СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ В ПОДЗЕМНОЙ СЕТИ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ В ЭКСПЛУАТАЦИОННОМ РЕЖИМЕ
METHOD TO DETERMINE TRANSPORT HEAT LOSSES IN UNDERGROUND HEAT SUPPLY NETWORK IN OPERATION MODE

Изобретение относится к области теплоэнергетики и касается вопросов транспортировки тепловой энергии от производителя к потребителю, а именно определения фактической величины тепловых потерь в водяных и паровых тепловых сетях системы теплоснабжения подземной прокладки в режиме эксплуатации. Способ применим для магистральных, распределительных и квартальных подземных теплопроводов любого диаметра, предназначенных для транспортировки теплоносителя с температурой <300°C.
Актуальность данного способа обусловлена следующим.
В соответствии с Положением об организации в Министерстве промышленности и энергетики РФ работ по утверждению нормативов технологических потерь при передаче тепловой энергии (утв. приказом Минпромэнерго России №265 от 4 октября 2005 года), для утверждения нормативных технологических потерь при передаче тепловой энергии, устанавливаемых на предстоящий период регулирования тарифов, организация, эксплуатирующая тепловые сети, обязана представить в Минпромэнерго России заявление с обоснованными материалами величины утверждаемых нормативов. В качестве исходных данных при составлении нормативных энергетических характеристик должны использоваться результаты испытаний, обязательных энергетических и других обследований тепловых сетей и оборудования, данные приборного учета тепловой энергии и теплоносителя, результаты других отчетных и статистических материалов. Для участков тепловой сети, характерных по типам прокладки и видам теплоизоляционных конструкций, и подвергавшихся тепловым испытаниям, в качестве нормативных принимаются полученные в результате испытаний значения действительных (фактических) тепловых потерь, пересчитанные на среднегодовые условия функционирования тепловой сети.
Известен способ определения тепловых потерь, изложенный в Части II РД 153-34.0-20.523-98, который заключается в следующем. Выбирается опытный участок тепловой сети, где конечных потребителей отключают от источника теплоснабжения и замыкают между собой трубу, подающую горячий теплоноситель для потребителя и трубу, возвращающую использованный теплоноситель, создавая таким образом ″циркуляционное кольцо″. В дальнейшем по прошествии определенного количества времени измеряют температуру и объем подаваемого и возвращаемого теплоносителя. Тепловые потери определяются умножением разности температур на расход теплоносителя.
Данный способ определения тепловых потерь имеет ряд существенных недостатков, заключающихся в следующем.
Определение тепловых потерь в тепловых сетях посредством данного способа можно осуществить лишь на отдельных, специально созданных участках ″циркуляционного кольца″, при условии отключения всех потребителей от испытываемого участка. Следовательно, такие испытания могут быть проведены только в межотопительный (обычно летний) период, т.е. в сезонных условиях, резко отличающихся от эксплуатационных (зимний период) по температуре. Кроме этого, такие испытания, как правило, проводятся на магистральных участках теплопроводов. Однако суммарные потери тепла на участках внутриквартальных теплопроводов малых диаметров могут быть сравнимы по величине с тепловыми потерями на магистральных теплопроводах и они также должны быть учтены при определении фактических тепловых потерь в системе транспортировки тепла. Этот факт вызывает неизбежность мониторинга тепловых потерь по всей сети теплоснабжения, независимо от диаметра теплопроводов. Также, представительность района тепловой сети, выбираемого для проведения испытаний на тепловые потери с условием, чтобы результат можно было распространить на всю систему теплоснабжения в целом, не может быть обоснована только по конструктивной (тип прокладки, вид теплоизоляционной конструкции) характеристике. Необходимо, чтобы обследуемый район был адекватен по условиям эксплуатации всей сети теплоснабжения (тип грунта, гидрологические особенности территории и т.д.), либо существовала основа для численного сопоставления величины тепловых потерь, измеренной в этом районе, с тепловыми потерями по всем сетям. Данный способ дает высокую погрешность за счет того, что позволяет оценить результат только для отдельного участка сети в режиме, отличном от эксплуатационного.
Известен другой способ определения тепловых потерь (см. Методика определения фактических потерь тепловой энергии через тепловую изоляцию трубопроводов водяных тепловых сетей систем централизованного теплоснабжения. - М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2004. - 56 с.), который заключается в установке счетчиков тепла непосредственно у всех конечных потребителей и одновременное снятие показателей количества тепла, отправляемого потребителю и количества тепла со всех счетчиков с последующим нахождением разницы между количеством поданного тепла и суммы показателей со всех счетчиков.
Данному способу присущи недостатки, которые в настоящее время не позволяют применять его в промышленных масштабах. Для реализации способа необходимо оснастить каждого потребителя теплосети соответствующим счетчиком и дополнительным оборудованием для одновременного снятия показаний и их получения по всем потребителям. При этом расходы на установку, тарировку и обслуживание оборудования ложатся на конечного потребителя. Использование этого способа, в настоящее время затруднено в связи с незначительной долей потребителей тепловой энергии, оснащенных счетчиками тепла.
Очевидно, что в создавшихся условиях возникла необходимость разработки нового способа определения фактической величины транспортных тепловых потерь в подземных сетях теплоснабжения.
Задачей предлагаемого изобретения является определение транспортных тепловых потерь в подземной сети теплоснабжения произвольной конструкции и размера в эксплуатационном режиме, без отключения потребителей.
Для этого по изобретению, в соответствии с разработанным способом, оценка величины фактических тепловых потерь в подземных теплопроводах базируется на одновременном проведении тепловой аэросъемки территории, на которой расположены тепловые сети, и инструментальных измерений линейной плотности теплового потока в специально оборудованных опорных участках действующей тепловой сети, определении по материалам дистанционной тепловой инфракрасной аэросъемки численных значений превышения величины тепловых потерь с каждого участка теплопровода относительно опорных участков и последующем расчете фактических значений величины тепловых потерь по всей обследуемой тепловой сети.
Данный способ реализуется на практике следующим образом.
L
1. Определяются опорные участки тепловых сетей, тип прокладки и конструкции тепловой изоляции которых являются характерными для данной системы теплоснабжения. Опорные пункты создаются раздельно для групп подземных теплопроводов различного диаметра, которые различаются по нормативной линейной плотности теплового потока не более чем в 1,5 раза. В межотопительный период выбранные опорные пункты оборудуются устройствами для измерения линейной плотности теплового потока с целью определения для них фактической величины тепловых потерь при транспортировке - Q(оп). На каждом участке тепловой сети, который определен в качестве опорного, раскапывают подземный теплопровод, открывают короб (при канальной прокладке) и устанавливают устройство для измерения линейной плотности теплового потока.
Теплопровод, вместе с размещенным на нем устройством, закапывают, утрамбовывая грунт. Поверхность грунта в зоне раскопки выравнивают. Обустраивают место вывода кабеля линии связи для подключения измерительного прибора на поверхности грунта, в стороне от теплопровода.
i
из
т
2
С помощью устройства в любой момент времени возможно выполнить регистрацию величины плотности теплового потока q (Вт/м) значения температуры поверхности теплоизоляции труб Т (°C или K) (достаточно одной точки измерения на каждой трубе теплопровода) и температуру поверхности металла трубы Т (°C или K), которая близка к температуре теплоносителя.
i
L
По измеренным в любой момент дискретным значениям плотности теплового потока по окружности изоляции каждой трубы теплопровода q, возможно вычислить общую линейную плотность теплового потока Q.
L
Величина Q есть тепловые потери через теплоизоляцию каждой трубы теплопровода с единицы длины трубы.
2. В отопительный период (т.е. в эксплуатационном режиме) выполняется дистанционная инфракрасная аэросъемка тепловых сетей и параллельно с ней необходимый комплекс теплофизических измерений линейной плотности теплового потока и температуры на опорных участках тепловых сетей.
3. По материалам дистанционной инфракрасной съемки формируется электронная тепловая карта обследуемой территории и для каждого участка тепловой сети определяется численное значение параметра F(s) -относительной величины тепловых потерь:
F(s)=Q<sub>L</sub>(s)/Q<sub>L</sub>(б)=M(s)/M(б)=p m(s)/m(б)+1-p
(1)
L
L
где Q(s) - линейная плотность теплового потока на любом участке подземного теплопровода с координатой (s), Q(б) - линейная плотность теплового потока на базовом участке; M(s)/M(б) - отношение полных величин температурных контрастов на поверхности грунта над подземным теплопроводом относительно базовой точки; m(s)/m(б) - отношение регистрируемых величин интегралов температурных контрастов, где m(s) - ″видимая″ (поддающаяся регистрации) величина интеграла температурных контрастов над подземным теплопроводом (по горизонтальной координате); m(б) - базовая величина интеграла температурных контрастов среди группы минимальных значений m(s); р - коэффициент, учитывающий реальные эксплуатационные условия - температуру теплоносителя, конструкцию теплопроводов, глубину заложения, теплотехнические параметры покрывающего грунта.
Численное значение параметра F(s) определяется следующим образом:
- выполняют инфракрасную аэросъемку поверхности грунта над всей исследуемой тепловой сетью, обязательно проводят инфракрасную съемку на опорных участках измерения фактических тепловых потерь. Одновременно проводят наземные измерения на нескольких участках поверхности грунта. Собирают данные о режиме теплоснабжения, выполняют контрольные замеры температуры подающей и обратной труб теплопроводов на различных участках тепловой сети.
Радиационная температура поверхности грунта вне зоны прогрева от тепловой сети, называемая фоновой температурой, может быть измерена непосредственно на профиле при удалении от подземного теплопровода, либо по практически одновременным данным измерения температуры такой же поверхности при тех же условиях вне профиля или полосы измерений.
При тепловизионных измерениях регистрируют радиационную температуру поверхности грунта с дискретностью, обусловленной разрешающей способностью прибора. Отсчет радиационной температуры является средним для площадки, соответствующей мгновенному полю зрения тепловизора.
Регистрируемыми результатами измерений являются:
- значения радиационной температуры поверхности грунта Т, осредненные на каждом шаге, если измерения выполняют радиометром;
∞
- осредненные значения фоновой радиационной температуры поверхности грунта различных типов вне зоны влияния подземного теплопровода - Т;
- время измерения радиационной температуры - t;
- установленный коэффициент излучения;
- описание типа поверхности грунта на профилях и в зонах измерения фоновой температуры.
Дополнительными регистрируемыми сведениями являются данные по метеоусловиям, настройкам аппаратуры (которые должны выдерживаться постоянными), картографическая привязка обследуемого района тепловой сети и конкретных профилей.
- материалы маршрутной аэросъемки ″собирают″ в площадное тепловое изображение всей обследованной поверхности земли. По профилям, перпендикулярным теплотрассе, на поверхности фунта по зарегистрированным температурным контрастам ΔT рассчитывают энергетическую характеристику m(s) - интеграл от измеряемых (поддающихся регистрации) температурных контрастов по горизонтальной координате:
- строят графики практически одновременных зарегистрированных значений температуры поверхности грунта над подземным теплопроводом по профилям - Т.
∞
∞
- осредняют одновременные значения фоновой температуры Т, измеренные вне профилей, по 5-9 точкам, исключая зоны аномальных значений Т.
∞
- для каждого профиля определяют график значений фоновой температуры - Т.
- определяют величины температурных контрастов по профилям как разность зарегистрированных и фоновых значений температуры:
ΔТ=Т-Т<sub>∞</sub>,
(2)
∞
где ΔT - температурный контраст, Т - зарегистрированное значение температуры, Т - фоновое значение температуры вне зоны прогрева от подземной теплосети для такой же поверхности в соответствии с графиком,
- вычисляют на профилях величины интегралов температурных контрастов по горизонтальной координате, обусловленных прогревом от подземного теплопровода. При одинаковом шаге между значениями ΔT по профилю:
m(s)=ΣΔT<sub>i</sub>,
(3)
i
i
где m(s) - интеграл от измеряемых температурных контрастов по горизонтальной координате на профилях, s - координата профиля по линии тепловой сети, Σ - знак суммирования значений температурных контрастов ΔT на профиле в пределах, пока температурные контрасты больше нуля. Величина шага между точками измерений ΔT в (3) принята равной 1.
- осредняют величины интегралов температурных контрастов m(s) по полосе, шириной в 2-4 точки измерения по обе стороны от линии профиля.
- сглаживают средние значения интегралов температурных контрастов m(s) вдоль линии подземного теплопровода по 3-5 значениям.
- данную операцию выполняют повсеместно, для всей обследуемой теплосети. В результате получают массив значений относительной энергетической характеристики в каждой точке тепловой сети - m(s), где s -координата по тепловой сети.
Корректируют значения интегралов измеренных температурных контрастов, приводя их к одному времени - t по контрольным повторным измерениям на отдельных профилях в том случае, если время между измерениями m(s) более 1 часа:
где m(s, t) - величина интеграла температурных контрастов в искомый момент времени t;
и
и
m(s, t) - величина интеграла температурных контрастов в момент измерения - t;
1
2
1
2
m(п, t) и m(п, t) - величина интеграла температурных контрастов на профиле, где выполнены измерения в момент времени t и t (повторные измерения);
1
и
2
t≤t и t≤t.
- используя материалы тепловой аэросъемки, выбирают базовую величину интеграла измеренных температурных контрастов m(б) среди одновременных осредненных и сглаженных значений m(s) для подземных теплопроводов с близким диаметром труб, исходя из следующих требований:
L
- базовые значения интегралов температурных контрастов m(б) выбирают отдельно для каждого семейства теплопроводов, близких по диаметру труб так, чтобы нормируемая линейная плотность теплового потока Q(H) различалась не более чем в 1.5 раза,
- относительная погрешность величины m(б) должна быть не более 10%, откуда:
где Δm(s) - средняя погрешность m(s), N - число осредняемых значений m(s) в полосе вдоль линии каждого профиля (N=5-7), n - число точек сглаживания средних значений m(s) вдоль линии подземного теплопровода (n=3-5),
- величину m(б) выбирают минимальной в пределах допустимой погрешности,
L
- используя сведения о температуре теплоносителя, конструкции теплопроводов, глубине заложения, теплотехнических параметрах покрывающего грунта, осуществляют расчеты температурного поля от подземной теплотрассы и интегральных характеристик: Q(s) - линейной плотности теплового потока, M(s) и m(s) для подземных теплопроводов обследуемой тепловой сети. В результате определяют связь между отношением величины тепловых потерь и отношением интегралов измеряемых температурных контрастов для всех теплопроводов тепловой сети. Для каждого семейства теплопроводов выполняют расчеты стационарного температурного поля и определяют линейную зависимость между отношением полной величины интегралов температурных контрастов на поверхности грунта над подземным теплопроводом и отношением регистрируемых величин интегралов температурных контрастов:
M(s)/М(б)=р m(s)/m(б)+1-р.
(6)
Величину коэффициента р определяют путем установления зависимости M(s) от m(s) (эта зависимость - линейная), варьируя эффективную теплопроводность и задавая разную границу регистрации температуры или градиента температуры на поверхности грунта.
Величина F(s) является искомым отношением тепловых потерь с единицы длины подземного теплопровода. Значения F(s) медленно изменяются со временем при вариациях термического сопротивления тепловой изоляции и грунта и могут быть приняты постоянными в течение сезонного периода года.
Отношение линейной плотности теплового потока к ее базовому значению не зависит от температурного напора. Оно определяется сопротивлением теплопередачи конструкции теплопровода, которое можно считать постоянным для длительных периодов времени. Поэтому параметр F(s) является инвариантным к режиму теплоснабжения и служит энергетической характеристикой тепловой сети.
4. С учетом выполненных на опорном участке измерений фактической величины линейной плотности теплового потока через изоляцию труб теплопровода и полученных расчетных значений энергетической характеристики на опорном участке F(оп), проводят повсеместный расчет линейной плотности теплового потока по всем теплопроводам данного семейства, по формуле:
Q<sub>L</sub>(s)=Q<sub>L</sub>(оп)F(s)/F(оп),
(7)
L
L
где Q(s) - линейная плотность теплового потока на участке теплопровода с текущей координатой s (Вт/м); Q(оп) - измеренная на опорном участке фактическая линейная плотность теплового потока в установившемся режиме теплоснабжения (Вт/м); F(s) - величина относительных тепловых потерь на участке теплопровода с текущей координатой s, F(оп) - величина относительных тепловых потерь на опорном участке теплопровода (на профиле над датчиками теплового потока).
i
Для каждого i-го семейства теплопроводов определяют отношение линейной плотности теплового потока (отношение тепловых потерь с единицы длины теплопровода) F(s).
Повсеместный расчет линейной плотности теплового потока по теплопроводам данного i-семейства выполняют по формуле:
Q<sub>L</sub>(s<sub>i</sub>)=Q<sub>L</sub>(oп<sub>i</sub>)F(s<sub>i</sub>)/F(oп<sub>i</sub>)
(8)
5. Общие потери тепла с охлаждением теплоносителя на линейных подземных участках теплопроводов данного семейства (без учета местных тепловых потерь) определяют по формуле:
Q<sub>i</sub>=Q<sub>L</sub>(оп<sub>i</sub>)ΣL<sub>i</sub>F(s<sub>i</sub>)/F(oп<sub>i</sub>),
(9)
i
где ΣL - суммарная протяженность линейных участков теплопроводов данного семейства (м).
охл
6. Суммарные транспортные потери тепла с охлаждением теплоносителя Q (без учета местных тепловых потерь через оборудование транспорта) определяют по распределению значений линейной плотности теплового потока на обследованной тепловой сети как сумму теплопотерь по всем семействам теплопроводов:
Q<sub>охл</sub>=ΣQ<sub>i</sub>=ΣQ<sub>L</sub>(oп<sub>i</sub>)ΣL<sub>i</sub>F(s<sub>i</sub>)/F(oп<sub>i</sub>),
(10)
Предлагаемый способ позволяет определить транспортные тепловые потери в подземной сети теплоснабжения произвольной конструкции и размера в эксплуатационном режиме без отключения конечных потребителей, что выгодно отличает его от аналогов.