Нормирование технологических затрат и потерь при передаче тепловой энергии

ЛЕКЦИЯ 3. НОРМИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЗАТРАТ И ПОТЕРЬ ПРИ ПЕРЕДАЧЕ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ. Нормирование технологических затрат и потерь при передаче тепловой энергии проводится с целью обоснованного определения затрат ресурсов при расчете тарифа на услуги по передаче тепловой энергии и анализа состояния оборудования тепловых сетей и режимов работы системы централизованного теплоснабжения. К нормативным эксплуатационным технологическим затратам ресурсов при передаче тепловой энергии относятся. Нормативы технологических потерь при передаче тепловой энергии разрабатываются по следующим показателям: -потери и затраты теплоносителей (пар, конденсат, вода); -потери тепловой энергии в тепловых сетях теплопередачей через теплоизоляционные конструкции теплопроводов и с потерями и затратами теплоносителей (пар, конденсат, вода); -затраты электрической энергии на передачу тепловой энергии Нормативные потери тепловой энергии при транспортировке теплоты в тепловых сетях включают две составляющие: -потери тепловой энергии теплопередачей через теплоизоляционные конструкции трубопроводов и оборудование систем транспорта; -затраты и потери тепловой энергии с потерями теплоносителя. Расчеты нормативных потерь следует проводить, руководствуясь Приказом Министерства энергетики РФ от 30 декабря 2008 г. № 325 "Об организации в Министерстве энергетики Российской Федерации работы по утверждению нормативов технологических потерь при передаче тепловой энергии" (с изменениями от 1 февраля 2010 г.) [1]. Этим же приказом признается утратившим силу приказ Минпроэнерго России от 4 октября 2005 г. №265. Значения тепловых потерь теплопередачей через теплоизоляционные конструкции трубопроводов по проектным нормам для среднегодовых условий функционирования тепловой сети определяются в зависимости от: -периода проектирования трубопроводов; -способа прокладки трубопроводов; - диаметра трубопровода; -фактического температурного графика тепловой сети; -климатических условий в месте прокладки и эксплуатации трубопроводов. В настоящее время существуют четыре группы норм потерь трубопроводами, спроектированными в различные периоды времени: - для трубопроводов, спроектированных в 1959-1989 годах; - для трубопроводов, спроектированных в 1990-1997 годах; - для трубопроводов, спроектированных в 1998 -2003 годах; - для трубопроводов, спроектированных позднее 2004 года. Различают нормы тепловых потерь изолированными трубопроводами в зависимости от способа прокладки: - надземная на открытом воздухе (нормы для всех периодов проектирования); - в непроходных каналах и бесканальная прокладка (нормы 1959-1989 гг., 1998 -2003 гг.); - в непроходных каналах (нормы 1990-1997 гг. и с 2004 г по настоящее время); - бесканальная прокладка (нормы 1990-1997 гг. и с 2004 г по настоящее время). С течением времени требования к проектированию тепловой изоляции трубопроводов ужесточались, что приводило к снижению норм. Согласно [1] при пользовании приведенными таблицами удельные часовые тепловые потери трубопроводами каждого диаметра определяются пересчетом табличных значений норм на среднегодовые (среднесезонные) условия эксплуатации тепловой сети. При пересчете табличных значений на фактические условия эксплуатации необходимо задать расчетные температуры окружающей среды и теплоносителя. За расчетную температуру окружающей среды при расчетах по нормированной плотности теплового потока следует принимать: а) для изолируемых поверхностей, расположенных на открытом воздухе: для технологического оборудования и трубопроводов - среднюю за год; для трубопроводов тепловых сетей при круглогодичной работе среднюю за год; для трубопроводов тепловых сетей, работающих только в отопительный период, - среднюю за период со среднесуточной температурой наружного воздуха 8 °С и ниже; б) для изолируемых поверхностей, расположенных в помещении – 20 °С; в) для трубопроводов, расположенных в тоннелях - 40 °С; г) для подземной прокладки в каналах или при бесканальной прокладке трубопроводов - среднюю за год температуру грунта на глубине заложения оси трубопровода. При глубине заложения теплопровода от верха теплоизоляционной конструкции менее 0,7 м за расчетную температуру окружающей среды принимается та же температура наружного воздуха, что и при надземной прокладке. За расчетную температуру теплоносителя в водяных тепловых сетях принимают: в подающем трубопроводе при постоянной температуре сетевой воды и количественном регулировании - максимальную температуру теплоносителя; в подающем трубопроводе при переменной температуре сетевой воды и качественном регулировании согласно табл. 1. Таблица 1. Среднегодовая расчетная температура теплоносителя в двухтрубных водяных тепловых сетях при качественном регулировании подачи теплоносителя. 1 2 3 4 Температурный график регулирования 180 - 70 °С 150 – 70 °С 130 – 70 °С 95 – 70 °С За расчетную Подающий трубопровод Обратный трубопровод 110 °С 90°С 65°С 55 °С среднегодовую температуру 50°С 50°С 50°С 50°С наружного воздуха принимают среднюю за год температуру наружного воздуха, а для трубопроводов тепловых сетей, работающих только в отопительный период – среднюю температуру наружного воздуха за отопительный период. Для трубопроводов, проложенных в помещениях, при отсутствии информации о фактической температуре в качестве расчётной принимают температуру, равную 20оС. При подземной прокладке трубопроводов в полупроходных каналах и бесканальной прокладке температура окружающей среды принимается равной среднегодовой температуре грунта заложения трубопроводов (для отопительных систем на глубине – средней за отопительный период). За расчетную температуру теплоносителя в паровых тепловых сетях принимают максимальную температуру пара, осредненную по длине рассматриваемого участка паропровода, в конденсатных сетях и сетях горячего водоснабжения - максимальную температуру конденсата или горячей воды. Порядок применения норм в соответствии с действующим графиком подачи теплоносителя потребителям, способом прокладки и климатическими условиями эксплуатации трубопроводов будет различным в зависимости от периода проектирования трубопроводов. Это следует из структуры таблиц, в которых эти нормы приведены. Удельные часовые потери зависят от диаметра трубопровода и определяются пересчетом табличных значений норм удельных часовых тепловых потерь на фактические среднегодовые условия функционирования тепловой сети (или условия за другой нормируемый период): qп = qтабл.п kп , (1) qо = qтабл.о kо , (2) qтабл.п , qтабл.о – нормативные значения удельных тепловых потерь соответственно подающего и обратного трубопроводов водяных тепловых сетей (или паропровода применительно к и конденсатопровода среднегодовым условиям для работы, паровых сетей) указанным в соответствующих таблицах,. кДж/(мч) (ккал/(мч)); k п и k о .–коэффициенты пересчёта норм на фактические среднегодовые условия (а они могут отличаться от среднегодовых условий, при которых приведены нормы потерь qтабл.п , qтабл.о ) эксплуатации сети или на средние условия эксплуатации сети за любой нормируемый период времени. Значения тепловых потерь теплопередачей через теплоизоляционные конструкции трубопроводов по проектным нормам для среднегодовых условий функционирования тепловой сети определяются в зависимости от диаметра трубопровода, периода проектирования и способа прокладки трубопроводов. Ниже приводятся формулы для пересчета табличных значений нормативных потерь на фактические среднегодовые условия функционирования тепловых водяных сетей. Надземная прокладка (период проектирования трубопроводов 19591989 гг.): tпср.г. − tнср.г. kп = ср.г. ср.г. , tп.табл − tн.табл (3) tоср.г. − tнср.г. kо = ср.г. ср.г. . tо.табл − tн.табл (4) Подземная прокладка (период проектирования трубопроводов 19591989 гг.): kп = ko = tпср.г. + tоср.г. − 2tгрср.г. ср.г. ср.г. ср.г. tп.табл + tо.табл − 2tгр.табл . (5) Надземная прокладка (период проектирования трубопроводов 19901997 гг.): kп(о)  qтабл.i+1  t ср.г. − tтабл.i = 1+  − 1  qтабл.i  tтабл.i +1 − tтабл.i . (6) Надземная прокладка (период проектирования трубопроводов 1998 2003 гг. и позднее 2004 г.): kп(о)  qтабл.i+1  t ср.г. − tтабл.i . = 1+  − 1 q  t −  t табл.i  табл.i  табл.i +1 (7) Подземная прокладка (в непроходных каналах и бесканально) для периодов проектирования трубопроводов 1990-1997 гг., 1998 -2003 гг. и позднее 2004 г. kп = ko = 1. (9) ср.г. ср.г. ср.г. В формулах приняты следующие обозначения: tп.табл , tо.табл , tгр.табл – среднегодовые температуры, соответственно, теплоносителя в подающей и обратной линии тепловой сети и грунта, принятые для расчёта норм, приводимых в таблицах; tпср.г. , tоср.г. , tгрср.г. среднегодовые температуры, соответственно, теплоносителя в подающей и обратной линии тепловой сети и грунта. Ниже ряд примеров пересчета норм на фактические условия. Пример 1. Период проектирования трубопровода 1998-2003 гг. Условный диаметр трубопровода 150 мм. Трубопровод проложен на открытом воздухе со среднегодовой температурой tн -2 о С. Среднегодовая температура теплоносителя в подающем трубопроводе 65 оС, теплоносителя в обратном трубопроводе – 50 оС. Длительность эксплуатации трубопроводов не превышает 5000 часов в год. Определить нормы потерь подающим и обратным трубопроводом применительно к указанным условиям эксплуатации тепловой сети. Решение. Согласно таблице «Нормы тепловых потерь (плотности теплового потока) теплопроводами, спроектированными в период с 1998 г. по 2003 г. включительно» для трубопровода dу = 150 мм нормы потерь для разности температур теплоносителя и наружного воздуха 45 и 95 оС будут соответственно 25 и 45 ккал/(мч). Воспользуемся интерполяцией и соответствующей формулой для коэффициента пересчета, предварительно задав среднегодовые разности температур теплоносителя и наружного воздуха для подающего трубопровода tпср.г. = 65 – (-2)=67 оС, для обратного - t ср.г. = 50 –(-2)=52 оС.:  qтабл.i+1  t ср.г. − tтабл.i  45  67 − 45 kп = 1 +  − 1 = 1 +  − 1 = 1,352 , q  t −  t 25 95 − 45   табл.i  табл.i  табл.i +1  qтабл.i+1  t ср.г. − tтабл.i  45  52 − 45 kп = 1 +  − 1 = 1 +  − 1 = 1,112 . q  t −  t 25 95 − 45   табл.i  табл.i  табл.i +1 Нормы потерь для среднегодовых условий эксплуатации сети: qп = qтабл.п kп = 1,352∙25 = 34 ккал/(мч); qо = qтабл.о kо = 1,112∙25 = 28 ккал/(мч). Пример 4. Период проектирования трубопровода 1959-1989 гг. Условный диаметр трубопровода 100 мм. Трубопровод проложен в грунте бесканально. Среднегодовая температура грунта на оси заложения трубопроводов +1 оС. Среднегодовая температура теплоносителя в подающем трубопроводе 65 оС, теплоносителя в обратном трубопроводе – 50 оС. Определить нормы потерь подающим и обратным трубопроводом применительно к указанным условиям эксплуатации тепловой сети. Решение. Согласно таблице «Нормы тепловых потерь (плотности теплового потока) теплопроводами, спроектированными в период с 1959 г. по 1989 г. включительно» [1] для трубопроводов dу = 100 мм, проложенных бесканально, норма потерь для разности температур теплоносителя и грунта 52,5 оС будут 76 ккал/(мч). Потери в 76 ккал/(мч) приведены для совместной двухтрубной прокладки трубопроводов (суммарные потери в расчете на два трубопровода). Среднегодовая разность температур теплоносителя в подающем трубопроводе и грунта для условий примера равна ср.г. ( tп + tоср.г. − 2tгрср.г. )/2=(65+50-2∙1)/2=56,5 оС. Коэффициент пересчета на среднегодовые условия эксплуатации тепловой сети : kп = ko = tпср.г. + tоср.г. − 2tгрср.г. ср.г. ср.г. ср.г. tп.табл + tо.табл − 2tгр.табл = 65 + 50 − 2 1 113 = = 1,076 . 65 + 50 − 2  5 105 Норма потерь для среднегодовых условий эксплуатации тепловой сети qп + qп = qтабл.kп = 1,076∙76 = 82 ккал/(мч) Нормируемые тепловые потери определяются при условии, что конструктивные характеристики сети на момент их функционирования соответствуют нормам проектирования тепловых сетей. В противном случае вводятся корректирующие коэффициенты, повышающие нормы, по результатам испытания тепловых сетей. Корректирующие коэффициенты по результатам тепловых испытаний участков тепловой сети при подземной прокладке определяются по формуле (3), при надземной прокладке – по формулам (10)-(12): под Qисп k = под , Q k над п над Qп.исп = над , Qп над о над Qо.исп = над , Qо k (10) (11) (12) под где Qисп − тепловые потери каждого испытанного участка тепловой сети, определенные тепловыми испытаниями и пересчитанные на фактические среднегодовые условия, ГДж/ч или Гкал/ч; Q под − тепловые потери, рассчитанные по проектным нормам тепловых потерь для участков, имеющих те же конструктивные и эксплуатационные параметры, ГДж/ч или над над Гкал/ч. В формулах (4-5) Qп.исп и Qо.исп − тепловые потери подающих и обратных трубопроводов тепловой сети надземной прокладки, определенные тепловыми испытаниями и пересчитанные на среднегодовые условия, ГДж/ч над или Гкал/ч; Qп над и Qо − тепловые потери, рассчитанные по проектным нормам тепловых потерь по формулам (10)−(12). Максимальные значения корректирующих коэффициентов к нормативным значениям не должны быть больше значений, приведенных в методических указаниях по составлению энергетических характеристик тепловых сетей. Нормирование эксплуатационных тепловых потерь через тепловую пот изоляцию трубопроводов на расчетный период ( Qпериод , ГДж, Гкал) проводится, исходя из значений часовых тепловых потерь, определяемых по формулам (1)−(9), при среднегодовых условиях функционирования тепловой сети по формуле: пот Qпериод под где qпi M  N под  под под    (qпi + qоi ) Lij  +  i = 1 j = 1    -6 = n β10 ,  K L K L   над над над над  +   qпi  Lij +  qоi  Lij     i =1 j =1 i =1 j =1   (13) −удельные часовые тепловые потери подающего трубопровода i-го под диаметра, кДж/(мч) (ккал/(мч)); qоi −удельные часовые тепловые потери под обратного трубопровода i-диаметра, кДж/(мч) (ккал/(мч)); Lij − длины отдельных j-ых участков трубопроводов i-го диаметра в двухтрубном исполнении, м; N − количество участков различного i-ого диаметра; М − количество j-ых участков сети с трубопроводами i-го диаметра;  − коэффициент местных тепловых потерь, учитывающий потери запорной арматурой, компенсаторами т.д. (табл. 1). где n – время работы тепловой сети за нормируемый период, ч. Таблица 1 Коэффициент местных тепловых потерь β Способ прокладки трубопроводов β 1. На открытом воздухе, в непроходных каналах, тоннелях и помещениях: 1.1. на подвижных опорах, условным проходом до 150 мм на подвижных опорах, условным проходом более 150 мм 1.2. на подвесных опорах 1,2 1,15 1,05 1,15 2. Бесканальный способ прокладки Вторая составляющая тепловых потерь в тепловых сетях связана с утечкой теплоносителя. Норма среднегодовой утечки теплоносителя Н ут , (м3/чм3), установленная правилами технической эксплуатации электрических станций и сетей и правилами технической эксплуатации тепловых энергоустановок, не должна превышать 0,25 % среднегодовой емкости трубопроводов тепловой сети. Применительно к тепловым сетям нормативные значения годовых н потерь теплоносителя с его утечкой Gут , м3, определяются по формуле: Gутн = (Н ут /100)Vср.год nгод , (14) где Н ут – норма среднегодовой утечки теплоносителя, (м3/чм3), Vср.год – среднегодовая емкость тепловой сети, м3; nгод – продолжительность функционирования тепловой сети в течение года, ч. Средневзвешенное значение среднегодовой емкости тепловых сетей находится по формуле: Vср.год M K  M K от  =  Vij nот + Vijл nл  /(nот + nл ) , i =1 j =1  i=1 j =1  (15) где Vijот −емкость трубопроводов j-го диаметра в отопительном периоде, м3; Vijл −емкость трубопроводов j-го диаметра в неотопительном периоде, м3; K −количество участков тепловой сети с трубопроводами i-го диаметра, М−количество типоразмеров трубопроводов; nот и nл − продолжительность функционирования тепловой сети в отопительном и неотопительном периодах, ч. Емкость трубопроводов i-го диаметра рассчитывается по формуле (16) с использованием справочных данных табл. 2: Vi = vi Li , (16) где vi − удельный объем воды в трубопроводах i-го диаметра, м3/м; Li − длина отдельного участка сети i-го диаметра. Таблица 2 Удельный объем воды в трубопроводах тепловой сети в зависимости от диаметра труб Условный диаметр трубы dу, мм 25 30 40 50 70 80 100 125 Условный Удельный объем диаметр трубы воды, м3/м dу,мм 0,0006 150 0,0009 175 0,0013 200 0,0020 250 0,0038 300 0,0053 350 0,008 400 0,012 – Удельный объем воды, м3/м 0,018 0,027 0,034 0,053 0,075 0,101 0,135 – н Нормируемые потери пара Gут.п , т, могут быть определены по формуле н п Gут.п = (Н ут /100)Vср.год ρп nгод10−3 , (17) где п – плотность пара при средних давлении и температуре по магистралям п от источника тепла до потребителя, кг/м3; Vср.год – среднегодовой объем паровых сетей,м3. Среднее давление и температура пара по магистралям от источника тепла до потребителя:  N pнi + pкi const  pср =   ni  / nгод , 2  i=1   N t +t  tср =   нi кi niconst  / nгод ,  i =1 2  (18) (19) где pнi , pкi – начальное и конечное давления пара на источнике теплоты и у const потребителей по каждой паровой магистрали по периодам работы ni , ч, с относительно постоянными значениями давлений; по каждой паровой магистрали по периодам работы nconst (ч), tнi , tкi –начальная и конечная температуры пара на источнике теплоты и у потребителей; N – количество паровых магистралей. Потери конденсата учитываются по норме для водяных тепловых сетей в размере 0,0025 от среднегодового объема конденсатопроводов. Нормативные значения годовых технологических тепловых потерь с ут утечкой теплоносителя из трубопроводов тепловых сетей Qпериод , ГДж (Гкал), рассчитываются по формуле: M ут Qпериод = (Н ут /100) K  v L i =1 j =1 M K n +  vi Lлij nл от i ij от i =1 j =1 (nот + nл ) ср ρгод  (20) с p αtпср.г. + (1 − α)tоср.г. − tхср.г.  nгод10−6 , ср.г. где год − среднегодовая плотность теплоносителя, кг/м3; tп ср.г. и tо − среднегодовые температуры теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах тепловой сети, о ср.г. С; t х − среднегодовая температура подпиточной холодной воды на источнике теплоснабжения, С; с p – о удельная теплоемкость сетевой воды, кДж/(кг оС) (ккал/кгоС); α – доля утечки теплоносителя из подающего трубопровода (принимается в пределах от 0,5 до 0,75). Среднегодовая температура холодной воды определяется, как средневзвешенная по температурам холодной воды в отопительном периоде от л ( t х =5 оС) и за его пределами ( t х =15 оС) по формуле: t ср.г. х tхот nот + t хл nл . = nот + nл (21) Нормативные потери тепловой энергии с потерями пара, ГДж (Гкал), определяются по формуле (22), с потерями конденсата – (23): ср.год где iп н п Qут.п = (Н ут /100)Vср.год ρп nгод (iпср.год − iхср.год )10−6 , (22) н к Qут.к = (Н ут /100)Vср.год ρк nгод с p (tкср.г. − tхср.г. )10−6 . (23) – энтальпия пара при средних значениях давления и температуры ср.год пара, кДж/кг (ккал/кг); iх – среднегодовая энтальпия холодной воды при ср.г. средней температуре холодной воды, кДж/кг (ккал/кг); tк температура конденсата, – среднегодовая С; с p – удельная теплоемкость конденсата, о кДж/(кгоС) (ккал/кгоС). Литература 1. Приказ Министерства энергетики РФ от 30 декабря 2008 г. № 325 "Об организации в Министерстве энергетики Российской Федерации работы по утверждению нормативов технологических потерь при передаче тепловой энергии" (с изменениями от 1 февраля 2010 г.). 2. Энергосбережение в теплоэнергетики 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, 2010.-424 с.