Введение к работе
Актуальность темы.
Повышение эффективности системы транспортирования тепловой энергии в настоящее время становится одним из приоритетных направлений Энергетической стратегии России. Низкие темпы реконструкции тепловых сетей привели к тому, что существенная доля трубопроводов (до 60 % от общей протяженности) 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) сопровождается дефицитом топливно-энергетических ресурсов и стабильным ростом тарифов на тепловую энергию. В сложившейся ситуации важно иметь доступные инструменты контроля транспортных потерь через теплоизоляционные конструкции трубопроводов с учетом их режимов работы.
Объект исследования - тепловая сеть.
Предмет исследования - количественные значения транспортных тепловых потерь через теплоизоляционные конструкции трубопроводов.
Цель работы - оценка транспортных потерь тепловой энергии в сети теплоснабжения на основе декомпозиционного подхода, позволяющего в отличие от известных методик учитывать изменение теплозащитных свойств изоляции на конкретных участках трубопроводов вследствие влияния основных эксплуатационных факторов.
Задачи исследования:
Систематизировать возможные нештатные режимы работы тепловых сетей и выявить наиболее распространенные на практике дефекты изоляции.
Разработать алгоритмы определения тепловых потерь, учитывающие эксплуатационные условия и состояние изоляции трубопроводов.
Провести теоретические исследования и установить степень влияния типичных дефектов изоляции на удельные потери теплоты.
Разработать методику оценки тепловых потерь сетей теплоснабжения, позволяющую учитывать не только способы прокладки и конфигурацию трубопроводов, но также изменение теплозащитных свойств изоляции в процессе эксплуатации.
Научная новизна работы:
Впервые сформулирована и решена задача определения тепловых потерь в сетях теплоснабжения с учетом условий эксплуатации и неоднородности свойств изоляции отдельных участков трубопроводов: затопленная, увлажненная, полностью или частично разрушенная, деформированная изоляция.
Создана и апробирована методика оценки потерь теплоты в тепловых сетях на основе декомпозиционного подхода, отличающаяся от традиционного теплотехнического 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.
Впервые аналитически установлено влияние таких эксплуатационных факторов, как деформация и нарушение целостности изоляционного слоя, на удельные тепловые потери трубопроводов.
Выявлена и научно обоснована возможность снижения нормативов тепловых потерь до 28 % для современных изоляционных материалов.
Практическая значимость работы:
Разработанная методика позволяет более оперативно и с меньшими затратами оценивать потери теплоты в сетях по сравнению с экспериментальными исследованиями.
Анализ тепловых потерь на основе декомпозиционного подхода создает условия для выявления конкретных участков теплотрассы с аномальными потерями, оценки потенциала энергосбережения в тепловых сетях и рентабельности проведения ремонтно-изоляционных работ.
Предложенный способ определения потерь теплоты в трубопроводах, основанный на декомпозиции тепловой сети, может применяться для обоснования тарифов на транспортирование тепловой энергии в РЭК.
Разработанный программный комплекс можно использовать для интерпретации результатов тепловизионной съемки, идентификации дефектов изоляции и прогнозирования технического состояния подземных трубопроводов путем сопоставления зарегистрированных значений температур на поверхности трубопроводов с рассчитанными в программном продукте.
Предложенные автором практические рекомендации по применению эффективного изоляционного материала целесообразно выполнять при эксплуатации трубопроводов в нештатных условиях для минимизации тепловых потерь и увеличения срока службы трубопроводов.
Полученные результаты создают объективные предпосылки для пересмотра и корректировки существующих нормативов потерь теплоты в сетях теплоснабжения, что может увеличить эффективность транспортирования тепловой энергии.
Практическая реализация результатов работы:
Результаты научных исследований используются в следующих организациях:
В ООО научно-производственном объединении «Внедрение Энергосберегающих Технологий» для интерпретации результатов тепловизионной съемки.
В ООО «Тепломер» для более оперативной и менее затратной оценки потерь теплоты в сетях, по сравнению с экспериментальными исследованиями.
В ЗАО «Сибирский ЭНТЦ» и ОАО «ТомскНИПИнефть» для обоснованного выбора эффективных изоляционных материалов.
Практическая реализация результатов подтверждена актами об использовании и свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Достоверность полученных результатов обусловлена корреляцией расчетных 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:
Новая методика оценки потерь тепловой энергии в сетях теплоснабжения, основанная на декомпозиционном подходе и отличающаяся от известных возможностью учета условий эксплуатации и состояния изоляции по всей протяженности трубопроводов.
Алгоритмы определения тепловых потерь и изменения температуры теплоносителя в трубопроводах, позволяющие учитывать ухудшение теплофизиче-ских характеристик изоляции в реальных условиях.
Результаты теоретических исследований, отражающие влияние основных эксплуатационных факторов на транспортные потери тепловой энергии.
Целесообразность корректировки нормативов тепловых потерь до 28 % для изоляционных материалов с коэффициентом теплопроводности 0,035 Вт/(мК) и менее.
Личный вклад автора состоит в разработке методики оценки транспортных тепловых потерь на основе декомпозиционного подхода, выборе способов определения потерь теплоты для нештатных режимов работы тепловых сетей, создания и автоматизации алгоритмов решения, проведении теоретических исследований влияния основных эксплуатационных факторов на изменение удельных тепловых потерь, обработке и анализе полученных результатов, формулировке ключевых выводов работы. Автор выражает признательность научному 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 диссертации к защите.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на VII Всероссийском семинаре ВУЗов по теплофизике и энергетике (Кемерово, 2011); Международной молодежной научной школе «Энергия и человек» (Томск, 2011); Всероссийском совещании «Энергообеспечение и энергосбережение XII - региональный аспект» (Томск, 2011); XVII Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: эффективность, надежность, 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 ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2011), Всероссийской научно-технической конференции «Рынки конечных энергетических услуг. Условия формирования и развития» (Томск, 2011), V региональная научно-техническая конференция молодых 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 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, включающего 195 наименований, содержит 180 страниц, 20 рисунков, 25 таблиц, 5 приложений на 5 страницах.
