Технико-технологическая и эколого-экономическая надежность бесканальных тепловых сетей

Авторы выражают благодарность Е.М. Емельянову и Л.Р. Мерклину за предоставленные материалы и помощь в написании работы.

Данная работа выполнена в лаборатории геологии Атлантики Атлантического отделения ИОРАН (г. Калининград) при поддержке ФЦП «Интеграция» Б 0047 «БУНЦ».

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Романова Е.А. Реконструкция палеоокеанологических обстановок внутреннего моря в четвертичное время. Автореф. канд. геогр. наук. - М., 1991. - 47 с.

2. Свиридов Н.Н. Геологические следы придонных течений в Юго-Восточной Балтике // Океанология. 1999. Т.39. №1. С. 133-141.

3. Emelyanov E.M. Geology of the Bornholm Basin. Aarhus Geoscience. Vol. 5. Aarhus University, 1995. - 236 p.

4. Emelyanov E.M., Romanova E.A. Paleogeography of the Gdansk Basin in post-glacial period and bottom sediments // Emelyanov E.M. (ed.) Geology of the Gdansk Basin. -Kaliningrad: Yantarny skaz, 2002. - 496 p.

5. Nuorteva J. Topographically influenced sedimentation in quaternary deposits - a detailed

Н.Г. Кикичев

ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ И ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ НАДЕЖНОСТЬ БЕСКАНАЛЬНЫХ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ

Понятие о надежности тепловых сетей, в том числе и бесканальных, включает в себя следующие факторы: безотказность, долговечность, ремонтопригодность и минимально отрицательное воздействие на окружающую среду при стабильной экономической эффективности эксплуатации.

В качестве технико-технологических показателей надежности тепловых сетей в настоящее время используют вероятность безотказной работы, частоту отказов, средний ресурс и вероятность восстановления. Следует при этом отметить, что отечественные исследования надежности систем теплоснабжения до последних летнее не получили в России должного развития.

Для оценки надежности транспортировки теплоносителя по тепловым сетям можно предложить вероятностный метод, в рамках которого надежность тепло-трубопроводов оценивается показателем вероятности безотказной работы:

P = txp

где Р - показатель вероятности безотказной работы; n - параметр потока отказов как отношение числа отказов за год на трубопроводах определенного диаметра к общей протяженности трубопровода рассматриваемого диаметра; l - протяженность теплотрубопровода; t - длительность во времени расчётного периода, для которого оценивается безотказность работы.

Как следует из формулы (1), с увеличением срока службы t вероятность безотказной работы теплотрубопроводов уменьшается (впрочем, так же, как и с ростом их протяженности l). В проектных работах принимается Р = 0,8 - 0,9, однако фактические значения показателя Р соответствуют его проектным величинам в течение сравнительно короткого срока службы только для вновь введённых трубопроводов при соблюдении проектной технологии строительно-монтажных работ.

Отказы в работе тепловых сетей вызываются их повреждениями, обусловленными воздействиями внешних и внутренних факторов, которые можно условно разделить на три группы:

- технология изготовления труб;

- неотработанность технологии строительства, в частности при укладке труб или устройстве оснований под трубопроводами;

- условия функционирования и эксплуатации трубопроводов: материал и диаметр труб, показатели работы сети (давление и температура), агрессивность теплоносителя, инженерно-геологические и технологические условия окружающей среды.

Установить чёткое различие внешних и внутренних факторов в большинстве случаев очень сложно, так как многие внутренние факторы являются порождением или продолжением внешних воздействий. Чаще всего отказы на трубопроводах обусловлены одновременным действием всех факторов.

Несмотря на объективность вероятностной оценки надёжности теплотрубо-проводов, на практике чаще всего используют оценку с помощью показателя удельной годовой повреждаемости, т. е. количество отказов на 1 км трубопровода в год. При этом возникает другая проблема, а именно: проблема оценки повреждаемости на основе корректного сравнения с минимально достижимым (или оправданным) её уровнем. Для сравнения берутся величины удельной повреждаемости теплопроводов различных районов между собой или с соответствующими показателями для тепловых сетей стран, где используется централизованное теплоснабжение. Например, по оценке 1988 г. и последующих лет [1], удельная повреждаемость тепловых сетей Санкт-Петербурга составила: в Кировском и Невском филиалах ГУП ТЭК СПб. при сроке эксплуатации сетей до 10 лет - 0; для таких же сетей в Калининском филиале - 0,1 и в Красносельском - 2,7 отк./км.

Величина удельной повреждаемости зависит от совместного действия многих факторов, среди которых наиболее значимыми являются конструктивные особенности теплопроводов и технологический уровень их эксплуатации. Согласно нормативному документу Госстроя России [2], для оценки надежности теплосетей могут быть использованы такие показатели, как интенсивность отказов (Ротк) и относительный аварийный недоотпуск тепла ^). Динамика изменения этих величин показывает уровень прогресса или деградации надёжности систем коммунального теплоснабжения. Определяются эти величины по следующим зависимостям:

где N - общее число участков теплосетей; Мі - материальная характеристика некоторого участка, выведенного из эксплуатации из-за отказа; ті - время вынужденного выключения некоторого участка из эксплуатации по причине отказа; МПі -произведение материальной характеристики Мі на плановую длительность её работы за определённый период возможной эксплуатации (обычно за год); раы -аварийный недоотпуск тепла за год на аварийном участке; рі - расчётный отпуск тепла на рассматриваемом участке.

Совместно с расчётами по зависимостям (2) и (3) определяется и уровень резервирования элементов тепловой сети Кр, рассчитываемый как отношение резер-

вируемой на уровне центрального теплопункта (квартала, микрорайона) расчётной тепловой нагрузки к сумме расчётных тепловых нагрузок потребителей, подключённых к данному теплопункту. Величина Кр = 1,0 - 0,2, соответственно, для уровней резервирования 90 - 100 % и 30 - 50 %.

Уровни резервирования зависят от минимального диаметра трубопровода любого типа, в том числе и бесканального, а также от климатических условий (температуры наружного воздуха), что следует из табл.1.

Резервирование осуществляется путём кольцевания тепловых сетей или устройства перемычек. Уровень резервирования до 100 % рекомендуется, исходя не только из температуры наружного воздуха, но и из численности населения в следующих пределах: при температуре ниже -40 оС, если население составляет менее 2 тыс. чел., и при температуре выше -10о С, когда численность населения колеблется от 20 до 50 тыс. чел.

Приведённые выше способы оценки надёжности теплотрубопроводов и тепловых сетей в целом позволяют получить лишь приближённые характеристики, так как не учитывают техническое состояние и условия эксплуатации их, в частности темпы замены устаревших и повреждённых участков сетей. С этой целью составляются прогнозы старения сетей и появления отказов по трём основным периодам эксплуатации: А - от 10 до 15 лет; В - 15-25 лет; С - более 25 лет. Для примера приведём прогнозы появления отказов в тепловых сетях Санкт-Петербурга в зависимости от темпов замены трубопроводов, при этом учтём, что длины участков сетей по категориям А и В в начале эксплуатации распределялись равномерно, но через каждые пять лет из категории А переводится в категорию В одна треть первоначальной длины трубопроводов категории А, а из В в С - половина длины трубопроводов соответствующего возраста. Результаты такого прогноза на 2006-2020 гг. приведены на рис.1.

Таблица 1

Уровень резервирования бесканальных тепловых сетей [3]

Минимальный диаметр трубопровода, мм Допускаемое снижение подачи тепла, % при температурах наружного воздуха, оС

-10 -20 -30 -40 -50

300 - - - - 50

400 - - - 50 60

500 - - 50 60 70

600 - 50 60 70 80

700 и более 50 60 70 80 90

Примечание: прочерки в таблице указывают на то, что резервирования

не требуется.

Как следует из рис.1, практическая стабилизация числа повреждений тепловых сетей может быть достигнута при ежегодной перекладке 400 км сетей (около 8 % протяжённости всех сетей), а заметное снижение повреждаемости можно ожидать при ежегодной перекладке 600 км трубопроводов (более 10 %). При меньших объёмах замены устаревших и изношенных участков повреждаемость будет нарастать в течение всего прогнозируемого периода.

Снижение уровня повреждаемости тепловых сетей способствует уменьшению затрат на устранение дефектов, которые составляют довольно значительные суммы: в 2000 г. ГУП ТЭК СПб вынуждено было израсходовать на устранение дефек-

тов тепловых сетей только за отопительный период более 42 млн руб., а в целом за год - около 87 млн руб.

Кроме экономической стороны, при решении проблемы надёжности тепловых сетей немаловажную роль играет и экологический фактор. Общеизвестно, что значительные доли территорий крупных городов (около 75 - 85 % для Москвы и Санкт-Петербурга, например) подвержены воздействию негативных процессов, влияющих на экологическое состояние почв как неотъемлемой части городской экосистемы при взаимодействии природных и антропогенных сред (воздуха, воды, грунта, растительности, горных пород, жилых и промышленных зон). Особое внимание следует уделять состоянию почвенного покрова в связи с разнообразием его экологических функций: питание растительного мира, поглощение и депонирование потоков загрязняющих веществ, очистка и поддержание других сред. Но почва может стать и источников загрязнения сопредельных сред, в первую очередь, атмосферы и гидрографической сети города, токсичной пылью и другими веществами, что может негативно отразиться на биопродуктивности растений и биоты в целом.

2006- 2011- 20162010 2015 2020

Рис.1. Прогноз появления отказов в тепловых сетях ГУП ТЭК СПб до 2020 г. в зависимости от темпов замены участков трубопроводов:

1 - 0 км в год; 2 - 100 км; 3 - 200 км; 4 - 400 км; 5 - 600 км

Крупный город (мегаполис) при своём динамическом росте постоянно увеличивает протяжённость инженерных коммуникаций: тепловых и газовых сетей, водоснабжения и канализации, кабельных сетей, линии связи и т.п. Их нахождение в подземном пространстве города оказывает мощное техногенное воздействие на геологическую среду, изменяет её свойства. Существуют определённые закономерности взаимодействия между геологической средой и инженерными коммуникациями, в частности тепловыми сетями, которые определяют коррозионную активность системы. При этом силовые кабели оказывают на грунты электрохимическое воздействие, утечки в газопроводах активизируют химические процессы, теп-лопотери тепловых сетей (до 20 %) оказывают на грунты тепловое воздействие, а потери водонесущих систем повышают уровень грунтовых вод. Всё вместе это

способствует изменению геологической обстановки в подземном пространстве города.

Основными факторами изменения естественного режима подземных вод (условия питания, стока и разгрузки, уровневый и температурный режим, химический состав) являются повреждения на инженерных сетях, причинами появления которых могут быть: земляные работы вблизи трасс, износ труб, избыточные напряжения в них, низкое качество соединений и запорной арматуры, грунтовая коррозия. Из-за коррозии возникают до 10 % всех повреждений на сетях, при этом на отдельных участках с поверхности труб может уноситься в диаметральном направлении около 1 мм материала в год [4].

Ликвидация практически половины всех повреждений на трубопроводах связана с проведением земляных работ (раскопок). С ними связана и замена (перекладка) сетей при истечении срока их эксплуатации или в случае нового строительства. В этих обстоятельствах безусловно важным как для экономии ресурсов, так и снижения техногенной нагрузки на геологическую среду следует считать сокращение потерь воды и тепловой энергии, предотвращение утечек неочищенных вод, теплового и другого (физико-химического) воздействия инженерных коммуникаций на окружающую природную среду, чему может способствовать экологический аудит.

Для проведения экологического аудита с целью оценки воздействия на окружающую среду экологи определяют состояние и условия эксплуатации подземных трубопроводов на рассматриваемой территории. Утечки из подземных трубопроводов фиксируются практически на каждом предприятии, в результате чего грунтовые воды под промышленными площадками оказываются сильно загрязнёнными самыми разнообразными веществами, в том числе вредными и токсичными.

Результатом экологического аудита может быть не только оценка состояния окружающей среды и принятых экологических решений, но и план мероприятий в области охраны и рационального использования окружающей природной среды, направленный на дальнейшее совершенствование технико-технологических решений и внедрение их в практику современного строительства и рациональной эксплуатации подземных тепловых сетей, а также других инженерных коммуникаций.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Слепченок В.С. Опыт эксплуатации коммунального теплоэнергетического предприятия. - СПб.: ПэиПК, 2003. - 251 с.

2. Организационно-методические рекомендации по подготовке к проведению отопительного периода и повышению надёжности систем коммунального теплоснабжения в городах и населённых пунктах Российской Федерации: Приказ Госстроя России № 203 от 06.02.2000. - М., 2000.

3. СниП 2.04.07 - 86 «Тепловые сети».

4. Сидорчук В.Л. Эколого-экономическая оценка воздействия подземных инженерных коммуникаций на геологическую среду города //Трубопроводы и экология. №2. 2000. С. 27.