Энергосбережение при транспортировке и распределении тепловой энергии

Лекция 2. Энергосбережение при транспортировке и распределении тепловой энергии Транспортировка тепловой энергии по тепловым сетям Передача тепловой энергии осуществляется по тепловым сетям. Тепловые сети соединяют источник тепловой энергии с ее потребителем. Тепловая сеть — это система трубопроводов и устройств централизованного теплоснабжения, по которым теплота переносится теплоносителем — горячей водой или паром. Централизованными источниками теплоты обычно являются тепловая электростанция, производящая кроме электрической тепловую энергию (ТЭЦ), котельная промышленного предприятия или районная котельная. Из тепловых сетей теплоноситель поступает в теплопотребляющие установки, представляющие собой комплекс устройств, использующих теплоту для отопления, горячего водоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха или технологических нужд. В настоящее время теплоснабжение большинства зданий в городах России осуществляется от централизованных источников. Общая протяженность магистральных участков тепловых сетей диаметром 600— 1400 мм составляет примерно 13000 км, а протяженность распределительных и внутриквартальных участков трубопроводов в пересчете на двухтрубную систему достигает 125 000 км. В зависимости от фазового состояния теплоносителя тепловые сети разделяются на паровые и водяные. Водяные сети используют для теплоснабжения зданий (отопление, горячее водоснабжение и вентиляция), а также для покрытия промышленной технологической нагрузки низкого потенциала (температура до 100 °С). Паровые сети используют также для обеспечения промышленной технологической нагрузки высокого потенциала (температура до 250 °С). Температура воды в подающих трубопроводах не превышает 150 °С, ее давление — 1,6 МПа. Параметры пара, поступающего в тепловые сети, могут быть различными. Чаще всего используется пар давлением 0,6— 1,4 МПа, имеющий температуру 150—250 °С. Наиболее распространена двухтрубная прокладка тепловой сети. При таком виде прокладки в водяной тепловой сети по одному из трубопроводов (подающему) от источника теплоты к потребителю движется горячий, а от потребителя к источнику по другому трубопроводу (обратному) передается охлажденный в теплопотребляющих установках теплоноситель. В паровых тепловых сетях по одному из трубопроводов (большего диаметра) движется пар, а по другому возвращается конденсат. Для сооружения тепловых сетей применяют стальные трубы диаметром от 50 (распределительные тепловые сети) до 1450 мм (магистральные тепловые сети). По способу прокладки тепловые сети подразделяются на подземные (в каналах или непосредственно в грунте) и надземные (на эстакадах или специальных опорах). Каналы для прокладки тепловых сетей делятся на проходные, полупроходные и непроходные. Проходные каналы используют при прокладке нескольких труб большого диаметра. Иногда в них одновременно прокладывают и другие коммуникации: водопроводные трубы и электрические кабели. Полупроходные каналы имеют высоту не менее 1,4 м и свободный проход шириной не менее 0,6 м; это обеспечивает продвижение человека в согнутом положении, что дает возможность ликвидировать аварии и проводить мелкий ремонт. Непроходные каналы чаще всего изготавливаются с использованием типовых железобетонных конструкций. Бесканальная прокладка трубопроводов предусматривает непосредственную укладку трубопроводов в грунт. Она дешевле, чем канальная, и осуществляется в более короткие сроки, однако непосредственный контакт изолированного трубопровода с грунтом увеличивает тепловые потери и ускоряет коррозию. На теплоизоляционные покрытия трубопроводов сверху наносится гидроизоляция. Заглубление перекрытий каналов или трубопроводов в случае бесканальной прокладки от поверхности земли должно составлять 0,7 м. Потери энергии и ресурсов в тепловых сетях. Виды потерь энергии и ресурсов в тепловых сетях При передаче теплоносителя по тепловым сетям возникают потери энергии, которые можно разделить, как: -потери теплоты с поверхности трубопроводов и через тепловую изоляцию; - потери теплоты за счет теплопроводности, конвекции и излучения; - потери за счет испарения влаги; - потери с утечками теплоносителя - сверхнормативные затраты энергии на перекачивание теплоносителя; - потери энергии из-за нкрушения тепловых и гидравличеких режимов работы тепловых сетей. Потери ресурсов в тепловых сетях: - потери теплоносителя; - разрушение изоляционных конструкций; - разрушение трубопроводов и арматуры. Потери тепловой энергии через изоляцию трубопроводов Для сокращения потерь теплоты в окружающую среду используют различные типы тепловой изоляции. Толщина изоляции может быть определена в результате технико-экономических расчетов. При этом на нее наложены определенные ограничения. Температура поверхности изолированного трубопровода, зависящая от толщины и теплопроводности изоляции, должна быть не выше 45 °С в рабочих помещениях и 60 °С в проходных каналах. Она должна быть не ниже точки росы при транспортировке по трубопроводу хладоносителя. Последнее требование связано с тем, что при температуре ниже конденсируется точки влага, росы которая при на поверхности нарушении теплоизоляции гидроизоляционного покрытия может впитываться в пористую изоляцию. На основании всех технических требований определяется минимальная толщина теплоизоляции. Целесообразность увеличения ее толщины определяется в результате технико-экономических расчетов. На практике расчет толщины тепловой изоляции производится на основании нормативного значения тепловых потерь ее с поверхности по заданной теплопроводности и диаметру трубопровода (раздел «НОРМАТИВНЫЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЗАТРАТЫ И ПОТЕРИ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В ТЕПЛОВЫХ СЕТЯХ»). Потери теплоты с поверхности трубопроводов определяются поразному для различных случаев прокладки (надземная, в каналах, бесканальная). Если трубопровод находится на открытом воздухе, потери теплоты с его неизолированной поверхности или с поверхности теплоизоляции происходят за счет конвекции (естественной или вынужденной, если он подвергается воздействию ветра) и излучения. В случае канальной прокладки имеет место передача теплоты конвекцией и излучением от поверхности теплоизоляции к внутренней поверхности канала, а далее за счет теплопроводности через слой грунта. В случае бесканальной прокладки передача теплоты осуществляется за счет теплопроводности через стенку трубопровода, слой теплоизоляции и слой грунта. На потери теплоты при этом влияют температура воды в трубопроводе, теплопроводность и толщина слоя теплоизоляции, глубина залегания трубопровода, теплопроводность грунта и его температура на удалении от трубопровода. Средняя температура грунта за отопительный период берется из справочников, а в оценочных расчетах принимается равной + 5 °С. В том случае, если рядом проложено несколько трубопроводов, тепловые потери определяются с учетом взаимного влияния их температурных полей. Их суммарные потери в этом случае меньше, чем если бы они были проложены на большом удалении один от другого. Рассмотрим потери тепловой энергии теплопередачей через теплоизоляционные конструкции одиночных трубопроводов, расположенных на открытом воздухе (рис. 1). Рис. 1. К расчету тепловых потерь изолированным трубопроводом, расположенным на открытом воздухе. Удельный тепловой поток, передаваемый от теплоносителя, имеющего температуру t, в теплоизолированном трубопроводе, в окружающую среду с температурой tв в расчете на единицу длины трубопровода, Вт/м (ккал/(м ч)) равен: q= 1 1 + παн dн 2 λ изi t − tв  d в + 2   dн  1 1 ln  изi в изi  + ln  ств  + в dизi   2πλ ст  dст  παв dст (1) , где α н -суммарный (конвективный и лучистый) коэффициент теплоотдачи с наружной поверхности изолированного трубопровода, Вт/(м2·К); d н -наружный диаметр изолированного трубопровода, м; d изв -внутренний диаметр слоя тепловой изоляции, м;  из -толщина слоя тепловой изоляции, м; λ из -коэффициент теплопроводности тепловой изоляции, Вт/(м К), (ккал/(ч м С)); d стн и d ств - наружный и внутренний диаметр трубы, м; λ ст - коэффициент теплопроводности стенки трубопровода, Вт/(м К), (ккал/(ч м С)); α в -коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к внутренней поверхности стенки трубопровода, Вт/(м2 К), (ккал/(ч м2 0С). Этот же тепловой поток, но для трубопровода с несколькими слоями тепловой изоляции будет: q=  ( t − tв )  d + 2 изi  1 1 1 +  ln α н d н 2 i λ изi  в изi d в изi  d стн 1  + 2λ ln  d в ст   ст  1 , + α dв в ст  (2) в где d изi -внутренний диаметр i-го слоя тепловой изоляции, м;  изi -толщина i- го слоя тепловой изоляции, м; λизi -коэффициент теплопроводности i-го слоя тепловой изоляции, Вт/(м К), (ккал/(ч м 0С)). Пренебрегая термическим сопротивлением стенки трубопроводов и сопротивлением теплоотдаче от теплоносителя к внутренней стенке трубопровода, получим: q= t − tв  dизв i + 2 изi 1 1 1 +  ln  παн dн 2π i λ изi  dизв i ,   (3) Для неизолированного трубопровода удельный поток потерь  dизв i + 2 изi dизв i  получается из (3) при условии    =1:  q =  αн dн (t − tв ) . (4) При известной температуре наружной поверхности трубопровода тепловой поток, Вт, передаваемый в окружающую среду его нагретой поверхностью, можно также определить в виде q =  αн dн (tн − tв ) . (5) где tH — средняя за рассматриваемый период температура наружной поверхности трубопровода, °С. Суммарный тепловой поток, поступающий с поверхности трубопровода в окружающую среду, складывается из тепловых потоков, передаваемых за счет конвекции и излучения. Суммарный коэффициент теплоотдачи, который равен сумме коэффициентов теплоотдачи за счет конвекции ак и излучения ал:  н = αк + α л . (6) Конвективная составляющая сложного теплообмена поверхности трубопровода с воздухом ( α к ) зависит от двух факторов – теплообмена при естественной конвекции и теплообмена при вынужденном обтекании трубопровода воздухом (ветром). Коэффициент теплоотдачи пари естественной конвекции (без учета действия ветра) может быть рассчитан по критериальным формулам для чисел Нуссельта при естественной конвекции, полученные в теории тепло- и массообмена, в виде Nu = f(Re, Pr) или Nu = f(Gr, Pr), где Re, Pr, Gr — числа Рейнольдса, Прандтля и Грасгофа соответственно. Например, для одиночного трубопровода, находящегося на воздухе, при отсутствии ветра безразмерный коэффициент теплоотдачи Nu = 0,135 ( Gr Pr ) 1/ 3  Prст     Pr  0,25 (7) . Gr = 105  1013 Число в (6) Грасгофа Gr = g  ( tн − tв ) d 3 2 (8) , где g - ускорение свободного падения. м/с2; β – коэффициент объемного расширения воздуха (β=1/Тн); d – наружный диаметр трубопровода (для изолированного – наружный диаметр тепловой изоляции, м; Pr – число Прандля (для воздуха можно принять Pr=0,7). Свойства воздуха задаются при температуре воздуха вдали от поверхности вдали от поверхности ( tв ).. Конвективный коэффициент теплоотдачи с наружной поверхности трубопровода (в случае неизолированного трубопровода температура поверхности приближенно может быть задана, как температура теплоносителя)  =  d 1/ 3 (Gr Pr)  Prст     Pr  0,25  g  (tн − tв )   Prн  = 0,135  Pr  в   2    Prв  1.3 0,25 (9) , в  - коэффициент теплопроводности воздуха. Вт/(м.К). Составляющая лучистого теплообмена вычисляется как (Tн /100) 4 − (Tв /100) 4   к = п с0 , Tн − Tв п (9) - приведенная степень черноты поверхности; с0 - коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела с0 = 5, 7 Вт(м2Т4). Для оценочных и предварительных расчетов с учетом скорости ветра можно воспользоваться приближенной эмпирической формулой: к =11,6+7 w , (10) где w — средняя скорость ветра в рассматриваемой местности, м/с. Суммарный коэффициент теплоотдачи в этом случае рассчитывается по формуле (Tн /100) 4 − (Tв /100) 4   н =11,6+7 w +  п с0 . Tн − Tв (11) В нормативных расчетах тепловой изоляции (и плотности теплового потока) значения суммарного коэффициента теплоотдачи принимаются япо таблице 1. Таблица 1 Значения коэффициента теплоотдачи , Вт/(м2°C) Изолированный В закрытом помещении На открытом воздухе объект при скорости ветра, м/с Покрытия с Покрытия с низким высоким 5 10 15 коэффициентом коэффициентом излучения *) излучения **) Горизонтальные 7 10 20 26 35 трубопроводы Вертикальные 8 12 26 35 52 трубопроводы * К ним относятся покрытия из оцинкованной стали, листов алюминиевых сплавов и алюминия с оксидной пленкой. К ** ним относятся штукатурки, асбестоцементные покрытия, стеклопластики, различные окраски (кроме краски с алюминиевой пудрой). При отсутствии сведений о скорости ветра принимают значения, соответствующие скорости 10 м/с. Рассмотрим соотношения для определения тепловых потерь одиночных трубопроводов при подземной бесканальной прокладке. Рис. 2. К расчету тепловых потерь изолированным трубопроводом, проложенным бесканально в грунте. При подземной безканальной прокладке трубопроводов (рис. 2) удельный тепловой поток, передаваемый от теплоносителя, имеющего температуру t, в теплоизолированном трубопроводе, к грунту с температурой tгр в расчете на единицу длины трубопровода, Вт/м (ккал/(м ч)) равен: q= где t − tгр  d в + 2 1 ln  из в из 2πλ из  d из d н -наружный наружный и   4Н  1 ln  +   2πλ гр  d н  , (12) диаметр изолированного трубопровода, м; внутренний диаметр трубы, м; теплопроводности стенки трубопровода, Вт/(м d изв d стн и d ств - коэффициент λ ст - С), (ккал/(ч м С)); -внутренний диаметр слоя тепловой изоляции, м;  из -толщина слоя тепловой изоляции, м; тепловой изоляции, λ из -коэффициент Вт/(м С), (ккал/(ч теплопроводности материала м С)); λ гр -коэффициент теплопроводности грунта, Вт/(м 0С), (ккал/(ч м 0С)); Н – глубина заглубления трубопровода (расстояние от поверхности земли до оси трубопровода), м. Формулы для расчета тепловых потерь для одиночного теплопровода и при двухтрубной подземной канальной прокладки приведены в [2,3]. Расчет потерь теплоты при нарушении тепловой изоляции Количество теплоты, теряемое изолированным трубопроводом надземной прокладки известной конструкции длиной L за период времени длительностью τ, часов, будет, Вт ч Qиз = qL = πα низ d низ ( tниз − tв ) L , (13) из где t н - температура поверхности изоляции. Для неизолированного (или с нарушенной изоляцией) трубопровода потери теплоты за определенный период длительностью τ, часов, будет, Вт ч Qн = qL = παн dн ( t − tв ) L . (14) Потери теплоты с утечками теплоносителя Причинами утечек теплоносителя является разрушение трубопроводов от внешней и внутренней коррозии, дефектов монтажа под действием механических нагрузок. Имеют место утечки через неплотности запорной и регулирующей арматуры. Кроме того, существуют затраты теплоносителя, связанные с эксплуатацией тепловых сетей. Утечки теплоносителя могут быть постоянными либо возникать при авариях, связанных с разрывами трубопроводов. Большая часть аварий (до 90 %) приходится на подающие трубопроводы, в которых движется вода с более высокой температурой и под большим давлением. Меры по сокращению потерь теплоты с поверхности трубопроводов Энергосбережение при транспортировке тепловой энергии в первую очередь зависит от качества тепловой изоляции. 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 энергосберегающим мероприятием, участков является поскольку первоочередным тепловые потери с поверхности неизолированных трубопроводов очень велики по сравнению с потерями с поверхности изолированных трубопроводов, а стоимость работ по нанесению теплоизоляции относительно невелика. 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. При нарушении целостности слоя гидроизоляционных покрытий происходит увеличение влажности теплоизоляции. Поскольку теплопроводность воды в диапазоне температур работы тепловой сети λ = 0,6 - 0,7 Вт/(м·К), а теплопроводность теплоизоляционных материалов обычно составляет λиз = 0,035 - 0,05 Вт/(м∙К), то увлажнение материала может увеличить его теплопроводность в несколько раз (на практике более чем в 3 раза). В настоящее время широко внедряются теплопроводы типа «труба в трубе» с пенополиуретановой изоляцией в гидрозащитной оболочке с дистанционным контролем целостности изоляции. Такая конструкция (рис. 3) предусматривает предварительную изоляцию пенополиуретаном и заключение в полиэтилен не только труб, но и всех компонентов системы (шаровой арматуры, температурных компенсаторов и др.). Теплопроводы этой конструкции прокладываются под землей бесканально и обеспечивают существенное энергосбережение за счет предварительного изготовления отдельных изолированных элементов в заводских условиях и высокой тепло- и влагонепроницаемости. Рис. 3. Конструкция трубопровода в заводской теплоизоляции из ППУ: 1 – стальная труба; 2 – слой тепловой изоляции из пенополиуретана; 3 – полиэтиленовая оболочка; 4 – электрод системы оперативного дистанционного контроля изоляции (ОДК) Другим теплоизолирующим материалом, имеющим повышенные защитные характеристики Пенополиизоцианурат – является это пенополиизоцианурат бесшовная теплоизоляция из (ПИР). класса пенополиуретанов, наносится методом напыления или методом заливки и образует бесшовную тепло- и гидроизоляцию. Теплоизоляция имеет низкий коэффициент теплопроводности 0,021 Вт/(м·К). Такая тепловая изоляции в частности используется в конструкции гибких полимерных теплоизолированных труб ИЗОПРОФЛЕКС ИЗОФЛЕКС (рис. 4). Рис. 4. Конструкция гибких металлических теплоизолированных труб КАСАФЛЕКС: 1 - напорная спирально -гофрированная труба из хромоникелевой нержавеющей стали; 2 - гибкий сигнальный кабель системы оперативного дистанционного контроля (ОДК); 3 - теплоизоляция из полужесткого пенополиизоцианурата; 4 - барьерный слой; 5 - защитная оболочка из полиэтилена; 6 - идентификационные полосы серого цвета. Меры по снижению утечек теплоносителя К мероприятиям по снижению утечек теплоносителя относятся: своевременные обследования трубопроводов различными существующими методами (акустическим, тепловизионным и др.) в целях выявления и устранения утечек трубопроводов; и возврат последующая конденсата замена в поврежденных паровых сетях; участков установка конденсатоотводчиков за теплопотребляющими установками. Другим важным профилактическим мероприятием является повышение качества подготовки воды посредством ее деаэрации. Снижение количества растворенного кислорода приводит к замедлению коррозии внутренних поверхностей труб, что предотвращает утечки. Меры по снижению затрат на перекачивание теплоносителя В целях снижения затрат на перекачивание теплоносителя следует: - выполнять промывку и очистку трубопроводов, в результате чего удаляются отложения и снижается шероховатость труб; - использовать насосы с высоким КПД; - устанавливать шаровую запорную арматуру, имеющую меньшее гидравлическое сопротивление, чем обычно применяемая арматура. Меры по оптимизации теплового и гидравлического режимов тепловой сети Целью оптимизации тепловых и гидравлических режимов работы тепловой сети является изменение гидравлических сопротивлений отдельных ее участков таким образом, чтобы расположенные на этих участках потребители имели расчетные тепловые нагрузки. Оптимизация режимов работы тепловой сети состоит из следующих этапов: - расчеты оптимальных тепловых и гидравлических режимов системы теплоснабжения с учетом ее реального состояния после проведенных в ней изменений; - наладка тепловой сети за счет установки у потребителей шайб — дроссельных устройств, имеющих необходимое гидравлическое сопротивление, балансировочных клапанов. Литература. 1. Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях: учебник для вузов / О.Л. Данилов, А.Б. Гаряев, И.В. Яковлев и др.; под ред. А.В. Клименко. – М.: Издательский дом МЭИ, 2011. 2. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. Учебник для вузов. 3. СП 61.13330.2012. Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов. Актуализированная редакция СНиП 41-03-2003. 4. ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ТР-1.4-12-2003 по проектированию и бесканальной прокладке трубопроводов из гибких РЕ-Х-а (ПЭ-С) труб с теплоизоляцией из пенополиуретана в гофрированной полиэтиленовой оболочке. 6-я редакция. ЗАО «Завод Полимерных Труб». 5. ИЗОПРОФЛЕКС. Техническое описание. Группа ПОЛИМЕРТЕПЛО ТУ 2248-021-40270293-2005 (с изм. №1-3) «Трубы ИЗОПРОФЛЕКС» 6. КАСАФЛЕКС. Техническое описание. Группа ПОЛИМЕРТЕПЛО ТУ 4937-023-40270293-2004 (с изм. №1, 2) «Трубы ИЗОФЛЕКС»