Технико-экономические показатели теплоизолированных труб для тепловых сетей бесканальной прокладки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Технико-экономические показатели теплоизолированных труб для тепловых сетей бесканальной прокладки

Проблемы теплоснабжения в последние годы все более громко заявляют о себе в течение отопительного сезона, переходя из категории чисто ведомственных в общегосударственные, широко обсуждаемые в средствах массовой информации.

Число аварийных отключений тепла зимой, происходящих в различных регионах России, как правило, в самые холодные периоды, нарастает с угрожающей быстротой. Ликвидация аварий, связанных с нарушением теплоснабжения в зимних условиях и, следовательно, в кратчайшие сроки требует привлечения значительных материальных и людских ресурсов. Все чаще ликвидация таких аварий происходит с привлечением сил МЧС, т.е. речь идет о техногенных катастрофах. Причины возникновения таких аварий в системах теплоснабжения в конечном итоге сводятся к экономике.

Комбинированная выработка тепловой и электрической энергии на мощных электростанциях и централизованное теплоснабжение от мощных источников к потребителю -вот те основные принципы, которые заложены в основу теплоснабжения большинства населенных пунктов и промышленных объектов России. Результатом реализации такой концепции явилось то, что Россия имеет крупнейшую в мире трубопроводную сеть теплоснабжения - свыше 200 тыс. км двухтрубных тепловых сетей.

При нормативном сроке эксплуатации теплосетей - 25 лет, только плановой замене должны подлежать свыше 16 тыс. км трубопроводов ежегодно! Учитывая нынешнее удручающее состояние трубопроводов тепловых сетей, связанное с использованием в прошлом устаревших материалов и технологий для изоляции трубопроводов, а также недовыполнение в течение ряда предыдущих лет объемов плановых ремонтов и замены трубопроводов по экономическим причинам, объемы ремонта тепловых сетей в течение ближайших нескольких лет должны быть существенно выше. При этом следует ясно представлять, что в ближайшем обозримом будущем принципы теплоснабжения на подавляющем большинстве территорий России останутся прежними.

Если экономические преимущества комбинированной выработки тепла и электроэнергии достаточно очевидны, то преимущества централизованного теплоснабжения могут быть реализованы только при высоком качестве тепловых сетей, т.е. в случае высокой их эксплуатационной надежности, долговечности и достаточно низких потерях тепловой энергии при транспортировке тепла по трубопроводным системам.

Общие экономические проблемы, связанные с ремонтом и заменой отработавшего нормативные сроки генерирующего оборудования на теплоэлектростанциях, в не меньшей степени присущи тепловым сетям. Однако, если экономические показатели эффективности генерирующего оборудования в значительной степени определяются его коэффициентом полезного действия, то эффективность и конструкция трубопроводных систем тепловых сетей определяются в результате решения технико-экономической задачи для каждого конкретного случая. В зависимости от стоимости транспортируемой тепловой энергии, параметров теплоносителя, способа прокладки трубопроводов тепловых сетей, их длины, диаметра, теплофизических и стоимостных показателей используемых изоляционных материалов для различных регионов России могут быть и должны использоваться различные конструкции трубопроводов тепловых сетей.

При выборе конструкций теплоизолированных трубопроводов тепловых сетей приоритетным должно быть использование материалов, обеспечивающих максимальную надежность и долговечность работы трубопроводов. Это касается как непосредственно самих труб и элементов трубопровода, так и изоляционных покрытий на них. Большое значение имеет использование в тепловых сетях предварительно изолированных в заводских условиях труб и элементов трубопроводов, т.к. в этом случае реализуется наивысшее качество нанесения и контроля изоляционных покрытий. Наличие в настоящее время материалов, технологий и производственной базы для выпуска предварительно теплоизолированных труб и элементов трубопроводов как во всем мире, так и у нас в стране позволяет говорить о необходимости использования труб и элементов трубопроводов с заводской изоляцией, как об основном способе изоляции тепловых сетей.

теплоснабжение энергия теплоизоляционный труба

Учитывая гигантские объемы капиталовложений, необходимых для обеспечения нормального функционирования системы теплоснабжения России, большое значение имеют технические решения и нормативные документы, позволяющие проводить работы по реализации неотложных задач, стоящих перед энергетиками и коммунальными службами.

Основными нормативными документами, регламентирующими выбор конструкции теплоизолированных труб при проектировании тепловых сетей бесканальной прокладки в настоящее время являются СНиП 2.04.14-88* «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов», СНиП 2.04.07-86* «Тепловые сети», ГОСТ 30732-2001 «Трубы и фасонные изделия стальные с тепловой изоляцией из пенополиуретана в полиэтиленовой оболочке» и различные технические условия на трубы и элементы трубопроводов, изолируемые в заводских условия. Эти ТУ разработаны специально для производителей такой продукции и должны соответствовать требованиям, изложенным в государственной нормативной документации, упомянутой выше.

К настоящему времени, учитывая накопленный опыт эксплуатации, можно считать, что в условиях бесканальной прокладки положительно себя зарекомендовали предварительно теплоизолированные пенополиуретаном (ППУ) трубы в полиэтиленовой защитной оболочке, а также трубы, теплоизолированные армопено-бетоном (АПБ) и пенополимер минеральной (ППМ) теплоизоляцией с защитными оболочками на теплоизоляции нескольких типов. Об этом же говорится и в п.7.46 СНиП 2.04.07-86*, изменение № 2.

Трубопроводы с ППУ теплоизоляцией эксплуатируются в мире свыше 40 лет. За этот период времени накоплен обширный зарубежный и отечественный опыт работы с такими трубами. Результаты наблюдений, выводы и соответствующие рекомендации позволяют говорить о таких трубопроводах как о наилучшем техническом решении на сегодняшний день в отечественной и зарубежной практике теплоизоляции трубопроводов.

Отечественный опыт эксплуатации труб с АПБ и ППМ (в прошлом пенополимер бетонный ППБ) теплоизоляцией также имеет уже историю около 30 лет. Правда, за это время АПБ теплоизоляция претерпела довольно существенные изменения, что нашло отражение в нормативных документах. Так, если в СНиП 2.04.14-88 допускалось для бесканальной прокладки применять такие материалы с коэффициентом теплопроводности не более 0,13 Вт/(м.град.) и плотностью не более 600 кг/м³, то теперь, согласно СНиП 2.04.07-86*, а также ТУ 4859-002-03984155-99, ТУ 5768-006-00113537-01 и ГОСТ 30732-01, некоторые технические характеристики материалов, рекомендуемых в качестве теплоизоляции для теплопроводов бесканальной прокладки, имеют значения, приведенные в таблице 1.

Вероятно, столь существенное снижение плотности и, соответственно, коэффициента теплопроводности АПБ и ППМ вызвано изменением структуры материала, в результате увеличения пористости. Несмотря на эти изменения, связанные со структурой материалов, авторы АПБ и ППМ считают, что эксплуатационные характеристики, относящиеся к надежности и долговечности этих теплоизоляционных материалов не претерпели существенных изменений и предполагают срок эксплуатации не менее 30 лет.

Таким образом, можно говорить, что все три вида теплоизолированных труб, приведенных в табл. 1 удовлетворяют требованию 30-летнего срока эксплуатации. Учитывая то, что все эти виды покрытий наносятся в заводских условиях и на трассу доставляют готовые теплоизолированные трубы и элементы трубопроводов, то допустимо считать примерно одинаковыми и затраты, связанные с монтажом трубопроводов из таких труб.

Каковы же технико-экономические показатели теплоизоляции таких труб? Как известно, цена товара, в том числе и теплоизолированных труб, определяется в основном себестоимостью и (в идеале) соотношением спроса и предложения на рынке данного товара. Все составляющие рыночной цены теплоизолированных труб трудно поддаются объективному учету, тем более, что зачастую истинная цена является коммерческой тайной, поэтому оперировать ценами, на теплоизолированные трубы, рекламируемыми той или иной фирмой, для решения каких-либо общих технико-экономических задач следует с большой осторожностью. Такое положение в настоящее время создалось потому, что небольшое количество фирм, выпускающих теплоизолированные трубы для бесканальной прокладки, в значительной степени монополизировали рынок в своих регионах. Особенно это относится к трубам большого диаметра. Поэтому для оценки технико-экономических показателей на наш взгляд более объективно будет рассмотреть расход и стоимость материалов, затраченных на теплоизоляцию 1 погонного метра труб для бесканальной подземной прокладки теплотрасс в различных регионах страны.

Расход теплоизоляционных материалов на теплоизоляцию труб определяется толщиной теплоизоляции, необходимой для обеспечения выполнения требований нормативных потерь тепла с поверхности трубы в данном регионе при эксплуатации тепловых сетей в заданном режиме. При одной и той же величине тепловых потерь толщина теплоизоляции будет тем больше, чем выше коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала. На рис. 1 в качестве примера приведен график изменения зависимости толщины теплоизоляции трубопроводов двухтрубных тепловых сетей 0 159 мм от суммарных потерь в прямой и обратной трубах при расчетной среднегодовой температуре воды в прямой трубе 90 ОС, в обратной 50 ОС и расчетной температуре грунта +4 ОС для материалов со значениями коэффициента теплопроводности соответственно 0,033; 0,05 и 0,07. Как видно из этого рисунка с уменьшением теплопотерь толщина теплоизоляции должна расти тем интенсивней, чем выше теплопроводность материала.

В табл. 2 приведены расчетные значения толщины теплоизоляции и массы теплоизоляционных материалов, затраченных на изоляцию 1 погонного метра труб различных диаметров в диапазоне диаметров от 57 мм до 1020 мм по стальной трубе. В

этой таблице армопенобетон и пенополимер минерал объединены одной графой из-за того, что, как видно из табл. 1, теплофизические характеристики этих материалов, используемые для расчетов, довольно близки. пенополимер бетон с К = 0,07 Вт/(м.град) и р = 400 кг/м³ приведен для сравнения как материал, который упоминается в СНиП 2.04.14-88*. В табл. 2 приведены результаты расчетов для районов с суровым климатом (Восточная Сибирь, Тюменская область и т.п.) со средней расчетной температурой грунта минус 4,7 ОС и соответственно нормами теплопотерь при продолжительности работы в год более 5000 часов. Как видно из этой таблицы, толщина теплоизоляции, обеспечивающая нормативные потери для этих материалов, отличается довольно значительно друг от друга. Еще более разительно отличие в затратах теплоизоляционных материалов по массе на 1 погонный метр труб. А как обстоят дела с ценами?

Если принять за основу дальнейших расчетов цены, сложившиеся на Российском рынке на пенополиуретан - 60 руб. за 1 кг системы и 25 руб. за 1 кг полиэтилена (в настоящее время эти материалы нельзя считать дефицитными, они выпускаются как рядом отечественных, так и зарубежными фирмами и в меньшей степени зависят от политики монополистов), то в графе табл. 2, относящейся к пенополиуретановой теплоизоляции, приведены цены на материалы, затраченные на теплоизоляцию 1 п. м труб. Исходя из этих цен, теплоизоляция из АПБ или ППМ будет стоить не дороже в том случае, если суммарная стоимость 1 килограмма всех компонентов, входящих в рецептуру АПБ и ППМ, включая и защитное покрытие, не будет превышать от 6 рублей за килограмм для труб 0 57 мм, до 27,7 руб. за килограмм для труб 0 1020 мм.

Следует обратить внимание на то, что в графе: «Цена 1 п. м ППУ + ПЭ» в табл. 2 и 3 приведена цена материалов за вычетом цены ПЭ для покрытия АПБ, поэтому в графе: «Паритетная цена АПБ» затрат на ПЭ покрытие нет.

Как видно из этих расчетов, если для труб малых диметров цены на исходные материалы для теплоизоляции предпочтительней для труб с ППУ изоляцией, то для больших диаметров затраты на материалы АПБ или ППМ изоляции могут быть ниже. Это происходит потому, что отношение толщин теплоизоляции для материалов с низкой и более высокой теплопроводностью при росте диаметра трубы уменьшается и, кроме того, в конструкции с ППУ теплоизоляцией существенно возрастает стоимость полиэтиленовой защитной оболочки из-за увеличения ее толщины от 2,5 мм до 16,6 мм по ГОСТ 30732, в то время как толщина защитной полиэтиленовой оболочки для труб, например, с АПБ изоляцией согласно ТУ 4859-002-03984155-99 возрастает с 2,5 мм всего лишь до 5 мм.

Что касается труб с теплоизоляцией из пенополимер бетона с приведенными теплофизическими характеристиками, то представляется довольно проблематичной возможность и целесообразность реализации указанных расчетных толщин теплоизоляции и цен, особенно для труб малых диаметров. В настоящее время трубы с ППБ изоляцией в РФ практически не выпускаются и пора уже вероятно исключить и в нормативно-технической документации упоминания о материалах для теплоизоляции труб тепловых сетей с теплопроводностью 0,07 Вт/(м.К) и плотностью 400 кг/м³.

В табл. 2 приведены также толщины реально выпускающихся в России труб с теплоизоляцией из ППУ по ГОСТ 30732 и теплоизоляцией из АПБ по ТУ 4859-002-03984155-99. Как видно из табл. 2, теплоизоляция из ППУ во всем диапазоне диаметров изолируемых труб имеет по ГОСТ 30732 толщину большую, чем необходимая для обеспечения нормативных теплопотерь. А вот АПБ изоляция по ТУ 4859-002-03984155-99 имеет толщину меньшую, чем необходимая для труб диаметром от 325 мм и выше, а также труб диаметром 76 мм (в табл. 2 отсутствуют), т.е. по этому показателю эксплуатация таких труб в районах с суровым климатом недопустима.

В табл. 3 приведены расчетные данные, аналогичные данным табл. 2 для районов с умеренным климатом (Европейский Центр и т.п.), т.е. по нормам теплопотерь при продолжительности работы 5000 часов и менее, а также расчетной среднегодовой температуре грунта +4 ОС. Как видно, ценовые соотношения и показатели в этом случае будут несколько иными, а толщины теплоизоляции, как для труб с ППУ изоляцией, так и для труб с АПБ изоляцией реально выпускаемые по ГОСТ и ТУ существенно выше необходимых для всего диапазона диаметров труб.

В расчетах экономически оптимальная толщина теплоизоляции теплопроводов определяется как минимум на кривой зависимости суммы приведенных капитальных затрат на теплоизоляцию и эксплуатационных расходов от величины теплопотерь в теплопроводе. Положение этого минимума относительно величины теплопотерь зависит от соотношения величин в ниспадающей кривой - затрат на теплоизоляцию и восходящей - стоимости тепловой энергии. Если принять примерно одинаковыми затраты на монтаж предварительно изолированных ППУ и

АПБ труб, а также сроки эксплуатации и затраты на эксплуатацию, то можно сравнивать оптимальные значения толщин теплоизоляции и соответственно величины теплопотерь для труб с ППУ и АПБ теплоизоляцией (это относится и к пенно поли минеральной теплоизоляции). Для труб, предварительно изолированных в заводских условиях, учитывая сказанное выше, можно говорить о сумме приведенных затрат на материалы, а также производство теплоизоляционного покрытия и стоимости тепловой энергии, утраченной при транспортировке теплоты по теплопроводу. Если принять переменную составляющую затрат на производство теплоизоляции труб и прибыль предприятия равной стоимости самих материалов, затраченных на теплоизоляцию (а у многих производителей это примерно так и есть, особенно для труб средних диаметров), то можно рассчитать приведенную стоимость теплоизоляции, учитывая принятый для этих видов теплоизоляции срок эксплуатации 30 лет. Стоимость тепловой энергии может быть различной для разных регионов и имеет тенденцию к непрерывному росту. Так, если еще совсем недавно можно было ориентироваться на стоимость 200 руб./Гкал, то сегодня вероятно уже следует считать средней цену 400 руб./Гкал, а учитывая, что трубы, укладываемые в настоящее время, должны

прослужить не менее 30 лет, целесообразно уже сейчас учитывать эту тенденцию. Конечно, вслед за ростом стоимости энергии следует и рост цен на материалы, в том числе и на теплоизоляционные, но цена на энергию растет относительно быстрее.

В табл. 4 приведены результаты расчетов для определения оптимальной величины удельных теплопотерь трубопроводов двухтрубных тепловых сетей бесканальной прокладки диаметром 57 мм, 159 мм и 1020 мм, теплоизолированных пенополиуретаном и армопено-бетоном. Толщина теплоизоляции определялась для районов с расчетной температурой грунта +4 ОС (Европейский центр и т.п.). Цены материалов теплоизоляционных покрытий приняты: пенополиуретана - 60 руб./кг, полиэтилена для оболочки - 25 руб./кг; материалов армопенобетонной теплоизоляции 14,2 руб/кг (паритетная цена АПБ для труб диаметром 159 мм из табл. 3). Затраты на потерю тепловой энергии приведены для двух значений стоимости - 200 руб./Гкал и 400 руб./Гкал при продолжительности отопительного сезона 5000 часов.

На рис. 2, 3 и 4 приведены (данные взяты из табл. 4) графики зависимости приведенных общих затрат на теплоизоляцию и потери тепловой энергии от величины удельных теплопотерь трубопроводов тепловых сетей диаметром 57 мм, 159 мм и 1020 мм.

Как видно из табл. 4 и графиков на рис. 2, 3 и 4 положение минимумов на всех кривых приведенных суммарных затрат с ростом цены на тепловую энергию смещается в область меньших значений теплопотерь трубопроводов, причем, чем больше диаметр трубопроводов, тем значительнее величина смещения положения минимума по оси тепловых потерь. Так, для трубопроводов в ППУ теплоизоляции при изменении цены на тепловую энергию с 200 руб./Гкал до 400 руб./Гкал изменение величины оптимальных теплопотерь составит соответственно:

для трубопроводов диаметром 57 мм -с 30 Вт/м до 25 Вт/м;

для трубопроводов диаметром 159 мм -с 50 Вт/м до 40 Вт/м;

для трубопроводов диаметром 1020 мм -с 220 Вт/м до 160 Вт/м. Для трубопроводов в АПБ теплоизоляции:

диаметр 57 мм - с 35 Вт/м до 30 Вт/м;

диаметр 159 мм - с 57 Вт/м до 47 Вт/м;

диаметр 1020 мм - с 220 Вт/м до 160 Вт/м.Таким образом, при цене тепловой энергии

400 руб./Гкал оптимальные значения теплопотерь и толщин теплоизоляции должны быть следующими (см. табл. 5):

Сравнивая полученные в табл. 5 значения толщин теплоизоляции с величинами, приведенными в ГОСТ 30732 и ТУ 4859-002-03984155-99, увидим, что полученным таким путем оптимальным значениям теплопотерь, приведенным в табл. 5, соответствует только толщина теплоизоляции из ППУ для диаметра труб 1020 мм и толщина теплоизоляции из АПБ для труб диметром 57 мм.

Для трубопроводов диметром 57 мм и 159 мм теплоизолированных пенополиуретаном применение теплоизолированных труб типа II (ГОСТ 30732) для районов с климатом, аналогичным Европейскому центру, вместо рекомендуемых труб типа I позволяет обеспечить теплопотери 28,9 Вт/м и 45,3 Вт/м соответственно, что также соответствует расчетным величинам оптимальных теплопотерь в табл. 5.

Для трубопроводов диаметром 159 мм и 1020 мм, теплоизолированных АПБ, толщины теплоизоляции должны быть увеличены по сравнению с приведенными в ТУ.

Вообще говоря, толщины теплоизоляции, приведенные в упомянутых ГОСТе и ТУ, выбирались, исходя из совершенно других соображений, нежели оптимизация приведенных суммарных затрат и т.п., иначе трудно объяснить и тот факт, что с ростом диаметра труб при общей тенденции увеличения расчетных значений толщины теплоизоляции, соответствующей нормативным тепловым потерям, как в ГОСТе, так и в ТУ, для больших диаметров труб происходит снижение толщины теплоизоляции.

Что касается величины нормативных тепловых потерь, то очевидно, что с ростом цены на тепловую энергию нормативные тепловые потери должны уменьшаться. Специалисты постоянно говорят о том, что нормативные тепловые потери, приведенные в СНиП 2.04.14-88*, должны быть пересмотрены, и этот процесс пересмотра уже ведется. Тем более вызывает удивление приведенный в журнале «Энергосбережение» № 5, 2002 г. пусть в качестве примера расчет «оптимальной толщины теплоизоляционного слоя и оптимальной плотности теплового потока при двухтрубной бесканальной прокладке трубопроводов диметром 159 мм». Авторы этой статьи, имеющие прямое отношение к разработке новых норм теплопотерь, приводят новую расчетную «оптимальную» величину теплопотерь для диаметра 159 мм равную 89,4 Вт/м вместо действующей в настоящее время нормы 59 Вт/м! Расчетная толщина теплоизоляции 62,47 мм, соответствующая новым «оптимальным» теплопотерям, означает, что теплоизоляционный материал имеет коэффициент теплопроводности 0,07 Вт/(м.град.).

Применение новых теплоизоляционных материалов с низкой теплопроводностью в конструкциях теплоизолированных трубопроводов тепловых сетей бесканальной прокладки должно способствовать повышению эффективности централизованного теплоснабжения. Широкое внедрение труб с ППУ теплоизоляцией и улучшенными показателями АПБ и ППМ теплоизоляции позволяет существенно снизить нормативные теплопотери в тепловых сетях и окончательно отказаться от применения материалов с высоким коэффициентом теплопроводности. Поэтому, вероятно, не следует, говоря о новых нормативных данных, снова возвращаться к старым теплоизоляционным материалам с низкой эффективностью теплоизоляции. Только использование всех современных достижений в области теплоснабжения при самом серьезном отношении к этим вопросам как административных, так и хозяйственных органов на всех уровнях позволит снять проблему эффективного и надежного обеспечения теплом потребителей, как на ближайшее время, так и на более отдаленную перспективу.

Размещено на Allbest.ru