X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Трубопроводный транспорт теплоносителей в районах Крайнего Севера имеет свои отличительные особенности, которые должны быть учтены при их проектировании, строительстве и эксплуатации. Практически все трубопроводы систем тепло- и водоснабжения имеют надземную прокладку, что обусловлено большим слоем вечной мерзлоты.

В Российской Федерации нормативные тепловые потери в системах теплоснабжения на вновь проектируемые тепловые сети регламентируются [1], согласно которому при проектировании тепловой изоляции выбираются нормативные удельные тепловые потери (Вт/м). Однако в [1] не учитываются многие факторы, например стоимость тепловой энергии, затраты на сооружение теплоизоляционной конструкции, естественное старение изоляции и некоторые конструктивные особенности.

Распределение температуры теплоносителя по длине таких трубопроводов t(l), тепловые потери которых зависят от термического сопротивления тепловой изоляции R, массового расхода G и температуры t теплоносителя, описывается известной формулой:

, (1)

где β – коэффициент местных потерь тепла, c – теплоемкость теплоносителя, t(0)- температура теплоносителя в начале трубопровода, t_н – температура наружного воздуха.

Для многих районов Крайнего Севера применяется схема теплоснабжения нескольких удаленных друг от друга объектов от одного источника. При этом тепловая нагрузка некоторых объектов по разным причинам значительно меньше проектной, исходя из которой выбраны диаметры теплопроводов (выработка месторождений полезных ископаемых, централизация, автоматизация и телемеханизация управления технологическими процессами и др.). На рис.1 показаны результаты расчетов зависимости конечной температуры теплоносителя от его массового расхода для наземной прокладки трубопровода диаметром 219х8 мм, защищенного слоем теплоизоляции теплопроводностью 0.029 Вт/(м^оК) толщиной 70 мм при подаче в него воды с температурой 150 ^оС. Температура наружного воздуха -37 ^оС.

Рис.1. Зависимость конечной температуры теплоносителя от его расхода

Представленные результаты показывают, что температура теплоносителя, поступающего к потребителю, существенно зависит от его расхода. Важно отметить, что при снижении расхода теплоносителя с 150 т/час (номинальный режим, соответствующий оптимальной скорости воды) до 30 т/час удельные тепловые потери изменяются очень незначительно – с 67,7 до 66,3 Вт/м.

В последнее время все более широкое распространение получает технология электрообогрева трубопроводов наружной прокладки, эксплуатируемых в переменных режимах [2-5]. Применение кабельных систем обогрева трубопроводов успешно решает следующие задачи:

- полная или частичная компенсация тепловых потерь с целью обеспечения стабильного протекания технологического процесса;

- поддержание минимально допустимой температуры жидкости при остановке процесса;

- разогрев труб до заданной температуры при возобновлении процесса после остановки (холодный пуск объекта);

- увеличение надёжности и срока службы теплоизолированных трубопроводов.

Преимущества кабельных систем обогрева перед водяными и паровыми очевидны: они обладают малой материалоемкостью, их легче устанавливать, они не подвержены коррозии, не боятся разморозки, подключаются к общей системе электроснабжения предприятия, оснащаются автоматизированными системами управления, которые точно и по заданному алгоритму поддерживают выбранный режим, легко интегрируются с АСУ верхнего уровня и могут применяться на сложных и разветвленных сетях трубопроводов.

Нелинейные математические модели стационарных и переходных режимов теплопроводов и их компьютерная реализация [6,7] позволяют рассчитывать тепловое состояние теплоносителя и тепловой изоляции при наличии электрообогрева. Применим результаты этих работ для выбора варианта дальнейшей эксплуатации недогруженного трубопровода наружной прокладки:

Эксплуатировать трубопровод без каких-либо изменений.

Провести капитальный ремонт с заменой трубы.

Улучшить теплоизоляционную защиту трубопровода.

Применить электрообогрев трубопровода.

Для работы по первому варианту необходимо снижение температуры компенсировать увеличением расхода, что связано с увеличением затрат на водоподготовку и перекачку теплоносителя. Второй вариант требует больших капительных затрат на демонтаж старого и строительство нового трубопровода. Третий вариант может иметь хорошие экономические показатели в небольшом диапазоне расходов по причине ограничения, накладываемого «критической толщиной изоляции». Четвертый вариант требует дополнительных затрат электроэнергии на обогрев и не связан с большими капитальными затратами. Дополнительным преимуществом этого варианта является сравнительно небольшой период времени эксплуатации электрообогрева и возможность его оперативного регулирования с применением схем автоматизации.

Проведем анализ экономической эффективности представленных вариантов дальнейшей эксплуатации теплопровода, для которого рассчитан график рис.1 и выберем наилучший вариант с точки зрения наименьших совокупных приведенных затрат по методике [8]. Горизонт расчета принят 15 лет. Результаты расчета и определения ТЭО-ресурса [8] каждого варианта представлены в табл. 1.

Таблица 1

Показатели средних приведенных затрат при различных вариантах эксплуатации трубопровода, тыс. руб.

t, год	1 вариант	2 вариант	3 вариант	4 вариант
1	7 346	28 845	18 893	10 550
2	7 713	11 305	9 535	7 165
3	8 434	8 078	7 861	6 635
4	9 505	7 107	7 310	6 471
5	9 983	6 659	7 078	6 494
6	10 537	6 660	7 051	6 526
7	11 202	6 656	6 996	6 607
8	12 493	6 841	7 074	6 685
9	13 439	7 258	7 148	6 746
10	14 620	7 632	7 433	7 012
11	16 107	8 298	7 526	7 118
12	17 940	9 233	8 014	7 465
13	20 066	9 614	8 959	8 036
14	23 427	10 271	10 383	9 200
15	26 338	10 937	11 309	9 749
Итого	209 147,56	145 393	132 570	112 457

По результатам расчета наименьшие совокупные приведенные затраты достигаются при реализации четвертого варианта эксплуатации трубопровода, но данный вариант имеет один из самых ранних сроков достижения ТЭО-ресурса (рис. 2), что объясняется значительной долей износа самого трубопровода и его теплоизоляции на текущий период. Реализация данного проекта в совокупности с другими вариантами, например, заменой теплоизоляции (вариант 3), несомненно, покажет лучшие результаты расчета ТЭО-ресурса.

Рис. 2. Динамика средних приведенных затрат рассматриваемых вариантов

Представленный метод дает возможность повысить технико-экономическую эффективность реконструкции и капитального ремонта теплопроводов наружной прокладки.

Библиографический список

СНиП 41-03-2003. Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов.- М.: Изд-вo стандартов, 2004.- 28 с.

Сазонов А.В. Холодная зима не страшна// Промышленный электрообогрев и электроотопление, 2011, № 1 - стр. 26-31.

Струпинский М.Л., Хренков Н.Н. Расчет мощности систем обогрева трубопроводов. Территория Нефтегаз, 2008, №4.

Дегтярева Е.О. Правила расчета мощности обогрева трубопроводов (по рекомендациям стандартов МЭК 62086 и 62395)/ Промышленный электрообогрев и электроотопление, 2011, № 1 - стр. 12-15.

Мохов А.В. Многоточечные системы контроля и автоматизации (МСКиА) систем электрообогрева «ТЕПЛОМАГ» / Промышленный электрообогрев и электроотопление, 2011, № 1 - стр. 38-40.

Мизонов В.Е., Елин Н.Н., Попелышко А.В., Мыльников В.А. Моделирование теплового состояния поперечного сечения трубопровода при промерзании теплоизоляции./Вестник ИГЭУ. – 2013. № 2 – с. 67-70.

Попелышко А.В., Елин Н.Н., Мизонов В.Е. Моделирование переходных тепловых процессов в трубопроводе при аварийной остановке прокачки жидкости./Промышленная энергетика. – 2013, № 9 – с. 30-33.

Мизонов В.Е., Елин Н.Н., Елина Т.Н., Мыльников В.А. Технико-экономическое обоснование выбора варианта эксплуатации теплоизолированных водоводов при надземной прокладке в условиях крайнего севера/Промышленная энергетика, 2014. № 5. с. 38-42.

Код для цитирования: Скопировать