VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Содержание

Энергосберегающие технологии при эксплуатации теплосетей

Состояние тепловых сетей говорит о необходимости решения проблем энергосбережения и экономии ресурсов. Это требует применения принципиально новых технологичных и энергетически эффективных инженерных систем в строительстве и модернизации тепловых сетей, особенно в сельской местности. В настоящее время действующие тепловые сети характеризуются высокой степенью износа. Около 25 % тепловых сетей превысили нормативный срок эксплуатации (30 лет). Эту проблему необходимо срочно решать, иначе ситуация может стать катастрофической.

С целью конкретизации общих положений концепции по развитию теплоснабжения предусматривается сконцентрировать основное внимание на следующие направления развития тепловых сетей:

— строительство тепловых сетей при подземной прокладке с использованием предварительно изолированных труб;

— строительство тепловых сетей при надземной прокладке с высокоэффективной теплоизоляцией;

— оснащение зданий индивидуальными тепловыми пунктами по независимой схеме (при технической возможности и обеспечении температурных параметров теплоносителя), оборудованными средствами автоматического регулирования и учета потребления тепловой энергии;

— развитие существующих и проектирование новых автоматизированных систем управления технологическими процессами тепловых сетей.

Обновление основных производственных фондов, подключение новых потребителей в соответствии с темпами ввода жилья, приемка дополнительных тепловых нагрузок от жилищно-коммунальных организаций и промышленных потребителей требует ежегодной замены 100-120 км трубопроводов (в однотрубном исчислении) в системе ГПО «Белэнерго». а также 0-660 км в системе жилищно- коммунального хозяйства.

Беларусь является страной с высоким уровнем централизованного теплоснабжения с преобладающим способом прокладки тепловых сетей в виде прокладки в непроходных каналах с минераловатной теплоизоляцией. Увлажнение применяемых материалов в процессе эксплуатации резко снижает теплозащитные свойства теплоизоляционных конструкций, что приводит к непроизводительным потерям теплоты превышающим нормируемые. Следует помнить, что непроизводительные потери тепловой энергии — это потери, обусловленные неудовлетворительным техническим состоянием теплоиспользующего оборудования и тепловых сетей или неудовлетворительной организацией их эксплуатации. Нормируемые потери тепловой энергии — это сумма нормируемых потерь тепловой энергии через изоляцию трубопроводов и с утечкой теплоносителя из тепловых сетей.

Основным условием нормального функционирования систем теплоснабжения является обеспечение в тепловых сетях, перед тепловыми пунктами потребителей, располагаемого напора, достаточного для возникновения в системах теплопотребления расхода теплоносителя, соответствующего их тепловой потребности. Однако из-за низкой гидравлической устойчивости тепловых сетей при различных возмущениях в них происходит разрегулировка- тем большая, чем ниже их гидравлическая устойчивость.

Регулирование тепловой сети сводится к регулировке функционирования отдельных систем теплопотребления путем изменения при необходимости гидравлического сопротивления, установленных дросселирующих устройств. Критериями правильности регулирования тепловых сетей являются следующие показатели:

— установление расчетного расхода теплоносителя в тепловой сети и в каждой из систем теплопотребления;

— соблюдение необходимого температурного перепада в каждой из систем теплопотребления;

— поддержание в отапливаемых зданиях расчетной температуры воздуха.

Кроме того, необходимо помнить, что регулированию тепловой сети обязательно должны предшествовать тщательное обследование системы теплоснабжения и разработка оптимальных для конкретной тепловой сети эксплуатационных режимов. На основании этого должны быть разработаны и осуществлены в полном объеме наладочные (оптимизационные) мероприятия. Без разработки для теплосети оптимального гидравлического режима и оптимизационных мероприятий и их выполнения в полном объеме не возможно добиться положительных результатов.

Наиболее эффективным решением поставленных выше проблем является широкое внедрение в практику строительства тепловых сетей трубопроводов с пенополиуретановой теплоизоляцией типа «труба в трубе» (рис. 1 и 2).

energosberegenie teplosetey.001

Рис. 1. Конструкция теплоизолированной трубы 1 — центрирующая опора; 2 — изоляция из пенополиуретана;

3 — труба-оболочка из полиэтилена; 4 — стальная труба;

5 — проводники-индикаторы системы опера тивного дистанционного контроля за увлажнением теплоизоляции

Потери теплоты в трубах новой конструкции минимальны, а сама конструкция позволяет полностью исключить наружную коррозию трубопровода. При этом исполнение трубопроводов показывает высокую надежность и долговечность теплосети, а также значительное снижение эксплуатационных расходов после запуска теплосети в действие. Новые конструкции имеют еще одно важное

преимущество — систему оперативного дистанционного контроля за увлажнением изоляции, что позволяет своевременно реагировать на нарушение целостности стальной трубы или полиэтиленового гидроизоляционного покрытия и заранее предотвращать утечки и аварии.

energosberegenie teplosetey.002

Рис. 2 Расположение ПИ-труб в канале (без соединительных муфт)

Одним из энергосберегающих решений устройства тепловых сетей также является использование гибких полимерных теплоизолированных трубопроводов с тепловой изоляцией из полужесткого пенополиуретана и гидрозащитным покрытием (рис. 3). Напорная труба изготавливается из сшитого полиэтилена, который позволяет транспортировать теплоноситель с рабочей температурой до 95 °C.

energosberegenie teplosetey.003

Рис. 3. Гибкая ПИ-труба ИЗОПЕКС:

1 — труба ПЭКС; 2 — пенополиуретановая изоляция; 3 — полиэтиленовая пленка;

4 — гофрированная гидрозащитная оболочка

Достоинства полимерных теплоизолированных трубопроводов весьма показательно можно отобразить путем сравнения с металлическими аналогами.

Первое. Гибкие трубы поставляются на строительную площадку длинномерными отрезками до 200 м в бухте или на специальном барабане. Металлические трубы — кусками по 8-12 м. Таким образом, на объект протяженностью в один километр приходится по 10 стыковых соединений при укладке теплотрассы при помощи гибких полимерных труб и около 100 соединений — при использовании металлических труб.

Второе. При монтаже полимерных трубопроводов не нужны сварочные работы, соединение труб производится при помощи специальных фитингов. Монтаж одного фитинга занимает 10-15 мин и не требует работы высококвалифицированных сварщиков.

Третье. Срок службы полимерного трубопровода составляет не менее лет, в то время как металлическая труба (в зависимости от качества транспортируемой по ней воды) в среднем служит только 10-20 лет.

Использование гибких полимерных трубопроводов значительно сокращает время на проведение монтажных работ, что ведет к удешевлению прокладки теплосети. Помимо этого достигается значительный экономический эффект за счет снижения затрат на сопутствующие материалы, необходимые для теплоизоляции стыковых соединений.

Однако при их использовании возникает ряд серьезных трудностей. Распространенные на Западе гибкие теплоизолированные трубы, предлагаемые компаниями Brugg Rohrsysteme, Rehau, Uponor, Logstor. Isoplus и др., имеют ограниченные диаметры (как правило, до 110 мм) и были разработаны для небольших квартальных тепловых сетей с умеренными тепловыми нагрузками. Поэтому их распространение на рынке Республики Беларусь ограничивается теплоснабжающими организациями небольших городов с населением в несколько десятков тысяч человек, небольшими предприятиями перерабатывающей области АПК, а также коттеджными застройками и агрогородками.

Как указано в правилах, водяные тепловые сети из гибких ПИ-труб в период эксплуатации не должны подвергаться ежегодным гидравлическим испытаниям, а также испытаниям на расчетную температуру и тепловые потери, проверкам на наличие потенциала блуждающих токов. Это также приводит к экономии средств и рабочего времени. Основные показатели гибких ПИ-труб приведены в табл. 1.

Таблица 1 Показатели свойств полиэтиленовой трубы

Средний коэффициент линейного теплового расширения полиэтилена К 1 при температурах от 0 до 70 °C

Теплопроводность полиэтиленовой трубы. Вт/(мК)

Теплопроводность полиэтиленовой оболочки, Вт/(мК)

Теплопроводность тепловой изоляции

из пенополиуретана при средней температуре °C,

Кроме этих ПИ-труб широко используются аналогичные гибкие трубы типа «Изопрофлекс» и «Касафлекс» (рис. 4 и 5), разработанные и изготавливаемые в СНГ (в том числе и в Республики Беларусь).

energosberegenie teplosetey.005

Рис. 4. Прокладка гибких труб «Касафлекс»

Впервые при создании трубы применен армирующий слой (кевлар), позволяющий использовать трубу при значительно большем давлении без увеличения толщины стенки напорной трубы. Подобной технологией нанесения армирующего слоя не владеет ни одна из ведущих профильных компаний в мире. Новая технология

полу чила название «Изопрофлекс». Эксплуатационные характеристики труб «Изопрофлекс» позволяют использовать их в тепловых сетях с температурой теплоносителя до 95 °C и давлением до 10 бар. Для сетей с более высокими рабочими характеристиками предназначены трубы «Касафлекс». Напорная труба в них гофрированная, что позволяет конструкции оставаться гибкой, и изготовлена из хром-никелевой нержавеющей стали, стойкой к хлорированной воде тепловых сетей. Эксплуатационные характеристики труб «Касафлекс» позволяют использовать теплоноситель с температурой до 130 °C (кратковременно до 150 °C) под давлением до 16 бар.

energosberegenie teplosetey.006

Рис. 5. Гибкие ПИ-трубы Изофлекс (а) и Касафлекс (б):

1 — защитная оболочка из полиэтилена высокого давления;

2 — технологическая коронированная пленка; 3 — полужесткий пенополиуретан:

4 — композиция на базе сополимера этилена; — адгезив (кислородно-защитный слой); 6 — армирующий слой (кевлар); 7 — адгезив; 8 -труба РЕХ-а; 9 — сигнальный кабель; 10 — защитная оболочка из полиэтилена;

11- напорная гофрированная труба; 12 — теплоизоляция из пенополиуретана; 13 — барьерный слой

В некоторых тепловых пунктах систем отопления заданий до сих пор используют насосные узлы смешения и элеваторные узлы. Поскольку элеваторные узлы практически не допускают возможности энергетически эффективной модернизации системы отопленияи несовместимы с термостатическими клапанами, то их необходимо заменить насосными смесительными схемами и независимыми системами с теплообменником. А установка балансировочных клапанов позволит оптимизировать работу тепловых пунктов, обеспечив проектные расходы на всех нагрузках и соответственно получив их проектную теплоотдачу, а также корректную температуру обратной воды. При этом достигается значительная экономия энергии и увеличение срока службы оборудования.

Повышение энергетической эффективности тепловых сетей состоит в следующем:

— оптимизация сечения трубопроводов при перекладке;

— прокладка трубопроводов «труба в трубе» с пенополиуретановой изоляцией;

— замена минераловатной изоляции на пенополиуретановую с металлическими отражателями;

— электрохимическая защита металлических трубопроводов;

— применение систем дистанционной диагностики состояния трубопроводов;

— применение обоснованных режимов снижения температуры теплоносителя;

— исключение подсоса грунтовых и сточных вод в подземные теплотрассы;

— установка тепловых счетчиков на центральных тепловых пунктах (ЦГП);

— замена малоэффективных кожухотрубных теплообменников на Ц ГП на пластинчатые с устранением течей;

— установка частотно регулируемых приводов для поддержания оптимального давления в сетях (экономия электроэнергии 20-25 % и снижение аварийности);

— закрытие малоэффективных и ненагруженных котельных;

— проведение мероприятий по оптимизации тепловых режимов здания ЦГП и вторичному использованию теплоты обратной сетевой воды и вытяжной вентиляции;

— применение блочных тепловых пунктов при модернизации их абонентских вводов;

— установка регулируемых вентилей на подаче теплоты на нагруженные участки теплотрасс;

— использование мобильных измерительных комплексов для диагностики состояния и подачи теплоты, а так же для регулирования отгиска теплоты;

— установка тепловых счетчиков на входах тепловой подачи зданий;

— внедрение автоматизированных комплексов диспетчеризации ЦТП;

— комплексная гидравлическая балансировка теплосетей;

— премирование работников осуществляющих эксплуатацию теплосетей и ЦТП с учетом показателей энергетической эффективности.

В общем случае блочный тепловой пункт должен состоять из комбинации следующих составляющих:

— узла учета и регулирования тепловой энергии для учета фактического расхода теплоносителя и теплоты, а также регулировки (снижения) расхода теплоносителя в соответствии с заданным графиком температуры;

— узла отопления для обеспечения требуемого расхода тепловой энергии с учетом погодных условий, времени суток, дней недели и пр.;

— узла горячего водоснабжения для поддержания нормативной температуры воды (55-60 °C) в системе горячего водоснабжения;

— узла вентиляции для регулирования расхода тепловой энергии в соответствии с погодными условиями и временем суток.

Применение блочных тепловых пунктов, по сравнению с традиционным абонентским вводом, позволяет:

— снизить затраты на создание теплового пункта;

— сэкономить тепловую энергию и денежные средства;

— повысить надежность теплоснабжения здания;

— упростить дальнейшую модернизацию (автоматизацию) инженерных систем зданий.

VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2016

natural history mini

Тепловая сеть — совокупность устройств (включая центральные тепловые пункты, насосные станции), предназначенных для передачи тепловой энергии, теплоносителя от источников тепловой энергии до теплопотребляющих установок.

Энергосбережение (экономия энергии) — реализация правовых,организационых, научных, производственных, технических и экономических мер, направленных на эффективное (рациональное) использование (и экономно расходование) топливно-энергетических ресурсов и на вовлечение в хозяйственный оборот возобновляемых источников энергии. Энергосбережение — важная задача по сохранению природных ресурсов.

Повышение надежности (безотказности, долговечности, ремонтопригодности, сохраняемости), экономичности и экологичности тепловых сетей зависит не только от совершенствования их уровня технической эксплуатации, но и от своевременного ввода в действие новых прогрессивных технологий и технических новшеств в виде проектов и мероприятии.

Низкая надежность тепловых сетей — следствие технической политики, проводимой в нашей стране на протяжении десятилетий.

За последние 30 лет конструкция теплопроводов и применяемых гидротеплоизоляционных материалов не претерпела качественных изменений, и все совершенствование шло за счет индустриализации работ при строительстве и снижения первоначальных затрат.

В настоящее время в России и Европе имеются современные технические и конструктивные решения, позволяющие значительно повысить надежность и экономичность тепловых сетей.

Прежде всего к новым технологическим и конструктивным решениям относятся:

1. Применение конструкций теплопроводов типа «труба в трубе» с пенополиуретановой изоляцией в гидрозащитной полиэтиленовой оболочке.

Такая конструкция предусматривает применение не только предварительно изолированных пенополиуретаном и заключенных в полиэтиленовую оболочку труб, но и всех компонентов (отводов, тройников, неподвижных опор, шаровой арматуры бескамерной установки, компенсаторов и др.), прокладываемых непосредственно в грунте, бесканально.

Надежная и безаварийная работа теплопроводов тепловых сетей обеспечивается путем использования системы оперативно-дистанционного контроля (ОДК) изоляции.

Такая система позволяет контролировать качество монтажа и сверки стального теплопровода, заводской изоляций, работ по изоляций стыковых соединений. Контроль за состоянием ОДК в процессе эксплуатации теплопровода 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 расстояние до 2 км от точки его подключения.

Срок службы тепловых сетей с пенополиуретановой изоляцией прогнозируется на 30 лет.

Вследствие практически полного отсутствия внешних вредных воздействий на трубопровод в ППУ изоляции повреждаемость его резко снижается по сравнению с традиционными конструкциями.

2. Применение шаровой запорной арматуры бескамерной установки, исключающей потери сетевой воды и необходимость эксплуатационно-ремонтного обслуживания.

При этом более высокая стоимость шаровой арматуры компенсируется отсутствием затрат на сооружение камер.

3. Применение в качестве секционирующих задвижек шаровой запорной арматуры больших диаметров, имеющей гидравлическое сопротивление на порядок ниже, чем у шиберной арматуры.

При этом при сооружении тепловых сетей диаметром 800 мм и более отпадает необходимость сооружения наземных павильонов.

4. Применение сильфонных компенсаторов взамен сальниковых, полностью исключающее потерю сетевой воды. Такие компенсаторы не требуют обслуживания.

5. Снижение скорости внутренней коррозии трубопроводов тепловых сетей.

Повреждаемость тепловых сетей от внутренней коррозии составляет около 30 % от общего числа.

Исследования, проведенные ВТИ, показали, что наиболее эффективным способом снижения скорости внутренней коррозии является повышение рН сетевой воды до 9,5-9,8.

6. Применение частотных преобразователей для автоматического регулирования производительности насосных станций путем изменения частоты вращения агрегатов, автоматизация систем управления и защиты НПС с применением микропроцессорной техники позволяют значительно повысить надежность работы и обеспечить управление и самозапуск НПС с РДП без постоянного присутствия дежурного персонала на них. Экономический эффект (сокращение потребления электроэнергии) от внедрения регулируемого привода насосов составляет 30-35 %.

Любую теплоэнергетическую систему с целью анализа можно условно разбить на 3-х основных участка:

участок производства тепловой энергии (котельная);

участок транспортировки тепловой энергии потребителю (трубопроводы тепловых сетей);

участок потребления тепловой энергии (отапливаемый объект).

Каждый из приведенных участков обладает характерными непроизводительными потерями, снижение которых и является основной функцией энергосбережения

Обычно тепловая энергия, переданная в котельной теплоносителю поступает в теплотрассу и следует на объекты потребителей. Величина КПД данного участка обычно определяется следующим:

КПД сетевых насосов, обеспечивающих движение теплоносителя по теплотрассе;

потерями тепловой энергии по длине теплотрасс, связанными со способом укладки и изоляции трубопроводов;

потерями тепловой энергии, связанными с правильностью распределения тепла между объектами-потребителями, гидравлической настроенностью теплотрассы;

периодически возникающими во время аварийных и нештатных ситуаций утечками теплоносителя

Использование отечественных мощных сетевых насосов с низким КПД практически всегда приводит к значительным непроизводительным перерасходам электроэнергии. Современные импортные насосы, разработанные уже в течение последнего десятилетия имеют КПД в 2-3 раза выше, чем у широко применяющихся сегодня отечественных, обладают высокой надежностью и качеством работы. Применение же устройств частотного модулирования для автоматического управления скоростью вращения асинхронных двигателей насосов в несколько раз повышает экономичность работы насосного оборудования.

При большой протяженности трубопроводов теплотрасс значительное влияние на величину тепловых потерь приобретает качество тепловой изоляции теплотрасс. При возрастании выше средней величины тепловых потерь по длине, следует уделить внимание следующему факту: в настоящее время на рынке появились новые виды предварительно изолированных теплопроводов, например типа «Экофлекс» (рис1). Тепловые потери такого трубопровода (например для «Экофлекс-Кватро» — 13,21 Вт/м против обычной стальной трубы с теплоизоляцией — 120 Вт/м) практически в 10 раз ниже , а надежность безаварийной работы в десятки раз выше. Последний показатель особенно актуален для снижения потерь, связанных с нештатными аварийными ситуациями, неконтролируемыми утечками теплоносителя и затратами на авральные ремонтные работы на теплотрассах

Гидравлическая налаженность теплотрассы является основополагающим фактором, определяющим экономичность ее работы. Подключенные к теплотрассе объекты теплопотребления должны быть правильно шайбированы таким образом, чтобы тепло распределялось по ним равномерно. В противном случае тепловая энергия перестает эффективно использоваться на объектах потребления.

Если вода для систем горячего водоснабжения (ГВС) подогревается на расстоянии от объекта потребления, то трубопроводы трасс ГВС обязательно должны быть выполнены по циркуляционной схеме. Присутствие тупиковой схемы ГВС фактически означает, что около 35-45% тепловой энергии, идущей на нужды ГВС, затрачивается впустую. Одним из способов, позволяющих значительно снизить потери энергии в ГВС, является производство горячей воды прямо в теплопунктах зданий — потребителей. Эффективным и современным способом для этого являются пластинчатые теплообменники, обладающие рядом существенных преимуществ по отношению к традиционно используемым кожухотрубным.

Рис 1. Изолированные теплопроводы экофлекс

Рис. 2 Тепловая сеть

Список литературы:

1. Электронный ресурс: Потери тепла в теплотрассах. Режим точки доступа: http://www.teploenergo.od.ua/index.php?page=poteri-v-teplotrassah

2. Электронный ресурс: Каскадно – частотное управление асинхронными двигателями на насосных станциях. Режим точки доступа: http://en-res.ru/dokumentaciya/stati/kaskadno-chastotnoe-upravlenie-asinxronnymi-dvigatelyami-na-nasosnyx-stanciyax.html

3.Электронный ресурс: ФЗ №190 « О теплоснабжении» . Режим точки доступа: http://www.rg.ru/2010/07/30/teplo-dok.html

4. Электронный ресурс: Энергосбережение. Режим точки доступа: http://energy52.ru/glavnaya/energosberegayushhie-texnologii

5. Электронный ресурс: Журнал АВОК. Режим точки доступа: http://www.abok.ru/for_spec/articles.phpnid=119

6. Теплоснабжение: Учебное пособие для студентов вузов / В.Е. Козин, Т.А. Левина, А.П. Марков, И.Б. Пронина, В.А. Слемзин. – М.: Высш. Школа, 1980. – 408 с.

7. Теплоснабжение: Учебник для вузов / А.А. Ионин, Б.М. Хлыбов, В.Н. Братенков, Е.Н. Терлецкая; Под ред. А.А. Ионина. – М.: Стройиздат, 1982. – 336 с.

Требования по обеспечению энергоэффективности тепловых сетей

Основные требования по обеспечению энергоэффективности тепловых сетей приведены в разделе 17 СП 124.13330.2012 Тепловые сети. Актуализированная редакция СНиП 41-02-2003.

Энергоэффективность тепловых сетей — это отношение тепловой энергии, полученной всеми потребителями (на входных отключающих устройствах), к тепловой энергии, выданной от источника (на выходных отключающих устройствах) (п.17.1 СП 124.13330.2012).

Согласно п.17.2 СП 124.13330.2012 энергоэффективность тепловых сетей характеризуется следующими показателями:

потери и затраты теплоносителя в процессе передачи и распределения тепловой энергии;
потери тепловой энергии, обусловленные потерями теплоносителя;
потери тепловой энергии теплопередачей через изоляционные конструкции трубопроводов тепловых сетей;
объем подпитки тепловых сетей;
расход тепловой энергии (тепловой поток) в тепловой сети;
температура теплоносителя в подающем трубопроводе тепловой сети на источнике тепла;
температура теплоносителя в обратном трубопроводе тепловой сети на источнике тепла;
расход теплоносителя в подающем трубопроводе тепловой сети;
затраты электроэнергии на передачу тепловой энергии, включая затраты насосными группами источников теплоснабжения;
удельные затраты электроэнергии на передачу тепловой энергии, включая затраты насосными группами источников теплоснабжения.

Обеспечить энергоэффективность тепловых сетей можно за счет разработки схем теплоснабжения, в том числе реализации следующих схемных мероприятий: (п.17.3):

оптимизации гидравлических режимов;
оптимизации диаметров тепловых сетей;
оптимизации температуры теплоносителя;
гидравлической балансировки теплосетей.

Энергосберегающих мероприятий при проектировании изоляции на тепловых сетях (п.17.4) при разработке ПД (проектной документации):

применение изоляции трубопроводов с низким коэффициентом теплопроводности;
применение конструкций тепловой изоляции, исключающей ее деформацию и сползание теплоизоляционного слоя в процессе эксплуатации. В составе теплоизоляционных конструкций оборудования и трубопроводов следует предусматривать опорные элементы и разгружающие устройства, обеспечивающие механическую прочность и эксплуатационную надежность конструкций.

При применении предизолированных трубопроводов с ППУ-изоляцией обязательно использование системы оперативно-дистанционного контроля.

Согласно п.17.6 при проектировании тепловых сетей срок службы трубопроводов принимать не менее 30 лет.

В соответствии с п.17.7 для снижения потерь теплоносителя в качестве запорной арматуры, как правило, применять шаровые краны; при использовании осевых компенсаторов предпочтение отдавать сильфонным компенсаторам, взамен сальниковых.

В проектной документации следует предусматривать мероприятия по защите трубопроводов от отложений, внутренней и наружной коррозии за счет применения (п.17.8):