автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Повышение эффективности работы водоводов в условиях сурового климата

Актуальность проблемы. Наличие огромных природных богатств сырьевых и энергетических ресурсов в северных районах России способствует дальнейшему освоению этих районов, росту промышленного и гражданскогоительства В настоящее время здесь проживают около 4 миллионов человек, более чем в 400 населенных пунктах.

Водоснабжение является одной из важных составляющих, обеспечивающих бесперебойность работы промышленных предприятий и создание для населения бытовых условий, отвечающих современным требованиям. Водоводы относятся к одному из основных элементов системы водоснабжения, определяющему ее надежность и экономичность. Строительство и эксплуатация водопроводов на Севере имеет свои особенности, связанные с наличием вечномерзлых грунтов и сурового климата, а также дополнительными мероприятиями по предотвращению перемерзания водоводов. По капитальным затратам на водоводы, не зависимо от способа прокладки, приходится до 50% от сметной стоимости всей системы водоснабжения.

Себестоимость воды в Северных районах в среднем в 20-30 раз выше, чем в средней полосе страны. Это связано со значительным потреблением электроэнергии и топлива на транспортирование и подогрев воды.

Для борьбы с замерзанием воды в трубах водоводы обычно утепляют, а воду перед подачей по трубам подогревают. По нормам подогрев следует назначать таким, чтобы в конце водовода температура воды была не ниже 3°С. Для выполнения этого условия воду необходимо подогревать на 15-20°С.

При снижении подогрева, а также в периоды вынужденной остановки движения воды в водоводах на внутренней поверхности труб возможно образование льда.

По действующим нормативам при эксплуатации водовода появление льда на внутренней поверхности трубы не допускается. Такое требование обусловлено недостаточным знанием процесса обледенения труб, а также желанием повысить надежность тт/ботюволов от замерзания, отодвинув опасную границу фазового перехода юходу топлива.

КНИГА ИМЕЕТ п ;и ил и шганн. „ыи. о гг ¡Карт С-. V-О г- х 43 о * . и | - •=!

41 условиях сурового »рмативы по назна-1ере учитывают со-1ых технологий по-гельну ю экономию

Целью диссертации является обоснование и разработка новых положений, направленных на топливо- и энергосбережение при транспортировании воды по водоводам в условиях сурового климата. Для реализации целевой установки необходимо решение следующих задач:

-собрать статистические материалы по аварийности водоводов на примере станций БАМа; выявить наиболее надежный и экономичный в эксплуатации способ прокладки труб;

-дать описание физического процесса перемерзания водовода и влияние различных факторов на увеличение безопасной продолжительности остановки движения воды в трубе;

-обосновать минимальное значение степени подогрева и температуры транспортируемой воды;

-разработать методику назначения оптимальной толщины теплоизоляции водовода, при которой обеспечиваются минимальные затраты на строительство и эксплуатацию водовода;

-разработать математическую модель теплового режима водовода с назначением минимального подогрева воды при возможном обледенении трубопровода;

-дать оценку экономической целесообразности работы водовода с минимально возможным подогревом воды с допущением внутреннего обледенения трубы.

Методика исследований основывается на применении математического моделирования, включающего систему дифференциальных уравнений, описывающих процессы переноса вещества и энергии, решение которых осуществляется методом конечных элементов.

Научная новизна заключается в принципиально новом подходе к назначению способа прокладки и вида теплоизоляции водовода, а также к снижению степени подогрева воды при ее транспортировании и состоит в следующем:

1.На основе собранных статистических материалов по аварийности водоводов БАМа выявлены основные причины аварий на водоводах различных способов прокладки. Установлено, что наименьшее количество аварий происходит на водоводах надземной прокладки и этому способу следует отдавать предпочтение по сравнению с другими.

2.Впервые дано описание физического процесса перемерзания водовода, составлена математическая модель инерционности замерзания воды в трубе при остановке движения и составлены номограммы для определения времени остыванию воды и времени перемерзания водовода при различных температурно-климатических условиях.

3.Преддожены новые параметры "защитное время" и "время восстановления", регламентирующие деятельность службы эксплуатации при возникновении аварий. Обоснована целесообразность снижения температуры транспортируемой воды с 3 до 0.1°С.

4.Разработана методика расчета и составлена программа, позволяющая назначать оптимальную толщину и вид теплоизоляции водовода при минимальных затратах на его строительство и подогрев воды в зимний период.

5.На основе теории тепломассообмена решена линейная задача и установлены закономерности формирования корки льда в сечении водовода и по его длине. Созданная математическая модель позволяет учитывать широкий спектр условий работы водовода и задавать параметры эксплуатации с минимальными затратами на подогрев.

Практическая ценность выполненных исследований выражается в уменьшении затрат на организационно-технические мероприятия при эксплуатации систем водоснабжения, расположенных в районах с суровыми климатическими условиями, а также топливо- и энергосбережении. Это позволило реализовать результаты исследований на ряде объектов Дальневосточной железной дороги и получить конкретную практическую выгоду:

-служба эксплуатации получила значение расчетного времени восстановления водовода, в течение которого необходимо выполнить все ремонтно-восстановительные работы без дополнительных затрат на опорожнение трубопроводов;

-обоснование нижнего предела температуры транспортируемой воды позволило значительно сократить степень подогрева воды, а в некоторых случаях вообще отказаться от него. Разработанный новый подход к тепловым режимам трубопроводов с минимальным подогревом и возможностью образования тонкой корки льда на внутренней поверхности трубы, дает экономию топлива до 20-40% и позволяет на некоторых станциях исключить котельную;

-снижается вредное воздействие на окружающую среду от продуктов сгорания топлива, вредных газов и пыли и уменьшается оплата за загрязнение окружающей среды;

-созданная программа оптимизации подбора толщины теплоизоляции позволяет получить до 10-15% экономии затрат на строительство водовода и его эксплуатацию;

-результаты работы используются в учебном процессе ДВГУПС при изучении спецкурса "Водоснабжение и водоотведение в условиях сурового климата" для студентов специализации 2908 "Водоснабжение и водоотведение" и на курсах повышения квалификации работников водоснабжения ДВжд.

Апробация работы. Отдельные положения диссертации разрабатывались в соответствии с научно-техническими программами Министерства Путей Сообщения РФ "Экспериментально-теоретические исследования ледотермических режимов трубопроводов" заказ ЦЭУ МПС 1996-97 гг. Jfe 7.14 и Российской академии архитектурно-строительных наук (РААСН) "Разработка и создание эффективной энергосберегающей технологии подачи воды по водоводам в суровых климатических условиях для Северных районов России".

Основные положения и результаты работы были доложены: на научно-технической региональной конференции "Проблемы развития строительного комплекса Дальнего Востока" (Хабаровск, 1987), конференции ХабИИЖТа (Хабаровск, 1989), 3 региональной научно-практической конференции "Пути улучшения работы сооружений водоснабжения и водоотведения Дальнего Востока" (Хабаровск, 1989), научно-техническом семинаре "Обеспечение надежности питьевого водоснабжения" (Москва, 1989), научно-технической конференции "Комплексные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железных дорог в условиях Крайнего Севера" (Хабаровск, 1997), третьей научно-практической конференции "Человек и окружающая природная среда" (Пенза, 2000).

Рекомендованные экономичные режимы водоводов внедрены на системах водоснабжения ст. Тында, п. Новый Ургал ДВжд.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 статей и выполнено 2 отчета по НИР. Объем и структура научного доклада. Диссертация в форме научного доклада состоит из введения, шести глав, заключения и списка основных научных работ.

Заключение

1.На основе анализа аварий водоводов БАМа установлены основные причины возникновения разрушений труб, меры по их предотвращению и дано предложение по приоритетному применению в условиях сурового климата более надежной надземной прокладки водоводов.

2.Дано описание физического процесса при перемерзании трубопровода, который включает два этапа: охлаждение воды до 0°С и промерзание трубопровода, когда на внутренней поверхности трубы образуется постоянно нарастающий слой льда с одновременным повышением давления вплоть до разрушения трубы.

3.Для регламентации действий обслуживающего персонала с целью предотвращения разрушений труб при остановке движения воды зимой, предлагаются два нормируемых параметра "защитное время" (ЗВ) и "время восстановления" (ВВ).

ЗВ означает продолжительность периода от остановки движения в водоводе до повышения давления при замерзании воды на величину не превышающую 70% прочности трубы. ВВ - промежуток времени, характеризующий оперативно-техническую возможность эксплуатирующей организации произвести работы по восстановлению движения воды в трубопроводе. Аварии можно избежать, если ЗВ больше ВВ на 1520%.

4.Разработана, с учетом нормируемого значения ЗВ,методика подбора толщины теплоизоляции и даны предложения по назначению экономичной толщины теплоизоляции для отдельных диаметров водоводов. Составлены номограммы для определения значения ЗВ для трубопроводов с различными диаметрами и толщиной теплоизоляции.

5.Обосновано снижение нормируемого по СНиПу значения температуры транспортируемой воды в конце водовода вместо +3°С до 0.1°С, что дает существенную экономию топлива. б.Разработана методика назначения минимальных эксплуатационно-строительных расходов на работу водоводов, учитывающая стоимость теплоизоляции труб и стоимость топлива, сжигаемого для подогрева воды.

7.Разработана математическая модель теплового режима водовода и создан программный комплекс, позволяющий гибко назначать с учетом изменяющихся климатических условий минимальную степень подогрева, при которой допускается образование тонкого слоя льда на внутренней поверхности трубы.

8.Преддожен новый подход к транспортированию воды в зимний период, позволяющий вывести технологию подачи воды в условиях сурового климата на качественно новый уровень. Он заключается в использовании природного холода Севера для создания оптимальных условий работы водоводов с внутренним оледенением, при которых возникает ряд положительных эффектов: снижается расход топлива на подогрев воды, уменьшаются затраты электроэнергии на транспортирование воды, увеличивается пропускная способность водоводов, повышается долговечность труб за счет снижения коррозии, улучшается качество воды и уменьшаются утечки воды.

9.Результаты исследований внедрены в учебный процесс и в производство. Экономический и экологический эффекты от внедрения разработок на системах водоснабжения ст. Тында и Новый Ургал Дальневосточной железной дороги составляют более 1 миллиона рублей/год (в ценах 1991 года).

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1.Гинзбург A.B., Воловник Г.И. Некоторые аспекты анализа аварийности на сетях железнодорожного водоснабжения./Материалы научно-технической региональной конференции//Проблемы. развитая строительного комплекса Дальнего Востока/Хабаровск, ХВВСУ. 1987. с. 155-157.

2.Терехов Л. Д., Гинзбург A.B. Аварийность водоводов БАМа. Материалы семинара МДНТП/Обеспечение надежности систем хозяйственно-питьевого водоснабжения. М. Нротапринт МДНТП. 1989. с.63-66.

3.Гинзбург A.B., Терехов Л.Д., Акимов О.В. Автоматизация теплотехнических расчетов водоводов надземной прокладки в условиях сурового клима-та./Межвузовский сб. науч. тр.//Предовые технологии водоснабжения и водоотведе-ния в восточных регионах России./Хабаровск, ДВГУПС, 2000. с.4-8.

4.Гинзбург A.B., Терехов Л.Д., Ткаченко A.B. Оптимизационные расчеты режимов работы системы водоснабжения г. Тында. ./Межвузовский сб. науч. тр.//Предовые технологии водоснабжения и водоотведения в восточных регионах России./Хабаровск, ДВГУПС, 2000. с.46-50.

5.Гинзбург A.B., Терехов Л.Д. Оптимизация подбора толщины теплоизоляции водоводов надземной прокладки./III международная научно-практическая конференция "Человек и окружающая природная среда".//Сб. материалов/Пенза. Пенз. дом знаний. 2000. с.36-38.

6.Гинзбург A.B. Назначение способов прокладки водоводов в северных районах России. ./III международная научно-практическая конференция "Человек и окружающая природная среда".//Сб. материалов/Пенза. Пенз. дом знаний. 2000. с.38-40.

7.Терехов Л.Д., Гинзбург A.B. Инерционность замерзания водоводов в зимний период. - М.: ВИНИТИ РАН - 2001. с. 1-44.

Основные обозначения принятых физических характеристик и единиц измерения а - коэффициент температуропроводности, м2 / с; g - ускорение свободного падения, м/с2;

Я - напор, м; iK - конструктивный уклон трубопровода; к - линейный коэффициент теплопередачи трубопровода, Вт / (м °С);

Q - объемный расход воды, м3 / с; г - текущий радиус, м;

Rv - приведенный радиус, м;

Rnm - предельный радиус, м;

S - гидравлическое сопротивление, с2 / м5; v - скорость воды, м/с; аен - коэффициент теплоотдачи от воды стенке водовода, Вт / (м2 °С); атр - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности трубопровода в атмосферу, Вт / (м2 °С);

S - температура наружного воздуха, °С; v - коэффициент кинематической вязкости, м2 / с; р - плотность, кг / м3; х - время, с;

Т - касательное напряжение трения, Па;

1 - смоченный периметр, м;

С - коэффициент гидравлического трения.

Re - критерий Рейнольдса

Nu - критерий Нусельта

Рг - критерий Прандтля

С„ -объемная теплоемкость воды, С„ =4200000 Дж/(м3град)

Ст -объемная теплоемкость стали, Ст=4372000 Дж/(м3град) d] -внутренний диаметр трубы, м

12 -наружный диаметр трубы, м -температура воды в конце трубопровода в момент остановки движения, °С ^ -температура фазового перехода вода-лед, °С

Л -суммарное термическое сопротивление термопередаче стенки трубопровода, слоя теплоизоляции, теплоотдачи от трубопровода воздуху, Вт/(м град) © -температура наружного воздуха, °С

Хт -коэффициент теплопроводности стали, Хт =46 Вт/(м*град)

-коэффициент теплопроводности изоляции, Хй=0.05 Вт/(м*град) п -коэффициент теплопроводности льда, Ал =2.3 Вт/(м*град) у -коэффициент теплопроводности наружного воздуха, Вт/(м*град) возд сснар -коэффициент конвективной теплоотдачи от поверхности трубопровода к наружному воздуху, Вт/(м2град) увозд -коэффициент кинематической вязкости воздуха, ¡//с

Ьу -объемная теплота фазового перехода, Ьу=85560 Дж/м3 ш -степень обледенения, т=Рл/Р1р

Рл -часть площади живого сечения трубопровода, занятого льдом, м2

Кгр -площадь живого сечения трубопровода, м2