Анализ влияния тепловой изоляции на сокращение тепловых потерь с поверхности трубопроводов на примере тепловой сети г. Шатура

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Тепловые потери являются индивидуальной характеристикой каждой тепловой сети и должны определяться для каждой сети индивидуально. Транспортировка тепла от теплоисточника до потребителей в системах централизованного теплоснабжения связана с потерями тепловой энергии, которые объясняются охлаждением поверхности трубопроводов при контакте с окружающей средой, с утечками теплоносителя, с работой насосов для прокачки теплоносителя, а также с неоптимальными тепловыми и гидравлическими режимами работы сетей. В различных выступлениях и публикациях величина тепловых потерь при транспортировке в существующих тепловых сетях оценивается в 15-20% отпускаемой с источников тепловой энергии. Тепловые потери включаются в тарифы на тепловую энергию и являются одним из показателей энергетической эффективности эксплуатации тепловых сетей, поэтому определение фактической величины этих потерь является важной практической задачей.

Потери энергии в тепловых сетях неразрывно связаны с потерей ресурсов. При утечках безвозвратно теряются теплоносители, которые должны быть восполнены у источника теплоты. На подготовку теплоносителя затрачиваются как материальные средства, так и энергия.

Другими теряемыми ресурсами являются материал трубопроводов, их тепло- и гидроизоляция, выходящие из строя вследствие коррозии, увлажнения и механических повреждений. В этом случае изготовление и монтаж новых трубопроводов либо восстановление изоляционных конструкций требуют значительных материальных, трудовых и энергетических затрат.

Климатические условия в России предопределяют теплоснабжение как наиболее социально значимый и в то же время наиболее топливоемкий сектор экономики, который потребляет примерно 40% энергоресурсов, используемых в стране, причем около половины этих ресурсов приходится на коммунально-бытовой сектор. По данным около 72% тепловой энергии производится централизованными источниками тепла (мощностью более 20 МВт), остальные 28% производятся децентрализованными источниками, в том числе 18% - автономными и индивидуальными источниками тепла. При этом незначительная часть тепловой энергии обеспечивается за счет утилизации сбросного тепла от технологических установок и с использованием возобновляемых источников энергии. В настоящее время состояние теплоснабжения нельзя признать удовлетворительным. Многие централизованные источники тепла выработали свой ресурс. Около 50% объектов коммунального теплоснабжения и инженерных сетей требуют замены, не менее 15% находятся в аварийном состоянии. На каждые 100км тепловых сетей ежегодно регистрируется в среднем 70 повреждений. 82% общей протяженности тепловых сетей требуют капитального ремонта или замены.

Целью исследования данной работы является расчет эффективности тепловой изоляции и экономии тепловой энергии при восстановлении разрушенной изоляции теплопровода на примере тепловой сети г. Шатура.

Задачи исследования:

1. Изучение нормативных документов;

2. Анализ и обобщение изученных материалов;

3. Расчет эффективности тепловой изоляции.

4. Сравнение потерь тепла неизолированными теплопроводами с тепловой сетью с предварительно изолированными трубами.

1. Системы транспортировки и распределения тепловой энергии

Транспортирование тепловой энергии имеет место практически в каждой отрасли промышленности и в жилищно-коммунальном комплексе.

Передача теплоты от источника потребителям осуществляется с помощью систем теплоснабжения, которые включают источник, тепловую сеть и потребителей. Система теплоснабжения - совокупность технических устройств, агрегатов и подсистем, обеспечивающих приготовление теплоносителя, его транспортировку и распределение в соответствии со спросом на теплоту по отдельным потребителям на отопление, вентиляцию, горячее водоснабжение и технологическое теплоснабжение.

В зависимости от размещения источника теплоты по отношению к потребителям системы теплоснабжения разделяются на децентрализованные и централизованные.

В децентрализованных системах источник теплоты и теплоприемники потребителей либо совмещены в одном агрегате, либо размещены столь близко, что передача теплоты от источника до теплоприемников может осуществляться практически без промежуточного звена -- тепловой сети.

Системы децентрализованного теплоснабжения разделяются на индивидуальные и местные.

В индивидуальных системах теплоснабжение каждого помещения (участка цеха, комнаты, квартиры) обеспечивается от отдельного источника. К таким системам, в частности, относятся печное и поквартирное отопление. В местных системах теплоснабжение каждого здания обеспечивается от отдельного источника теплоты, обычно от местной или индивидуальной котельной. К этой системе, в частности, относится так называемое центральное отопление зданий.

Комплекс установок, предназначенных для подготовки, транспортировки и использования теплоносителя, составляет систему централизованного теплоснабжения. В системах централизованного теплоснабжения источник теплоты и теплоприемники потребителей размещены раздельно, часто на значительном расстоянии, поэтому теплота от источника до потребителей передается по тепловым сетям.

В зависимости от степени централизации системы централизованного теплоснабжения можно разделить на следующие четыре группы:

§ групповое -- теплоснабжение от одного источника группы зданий;

§ районное -- теплоснабжение от одного источника нескольких групп зданий (района);

§ городское -- теплоснабжение от одного источника нескольких районов;

§ межгородское -- теплоснабжение от одного источника нескольких городов.

В зависимости от фазового состояния теплоносителя тепловые сети разделяются на водяные и паровые. Водяные сети используют для теплоснабжения зданий, для покрытия промышленной технологической нагрузки низкого потенциала. Паровые сети используют также для обеспечения промышленной технологической нагрузки высокого потенциала.

Практика теплоснабжения показала ряд преимуществ воды, как теплоносителя, по сравнению с паром, а именно:

- возможность транспортировать теплоту на большие расстояния без больших потерь температурного потенциала, а, следовательно, возможностью более экономичной комбинированной выработки теплоты и электроэнергии на ТЭЦ;

- удобством центрального качественного и количественного регулирования отпуска теплоты на ее источнике;

- простотой присоединения большинства абонентских систем к тепловым сетям;

- сохранением всего конденсата греющего пара на ТЭЦ в водонагревательных установках.

Пар, в свою очередь, обладает перед водой следующими преимуществами: теплоснабжение изоляционный термический

- более широкими возможностями применения как теплоносителя (большая универсальность);

- малой плотностью и незначительностью создаваемых гидростатических давлений в трубопроводах даже при самых неблагоприятных рельефах местности теплоснабжаемых районов;

- простотой обнаружения и ликвидации аварий в сетях, так как пар всегда выходит на поверхность земли, а вести сварочные работы при авариях можно немедленно после выключения пара;

- отсутствием расхода электроэнергии на передачу пара, так как он поступает к абоненту под давлением в парогенераторах на теплоисточнике, а расход энергии на возврат конденсата весьма незначителен по сравнению с расходом энергии на перекачку воды в водяных теплосетях.

2. Тепловые потери в тепловых сетях

Согласно сводным данным по объектам теплоснабжения 89 регионов Российской Федерации, суммарная протяжённость тепловых сетей в двухтрубном исчислении составляет около 183 300 км. Средний процесс износа оценивается в 60-70%.

Основными показателями энергетической эффективности работы тепловых сетей являются приводимые ниже величины.

Удельный расход сетевой воды на единицу присоединенной тепловой нагрузки.

Удельный расход электрической энергии на транспорт теплоносителя.

Перепад температур сетевой воды в подающем и обратном трубопроводах или температура сетевой воды в обратном трубопроводе при соблюдении температуры сетевой воды в подающем трубопроводе согласно температурному графику.

Потери тепловой энергии на транспорт тепла, через изоляцию и с утечкой сетевой воды.

Потери сетевой воды.

Данные показатели должны устанавливаться проектом тепловой сети, заноситься в паспорт тепловой сети и проверяться при проведении энергетического обследования.

Ниже, в таблице 1, приведены результаты расчётов годовых нормативных и сверхнормативных потерь тепловой энергии и топлива при средних температурах теплоносителя-воды в подающем и обратном трубопроводах в течение отопительного периода соответственно 90 и 50С.

Таблица 1

Наименование потери	Нормативные потери, млн. Гкал	Потери топлива, млн. т.у.т. (млрд. руб)	Сверхнормативные потери (экспертно), млн. т.у.т. // млн. Гкал / млрд. руб
Потери тепла с утечками	17	2,5 (1,2 )	4,1 / 28 / 2
Потери тепла через изоляцию	200	30 (14)	30 / 200 / 14
Годовые утечки теплоносителя	240 млн. м3	43,5 (2,4)	34,1

Ниже, в таблице 2, приведены результаты расчётов расходов электроэнергии, топлива и средств на перекачку теплоносителя на источниках и в тепловых сетях.

Таблица 2

Расход эл.энергии на транспорт теплоносителя (источник)	22 млрд. кВт/ч	7,5 млн. тут (3,5 млрд. руб.)
Расход эл.энергии на транспорт в магистральных и распределительных тепловых сетях	11 млрд. кВт/ч	3,5 млн. тут (1,75 млрд. руб.)

Тепловые потери в магистральных и распределительных сетях существенно различны. Техническое состояние магистральных сетей, как правило, значительно лучше. Кроме того, суммарная поверхность магистральных сетей, через которую теряется тепловая энергия, значительно меньше поверхности намного более разветвлённых и протяжённых распределительных сетей. Поэтому на магистральные сети приходится в несколько раз меньшая доля тепловых потерь по сравнению с распределительными.

3. Меры снижения тепловых потерь

Прогрессивные технологии.

Прогрессивные технологии позволяют повысить долговечность тепловых сетей, увеличить их надежность и одновременно повысить экономичность транспорта тепла.

Ниже приводится краткая характеристика таких технологий.

1) Бесканальная прокладка теплопроводов типа «труба в трубе» с пенополиуретановой изоляцией в полиэтиленовой оболочке и системой контроля увлажнения изоляции.

Такие теплопроводы позволяют на 80 % устранить возможность повреждения трубопроводов от наружной коррозии, сократить потери тепла через изоляцию в 2-3 раза, снизить эксплуатационные расходы по обслуживанию теплотрасс, снизить в 2-3 раза сроки строительства, снизить в 1,2 раза капитальные затраты при прокладке теплотрасс по сравнению с канальной прокладкой. Пенополиуретановая изоляция рассчитана на длительное воздействие температуры теплоносителя до 130оС и на кратковременное пиковое воздействие температуры до 150оС. Необходимое условие надежной и безаварийной работы трубопроводов тепловых сетей - наличие системы оперативно-дистанционного контроля (ОДК) изоляции. Данная система позволяет контролировать качество монтажа и сварки стального трубопровода, заводской изоляции, работ по изоляции стыковых соединений. Система включает в себя: сигнальные медные проводники, заложенные во все элементы теплосети; терминалы по трассе и в местах контроля (ЦТП, котельная); приборы для контроля: переносные для периодического и стационарные для непрерывного контроля. Система основана на измерении проводимости теплоизоляционного слоя, которая изменяется при изменении влажности. Контроль за состоянием ОДК в процессе эксплуатации трубопровода осуществляется с помощью детектора. Один детектор позволяет одновременно контролировать две трубы до 5 км каждая. Точное местоположение поврежденного участка определяется с помощью переносного локатора. Один локатор позволяет определить место повреждения на расстоянии до 2 км от точки его подключения. Срок службы тепловых сетей с пенополиуретановой изоляцией прогнозируется на уровне 30 лет.

2) Сильфонные компенсаторы, в отличие от сальниковых, обеспечивают полную герметичность компенсационных устройств, уменьшают эксплуатационные затраты. Надежные сильфонные компенсаторы выпускает АО «Металкомп» для всех диаметров трубопровода при бесканальной, канальной, наземной и надземной прокладках. Применение сильфонных компенсаторов в АО «Мосэнерго», установленных на магистральных трубопроводах диаметром от 300 до 1400 мм в количестве более 2000 штук, позволило сократить удельные утечки воды с 3,52 л/м 3 ч в 1994 г. до 2,43 л/м 3 ч в 1999 г.

3) Шаровая запорная арматура повышенной плотности, шаровая запорно-регулирующая арматура с гидроприводом, применяемая в качестве клапанов «рассечки», позволяет улучшить эксплуатационные характеристики арматуры и коренным образом изменить существующие схемы защит систем отопления от повышения давления.

4) Внедрение новых схем регулирования производительности насосно-перекачивающих станций с применением частотно-регулируемых приводов, использование схем защиты от повышения давления в обратной магистрали при остановке насосной позволяет значительно улучшить надежность работы оборудования и снизить расход электроэнергии при работе этих станций.

5) Вентиляция каналов и камер направлена на снижение тепловых потерь через изоляцию теплопроводов, что является одной из важнейших задач эксплуатации тепловых сетей. Одной из причин повышенных теплопотерь через изоляцию теплопровода подземной прокладки является ее увлажнение. Для уменьшения влажности и снижения тепловых потерь необходимо вентилировать каналы, камеры, что позволяет поддерживать влагосостояние тепловой изоляции на уровне, обеспечивающем минимальные тепловые потери.

6) Около трети повреждения тепловых сетей обусловлены процессами внутренней коррозии. Даже соблюдение нормативной величины утечек тепловых сетей, равной 0,25 % объема всех трубопроводов, что составляет 30000 т/ч, приводит к необходимости жесткого контроля качества подпиточной воды.

Основным параметром, на который можно воздействовать, является значение водородного показателя (рН).

Повышение значения рН сетевой воды является надежным способом борьбы с внутренней коррозией при условии поддержания в воде нормируемого содержания кислорода. Высокая степень защиты трубопроводов при рН 9,25 определяется изменением свойств железооксидных пленок.

Уровень повышения рН, обеспечивающий надежную защиту трубопроводов от внутренней коррозии, существенным образом зависит от содержания сульфатов и хлоридов в сетевой воде.

Чем больше концентрация в воде сульфатов и хлоридов, тем выше должно быть значение рН.

Одним из немногих способов продления рабочего ресурса тепловых сетей, прокладываемых стандартным способом, исключая трубопроводы в ППУ изоляции являются антикоррозионные покрытия.

Тепловая изоляция трубопроводов и оборудования тепловых сетей применяется при всех видах прокладки независимо от температуры теплоносителя. Теплоизоляционные материалы непосредственно контактируют с внешней средой, для которой свойственно непрерывное колебание температуры, влажности и давления. Ввиду этого теплоизоляционные материалы и конструкции должны удовлетворять ряду требований. Соображения экономичности и долговечности требуют, чтобы выбор теплоизоляционных материалов и конструкции производился с учетом способов прокладки и условий эксплуатации, определяемых внешней нагрузкой на теплоизоляцию, уровнем грунтовых вод, температурой теплоносителя, гидравлическим режимом работы тепловой сети. [6]

Новые виды теплоизоляционных покрытий должны иметь не только низкую теплопроводность, но и малую воздухо- и водопроницаемость, а также низкую электропроводность, что уменьшает электрохимическую коррозию материала труб.

Наиболее экономичным видом прокладки теплопроводов тепловых сетей является надземная прокладка. Однако с учетом архитектурно-планировочных требований, требований экологии в населенных пунктах основным видом прокладки является подземная прокладка в проходных, полупроходных и непроходных каналах. Бесканальные теплопроводы, являясь более экономичными в сравнении с канальной прокладкой по капитальным затратам на их сооружение, применяются в тех случаях, когда они по теплотехнической эффективности и долговечности не уступают теплопроводам в непроходных каналах. [4]

Тепловая изоляция предусматривается для линейных участков трубопроводов тепловых сетей, арматуры, фланцевых соединений, компенсаторов и опор труб для надземной, подземной канальной и бесканальной прокладки.

Тепловые потери с поверхности трубопроводов увеличивается при увлажнении теплоизоляции. Влага к поверхности трубопроводов поступает при затоплении их грунтовыми и поверхностными водами. Другими источниками увлажнения теплоизоляции является естественная влага, содержащаяся в грунте. Если трубопроводы проложены в каналах, то на поверхности перекрытий каналов возможна конденсации влаги из воздуха и попадание ее в виде капель на поверхность трубопроводов. Для снижения воздействия капель на тепловую изоляцию необходима вентиляция каналов тепловых сетей. Более того увлажнение теплоизоляции способствует разрушению труб из-за коррозии их внешней поверхности, что приводит к сокращению срока службы трубопроводов. Поэтому на металлическую поверхность трубы наносят антикоррозионные покрытия.

Таким образом, главными энергосберегающими мероприятиями, уменьшающими потери теплоты с поверхности трубопроводов, являются:

§ Изоляция неизолированных участков и восстановление целостности существующей теплоизоляции;

§ восстановление целостности существующей гидроизоляции;

§ нанесение покрытий, состоящих из новых теплоизоляционных материалов, либо использование трубопроводов с новыми типами теплоизоляционных покрытий;

§ изоляция фланцев и запорной арматуры.

Изоляция неизолированных участков является первоочередным энергосберегающим мероприятием, поскольку тепловые потери с поверхности неизолированных трубопроводов очень велики по сравнению с потерями с поверхности изолированных трубопроводов, а стоимость работ по нанесению теплоизоляции относительно невелика.

Сравним потери тепла неизолированными теплопроводами с тепловой сетью с предварительно изолированными трубами на примере системы теплоснабжения города Шатуры.

4. Расчет эффективности тепловой изоляции.

Характеристика системы теплоснабжения г. Шатуры.

Теплоснабжение жилых, административных и производственных зданий г. Шатура осуществляется от теплофикационной установки ГРЭС-5. Подпитка тепловой сети осуществляется деаэрирированной химочищенной водой.

Давление в обратном трубопроводе поддерживается регулятором подпитки.

От ГРЭС-5 теплоснабжение всех потребителей тепла осуществляется по двухтрубным водяным тепловым сетям.

Магистрали проложены в переходных железобетонных каналах со сборным железобетонным покрытием. Ответвления проложены в кирпичных и железобетонных каналах с покрытиями из железобетонных плит. В качестве тепловой изоляции применен диатомовый кирпич, покрытый сверху асбоцементной штукатуркой, а на головных участках алюминиевых листом.

Разводящие и квартальные сети частично имеют подвесную изоляцию из минеральной ваты, оштукатуренную асбоцементом.

Основная часть магистрали вынесена на поверхность.

Часть магистрали проложены на высоких и низких опорах. Между магистралями имеются перемычки, позволяющие осуществлять параллельное теплоснабжение городских потребителей, а в случае аварийных ситуаций позволяет осуществлять взаимозаменяемость.

Компенсация температурных удлинений осуществляется в основном П-образными компенсаторами и за счет изменения направления теплотрассы.

Система отопления рассматриваемой группы жилых зданий присоединяются к водяным сетям по зависимой схеме. В качестве теплоносителя в системах отопления применяется вода.

Тепловой режим системы теплоснабжения.

Для системы теплоснабжения города принят метод качественного регулирования отпуска тепла, которой предусматривает постоянный расход теплоносителя в системах отопления при переменной его температуре, зависящей от температуры наружного воздуха.

Регулирование отпуска тепла города осуществляется по температурному графику 150-70 С.

Эффективность тепловой изоляции.

Среднегодовая температура сетевой воды в подающем трубопроводе:

С, в обратном С.

Прокладка трубопровода надземная (в каналах).

Диаметр теплопроводов м. Диаметр изоляции м.

Изоляция - маты минераловатные прошивные, толщиной 0,07м. Покровной слой из бризола в 2 слоя.

Коэффициент теплопроводности основного слоя изоляции.

,

Где для подающей трубы

С

Для обратной трубы:

С

Термическое сопротивление основного слоя изоляции для каждой трубы:

Термическое сопротивление покровного слоя для каждой трубы:

Где -коэффициент теплопроводности покровного слоя бризола.

Термическое сопротивление на поверхности покрытия для каждого трубопровода:

,

Где - коэффициент теплоотдачи на поверхности покрытия

Термическое сопротивление каждого теплопровода:



Эквивалентный внутренний и наружный диаметры канала равны:

м

Где и - площадь и периметр канала по внутренним размерам; и - площадь и периметр канала по наружным размерам.

Принимая коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности канала рассчитываем термическое сопротивление на поверхности канала:

Термическое сопротивление стенок канала при коэффициенте теплопроводности железобетонной стенки канала .

Суммарное термическое сопротивление потоку тепла от воздуха в канале в окружающую среду.

Температуру воздуха в канале определяем по выражению:

Удельные потери теплоты подающим и обратным изолированным теплопроводами:

Суммарные удельные потери тепла:

При условии неизолированных теплопроводов суммарное термическое сопротивление будет равно термическому сопротивлению на поверхности теплопровода:

Температура воздуха в канале при неизолированных теплопроводах:

Удельные потери тепла неизолированными теплопроводами:

Суммарные потери тепла неизолированными теплопроводами будут равны потерям тепла подающим теплопроводом:

Эффективность тепловой изоляции:

.

Из полученных результатов видно, что изоляция неизолированных участков и восстановление целостности существующей изоляции приводит к значительному снижению потерь тепла с поверхности трубопроводов. Таким образом, изоляция трубопроводов является первоочередным энергосберегающим мероприятием.

Заключение

Экономическая эффективность систем централизованного теплоснабжения при современных масштабах теплового потребления в значительной мере зависит от тепловой изоляции оборудования и трубопроводов. Тепловая изоляция служит для уменьшения тепловых потерь и обеспечения допустимой температуры изолируемой поверхности.

Борьба за снижение транспортных потерь тепла в теплопроводах является важнейшим средством экономии топливных ресурсов. Дополнительные затраты, связанные с нанесением тепловой изоляции и антикоррозионных покрытий, относительно невелики и составляют 5-8% от общей стоимости тепловых сетей, но качественное изолирование повышает стойкость металла против коррозии, в результате которой существенно увеличивается срок службы трубопроводов. Потери теплоты при изоляции трубопроводов снижаются при наземной прокладке в 10-15 раз, а при подземной в 3-5 раз по сравнению с неизолированными трубопроводами. Тепловая изоляция оздоровляет условия труда персонала и позволяет сохранить высокие параметры теплоносителя на большом удалении от источника тепла.

Выбор толщины изоляции определяется соображениями технической и экономической целесообразности.

Литература

1. Данилов О.Л., Гаряев А.Б., И.В. Яковлев. Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях. М.: «Издательский дом МЭИ», 2010.

2. Яновский Ф.Б. Энергетическая стратегия и развитие теплоснабжения в России / Ф.Б. Яновский, С.А. Михайлова // Энергосбережение. - 2003. - №6. - С. 26-32.

3. Варфоломеев Ю.М., Кокорин О.Я. Отопление и тепловые сети. М.: ИНФРА-М, 2010.

4. Иванов В.В., Вершинин Л.Б. Распределение температур и тепловых потоков в зоне прокладки теплотрасс // Вторая Российская национальная конференция по теплообмену. Теплопроводность, теплоизоляция. - М., 1998. Т. 7. С. 103-105.

Размещено на Allbest.ru

...