авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Оценка транспортных потерь тепловой энергии через теплоизоляционные конструкции трубопроводов тепловых сетей

На правах рукописи

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»

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Кузнецов Гений Владимирович

Официальные оппоненты:

Скуратов Александр Петрович, доктор техн. наук, профессор;

ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», кафедра «Теплотехника и гидро газодинамика», 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 энергосбере жением (г. Томск).

Защита состоится 23 мая 2012 г. в 1300 на заседании диссертационного со вета 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 «Сибир ский федеральный университет».

Автореферат разослан «20» апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Чупак Татьяна Михайловна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Повышение эффективности системы транспортирования тепловой энергии в настоящее время становится одним из приоритетных направлений Энергети ческой стратегии России. Низкие темпы реконструкции тепловых сетей приве ли к тому, что существенная доля трубопроводов (до 60 % от общей протяжен ности) 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) сопро вождается дефицитом топливно-энергетических ресурсов и стабильным ростом тарифов на тепловую энергию. В сложившейся ситуации важно иметь доступ ные инструменты контроля транспортных потерь через теплоизоляционные конструкции трубопроводов с учетом их режимов работы.

Объект исследования – тепловая сеть.

Предмет исследования – количественные значения транспортных тепло вых потерь через теплоизоляционные конструкции трубопроводов.

Цель работы – оценка транспортных потерь тепловой энергии в сети теп лоснабжения на основе декомпозиционного подхода, позволяющего в отличие от известных методик учитывать изменение теплозащитных свойств изоляции на конкретных участках трубопроводов вследствие влияния основных эксплуа тационных 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 эксплу атационные условия и состояние изоляции трубопроводов.

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

4. Разработать методику оценки тепловых потерь сетей теплоснабжения, позво ляющую учитывать не только способы прокладки и конфигурацию трубопро водов, но также изменение теплозащитных свойств изоляции в процессе экс плуатации.

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, увлажнен ная, полностью или частично разрушенная, деформированная изоляция.

2. Создана и апробирована методика оценки потерь теплоты в тепловых сетях на основе декомпозиционного подхода, отличающаяся от традиционного теп лотехнического 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 факто ров, как деформация и нарушение целостности изоляционного слоя, на удель ные 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 затрата ми оценивать потери теплоты в сетях по сравнению с экспериментальными ис следованиями.

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

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



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

5. Предложенные автором практические рекомендации по применению эффек тивного 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 тепло снабжения, что может увеличить эффективность транспортирования тепловой энергии.

Практическая реализация результатов работы:

Результаты научных исследований используются в следующих организа циях:

1. В ООО научно-производственном объединении «Внедрение Энергосберега ющих 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 использо вании и свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Достоверность полученных результатов обусловлена корреляцией рас четных 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 воз можностью учета условий эксплуатации и состояния изоляции по всей протя женности трубопроводов.

2. Алгоритмы определения тепловых потерь и изменения температуры тепло носителя 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 транспорт ных тепловых потерь на основе декомпозиционного подхода, выборе способов определения потерь теплоты для нештатных режимов работы тепловых сетей, создания и автоматизации алгоритмов решения, проведении теоретических ис следований влияния основных эксплуатационных факторов на изменение удельных тепловых потерь, обработке и анализе полученных результатов, фор мулировке ключевых выводов работы. Автор выражает признательность науч ному 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 дис сертации к защите.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на VII Всероссийском семинаре ВУЗов по теплофизике и энерге тике (Кемерово, 2011);

Международной молодежной научной школе «Энергия и человек» (Томск, 2011);

Всероссийском совещании «Энергообеспечение и энергосбережение XII – региональный аспект» (Томск, 2011);

XVII Всероссий ской научно-технической конференции «Энергетика: эффективность, надеж ность, 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 ресурсо сбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источни ки энергии» (Екатеринбург, 2011), Всероссийской научно-технической конфе ренции «Рынки конечных энергетических услуг. Условия формирования и раз вития» (Томск, 2011), V региональная научно-техническая конференция моло дых 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 свидетель ство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, за ключения, списка литературы, включающего 195 наименований, содержит 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 значи мость и новизна полученных результатов, представлены защищаемые положе ния.

В первой главе проведен анализ современных подходов к определению тепловых потерь при транспортировании теплоносителя в сетях теплоснабже ния. 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 теп ловых сетей. Систематизированы наиболее распространенные на практике де фекты изоляции. Рассмотрены причины их возникновения и способы диагно стики.

Обзор существующих подходов к оценке потерь в сетях показал, что экс периментальный способ определения потерь тепловой энергии (РД 34.09.255 97) накладывает ряд ограничений на выбор испытуемых участков, что не поз воляет 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 изо ляции по их длине, поэтому приводит к значительным погрешностям при опре делении тепловых потерь.

В последние годы (2003 – 2012 гг.) массовая тенденция к установке прибо ров учета тепловой энергии у потребителей создала условия для использования показаний счетчиков с целью вычисления потерь теплоты в сети. Однако по добный 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 теп ловых сетей.

Математическому моделированию тепловых потерь, обусловленных изме нением свойств изоляции при эксплуатации трубопроводов, посвящены иссле дования Мунябина Л.И., Арефьева Н.Н., Иванова В.В., Черныша С.В, Букарова Н.В., Половникова В.Ю., Шкребко С.В., Чернышевой Л. А., Андрианова Д.Е., Штыкова Р.А., Уткина Ю.В., Слепченка В.С., Ронделя А.Н., Шаповаловой Н.Н., Умеркина Г.Х., Dolla 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 дегра дацией и нарушением целостности изоляционного слоя. Такие дефекты изоля ции недостаточно освещены в современной литературе.

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

Во второй главе сформулирована задача анализа тепловых потерь при транспортировании теплоносителя на основе декомпозиционного подхода, поз воляющего учитывать условия эксплуатации трубопроводов и состояние изо ляции 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 разруше ние. Приведен алгоритм зарегистрированного программного комплекса, реали зованного на базе пакета прикладных программ Matlab.

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

Рис. 1. Фрагмент типичной двухтрубной тепловой сети: И – источник теплоснабжения, L1 – L30 – характерные участки тепловой сети с различными условиями прокладки и состоянием изоляции, П1 – П8 – потребители тепловой сети № 1 – На первом этапе декомпозиция проводится в зависимости от способа про кладки. 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: L1 – L19 изолированы пенополиуретаном (ППУ), L20 – L30 – мине ральной 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 выделе ние участков, отличающихся условиями эксплуатации и состоянием изоляции по длине трубопроводов (табл. 1).

Таблица 1 – Характеристики участков тепловой сети № Условия эксплуатации и Номера участков (L) п/п состояние изоляции Влажный воздух в канале 1 1, 2, 5, 20, Деформация изоляции 2 3, Увлажнение изоляции 100 % 3 4, 11, 17, Проектные условия 4 6, 7, 8, 13, 23, 24, 27, Разрушение изоляции на 50 % 5 Отсутствует изоляция 6 10, 14, 16, 19, Увлажнение изоляции 40 % 7 Увлажнение изоляции 80 % 8 18, Увлажнение изоляции 60 % 9 Увлажнение изоляции 50 % 10 Задача оценки потерь теплоты решалась при следующих допущениях:

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

2. Изменение теплофизических характеристик в рассматриваемом температур ном диапазоне несущественно.

3. В условиях затопления канала водой не рассматривается переходный процесс проникновения влаги в теплоизоляционный материал. На практике этот про цесс занимает значительно меньший интервал времени по сравнению с про должительностью 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 незначи телен.

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 теплоно сителя, основанная на декомпозиции тепловой сети, базируется на положениях СП 41-103-2000 и соотношениях теории стационарной теплопроводности. Од нако в отличие от известного способа расчета особое внимание уделено основ ным теплофизическим характеристикам, оказывающим наибольшее влияние на термическое сопротивление теплоизоляционной конструкции.

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

(Т В Т Н ) q, (1) 1 d ln 2 ИЗ d1 d 2 Н где Т В – температура теплоносителя в трубопроводе, К;

Т Н – температура окру жающей среды, К;

ИЗ – коэффициент теплопроводности слоя изоляции, Вт/(мК);

Н – полный коэффициент теплоотдачи от поверхности изоляции к окружающей среде, Вт/(м2К);

d2 – наружный диаметр изолированного трубо провода, м;

d1 – наружный диаметр неизолированного трубопровода, м.

При расчете тепловых потерь подземных трубопроводов неизвестными ве личинами являются температуры воздуха в канале и поверхности изоляции.

Обычно задача определения тепловых потерь решается методом последова тельных приближений: задаются коэффициентом теплоотдачи на наружной по верхности теплопровода, определяют тепловые потери и температуру поверх ности, затем проверяют расхождение принятой и расчетной величины Н. Раз работанный программный комплекс позволяет достаточно точно оценивать тепловые потери за счет реализованного в алгоритме пошагового расчета. На каждом шаге вычисляются значения температур поверхности изоляции, возду ха в канале и коэффициента теплоотдачи от поверхности трубопровода.

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

1. Увлажнение изоляции.

Результирующий (эффективный) коэффициент теплопроводности увлаж ненной изоляции складывается из коэффициента теплопроводности каркаса (равен справочному значению коэффициента теплопроводности сухого матери ала) 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 f =0,73 от единицы объема изо ляции, в то время как пористость пенополиуретана всего 0,1.

Эффективная теплопроводность увлажненной изоляции:

Ж f, ИЗ Ж 1, ЭФ ИЗ ИЗ Ж Ж, max (2) где ИЗ, Ж – объемная доля каркаса изоляции и жидкости в единице объема ма териала соответственно;

ИЗ, Ж – справочный коэффициент теплопроводности изоляции и жидкости соответственно, Вт/(мК);

Ж – максимальная объемная max доля жидкости в изоляционном материале;

f – 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 дей ствием диффузионного механизма массопереноса, увеличивая ее коэффициент теплопроводности.

Эффективная теплопроводность изоляции определяется по соотношению (2), но максимальная объемная доля жидкости в изоляции ( Ж ) лимитируется max не открытой пористостью f, а содержанием влаги в воздухе при его относи тельной 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 термиче ского сопротивления слоя изоляции.

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

Учесть частичное разрушение теплоизоляции Рис.2. Сечение трубопровода в выражении (1) не представляется возможным, с частично отсутствующей поэтому определение тепловых потерь проводится изоляцией по соотношениям (3) – (5). В работе показано, что погрешность расчета по выражению (1) и по выражениям (3) – (5) не превыша ет 9 % для трубопроводов 50 – 150 мм и 1 % для 200 мм и более.

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

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

ТВ Т Н qF 1, (3) ИЗ ИЗ Н где ИЗ – толщина теплоизоляции трубопровода, м.

Тепловой поток через неизолированную поверхность ( qF 2 ) 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 трубопро вода равны, Вт/м:

qL qF1 LОКР1 qF 2 LОКР 2, (4) LОКР1 (1 ) LОКР, LОКР 2 LОКР, (5) где LОКР1 – длина дуги изолированной части окружности трубопровода, м, LОКР2 – длина дуги неизолированного части окружности трубопровода, м, LОКР – длина дуги окружности трубопровода, м, – объемная доля отсутствующей изоля ции.

4. Умеренная деформация.

В работе рассматривается пример умеренной деформации изоляции, вы ражающийся в уплотнении верхней части изоляции на величину, равную полу толщине слоя, и провисании в нижней части с образованием воздушной прослойки между стальной трубой и изоляцией. Величина воз душной прослойки принимается равной тол щине уплотненной изоляции в верхней части конструкции.

Для оценки тепловых потерь область ре шения условно разбивается на 4 равных сег мента (рис. 3). Количество частей разбиения обусловлено достижением приемлемой точно сти результатов для практических расчетов.

Тепловой поток через верхнюю поверх ность ( qFВ ) рассчитывается по выражению (3) с Рис. 3. Схема области решения учетом уменьшения толщины слоя изоляции в для теплопровода с умеренно де формированной изоляцией: qFВ, qFБ, 2 раза.

Тепловой поток через боковую поверх- qFН – тепловой поток через верх нюю, боковую и нижнюю поверх ность ( qFБ ) определяется по выражению (3). ность трубопровода, соответ Тепловой поток через нижнюю поверх- ственно, Вт/м, bиз – толщина изо ляции, мм ность определяется по выражению, Вт/м2:

ТВ ТН qFН, ИЗ ИЗ / 2 ИЗ ЭФ.В Н где ЭФ. В – эффективная теплопроводность воздушной прослойки между стен кой стальной трубы и провисшей изоляцией, Вт/(мК):

ЭФ.В 0,18 В (Gr Pr)0,25, где В – коэффициент теплопроводности сухого воздуха, Вт/(мК);

Gr – число Грасгофа;

Pr – число Прандтля.

Тепловые потери теплопровода с деформированной изоляцией равны сум ме 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 основ ных эксплуатационных факторов на удельные потери тепловой энергии. Пока заны преимущества применения декомпозиционного подхода для определения тепловых потерь по сравнению с известным теплотехническим расчетом. Про ведена оценка достоверности полученных результатов.

Установлено, что наиболее существенно температура теплоносителя в трубопроводе падает на участках, эксплуатирующихся в осложненных услови ях (рис. 4, а). Например, на пути до потребителя П4 резкое изменение темпера туры соответствует участкам с отсутствующей изоляцией или со значительным ее увлажнением (табл. 1). Применение минеральной ваты (П6, П7, П8) обуслав ливает 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 (б) Температура на поверхности изоляции (Тиз) (рис. 4, б) изменяется нели нейно. Пиковые значения температур соответствуют дефектам изоляционных конструкций. Аналогичное температурное распределение (рис. 4, б) может быть зарегистрировано при тепловизионной съемке теплотрассы, что предо ставляет возможность установления местоположения, но не вида дефекта изо ляции. 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 теп лозащитных свойств изоляции конкретных участков трубопроводов. Проведено сравнение расчетных потерь (Qрас) с проектными значениями (Qпр) (рис. 5).

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 перспективно сти 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 опре деления тепловых потерь по СП 41-103-2000, и тем очевиднее преимущество предлагаемой методики.

По результатам выполненного анализа нормативных потерь теплоты рас сматриваемого 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 превыси ли проектные значения).

Таблица 2 – Удельные тепловые потери подземных трубопроводов раз ной конфигурации Удельные тепловые Откло dy, потери, Вт/м нение, мм Норматив Проект % 50 36 23 100 50 36 150 59 42 300 84 60 400 98 62 Рис. 6. Сравнение нормативных, проектных и 600 128 86 расчетных потерь теплоты в тепловой сети 800 157 110 для потребителей № 1 – Подробные исследования удельных тепловых потерь подземных трубо проводов различных диаметров (dy) (табл. 2), изолированных пенополиурета ном с коэффициентом теплопроводности 0,035 Вт/(мК) и толщиной по ГОСТ 30732-2006 позволили сделать следующие выводы.

Во-первых, существующие нормативы тепловых потерь существенно за вышены для современных изоляционных материалов. В связи с этим предлага ется скорректировать действующие нормы. Рекомендуется ввести градацию нормативных потерь теплоты в зависимости от термического сопротивления теплоизоляционной конструкции. Прежние значения оставить для нормирова ния потерь через изоляции с коэффициентами теплопроводности более 0, Вт/(мК). Для материалов с коэффициентами теплопроводности 0,035 Вт/(мК) и менее имеется возможность снизить нормативы до 28 % (табл. 2). Такая кор ректировка позволит эффективно использовать преимущества современных изоляционных материалов при передаче тепловой энергии от источника до по требителей.

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

Для иллюстрации рассмотрен конкретный пример фрагмента маги стрального трубопровода с условным Рис.7. Тепловые потери через диаметром 600 мм, протяженностью пенополиуретановую изоляцию 5450 м, изолированного ППУ. Изменение нормативных, расчетных и усреднен ных тепловых потерь по длине трубопровода приведено на рис. 7.

Как видно из рис. 7, при определении тепловых потерь с учетом неодно родности изоляции по длине трубопровода на отдельных участках наблюдают ся 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 воз можного потенциала энергосбережения в системе транспортирования тепловой энергии.

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

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

Таблица 3 – Сравнение удельных потерь теплоты при различных условиях эксплуатации и состоянии изоляции Удельные расчетные потери № qрас/qпр (qрас), Вт/м Условия эксплуатации п/п ППУ МВ ППУ МВ Проектные (qпр) 1 61,4 90,2 1 Влажность воздуха в канале 100 % 2 74,5 99,3 1,2 1, Увлажнение изоляции на 20 % 3 82,1 187,9 1,3 2, Увлажнение изоляции на 40 % 4 102 270,9 1,7 Увлажнение изоляции на 60 % 5 121,1 342,2 2 3, Увлажнение изоляции на 80 % 6 139,6 404,2 2,3 4, Увлажнение изоляции на 100 % 7 157,6 458,5 2,6 5, Разрушение изоляции на 1/ 8 458,4 500,8 7,5 5, Разрушение изоляции на 2/ 9 855,5 911,7 13,9 10, Разрушение изоляции на 3/ 10 1252,6 1322,5 20,4 14, Полное разрушение изоляции 11 1426,1 1426,1 23,2 15, Умеренная деформация изоляции 12 89,6 125,8 1,5 1, Наибольшее увеличение тепловых потерь, как и следовало ожидать, вызы вает разрушение изоляции. К значительному росту потерь (до 5 раз) приводит ее увлажнение (табл. 3). Особенно негативно влага влияет на изоляцию из ми неральной ваты. Ввиду волокнистой структуры МВ увлажняется практически мгновенно и после высыхания не восстанавливает первоначальные теплоза щитные свойства. Умеренная деформация изоляции увеличивает тепловые по тери до 1,5 раз.

Важным преимуществом разработанной методики, основанной на деком позиционном 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 допу щение, что температура воздуха остается постоянной на всем протяжении под земной теплотрассы может привести к ошибочной оценке потерь теплоты. Реа лизованные в программном комплексе алгоритмы позволяют пересчитывать действительную температуру в канале на каждом шаге, что существенно сни жает погрешность определения потерь.

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

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 изо ляции для осложненных условий эксплуатации тепловых сетей. Выполнен эко номический расчет целесообразности ремонтно-изоляционных работ отдельных участков теплотрассы с высокими тепловыми потерями. Установлены сроки окупаемости мероприятий.

Для рассматриваемого фрагмента типичной тепловой сети из восьми по требителей (рис. 1) суммарный потенциал энергосбережения составляет 414 кВт тепловой мощности, что эквивалентно экономии в 13 056 ГДж тепло вой 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 являет ся замена изоляции при ее сильном увлажнении и полном или частичном раз рушении. В остальных случаях (влажность воздуха в канале до 100 % и дефор мация 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 теплоизо ляционные конструкции трубопроводов тепловых сетей.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в сле дующем:

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

– экспериментальный метод установления потерь тепловой энергии (РД 34.09.255-97) имеет ряд технологических ограничений, что не позволяет про водить 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 декомпозицион ного подхода впервые учитывает условия эксплуатации и возможные дефекты изоляции отдельных участков трубопроводов, что существенно увеличивает точность теоретического определения потерь теплоты по сравнению с традици онным теплотехническим расчетом. Отсутствие ограничений по конфигурации тепловых сетей, а также автоматизация расчетных алгоритмов позволяют при менять предлагаемую методику на практике для установления потерь теплоты трубопроводов без их испытаний.

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

4. Применение декомпозиционного подхода для оценки тепловых потерь поз волило выявить и научно обосновать возможность снижения нормативов по терь до 28 % для изоляционных материалов с коэффициентом теплопроводно сти 0,035 Вт/(мК) и менее. Корректировка установленных норм и строгий кон троль над их соблюдением посредством предлагаемой методики может обеспе чить значительную экономию энергоресурсов при их транспортировании и спо собствовать практической реализации основных положений ФЗ № 261.

5. Разработанный программный комплекс для оценки тепловых потерь и темпе ратуры теплоносителя создает условия для обоснованного планирования пер воочередных ремонтных работ на конкретных участках теплотрассы с высоки ми потерями теплоты, а также позволяет интерпретировать результаты тепло визионной съемки и идентифицировать дефекты изоляции на основании сопо ставления зарегистрированных и расчетных значений температур на поверхно сти трубопроводов.

6. Выполненное экономическое обоснование рентабельности ремонтных меро приятий, 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 меро приятия по замене деформированной изоляции и осушению воздуха в каналах.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи по перечню ВАК:

Кузнецов Г.В., Озерова И.П., Половников В.Ю., Цыганкова Ю.С. Оценка фактических потерь тепла при транспортировке теплоносителя с учетом тех нического состояния и реальных условий эксплуатации тепловых сетей // Из вестия Томского политехнического университета. – 2011. – Т. 319. – № 4.– С.

56 – 60.

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

75 –81.

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

Другие публикации:

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

Кузнецов Г.В., Озерова И.П., Половников В.Ю., Цыганкова Ю.С. Потенци ал энергосбережения при оценке фактических потерь тепла при транспорти ровке теплоносителя в тепловых сетях // VII Всероссийский семинар ВУЗов по теплофизике и теплоэнергетике: Сборник докладов.– Кемерово: Изд-во.

КузГТУ, 2011.– С. 78 – 81.

Кузнецов Г.В., Озерова И.П., Половников В.Ю., Цыганкова Ю.С. Энерго сбережение при передаче тепловой энергии в ЖКХ // Энергообеспечение и энергосбережение – региональный аспект: Материалы докладов XII Всерос сийского совещания.– Томск: Изд-во «СПБ Графикс», 2011.–С.51 – 55.

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 Графикс», 2011.– С. 215 – 217.

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

Половников В.Ю., Цыганкова Ю.С. Определение потерь тепла через тепло изоляционные 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. Декомпо зиционный подход к оценке тепловых потерь в сетях централизованного теплоснабжения // Повышение эффективности энергетического оборудова ния: 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 тепло вых сетей // Повышение эффективности энергетического оборудования: Ма териалы VI Международной научно-практической конференции.– Иваново:

ФГБОУ ВПО «Ивановский государ. энергетический университет им. В.И.

Ленина», 2011.– С. 284 – 289.

12 Кузнецов Г.В., Озерова И.П., Половников В.Ю., Цыганкова Ю.С. Энер гоэффективность системы теплоснабжения // Рынки конечных энергетиче ских услуг. Условия формирования и развития: Сборник трудов Всероссий ской 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 ме сторождения) // 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 тепло вых потерь и падения температуры теплоносителя по длине трубопровода в действующих тепловых сетях // Свидетельство о государственной регистра ции программы для ЭВМ № 2011618250.– Бюлл. прогр. № 4, 2011.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.