доля жидкости в изоляционном материале; /-открытая пористость изоляции.

2. Высокая относительная влажность воздуха в канале.

Эксплуатация подземных трубопроводов в условиях взаимодействия с влажным воздухом - достаточно распространенная ситуация на практике, т.к. большинство непроходных каналов не вентилируется. Влага, содержащаяся в воздухе, со временем проникает в пористую структуру теплоизоляции под действием диффузионного механизма массопереноса, увеличивая ее коэффициент теплопроводности.

Эффективная теплопроводность- изоляции определяется по соотношению (2), но максимальная объемная доля жидкости в изоляции (^J") лимитируется не открытой пористостью /, а содержанием влаги в воздухе при его относительной влажности 100 %.

3. Полное или частичное разрушение изоляции.

В случае полного отсутствия изоляции на трубопроводе расчет тепловых потерь проводится по выражению (1) с исключением из знаменателя термического сопротивления слоя изоляции.

Наибольшие трудности составляет определение тепловых потерь при нарушении целостности изоляционного слоя, под которым понимается частичное отсутствие теплоизоляционного покрытия на поверхности трубы (трещины и другие повреждения, вызванные некачественным монтажом, физическим старением изоляционной конструкций). Нарушение целостности слоя изоляции имитируется исключением из области решения сегмента, размеры которого соответствуют объемной доле отсутствующей части изоляции (рис. 2).

Учесть частичное разрушение теплоизоляции в выражении (1) не представляется возможным, поэтому определение тепловых потерь проводится по соотношениям (3) - (5). В работе показано, что погрешность расчета по выражению (1) и по выражениям (3) - (5) не превышает 9 % для трубопроводов 0 50 - 150 мм и 1 % для 0 200 мм и более.

Известно, что перетекание теплоты по угловой координате в изоляционном слое незначительно, поэтому тепловой поток при частичном отсутствии изоляции рассчитывается отдельно для изолированной поверхности трубопровода и неизолированного сегмента.

Тепловой поток через изолированную поверхность определяется по выражению, Вт/м2:

Рис.2. Сечение трубопровода с частично отсутствующей изоляцией

т -т

яп=4(3)

5из | 1

^из ан

где Sm-толщина теплоизоляции трубопровода, м.

Тепловой поток через неизолированную поверхность определяется

по выражению (3) с исключением из знаменателя термического сопротивления слоя изоляции и с учетом изменения коэффициента теплоотдачи на внешнем контуре.

Результирующие линейные тепловые потери с единицы длины трубопровода равны, Вт/м:

4l ~ я fi ' lокр\ + qf2 ' lq

(4)

lqkpi — w ' 1*0.

(5)

где Lokpi - длина дуги изолированной части окружности трубопровода, м, Ь0кп -длина дуги неизолированного части окружности трубопровода, м, L0kp - длина дуги окружности трубопровода, м, у/ - объемная доля отсутствующей изоляции.

4. Умеренная деформация.

В работе рассматривается пример умеренной деформации изоляции, выражающийся в уплотнении верхней части изоляции на величину, равную полутолщине слоя, и провисании в нижней части с образованием воздушной прослойки между стальной трубой и изоляцией. Величина воздушной прослойки принимается равной толщине уплотненной изоляции в верхней части конструкции.

Для оценки тепловых потерь область решения условно разбивается на 4 равных сегмента (рис. 3). Количество частей разбиения обусловлено достижением приемлемой точности результатов для практических расчетов.

Тепловой поток через верхнюю поверхность (qFB) рассчитывается по выражению (3) с учетом уменьшения толщины слоя изоляции в 2 раза.

Тепловой поток через боковую поверхность (qFE) определяется по выражению (3).

Тепловой поток через нижнюю поверхность определяется по выражению, Вт/м":

Рис. 3. Схема области решения для теплопровода с умеренно деформированной изоляцией: Цкв, Чгс, Црн - тепловой поток через верхнюю, боковую и нижнюю поверхность трубопровода, соответственно, Вт/м2, Ь„, - толщина изоляции, мм

4fh=-

тя-т„

>из | 5тп |

^эф.в ан

где ЛЭФ в - эффективная теплопроводность воздушной прослойки между стенкой стальной трубы и провисшей изоляцией, Вт/'(м-К):

дэф.я = 0,18 • Аа ■ (сгг ■ Рг)"",

где Ав- коэффициент теплопроводности сухого воздуха, Вт/(м-К); Сг- число Грасгофа; Рг - число Прандтля.

Тепловые потери теплопровода с деформированной изоляцией равны сумме произведений тепловых потоков на длину дуги соответствующего сегмента.

Предложенные алгоритмы определения потерь в сетях теплоснабжения с учетом дефектов изоляции на конкретных участках трубопроводов реализованы в «Программном комплексе по расчету фактических тепловых потерь и падения температуры теплоносителя по длине трубопровода в действующих тепловых сетях» (Свидетельство о государственной регистрации № 2011618250 от 19.10.11 г.). Разработанная программа позволяет оптимизировать длительность расчетов при практическом использовании декомпозиционного подхода.

В третьей главе приведены результаты определения тепловых потерь и падения температуры теплоносителя по длине трубопроводов на примере фрагмента типичной тепловой сети (рис. 1), выполнен анализ влияния основных эксплуатационных факторов на удельные потери тепловой энергии. Показаны преимущества применения декомпозиционного подхода для определения тепловых потерь по сравнению с известным теплотехническим расчетом. Проведена оценка достоверности полученных результатов.

Установлено, что наиболее существенно температура теплоносителя в трубопроводе падает на участках, эксплуатирующихся в осложненных условиях (рис. 4, а). Например, на пути до потребителя П4 резкое изменение температуры соответствует участкам с отсутствующей изоляцией или со значительным ее увлажнением (табл. 1). Применение минеральной ваты (П6, П7, П8) обуславливает транспортирование теплоносителя с пониженным теплосодержанием, по сравнению с использованием изоляции из ППУ (П1 - П5).

а) б)

Рис.4. Изменение температуры по длине теплотрассы: теплоносителя (а); поверхности изоляции (6)

Температура на поверхности изоляции (Т„3) (рис. 4, б) изменяется нелинейно. Пиковые значения температур соответствуют дефектам изоляционных конструкций. Аналогичное температурное распределение (рис. 4, б) может быть зарегистрировано при тепловизионной съемке теплотрассы, что предоставляет возможность установления местоположения, но не вида дефекта изоляции. Сопоставление значений температур, полученных при тепловизионной съемке и рассчитанных в разработанном программном комплексе, создает условия для интерпретации температурного поля на поверхности трубопровода и прогнозирования дефекта изоляции, вызвавшего рост температуры.

В работе в качестве примера исследованы потери теплоты в типичной сети теплоснабжения (рис.1) с учетом условий эксплуатации и неоднородности теплозащитных свойств изоляции конкретных участков трубопроводов. Проведено сравнение расчетных потерь (<Зрас) с проектными значениями (С?пр) (рис. 5).

[■Орас 1<Ю 204 96 159 174 137 154 217 |О0рас| 73 97 | 35 | 57 | 63 | 37 | 34 | 61 | а) б)

Рис. 5. Сравнение проектных и расчетных тепловых потерь сети теплоснабжения: подающий трубопровод (а), обратный трубопровод (б)

Установлено, что для потребителей П1 - П8 расчетные потери теплоты на 10...55 % превышают проектные.

Полученные результаты (рис. 5) позволяют сделать вывод о перспективности применения методики, основанной на декомпозиционном подходе, для уточненной аналитической оценки потерь в сетях по сравнению с известным теплотехническим расчетом. Чем большая часть трубопроводов тепловой сети эксплуатируется в нештатных режимах, тем существеннее погрешность определения тепловых потерь по СП 41-103-2000, и тем очевиднее преимущество предлагаемой методики.

По результатам выполненного анализа нормативных потерь теплоты рассматриваемого фрагмента типичной тепловой сети (рис. 1) можно отметить, что, например, для потребителей П1 - П5 (трубопроводы изолированы ППУ) величина расчетных потерь около 30 % ниже нормативной (рис. 6) (несмотря на то, что расчетные тепловые потери, как показано ранее, существенно превысили проектные значения).

300

200

100

д. кВт

■ (¡»нормативные □ (^проектные (¿расчетные

Таблица 2 - Удельные тепловые потери подземных трубопроводов раз-

ШПII I I

IIИ И ПИ III

¿У, мм Удельные тепловые потери, Вт/м Отклонение, %

Норматив Проект

50 36 23 36

100 50 36 28

150 59 42 29

300 84 60 29

400 98 62 37

600 128 86 33

800 157 110 30

П1 П2 ПЗ П4 П5 П6 П7 П8

Рис. 6. Сравнение нормативных, проектных и расчетных потерь теплоты в тепловой сети для потребителей № 1 - 8

Подробные исследования удельных тепловых потерь подземных трубопроводов различных диаметров (с1у) (табл. 2), изолированных пенополиуретаном с коэффициентом теплопроводности 0,035 Вт/(м К) и толщиной по ГОСТ 30732-2006 позволили сделать следующие выводы.

Во-первых, существующие нормативы тепловых потерь существенно завышены для современных изоляционных материалов. В связи с этим предлагается скорректировать действующие нормы. Рекомендуется ввести градацию нормативных потерь теплоты в зависимости от термического сопротивления теплоизоляционной конструкции. Прежние значения оставить для нормирования потерь через изоляции с коэффициентами теплопроводности более 0,035 Вт/(м К). Для материалов с коэффициентами теплопроводности 0,035 Вт/(м-К) и менее имеется возможность снизить нормативы до 28 % (табл. 2). Такая корректировка позволит эффективно использовать преимущества современных изоляционных материалов при передаче тепловой энергии от источника до потребителей.

Во-вторых, при оценке тепловых потерь в сетях не рекомендуется усреднять теплофизические характеристики изоляции по всей протяженности теплопроводов. Средние по теплотрассе потери часто удовлетворяют нормативам, в то время как на отдельных участках расчетные тепловые потери могут кратно превышать нормативные значения (рис. 7).

Для иллюстрации рассмотрен

конкретный пример фрагмента маги-

0 1000 2000 3000 4000 5000 1 V V ~г г

„ „ „ стрального трубопровода с условным

Рис.7. Тепловые потери через ' „

диаметром 600 мм, протяженностью пенополиуретановую изоляцию «I- > I

1200

800

400

ц. Вт/м

—q —ч .....я расчета норматр усредне ые вные иные

Ь, м

5450 м, изолированного ППУ. Изменение нормативных, расчетных и усредненных тепловых потерь по длине трубопровода приведено на рис. 7.

Как видно из рис. 7, при определении тепловых потерь с учетом неоднородности изоляции по длине трубопровода на отдельных участках наблюдаются аномально высокие расчетные тепловые потери, которые при усреднении нивелируются в общей сумме потерь.

Усредненный расчет и завышенные нормативы затрудняют качественную оценку реального технического состояния трубопроводов и не отражают возможного потенциала энергосбережения в системе транспортирования тепловой энергии.

Значительная экономия энергетических ресурсов может быть достигнута за счет локальных ремонтно-изоляционных работ на конкретных участках теплотрассы с аномальными тепловыми потерями. Декомпозиция тепловой сети и предлагаемые расчетные алгоритмы создают в частности предпосылки и для обоснованного выбора конкретных участков трубопроводов с высокими потерями, составления планов первоочередных ремонтных мероприятий и оценки их срока окупаемости.

Проведенное исследование влияния распространенных дефектов изоляции на удельные тепловые потери позволило установить наиболее значимые эксплуатационные факторы (табл. 3).

Таблица 3 - Сравнение удельных потерь теплоты при различных условиях эксплуатации и состоянии изоляции_

№ п/п Условия эксплуатации Удельные расчетные потери (Чрас), Вт/М Ярас/Ячр

ППУ МВ ППУ МВ

1 Проектные 61,4 90,2 1 1

2 Влажность воздуха в канале 100 % 74,5 99,3 1,2 М

3 Увлажнение изоляции на 20 % 82,1 187,9 1,3 2,1

4 Увлажнение изоляции на 40 % 102 270,9 1,7 3

5 Увлажнение изоляции на 60 % 121,1 342,2 2 3,8

6 Увлажнение изоляции на 80 % 139,6 404,2 2,3 4,5

7 Увлажнение изоляции на 100 % 157,6 458,5 2,6 5,1

8 Разрушение изоляции на 1/4 458,4 500,8 7,5 5,6

9 Разрушение изоляции на 2/4 855,5 911,7 13,9 10,1

10 Разрушение изоляции на 3/4 1252,6 1322,5 20,4 14,7

11 Полное разрушение изоляции 1426,1 1426,1 23,2 15,8

12 Умеренная деформация изоляции 89,6 125,8 1,5 1,4

Наибольшее увеличение тепловых потерь, как и следовало ожидать, вызывает разрушение изоляции. К значительному росту потерь (до 5 раз) приводит ее увлажнение (табл. 3). Особенно негативно влага влияет на изоляцию из минеральной ваты. Ввиду волокнистой структуры МВ увлажняется практически

мгновенно и после высыхания не восстанавливает первоначальные теплозащитные свойства. Умеренная деформация изоляции увеличивает тепловые потери до 1,5 раз.

Важным преимуществом разработанной методики, основанной на декомпозиционном подходе, является возможность анализа изменения температуры воздуха в канале по длине подземных трубопроводов. В работе показано, что температура канального воздуха оказывает существенное влияние на точность результатов расчета тепловых потерь. Часто принимаемое в литературе допущение, что температура воздуха остается постоянной на всем протяжении подземной теплотрассы может привести к ошибочной оценке потерь теплоты. Реализованные в программном комплексе алгоритмы позволяют пересчитывать действительную температуру в канале на каждом шаге, что существенно снижает погрешность определения потерь.

Достоверность предложенных алгоритмов оценки потерь тепловой энергии подтверждается корреляцией результатов расчета с экспериментальными данными, полученными при проведении испытаний на участках тепловых сетей, находящихся на балансе ТГК -11, а также с результатами энергоаудитов, отраженных в публикациях специалистов ОАО «Теплопроект» Шойхета Б.М, Став-рицкой JI.B., и с теоретическими следствиями авторов Кузнецова Г.В., Полов-никова В.Ю., Рахимовой Ю.Н., Мунябина Л.И., Арефьева H.H.

В четвертой главе проведен анализ теоретически возможного потенциала энергосбережения на примере фрагмента тепловой сети г. Мариинска (рис.1). Выработаны практические рекомендации по применению известных видов изоляции для осложненных условий эксплуатации тепловых сетей. Выполнен экономический расчет целесообразности ремонтно-изоляционных работ отдельных участков теплотрассы с высокими тепловыми потерями. Установлены сроки окупаемости мероприятий.

Для рассматриваемого фрагмента типичной тепловой сети из восьми потребителей (рис. 1) суммарный потенциал энергосбережения составляет 414 кВт тепловой мощности, что эквивалентно экономии в 13 056 ГДж тепловой энергии ежегодно. Указанный потенциал энергосбережения реализуем за счет своевременных локальных ремонтных работ на участках трубопроводов с тепловыми потерями, значительно превышающими проектный уровень.

Экономическое обоснование рентабельности ремонтно-восстановительных и гидроизоляционных работ позволило установить, что целесообразной является замена изоляции при ее сильном увлажнении и полном или частичном разрушении. В остальных случаях (влажность воздуха в канале до 100 % и деформация изоляции) срок окупаемости дорогостоящих земляных и прочих работ превысит расчетный срок службы теплопроводов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

На основании выполненных исследований получено решение актуальной научно-практической задачи оценки потерь тепловой энергии через теплоизоляционные конструкции трубопроводов тепловых сетей.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Анализ существующих способов определения тепловых потерь в сетях теплоснабжения показал:

- экспериментальный метод установления потерь тепловой энергии (РД 34.09.255-97) имеет ряд технологических ограничений, что не позволяет проводить регулярные испытания на всех участках тепловых сетей.

- теоретический способ определения потерь теплоты (СП 41-103-2000) не учитывает изменение теплозащитных свойств изоляции в эксплуатационных условиях, поэтому существенно занижает уровень транспортных потерь.

2. Предлагаемая методика оценки тепловых потерь на основе декомпозиционного подхода впервые учитывает условия эксплуатации и возможные дефекты изоляции отдельных участков трубопроводов, что существенно увеличивает точность теоретического определения потерь теплоты по сравнению с традиционным теплотехническим расчетом. Отсутствие ограничений по конфигурации тепловых сетей, а также автоматизация расчетных алгоритмов позволяют применять предлагаемую методику на практике для установления потерь теплоты трубопроводов без их испытаний.

3. По результатам проведенных исследований влияния основных эксплуатационных факторов (затопление, увлажнение, полное или частичное разрушение, деформация изоляции) на удельные тепловые потери установлено, что усреднение теплофизических характеристик изоляционных материалов при оценке тепловых потерь может привести к значительной погрешности, т.к. сверхнормативные потери теплоты на одних участках нивелируются заниженными относительно нормативного уровня потерями на других участках.

4. Применение декомпозиционного подхода для оценки тепловых потерь позволило выявить и научно обосновать возможность снижения нормативов потерь до 28 % для изоляционных материалов с коэффициентом теплопроводности 0,035 Вт/(м-К) и менее. Корректировка установленных норм и строгий контроль над их соблюдением посредством предлагаемой методики может обеспечить значительную экономию энергоресурсов при их транспортировании и способствовать практической реализации основных положений ФЗ № 261.

5. Разработанный программный комплекс для оценки тепловых потерь и температуры теплоносителя создает условия для обоснованного планирования первоочередных ремонтных работ на конкретных участках теплотрассы с высокими потерями теплоты, а также позволяет интерпретировать результаты тепло-визионной съемки и идентифицировать дефекты изоляции на основании сопоставления зарегистрированных и расчетных значений температур на поверхности трубопроводов.

6. Выполненное экономическое обоснование рентабельности ремонтных мероприятий, связанных с устранением нештатных режимов работы трубопроводов и восстановлением изоляционного покрытия позволило установить, что срок окупаемости замены разрушенной изоляции составляет 2-4 года. Окупаемость работ по осушению каналов, прочистке дренажей, восстановлению гидроизоля-

ции железобетонных перекрытий составляет 5-12 лет в зависимости от вида

изоляции и масштабности ее увлажнения. Нерациональными являются мероприятия по замене деформированной изоляции и осушению воздуха в каналах.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи по перечню ВАК:

1 Кузнецов Г.В., Озерова И.П., Половников В.Ю., Цыганкова Ю.С. Оценка фактических потерь тепла при транспортировке теплоносителя с учетом технического состояния и реальных условий эксплуатации тепловых сетей // Известия Томского политехнического университета. - 2011. - Т. 319. - № 4 - С. 56 - 60.

2 Цыганкова Ю.С. Декомпозиционный подход к расчету потерь теплоты в тепловых сетях // Научно-технические ведомости СПбГПУ .- 2012,- № 1- С. 75 -81.

3 Кузнецов Г.В., Озерова И.П., Половников В.Ю., Цыганкова Ю.С. Оценка потенциала энергосбережения в системе транспортирования тепловой энергии // Энергетик - 2012,- № 4 - С. 38 - 40.

Другие публикации:

4 Цыганкова Ю.С. Энергоэффективность системы транспорта тепловой энергии // Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых-Екатеринбург: УрФУ, 2011. - С. 249 - 252.

5 Кузнецов Г.В., Озерова И.П., Половников В.Ю., Цыганкова Ю.С. Потенциал энергосбережения при оценке фактических потерь тепла при транспортировке теплоносителя в тепловых сетях // VII Всероссийский семинар ВУЗов по теплофизике и теплоэнергетике: Сборник докладов - Кемерово: Изд-во. КузГТУ, 2011,-С. 78-81.

6 Кузнецов Г.В., Озерова И.П., Половников В.Ю., Цыганкова Ю.С. Энергосбережение при передаче тепловой энергии в ЖКХ // Энергообеспечение и энергосбережение - региональный аспект: Материалы докладов ХП Всероссийского совещания - Томск: Изд-во «СПБ Графике», 2011.-С.51 - 55.

7 Кузнецов Г.В., Озерова И.П., Половников В.Ю., Цыганкова Ю.С. Оценка влияния нештатных условий эксплуатации тепловых сетей на увеличение транспортных тепловых потерь // Энергетика: эффективность, надежность, безопасность: Материалы докладов XVII Всероссийской научно-технической конференции-Томск: Изд-во «СПБ Графике», 2011- С. 215 -217.

8 Кузнецов Г.В., Озерова И.П., Половников В.Ю., Цыганкова Ю.С. Возможности теплосбережения в системе транспорта тепловой энергии // Энергетика: эффективность, надежность, безопасность: Материалы докладов XVII Всероссийской научно-технической конференции- Томск: Изд-во «СПБ Графике», 2011.- С. 217 - 220.

9 Половников В.Ю., Цыганкова Ю.С. Определение потерь тепла через теплоизоляционные конструкции теплотрубопроводов // Энергия и человек:

Сборник трудов Международной молодежной научной школы - Томск: Изд-во ТПУ, 2011. - С. 222 - 226.

10 Кузнецов Г.В., Озерова И.П., Половников В.Ю., Цыганкова Ю.С. Декомпозиционный подход к оценке тепловых потерь в сетях централизованного теплоснабжения // Повышение эффективности энергетического оборудования: Материалы VI международной научно-практической конференции-Иваново: ФГБОУ ВПО «Ивановский государ, энергетический университет им. В.И. Ленина», 2011- С. 280 - 284.

11 Кузнецов Г.В., Озерова И.П., Половников В.Ю., Цыганкова Ю.С. Оценка изменения теплозащитных свойств изоляции в процессе эксплуатации тепловых сетей // Повышение эффективности энергетического оборудования: Материалы VI Международной научно-практической конференции - Иваново: ФГБОУ ВПО «Ивановский государ, энергетический университет им. В.И. Ленина», 2011С. 284 - 289.

12 Кузнецов Г.В., Озерова И.П., Половников В.Ю., Цыганкова Ю.С. Энергоэффективность системы теплоснабжения // Рынки конечных энергетических услуг. Условия формирования и развития: Сборник трудов Всероссийской научно-технической конференции - Томск: Изд-во ТПУ, 2011.- С. 42 -45.

13 Цыганкова Ю.С. Декомпозиционный подход к определению потерь тепла в тепловых сетях (на примере промплощадки ЮР-5 Юрубчено-Тохомского месторождения) // V региональная научно-техническая конференция молодых специалистов ОАО «ТомскНИПИнефть»: Тезисы докладов.- Томск: ТМЛ-Пресс, 2012 - С. 280 - 286.

14 Цыганкова Ю.С. Программный комплекс по расчету фактических тепловых потерь и падения температуры теплоносителя по длине трубопровода в действующих тепловых сетях // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011618250 - Бюлл. прогр. № 4,2011.

Подписано к печати 16.04.2012. Формат 60*84/16. Бумага «Снегурочка». Печать XEROX. Усл. печ. л. 1,16. Уч.-изд. л. 1,05.

_Заказ 462-12. Тираж 110 экз._

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Система менеджмента качества Издательства Томского политехнического университета сертифицирована NATIONAL QUALIFY ASSURANCE по стандарту BS EN ISO 9001:2008

ИЗЛАПДЬСТВоЭ^ТПУ. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30 Тел/факс: +7 (3822) 56-35-35, www.tpu.ru

12-132 35

О

2012089688

2012089688

61 12-5/3074

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

Цыганкова Юлия Сергеевна

ОЦЕНКА ТРАНСПОРТНЫХ ПОТЕРЬ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ЧЕРЕЗ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ КОНСТРУКЦИИ ТРУБОПРОВОДОВ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Кузнецов Г.В.

Томск - 2012

Оглавление

Введение...............................................................................................................5

Глава 1. Современные подходы к определению тепловых потерь..................18

1.1 Недостатки известных методик оценки потерь теплоты.........................18

1.2 Анализ официальных методов определения тепловых потерь...............26

1.2.1 Определение часовых потерь теплоты по нормативам........................28

1.2.2 Определение часовых потерь теплоты по экспериментальным данным ..............................................................................................................................31

1.2.3 Определение часовых потерь теплоты по приборам учета..................35

1.2.4 Определение часовых потерь теплоты по теплотехническому расчету ..............................................................................................................................36

1.3 Основные факторы, влияющие на теплозащитные свойства

изоляционного материала.................................................................................40

1.5 Основные выводы........................................................................................50

Глава 2. Постановка задачи определения тепловых потерь в сетях теплоснабжения и метод решения.......................................................................52

2.1 Физическая постановка задачи...................................................................52

2.2 Метод решения задачи................................................................................58

2.3 Алгоритм решения задачи..........................................................................74

Глава 3. Анализ результатов................................................................................80

3.1 Оценка падения температуры теплоносителя по длине теплопроводов80

3.2 Оценка тепловых потерь.............................................................................86

3.3 Анализ влияния эксплуатационных факторов на удельные тепловые потери................................................................................................................101

3.4 Преимущества применения декомпозиционного подхода при расчете тепловых потерь...............................................................................................108

3.5 Оценка достоверности полученных результатов...................................113

3.6 Основные выводы......................................................................................123

Глава 4. Энергосбережение................................................................................126

4.1 Расчет потенциала энергосбережения в тепловых сетях.......................126

4.2 Практические рекомендации по выбору и применению теплоизоляции

............................................................................................................................130

4.3 Экономический расчет..............................................................................139

Заключение..........................................................................................................151

Список литературы.............................................................................................153

Приложение А.....................................................................................................176

Приложение Б......................................................................................................177

Приложение В......................................................................................................178

Приложение Г......................................................................................................179

Приложение Д......................................................................................................180

Сокращения и обозначения

АПБ - армопенобетон,

АПБ - У - армопенобетон улучшенный,

ВПЭ - вспененный полиэтилен,

ГИС - геоинформационный системы,

ДФО - дальневосточный федеральный округ,

ЖКХ - жилищно-коммунальное хозяйство,

ИТ - вспененный вермикулит,

МВ - минеральная вата,

ОДК - оперативный дистанционный контроль,

ПБИ - полимерпенобетон,

ППМ - пенополимерминерал,

ППУ - пенополиуретан,

ПФО - приволжский федеральный округ,

РЭК - региональная энергетическая комиссия,

СЗФО - северо-западный федеральный округ,

СФО - сибирский федеральный округ,

ТЭР - топливно - энергетические ресурсы,

ТЭС - теплоэлектростанция,

ТЭЦ - теплоэлектроцентраль,

УФО - уральский федеральный округ,

ФП - фенольные поропласты марок ФЛ,

ЦФО - центральный федеральный округ,

ЮФО - южный федеральный округ.

Введение

Повышение эффективности использования энергетических ресурсов и энергосбережение становятся в настоящее время одними из приоритетных направлений общественной политики России [1]. Производственные мощности постоянно растут, при этом наблюдаются прогнозируемый дефицит первичных энергоресурсов и недостаток прироста электро- и теплогенерирующих мощностей [2].

Суровые климатические условия России предопределяют теплоснабжение, как наиболее топливоёмкую и в тоже время неэффективную отрасль топливно-энергетического комплекса. В ней потребляется примерно 40 % [3] первичных энергоресурсов страны, при этом потенциал энергосбережения составляет до 50 % используемого топлива.

Процесс теплоснабжения в общем случае состоит из 3 основных этапов: генерация тепловой энергии на источнике, транспортировка ее до конечных абонентов и потребление.

С целью достижения эффективности процесса генерации [4] тепловое хозяйство России в течение длительного периода времени развивалось по пути концентрации тепловых нагрузок и централизации теплоснабжения на основе комбинированной выработки тепловой и электрической энергии. Это привело к тому, что в стране за счет теплоэлектроцентралей покрывается основная доля тепловой нагрузки крупных и средних городов [5] (около 72 % всей тепловой энергии производится централизованными источниками [3]). Однако массовое стремление к увеличению эффективности процесса генерации неизбежно привело к строительству протяженных и сложно-разветвленных тепловых сетей в России [6]. На территории страны проложено около 180 тысяч км тепловых сетей (в двухтрубном исчислении) с трубами диаметрами от 57 до 1400 мм [7]. Радиусы теплоснабжения в

отдельных городах превышают 30 км, что вызывает также значительный расход электроэнергии на перекачку теплоносителя.

Практически вся теплосеть РФ создавалась в период массового жилищного строительства 60 - 80-х гг. XX века [8]. После 1991 г. застройка почти не велась, объем гражданского строительства резко сократился, а частные компании подключали новые постройки к существующим сетям теплоснабжения, не прокладывая новые. На сегодняшний день теплопроводы сильно устарели. Их общее состояние специалистами оценивается как неудовлетворительное [9 - 15] (до 60 % теплосетей нуждаются в модернизации и перекладке [16]). Технический уровень действующих в России теплотрасс соответствует лишь уровню 1960-х годов зарубежных стран.

Недостаточное финансирование, значительные протяженности и низкие темпы реконструкции тепловых сетей в стране привели к тому, что существенная доля трубопроводов длительное время эксплуатируется в нештатных режимах, сопровождающихся высоким уровнем непроизводительных тепловых потерь. Ежегодно по стране в состоянии затопления находится около 12 % теплотрасс [17], с разрушенным изоляционным покрытием могут быть до 10 % трубопроводов [18]. По данным Госэнергонадзора потери теплоты в тепловых сетях достигают 30 % [3] от генерации, причем эта величина постоянно растет (рис. 1) [7]. Для сравнения за рубежом уровень потерь составляет всего 6 - 8 % [16].

Неоднократно предпринимались намерения улучшить сложившуюся

ситуацию в теплоснабжении страны. Они отразились в большом количестве

правительственных и отраслевых постановлений, которые, однако, оказались

невыполненными, поскольку не были подкреплены научно-методическим и

материально-техническим обеспечением. Отсутствие доступных

инструментов контроля тепловых потерь не позволило своевременно

выявлять участки теплотрасс с нарушенным режимом работы, в

6

значительной мере влияющих на эффективность системы транспортирования тепловой энергии. Проблема достоверного определения потерь тепловой энергии в тепловых сетях актуальна до настоящего времени.

3 120000

6 а.

115000

110000

105000

95000

90000

т

112090

114090

■

115978

У

120305

2003

2005

Рисунок 1 - Динамика изменения потерь в тепловых сетях РФ [7]

Тепловые потери являются важным показателем работы теплопроводов, который характеризует эффективность расходования топливно-энергетических ресурсов, степень воздействия на окружающую среду, а также техническое состояние самих трубопроводов [19].

В общем случае потери при передаче и распределении тепловой энергии в сетях складываются из [20]:

1) потерь тепловой энергии, обусловленных потерями теплоносителя;

2) потерь тепловой энергии вследствие теплопередачи через изоляционные конструкции.

Значительное количество теплоты теряется с нормативными утечками

теплоносителя: технологические сливы средствами автоматизации, потери

через неплотности в арматуре, трубопроводах и другие утечки сетевой воды,

возникающие в процессе эксплуатации. Такие потери можно определить по

фактической подпитке тепловой сети при наличии соответствующих данных

7

на источнике тепловой энергии, а при их отсутствии рассчитать нормативные значения [21].

Особый интерес вызывает определение потерь в сетях централизованного теплоснабжения в результате теплопередачи через изоляционные конструкции трубопроводов [22].

Анализ потерь посредством теплопереноса является достаточно трудной задачей. Аналитический способ требует точной оценки множества коэффициентов, входящих в расчетные выражения (например, фактических значений коэффициентов теплопроводности изоляционных и строительных конструкций, грунта и т.п.) [23, 24].

В процессе длительной эксплуатации сетей теплоснабжения вследствие влияния ряда сложных физико - химических процессов на отдельных участках трубопроводов происходит частичное или полное разрушение изоляции, ее деформация, проникновение влаги в канал и непосредственно в слой изоляции. Это приводит к существенному изменению коэффициента теплопроводности изоляционного материала. Поэтому в эксплуатационных условиях фактические теплозащитные свойства изоляционных конструкций значительно отличаются от справочных значений. Работа трубопроводов в таких условиях сопровождается интенсификацией теплоотдачи с их поверхности. Поэтому для корректного определения транспортных потерь в тепловой сети необходимо учитывать изменение коэффициентов теплопроводности изоляции на конкретных участках теплотрассы под влиянием возможных нештатных режимов работы.

Традиционный теплотехнический расчет [25 - 28], основанный на законах теплопроводности Фурье и внешнего теплообмена Ньютона, не учитывает процессы влагообмена в изоляционном слое, режимы работы отдельных участков трубопроводов и деградацию изоляции в процессе длительной эксплуатации, что приводит к значительным погрешностям в расчетах и занижению тепловых потерь [29].

Вопросом анализа потерь через теплоизоляционные конструкции трубопроводов при передаче теплоносителя занимались многие исследователи: A.B. Шишкин, С.А. Байбаков, B.JI. Гудзюк, Е.В. Шомов, B.C. Слепченок, Г.П. Петраков, А.Н. Рондель, H.H. Шаповалов, Л.И. Мунябин, H.H. Арефьев, В.В. Иванов, C.B. Черныш, Н.В. Букаров, В.В. Василенко, В.Г. Семенов, В.Г. Хромченков, Г.В. Иванов, Г.В. Кузнецов, В.Ю. Половников, Б.М. Шойхет, Л.В. Ставрицкая, Г.Х. Умеркин, В.П. Витальев, А. Dalla Rosa, H. Li, S. Svendsen, D. Eriksson и др.

На основании имеющихся публикаций по рассматриваемой проблеме [19, 23, 29 - 49] можно выделить 3 принципиальных способа оценки тепловых потерь.

Первая точка зрения [23, 30, 31] заключается в том, что фактические транспортные потери теплоты можно определить только по результатам испытаний. Известно, что экспериментальные данные являются наиболее достоверными. Однако проведение испытаний требует больших подготовительных работ (осушения каналов, очистки стоков и дренажей и тп.). На практике технически сложно выполнить требования [50] (поддержание постоянного расхода во время проведения испытаний, обеспечение перепада температур не менее 8 °С, отключение потребителей от испытуемого кольца). Это ведет к значительным материальным затратам и накладывает ряд ограничений на выбор испытуемых участков, что не позволяет проводить регулярные испытания на всех тепловых сетях в России. Кроме того, до сих пор отсутствует четкая методика обработки полученных результатов. Поэтому подобные испытания проводятся достаточно редко и в основном на магистральных трубопроводах, в то время, когда состояние распределительных сетей значительно хуже [34].

Вторая позиция заключается в определении тепловых потерь с

помощью приборов учета теплоты у потребителей. Предлагаются различные

методики [19, 32 - 36]. Недостатком этого способа является то, что по

9

разнице тепловой энергии, измеренной на источнике и у конечных потребителей, можно оценить лишь средние потери по теплотрассе. Такой способ не позволяет установить конкретные участки трубопроводов с высокими тепловыми потерями. В [35] показано, что ошибка определения потерь теплоты по среднему значению по сравнению с потерями на конкретных участках трубопроводов может быть значительной. Исследования [51] подтверждают, что усреднение тепловых потерь в сети затрудняет качественную оценку реального технического состояния трубопроводов.

В [29, 37 - 41, 42 - 49, 52] предприняты попытки математического моделирования удельных потерь теплоты при изменении теплозащитных свойств изоляции в процессе эксплуатации, без распространения на всю тепловую сеть. Имеющиеся публикации посвящены в основном проблеме увлажнения изоляции. Но результаты исследований [53] показывают, что наибольший рост тепловых потерь вызывают слабо освященные в литературе дефекты изоляции, связанные с ее физической деградацией и нарушением целостности изоляционного слоя.

На основании критического анализа имеющихся инструментов оценки тепловых потерь можно констатировать, что до настоящего времени отсутствовала методика, позволяющая объективно анализировать потери тепловой энергии во всей тепловой сети с учетом неоднородности теплозащитных свойств изоляции на конкретных ее участках. Такая методика может позволить с приемлемой для практики точностью определять потери теплоты трубопроводов без проведения затратных испытаний. Важность проблемы дефицита энергоресурсов и стабильный рост тарифов на тепловую энергию диктуют необходимость разработки новой методики.

Цель работы: оценка транспортных потерь тепловой энергии в сети

теплоснабжения на основе декомпозиционного подхода, позволяющего в

отличие от известных методик учитывать изменение теплозащитных свойств

10

изоляции на конкретных участках трубопроводов вследствие влияния основных эксплуатационных факторов.

Объект исследования - тепловая сеть.

Предмет исследования - количественные значения транспортных тепловых потерь через теплоизоляционные конструкции трубопроводов.

Задачи исследования:

1. Систематизировать возможные нештатные режимы работы тепловых сетей и выявить наиболее распространенные на практике дефекты изоляции.

2. Разработать алгоритмы определения тепловых потерь, учитывающие эксплуатационные условия и состояние изоляции трубопроводов.

3. Провести теоретические исследования и установить степень влияния типичных дефектов изоляции на удельные потери теплоты.

4. Разработать методику оценки тепловых потерь сетей теплоснабжения, позволяющую учитывать не только способы прокладки и конфигурацию трубопроводов, но также изменение теплозащитных свойств изоляции в процессе эксплуатации.

Личный вклад автора;

Автором предложена новая методика оценки транспортных тепловых потерь, основанная на декомпозоционном подходе, выбраны способы определения потерь теплоты для нештатных режимов работы тепловых сетей, разработан и автоматизирован алгоритм решения, проведены теоретические исследования влияния масштабности основных эксплуатационных факторов на изменение удельных тепловых потерь, обработаны и проанализированы полученные результаты, сформулированы ключевые выводы диссертационной работы. Автор выражает признательность научному руководителю, д.-ру физ.-мат. наук, профессору, заведующему кафедры Теоретической и промышленной теплотехники Г.В. Кузнецову и канд. техн. наук, доценту кафедры Теоретической и

промышленной теплотехники В.Ю. Половникову за наставничество и методическую помощь при подготовке диссертации к защите.

Научная новизна:

1) Впервые сформулирована и решена задача определения тепловых потерь в сетях теплоснабжения с учетом условий эксплуатации и неоднородности свойств изоляции отдельных участков трубопроводов: затопленная, увлажненная, полностью или частично разрушенная, деформированная изоляция.

2) Создана и апробирована методика оценки потерь теплоты в тепловых се