Продовження теми 6. Проблеми та резерви енергозбереження в сфері теплопостачання: - на стадії транспортуванні теплової енергії

Лекція 9.

План лекції:

1. Стан системи транспорту теплоносія.

2. Фактори впливу на енерговитрати в тепломережах.

3. Проблеми енергозбереження в теплових мережах.

Суттєвою складовою тепловтрат в теплопостачальних системах є втрати в теплової енергії в теплових мережах. В Україні одна з найвищих у світі насиченість міст тепловими мережами. Протяжність магістральних і розподільчих теплових мереж в (за винятком тепломереж промислових підприємств) становить 24,3 тис. км діаметром від 50 до 800 мм. У зв’язку з хронічним недофінансуванням галузі стан більшості теплових мереж є незадовільним: більш як 28% з них експлуатуються понад 25 років, 43% — понад 10 років і лише 29% тепломереж мають термін експлуатації менше 10 років. Загальне зношення теплових мереж становить близько 70 %, майже 7,5 тис. км (більш як 30% ) перебувають в аварійному стані. Через високу ступінь зносу теплових мереж теплові мережі є самим ненадійним елементом системи централізованого теплопостачання, на який доводиться більше 85 % відмов по системі в цілому.

Нині теплові мережі міст і населених пунктів виходять з ладу в середньому через 5-6 років при нормативному терміні служби не менш як 25 років. Обсяги заміни фізично спрацьованих трубопроводів не відповідають нормативам і надійності теплопостачання. При нормативній потребі їх перекладання в обсязі 900 км щорічно, замінюється близько 500 км, або 55% від необхідних. Щоб призупинити процес старіння теплових мереж і зберегти середній строк їх служби на сьогоднішньому рівні, необхідно замінювати 1000-1100 км (4,6-5,1%) трубопроводів на рік. Через обмеженість коштів обсяги перекладання та заміни теплових мереж щорічно зменшуються. Внаслідок зниження обсягів заміни фізично зношених трубопроводів зростає питома вага пошкоджень, на магістральних теплових мережах вона досягає 1,25 пошкоджень на 1 км. Експлуатація теплових мереж супроводжується значними тепловими втратами від зовнішнього охолоджування у розмірі 12-20 % тепловій потужності (нормоване значення 5 %) і з витоками теплоносія від 5 до 20 % витрати в мережі (при нормованому значенні втрат з витоками до 0,5 % від об’єму теплоносія в системі теплопостачання, з врахуванням об’єму місцевих систем).

Найбільший вплив на тепловтрати в теплових мережах здійснює якість теплової ізоляції. Рівень тепловтрат через теплову ізоляцію в загальному|загальному| вигляді|виді| залежить від: виду теплоізоляційної конструкції і використовуваних теплоізоляційних матеріалів; типів прокладки|прокладення| трубопроводів (надземна, підземна канальна, безканальна|), їх співвідношень для конкретної тепломережі; температурного режиму і тривалості роботи мережі|сіті| протягом року; параметрів навколишнього середовища (температури зовнішнього повітря, грунту, швидкості вітру (при надземній прокладці|прокладенні|); матеріальної характеристики теплової мережі|сіті|, її структури по діаметрах і протяжності трубопроводів; виду теплоізоляційних конструкцій, способів укладання; термінів і умов експлуатації теплових мереж; |сітей|місцевих особливостей (гідрологічних умов, схемних і планувальних рішень|вирішеннями|, насиченості і характеру суміжних комунікацій) тощо|тощо|.

У каналах і при наземній прокладці для теплової ізоляції використовуються переважно вироби з мінеральної вати, при безканальній прокладці застосовують ізоляційні матеріали, що наносяться на трубопровід в заводських умовах. Мінеральна вата як теплова ізоляція використовується для теплових мереж більше 30 років. Негативним фактом при роботі трубопроводів в мінеральній ваті є збільшення теплових втрат. Досвід експлуатації показує, що даний тип ізоляції не може повною мірою забезпечувати надійну і довговічну роботу трубопроводів. Гідрофільність матеріалу сприяє попаданню вологи на поверхню сталевих трубопроводів, що інтенсифікує процеси корозії. При зволоженні ізоляції втрати теплової енергії можуть зростати в 2 і більше разів понад норму. Вже через 5-10 років експлуатації на 50% трубопроводів в ізоляції з мінеральної вати присутні корозійні процеси, у 24 випадках зі 100 виникає аварійна ситуація. Проте мінеральна вата залишається незамінним матеріалом при ізоляції високотемпературних трубопроводів, а також у випадках, коли вимоги пожежної безпеки не дозволяють використовувати інші типи ізоляції.

Підземні трубопроводи є найбільш слабкою і уразливою ланкою систем централізованого теплопостачання. Їх довговічність багато в чому визначається корозійною стійкістю трубопроводів. В основному трубопроводи перекладають саме унаслідок зовнішньої корозії. Із-за корозії заміна труб в Україні відбувається в 4 – 5 разів частіше, ніж прийнято в інших країнах. Головною причиною виходу з ладу теплових мереж є високий рівень електрохімічної корозії через велику кількість електричних кабелів і електрифікованого транспортування в великих містах. Більшість пошкоджень, пов’язаних із зовнішньою корозією, визначається несприятливими умовами їх експлуатації і слабкими захисними властивостями ізоляційних конструкцій. Як правило, зовнішній корозії піддаються подавальні трубопроводи, що працюють в небезпечному температурному режимі (понад 70 град. C) більшість часу протягом року. Особливо велика питома ушкодженість характерна для трубопроводів малого діаметру.

В теплових камерах питома ушкодженість| (на 1 м трубопроводу) вища, ніж на решті ділянок у декілька разів. Це пояснюється|тлумачить| тим, що перекриття теплових камер розташовані|схильні| ближче до поверхні землі|грунту|, чим перекриття каналів і на дні теплових камер практично завжди присутня вода. Це обумовлює| інтенсивний процес випару|випаровування| вологи і конденсації її на перекритті. Висока ушкодженість| в теплових камерах пояснюється|тлумачить| також наявністю місць підвищеної напруги|напруження| в металі трубопроводів, врізань на відгалуження, нерухомих опор і т.д.

Найінтенсивніше корозійні процеси йдуть на кутах|кутках| повороту біля|в| нерухомих опор в місцях установки компенсуючих пристроїв|устроїв|, оскільки із-за температурних деформацій сказується чинник|фактор| корозійної втоми. На подавальному трубопроводі корозійні процеси найактивніше розвиваються із-за вищої температури теплоносія і, зокрема, із-за скипання води в пристінному | шарі і усередині|всередині| продуктів корозії, що приводить|наводить| до їх руйнування і проникнення води до некородированого| металу. При частковому зовнішньому затопленні трубопроводу по висоті найактивніше корозійні процеси відбуваються|походять| на рівні розділу «вода-повітря» - на трубопроводі утворюється так звана «ватерлінія» з|із| найбільшою глибиною корозійного пошкодження|ушкодження| металу.

Активна зовнішня корозія супроводжується внутрішньою корозією трубопроводів у зв’язку з високим ступенем зносу внутрішніх поверхонь і незадовільним очищенням підживлюючої води. Наднормативне підживлення, на яке не розраховане устаткування хімводопідготовки, викликає велику кількість свищів в трубопроводах, через що витоки теплоносія при експлуатації теплових мереж перевищують норми, прийняті в розвинених країнах, у багато разів. Своєчасне виявлення і усунення витоків мережевої води неможливе у зв’язку з відсутністю необхідних технічних засобів. Внаслідок високої ціни хімічних реагентів, необхідних для хімводопідготовки, дана процедура є дуже коштовною, тому будь-які витоки теплоносія (що найчастіше виникають при зношених тепломережах) обходяться споживачам вкрай дорого.

Пошкодження трубопроводів викликають гідравлічні випробування. Напруга, що виникає при випробуваннях на конкретній ділянці, залежить від схеми траси, діаметру трубопроводу і випробувального тиску. Збільшення напруги приводить до локальних перенапружень і розривів. При випробувальному тиску 24 кг*с/см для трубопроводу діаметром 100 мм можливий розрив при потоншенні стінки до 0,5 мм, для трубопроводів діаметром 600 мм при складному профілі траси можливий розрив трубопроводу з товщиною стінки в 3 мм.

При заміні теплових мереж якість перекладання, в основному, низька, і це обгрунтовується необхідністю економити. Документом, по якому можна контролювати якість виконаних робіт, є відповідні акти, але в більшості вони складаються після того, як тепломережа засипана грунтом. Найбільша кількість порушень відбувається не при новому будівництві, а при перекладанні існуючих теплових мереж, що виконуються повсюдно без проектів і із застосуванням технічних рішень, що влаштовують тільки керівництво теплопостачальних підприємств. Визначення втрат теплової енергії через теплову ізоляцію відповідно до методичних рекомендацій практично ніде не проводиться. Основна причина заклечається в трудомісткості і дорожнечі випробувань, в необхідності відключення теплоспоживачів.

Таким чином, незадовільний стан|достаток| теплової і гідравлічної ізоляції трубопроводів, знос і низька якість монтажу і експлуатації устаткування|обладнання| теплових мереж|сітей| сприяють зростанню аварійності теплових мереж, яка по Україні в середньому складає - 15%, по деяких регіонах - до 40%. 90 % аварійних відмов приходиться на подавальні трубопроводи, 10 % - на зворотні, з них 65 % аварій відбувається|походить| через зовнішню корозію і 15% - через дефекти монтажу (переважно розриви зварних швів). |

Енергетична ефективність транспортування і розподілу теплової енергії багато в чому залежать від ККР центральних| теплових| пунктів (ЦТП), які розраховані на обслуговування групи будинків чи мікрорайону. В Украйні функціонує приблизно 6100 теплових пунктів и бойлерних. Близько 40% ЦТП перебувають у ветхому та аварійному стані, що призводить до постійних перебоїв у гарячому водопостачанні та перевитрат паливно-енергетичних ресурсів. Велику частку|частину| об’єму|обсягу| ЦТП займають|позичають| застарілі чотирьохметрові кожухотрубні| теплообмінники|, що вимагають великих площ і об’ємів|обсягів| приміщень|помешкань|, і неефективно працюючі насоси. Вода для систем гарячого водопостачання найчастіше не обробляється, що є|з'являється| причиною інтенсивної внутрішньої корозії трубопроводів гарячого водопостачання, забруднення і руйнування теплообмінників. Відсутні засоби|кошти| автоматичного управління тепловим і гідравлічним режимами, примітивна обов’язкова автоматика в більшості випадків не працює. ККД ЦТП рідко перевищує 75-80 %, і це без врахування тепловтрат по теплотрасі між тепловим пунктом і споживачами теплової енергії. Враховуючи невелику різницю температур води, навіть при незначній довжині траси, тепловтрати в мережах|сітях| ГВП складають, як мінімум 10%. Таким чином, тепловтрати тільки|лише| за рахунок |обладнання| обладнання ЦТП на теплотрасі складають 25 -30%.

Додаткові втрати теплової енергії пов’язані з тим, що ЦТП, в яких готується гаряча вода на ГВП, розташовуються на відстані 200-500м від водорозбірних кранів, через які ця вода витрачається. Щоб|аби| на шляху|дорозі| від водопідігрівача до споживача гаряча вода не остигнула|вичахала|, її підігрівають в ЦТП до 60 град|. С|із|, тоді як в точці водорозбору максимальна температура води зазвичай|звично| не перевищує 55 град. С |С(за вимогами| температура гарячої| води у точці| водорозбору| повинна мати| температуру 50 – 75 град. С|із|). При нормі споживання|вжитку| 120 л гарячої води на одну людину в добу перегрів її на п’ять градусів приводить|наводить| до додаткової витрати теплової енергії в обсязі|у кількості| 3,15 млн Гкал на рік. Для виробництва цієї кількості теплової енергії доводиться спалювати близько 0,5 млрд куб. м природного газу.

По нормах, якщо вода для систем ГВП підігрівається на відстані від об’єкту споживання|вжитку|, то трубопроводи ГВП мають бути виконані по циркуляційній схемі. У ряді випадків зношений подавальний трубопровід ГВП виводиться із|із| роботи, і постачання споживачів гарячою водою здійснюється по циркуляційному трубопроводу. Таким чином, система ГВП стає тупиковою, і до витоків води з|із| системи через нещільність додаються|добавляють| ранкові зливи води, остиглої в трубопроводах за ніч, що приводить|наводить| до збільшення втрат води і навантаження водопровідних і каналізаційних мереж|сітей|. Наявність тупикової схеми ГВП фактично означає, що близько 35-45% теплової енергії, яка йде на потреби|нужду| ГВП, витрачається даремно. В результаті|внаслідок| експлуатації ЦТП додатково витрачаються і електрична енергія, що витрачається на привід циркуляційних насосів, теплова енергія для обігріву будівель ЦТП, значні грошові і матеріальні ресурси на ремонт схильних до корозії теплових мереж|сітей|. До того ж, ЦТП займають|позичають| коштовну міську територію, яка могла б бути зайнята|позичати| громадськими будівлями або офісами.

Низька ефективність системи транспортування і розподілу теплової енергії пов’язана і із|із| старінням теплообмінного і насосного устаткування|обладнання| теплових пунктів. Насосне устаткування|обладнання| встановлюється з|із| резервом по натиску|напору| від 15% до 50%, оскільки при його підборі враховується перспектива забудови району і добові коливання натисків|напорів| холодної води, що забезпечуються водопостачальними організаціями. Крім того, розбір води на ГВП споживачами протягом доби дуже нерівномірний: вночі він практично відсутній, а вранці |ранішній| і вечірні часи знаходиться|перебуває| на максимальному рівні. Оскільки|тому що| насоси працюють з|із| однаковою потужністю протягом доби, натиск|напір| різко збільшується в часи мінімального водорозбору і, навпаки, падає в піковий час. При пуску насосу, не оснащеного частотно-регульованим приводом, відбувається|походить| гідравлічний удар, здатний|здібний| пошкодити як розводящі мережі|сіті|, так і внутрішні опалювальні системи в будинках|. Інша проблема, пов’язана з неможливістю регулювання продуктивності насосного устаткування|обладнання|, полягає в нераціональній витраті енергетичних ресурсів - електричної і теплової енергії, а також води. Електрична енергія витрачається по максимальній продуктивності насосу, хоча вночі її витрата могла б бути значно меншою|знизити|. Надлишковий|надмірний| натиск|напір| в системі в часи мінімального розбору приводить|наводить| до підвищених витоків, що сприяє перевитратам як води, теплової енергії, збільшенню об’єму|обсягу| каналізаційних стоків.

Значну частку в житловому фонді країни продовжують складати будівлі із застарілими інженерними комунікаціями. Абонентські установки в 4-5-поверхових будинках, як правило, підключені до теплових мереж по залежній схемі. При такій схемі для якісного регулювання досягти гідравлічної ув’язки всіх вводів практично не вдається, особливо в системах з індивідуальними тепловими пунктами, обладнаними елеваторними вузлами, якісна робота яких залежить від натиску перед тепловими вводами у будівлю. Така технологія, не дивлячись на простоту і дешевизну, не дає можливості забезпечити подачу кількості теплової енергії в точній відповідності з погодними умовами і правильно розподілити її потоки між споживачами. Основний недолік залежній схемі - це неможливість пропорційного регулювання теплової потужності, оскільки при незмінному діаметрі отвору соплового апарату він має постійний коефіцієнт змішення, а процес регулювання не передбачає можливості зміни цієї величини. Окрім цього, тиск в абонентській установці залежить від тиску в тепловій мережі. З цієї причини на Заході елеватор знехтуваний як пристрій для теплових пунктів.

В розрегульованій системі теплопостачання, розвиток якої, як правило, відбувається по шляху збільшення встановленої потужності основного устаткування (насосних і водогрійної установки) джерела теплової енергії, пропускної здатності теплової мережі, паралельно із цими процесами відбувається процес гідравлічного розрегулювання, при цьому стихійно складається ситуація, при якій практично відсутня не тільки можливість приєднання нових теплоспоживачів без додаткових капітальних витрат на збільшення пропускної здатності мережі, установленої потужності мережних насосних агрегатів, але й на підтримку необхідних параметрів теплоносія на вводах до споживачів. Подальший розвиток такої системи, по-перше, потребує заміни головних ділянок трубопроводів, додаткової установки мережних насосних агрегатів, збільшення продуктивності водопідготовки і т.п., по-друге, призведе до ще більшого збільшення додаткових витрат на компенсацію електроенергії, підживлюючої води, втрат теплової енергії.

Проблеми енергоефективності теплопостачання зв’язані також з експлуатацією, будівництвом і капітальним ремонтом тепломереж. Основні порушенням при експлуатації теплових| мереж|сітей| є типовими : не здійснюються контроль фактичного стану|достатку| трубопроводів в період експлуатації та періодичні технічні огляди теплових мереж|сітей|; не проводяться заходи щодо продовження терміну служби діючих трубопроводів; експлуатаційний персонал не володіє знаннями щодо захисту від корозії; через відсутність або несправності приладів контролю не ведеться постійний контроль за станом|достатком| трубопроводів; низькою є|з'являється| якість проведення аварійно-ремонтних робіт; не ведеться контроль фактичних втрат теплової енергії через теплову ізоляцію трубопроводів, що характеризують стан|достаток| теплових мереж|сітей|. Теплові мережі|сіті|, що відходять від окремих котельних, спроектовані по тупиковій схемі і не зв’язані між собою перемичками або закольцовкою|, що знижує надійність функціонування системи теплопостачання в разі|у разі| аварії на одній з котельних.

В цілому, за різними оцінками, втрати теплової енергії в теплових мережах сягають 30%, в деяких регіонах – більше за 40% і, враховуючі високий ступінь зносу теплових мереж, будуть ще більш значними. На сьогодні витрати на передачу теплової енергії населенню перевищують аналогічні показники країн ЄС у 1,8-2,6 рази. Можна визнати, що саме на етапі транспортування і розподілу теплової енергії втрачаються переваги централізованого теплопостачання.