Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния энергосбережения и снижения теплопотерь в системах теплоснабжения 9
1.1. Анализ конструкций тепловых сетей 10
1.2. Природно-климатические условия региона строительства объектов нефтяной и газовой промышленности 15
1.3. Мероприятия, направленные на энергосбережение в централизованных системах теплоснабжения 17
Выводы по 1-й главе 21
Глава 2. Анализ существующих методов тепловых расчетов теплопроводов 22
2.1. Тепловые расчеты при надземной прокладке трубопроводов 23
2.2. Тепловые потери одиночного подземного бесканального теплопровода 26
2.3. Тепловые потери двухтрубного подземного бесканального теплопровода 28
2.4. Расчет толщины тепловой изоляции по нормированной плотности теплового потока 30
2.5. Анализ теплопотерь теплопроводами с минераловатной и пенопо-лиуретановой (ГОТУ) изоляцией 39
Выводы по 2-ой главе 59
Глава 3. Математическое моделирование процесса теплового взаимодействия теплопровода в ППУ-изоляции с окружающей средой 60
3.1. Метод определения толщины изоляции, основанный на оптимизации стоимостной целевой функции 61
3.2. Определение оптимальной толщины изоляции при подземной бесканальной прокладке теплопровода 66
Выводы по 3-й главе 74
Глава 4. Технико-экономическая оценка при определении толщины изоляции теплопроводов 75
Выводы по 4-й главе 81
Основные результаты и выводы 82
Список использованных источников 84
Приложения 104
- Природно-климатические условия региона строительства объектов нефтяной и газовой промышленности
- Мероприятия, направленные на энергосбережение в централизованных системах теплоснабжения
- Расчет толщины тепловой изоляции по нормированной плотности теплового потока
- Определение оптимальной толщины изоляции при подземной бесканальной прокладке теплопровода
Введение к работе
Топливно-энергетический комплекс Западной Сибири является одним из основных составляющих развития экономики государства и оказывает большое влияние на развитие научно-технического прогресса, а также во многом определяет темпы роста национального дохода. Разработка месторождений невозможна без создания и эксплуатации городов, поселков и соответственно - систем жизнеобеспечения. Новые условия хозяйствования согласно закону энергосбережения выдвигают актуальные задачи эффективного использования энергии и топливно-энергетических ресурсов в нефтегазодобывающем регионе Западной Сибири [57, 59, 60, 62, 102,132,159].
Энергоэффективное и надежное теплоснабжение городов и населенных пунктов данного региона нашей страны с характерными для нее суровыми климатическими условиями - главный фактор, определяющий комфортность жизнедеятельности населения, развитие экономики и промышленности. На цели теплоснабжения расходуется ежегодно до 400 млн. т. у. т. - 45 % от всего внутреннего потребления топливно-энергетических ресурсов. При этом в структуре потребления теплоты свыше 50 % приходится на социально значимые секторы экономики. Именно в теплоснабжении заложены наиболее крупные резервы энергосбережения, достигающие 40-50% от всего теплопотребления [16, 17, 162].
В современных условиях рыночных отношений энергосбережение признано основным приоритетом энергетической стратегии России. Мероприятия, способствующие энергосбережению в системах теплоснабжения, можно условно разделить по месту их внедрения: у источников теплоты, в магистральных, разводящих сетях и у потребителей теплоты [62, 71, 98, 116,159].
Как показали последние годы, перебои в теплоснабжении ведут к остановкам промышленного производства и ухудшению работы систем жизнеобеспечения. Поэтому поддержание стабильной и эффективной работы системы теплоснабжения является актуальной задачей. Эффективная работа системы теплоснабжения во многом зависит от ее тепловых режимов [12, 20, 57, 159].
В настоящее время разрабатываются различные мероприятия, способствующие энергосбережению в системе жизнеобеспечения. Накопившиеся за многие годы проблемы в данном вопросе отрицательно сказываются на нормальном функционировании не только жилищно-коммунального комплекса, но и топливно-энергетического комплекса (ТЭК) страны [18, 19, 21, 24, 42, 64, 77, 112,144,154].
Вопросам повышения эффективности и надежности работы систем теплоснабжения посвящено большое число работ специалистов в этой области: Васина А.С., Богословского В.Н., Бодрова В.И., Бродянского В.М., Витальева В.П., Зингера Н.М., Ионина А.А., Копьева С.Ф., Костина В.И., Лебедева В.М., Мелькумова В.М., Моисеева Б.В., Порхаева Г.В., Сафонова А.П., Соколова Е.Я., Умеркина Г.Х., Фаликова B.C., Чистовича С.А., Шаповала А.Ф., Шарапова В.И. и др. Однако ряд вопросов требуют своего дальнейшего развития и исследования, так как из анализа нормативных и фактических потерь теплоты теплопроводами выявлены значительные расхождения. На практике часты случаи непозволительно высоких теплопотерь, превышающих нормативные значения в 2-4 раза [61, 65, 90, 106, 111, 113, 114, 137, 138]. До настоящего времени отсутствует единая, согласованная с заинтересованными и надзорными ведомствами, методика теплового расчета теплопроводов в ГШУ-изоляции [60, 62,112,114,159].
Многие производители теплоизолированных труб находятся в весьма затруднительном положении при выборе оптимальной системы ППУ из-за существующего на рынке многообразия (как отечественного, так и иностранного производства). Особые трудности вызывает определение оптимальной толщины ППУ-изоляции [102, 116, 159].
Поэтому дальнейшее развитие научно-методической базы для разработки региональных нормативных документов, направленных на повышение энергетической эффективности систем теплоснабжения и обоснование снижения теплопотерь, является актуальной задачей.
Объектом исследования являются теплопроводы.
Предмет исследования - оптимизация толщины пенополиуретановой (ППУ)изоляции теплопроводов в регионе с суровыми климатическими условиями и мерзлыми грунтами Западной Сибири.
Целью работы является научное обоснование и разработка методики расчета оптимальной толщины ППУ-изоляции теплопроводов с целью снижения теплопотерь и обеспечения надежного теплоснабжения.
Направление исследований: анализ эффективности действующих норм теплопотерь теплопроводами и расчетных потерь теплоты; разработка расчетной тепловой модели по определению оптимальной толщины ППУ-изоляции теплопровода; разработка алгоритмов численного расчета уравнений полученной модели и их программная реализация; численное моделирование теплообмена теплопровода в ППУ-изоляции при надземной и подземной прокладке; определение оптимальной толщины ППУ-изоляции с помощью целевой функции для решения вопросов энергосбережения и экологических проблем.
Научная новизна исследования заключается в том, что на основе введенной целевой функции и закономерностей теплообмена надземного теплопровода предложена и теоретически обоснована математическая модель для определения оптимальной толщины теплоизоляции; разработан и доведен до программного алгоритма метод определения оптимальной толщины теплоизоляции, позволяющий реализовать минимальное значение целевой функции.
Практическая значимость работы. Разработана методика расчета теплопотерь теплопроводов, проложенных в регионе с вечномерзлыми грунтами. Разработаны и предложены региональные нормативы удельных тепловых потерь теплопроводов с ППУ-изоляцией, позволившие уменьшить их на 12-^20%. Результаты работы внедрены в практику производственных и проектных организаций, а также используются преподавателями кафедр «Теплоснабжение и вентиляция» и «Промышленная теплоэнергетика» в учебном процессе при курсовом и дипломном проектировании.
Связь с тематикой научно-исследовательских работ. Диссертационная работа выполнялась в рамках целевой комплексной программы «Нефть и газ
Западной Сибири», а также общеобластной программы «Энергосбережение в Тюменской области».
Внедрение результатов. Результаты исследования, полученные автором, внедрены в производство по монтажу трубопроводов в ППУ-изоляции в «Газ-промэнерго» г. Н.-Уренгоя и в ЗАО «Сибпромкомплект» г. Тюмени с экономическим эффектом в 540 тыс. рублей в год.
Методы исследований. Математическое моделирование физических процессов; методы аналитического исследования функций; комплексный подход к определению оптимальной толщины теплоизоляции теплопроводов с их последующим внедрением в производство в ЗАО «Сибпромкомплект».
Достоверность и обоснованность: основные положения и выводы работы обоснованы теоретическими решениями, полученными с использованием методов математического анализа на основе известных физических законов теплопередачи. Математические модели и целевая функция также должным образом теоретически обоснованы, а полученные результаты соответствуют экспериментальным данным, погрешности оценены по стандартным методикам.
Диссертационная работа выполнена на кафедре теплоснабжения и вентиляции в Тюменском государственном архитектурно-строительном университете.
Природно-климатические условия региона строительства объектов нефтяной и газовой промышленности
Климатические характеристики Западной Сибири приведены в табл. 1.1. Для южных и средних районов наиболее характерными типами грунтов являются торф, пески различной плотности и гранулометрического состава, суглинки, глины, супеси. Эти грунты - результат выветривания горных пород. Они мелкодисперсны, лёссовидны, макропористы, имеют высокую относительную влажность, способны к образованию морозобойных трещин, многолетних бугров пучения, склонны к термокарстовым явлениям. Для северных районов Западной Сибири характерно распространение зон многолетнемерзлых грунтов, которые расположены за 66с.ш. В интервале от 66 до 63с.ш. среди мерзлых массивов встречаются отдельные талики, число которых возрастает по направлению к югу [42, 60, 132, 144, 159].
Необходимо отметить, что южнее 63с.ш. встречаются многолетнемерз-лые толщи, преимущественно состоящие из влагонасыщенных торфяников. Среднегодовая температура мерзлых пород также изменяется; если для севера наиболее характерны температуры (-8 -f- -9)С, то южнее среднегодовая температура мерзлых толщ повышается до (-2 -s- -6)С. Такая же температура характерна и для районов Среднего Приобья [42, 60, 132, 144, 159].
Среднегодовая температура грунта повышается с востока на запад, увеличивается и высота снежного покрова. В Западной Сибири существуют зоны до 300-400 км с температурой грунта от 0 до (-2)С. Южнее 68-69с.ш. преобладают эпигенетические промерзшие отложения, а в осадках наблюдаются сингенетические горизонты. Для площадей Мессояхской, Новопортовской, Заполярной, Уренгойской температуры пород составляют, как правило, (-5)С. Характеристика мерзлотной зоны Севера Тюменской области приведена в табл. 1.2. Грунты, расположенные в приповерхностных слоях (глубина до 5-Ю м), имеют высокую льдистость (6-60 %).
Вышеприведенные климатические условия региона показывают, что здания и трубопроводы, сооружаемые в северных районах Западной Сибири, работают в значительно более тяжелых условиях, чем в южных районах при любом способе их строительства. Это значит, что к зданиям и трубопроводам, сооружаемым в северных районах, должны предъявляться особые требования как на стадии проектирования и строительства, так и при эксплуатации [132, 159, 164].
Мероприятия, направленные на энергосбережение в централизованных системах теплоснабжения
Из анализа структурного теплового баланса централизованного теплоснабжения следует, что в системе теплоснабжения имеются большие потери теплоты, эта взаимосвязь показана на рис. 1.2. В нефтегазодобывающем регионе Западной Сибири предприятия нефтяной и газовой промышленности являются крупными потребителями тепловой энергии. Для теплоснабжения объектов в нефтегазовом регионе сооружаются системы теплоснабжения и другие коммуникации. Централизованные системы теплоснабжения (ЦСТ) наряду с газо-, электро- и водоснабжением являются основными составляющими всей энергетической системы, поэтому к ним предъявляются особенно высокие требования. Следовательно, обеспечение эффективности и надежности теплоснабжения - актуальная проблема, значение которой возрастает с увеличением мощности теплоснабжающей системы [60, 61, 78, 159].
Под надежностью тепловых сетей понимается их способность обеспечивать потребителей требуемым количеством теплоносителя при заданном его качестве, оставаясь в полном работоспособном состоянии.
В современных условиях рыночных отношений энергосбережение признано основным приоритетом энергетической стратегии России. Мероприятия, способствующие энергосбережению в системах теплоснабжения, можно условно разделить по месту их внедрения: у источников теплоты, в тепловых сетях и у потребителей теплоты согласно схеме системы теплоснабжения (рис. 1.3) [60,61,159].
В данной работе рассмотрены возможные направления энергосбережения в системах теплоснабжения. На рис. 1.4. приведена классификация энергосберегающих мероприятий. Следует отметить, что разные мероприятия дают различный экономический эффект и срок окупаемости.
Проведенный анализ состояния энергосбережения и снижения теплопотерь в системах теплоснабжения позволил установить необходимость и актуальность дальнейших работ в этом направлении. Новые условия хозяйствования выдвигают в ряд первоочередных - задачи эффективного использования энергии и топливно-энергетических ресурсов в системах теплоснабжения, которые ставятся во главу проводимых исследований.
Из анализа структурного теплового баланса централизованного теплоснабжения выявлена взаимосвязь потерь теплоты и определены мероприятия способствующие энергосбережению в системах теплоснабжения.
Анализ выявил, что действующие тепловые сети, проложенные в каналах, не удовлетворяют современным требованиям экономичности и долговечности. На практике часты случаи высоких теплопотерь, превышающих нормативные значения в 2-4 раза. Новая технология трубопроводов в ППУ-изоляции значительно выгоднее и перспективнее традиционных, но уже устаревших технологий. Это связано не только с явным преимуществом нового вида конструкций, но и с ужесточением норм тепловых потерь (в 1,2 - 1,5 раза), предусмотренных изменением №1 к СНиП 2.04.14-88 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов».
Широкое внедрение теплопроводов в ППУ-изоляции позволит решить поставленные вопросы по энергосбережению и экологические вопросы при строительстве на вечномерзлых грунтах.
Выбор экономичных теплоизоляционных конструкций при проектировании тепловых сетей проводится с учетом типов прокладки теплопроводов, расположения и условий эксплуатации изолированных объектов, а также условий монтажа тепловой изоляции. Тепловую изоляцию трубопроводов тепловых сетей используют при всех способах прокладки независимо от температуры теплоносителя.
Конструкция тепловой изоляции состоит из основного теплоизоляционного слоя, наружного защитного покрытия и креплений. Основной теплоизоляционный слой обеспечивает защиту изолируемой поверхности от потерь теплоты, наружное защитное покрытие предохраняет основной теплоизоляционный слой от механических повреждений, увлажнений, воздействия агрессивных сред и т. д. При расчете тепловых сетей толщину тепловой изоляции находят, исходя из норм потерь теплоты, заданного перепада температур на участке тепловой сети, допустимой температуры на поверхности конструкции и технико-экономического расчета [30, 32,39, 137,138,139,140].
Общая теория и методы теплотехнического расчета трубопроводов более подробно рассмотрены в работах [42, 43, 105, 106, 108, 140, 143]. Прокладка инженерных коммуникаций в северных регионах имеет ряд особенностей. Необходимо, с одной стороны, исключить льдообразование в водопроводных и канализационных сетях, а с другой стороны предотвратить воздействие трубопроводов на вечномерзлый грунт [60, 87, 92, 93, 106, 108,115,132].
В связи с появлением новых теплоизоляционных материалов и современных конструкций тепловой изоляции автор в данной работе рассматривает тепловые расчеты для надземной и подземной бесканальной прокладки теплопроводов в ППУ-изоляции с целью предотвращения растепления мерзлого грунта и решения экологических вопросов, так как данная проблема не достаточно решена [31, 90, 91, 93, 99, 100]. При надземной прокладке удельные тепловые потери для трубопровода длиной 1 м определяют по формуле [32,138, 139]: где t p- средняя температура теплоносителя, С; tH- температура окружающей среды, С; R - суммарное термическое сопротивление, м -С/Вт. Общее сопротивление теплопередачи равно сумме последовательно расположенных термических сопротивлений: где RB,RTp,RH,RH - термические сопротивления соответственно внутренней поверхности трубы, стенки трубы, слоя тепловой изоляции и наружной поверхности изоляции, м С/Вт [32, 39,42, 43,47,108, 138, 140,157]. Сопротивление теплопередачи изоляционной конструкции при различных толщинах изоляции определяется по методике А.А. Николаева [143], позволяющей наиболее полно учесть все влияющие факторы, в отличие от упрощенных методик, основанных на методике, например, Е.Я. Соколова [140], В.Е. Козина [146] и др., где не учитываются сопротивления всех составляющих конструкций изолированного трубопровода, влияние трубопроводов друг на друга, не делается разницы в тепловом расчете подающего и обратного трубопроводов тепловых сетей.
Расчет толщины тепловой изоляции по нормированной плотности теплового потока
Определение толщины изоляции по заданным значениям тепловых потерь изолируемого трубопровода чаще всего приходится выполнять, исходя из нормативных значений этих потерь. Такие нормативные значения обосновываются технико-экономическими расчетами, в которых оцениваются возможности снижения тепловых потерь либо за счет увеличения толщины основного изоляционного слоя, либо изготовления этого слоя из более эффективного ма териала. В обоих случаях такое снижение связано с увеличением капитальных вложений в изготовление изоляционных конструкций, которое должно окупаться экономией теплоты, достигаемой за счет снижения годовых тепловых потерь изолируемого трубопровода.
Методика технико-экономических расчетов изоляционных конструкций применительно к различным типам прокладки тепловых сетей приведена в [32, 138, 139, 143]. Получаемые в результате расчетов оптимальные значения толщины основного изоляционного слоя для нескольких наиболее перспективных и экономичных конструкций и соответствующие им значения тепловых потерь принимаются за основу при нормировании этих потерь. Такие значения помимо технических показателей конструкций зависят также от их режимов работы (средняя продолжительность эксплуатации изолированных трубопроводов в течение года и соответствующие средние температуры теплоносителя и окружающей среды) и от соотношения между удельными капитальными вложения-ми в изоляционную конструкцию, отнесенными к 1 м ее объема в деле, и принятой стоимостью единицы теплоты (руб/ГДж) [32].
Толщина основного слоя изоляционной конструкции определяется по значению параметра In—— = 27гЛ.изК,из аналитическим расчетом по формуле где Авд - коэффициент теплопроводности слоя изоляции, Вт/(м С); R"3- термическое сопротивление основного слоя изоляции, (м С)/Вт; R,H3= (tcp - t0)/qi; tcp - среднегодовая температура теплоносителя, С; t0 - расчетная температура окружающей среды, С; qi - нормированная линейная плотность теплового потока, Вт/м; е - основание натурального логарифма.
Нормированная линейная плотность теплового потока, приводимая в [32, 137, 138, 139], имеет противоречивые значения, и некоторые из них приводятся в табл. 2.2, 2.3,2.4, 2.5.
Значения приведенных удельных тепловых потерь получены делением соответствующих удельных нормированных значений этих потерь на средние значения разности температур t pn t 3a, равные 45, 95 и 195 С.
Определение толщин изоляции по заданным значениям тепловых потерь при двухтрубной бесканальной прокладке производится исходя из нормативных значений этих потерь. Такие значения приведены в нормах (ВСН 399-79) [32]. Структура норм существенно отличается от аналогичных норм тепловых потерь при воздушной прокладке. Так, нормы [32] относятся только к двухтрубным водяным тепловым сетям при бесканальной прокладке, а не к любым изолированным трубопроводам. Кроме того, в нормативные значения тепловых потерь приведены отдельно для подающих и обратных трубопроводов водяных тепловых сетей, а также суммарно по этим трубопроводам.
Включение таких суммарных значений обосновывается тем, что из-за ограниченности сортамента толщин изоляционных изделий соблюдение за их счет нормативных значений тепловых потерь отдельно по подающим и обратным трубопроводам часто неосуществимо, особенно для обратных трубопроводов с малыми толщинами изоляции. Поэтому нормами предусматривается возможность применения изоляции одинаковой толщины для подающих и обратных трубопроводов, с тем, чтобы в таких случаях соблюдались нормы тепловых потерь суммарно по обоим трубопроводам. Далее, эти нормы базируются на трех графиках температур, соответствующих расчетным температурам сетевой воды tpn(W = 95, 150 и 180 С в подающих трубопроводах при общей для всех графиков расчетной температуре tcpo6p= 70 С в обратных трубопроводах. Соответствующие средние годовые температуры сетевой воды приняты равными в подающих трубопроводах t pnoa= 65, 90 и ПО С при общей для всех графиков средней годовой температуре в обратных трубопроводах tpo6p= 50 С.
В качестве расчетной температуры окружающей среды во всех случаях принята средняя годовая температура грунта. Поскольку водяные тепловые сети проектируются с учетом их круглогодичной эксплуатации, а также с расчетной температурой воды в подающих трубопроводах, равной или близкой спод= 150 С в табл. 2.6 приведены нормативные значения тепловых потерь только при средних годовых температурах Спод= 90 С, t = 50 С, t = 5 С и при годовой продолжительности работы более 5000 ч. Кроме нормативных значений qcH , ql и q0 + qo6Mp в табл. 2.6 включены соответствующие значения удельных приведенных тепловых потерь, отнесенных к расчетным разностям температур t , равным 90 - 5 = 85 С для подающих, 50 - 5 = 45 С для обратных трубопроводов и - (85+45) = 65 С суммарно по обоим трубопроводам.
Значения удельных приведенных тепловых потерь в табл. 2.6, как и в аналогичной табл. 2.5 для прокладки, предназначены для использования при пересчете нормированных значений этих потерь на другие средние годовые температуры сетевой воды tfnM и tfo6p, а также грунта t. В нормах для такого пересчета рекомендуется линейная формула. Однако, как видно из приведенных в табл. 2.6 данных, при двухтрубной бесканальной прокладке подсчитанные по нормативным значениям приведенные удельные тепловые потери для обратных трубопроводов при всех диаметрах труб больше, чем для подающих.
Это объясняется снижением значений удельных тепловых потерь, как и при воздушной прокладке, по мере повышения расчетной температуры теплоносителя, в данном случае с 50 до 90 С. Поэтому для бесканальной прокладки, так же как и для воздушной, более точным является пересчет нормативных значений тепловых потерь на другие расчетные температуры t pn tj исходя из пропорциональности между этими потерями и квадратным корнем из разности температур [32]
Определение оптимальной толщины изоляции при подземной бесканальной прокладке теплопровода
За основу принят рассмотренный выше метод в п. 3.1. с некоторыми уточнениями. Составим целевую функцию, в состав которой включается стоимость капитальных затрат плюс стоимость потерь теплоты в процессе эксплуатации в зависимости от толщины изоляции при заданной глубине заложения: Используя явные выражения для теплового сопротивления, найдем Таким образом, неизвестная толщина изоляции будет определяться решением нелинейного уравнения. Для определения минимума этой функции необходимо обращение в ноль производной по толщине изоляции, то есть = 0. Выражение для производной имеет следующий вид: Поиск решения нелинейного уравнения относительно неизвестной толщины изоляции осуществлялся поиском минимального значения целевой функции в процессе ее непосредственного вычисления.
Программная реализация разработанного автором алгоритма по оптимизации толщины изоляции теплопровода позволила получить графики зависимости значений целевой функции. На рис. 3.6 и 3.7 представлены зависимости значений целевой функции для разных глубин заложения при длине трубопровода L = 5 км. Для определения минимальной температуры фронта промерзания грунта, используя существующую методику [4, 10, 13] и расчетную схему рис. 3.8, автором был разработан следующий алгоритм. Рис. 3.8. Расчетная модель формирования температурного режима вокруг теплопровода в грунтах Аналитическое описание изменения температуры воздуха на поверхности земли принято в следующем виде: где т - текущее время, например, в днях или месяцах, тх - продолжительность холодного периода сезонного изменения температуры (тх =236 суток или тх = 7.76 месяца для района Н.Уренгой, А = -26.9 градусов - амплитуда колебания температуры). Составлялась программа на языке Паскаль в среде Delphi, и производились вычисления. В процессе вычислений использовалась минимальная температура фронта промерзания достигаемая в процессе охлаждения грунта на уровне боковой образующей. На рис. 3.9 представлен пример этой зависимости. График зависимости температуры грунта на уровне боковой образующей от глубины заложения теплопровода И, наконец, представляет интерес изменение оптимизированной толщины изоляции в зависимости от глубины заложения трубопровода. На рис. 3.10 представлен характер этой зависимости.
