Технико-экономическое обоснование выбора удельных тепловых потерь трубопроводами

УДК 697.1.075

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА УДЕЛЬНЫХ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ ТРУБОПРОВОДАМИ

СОЗИНОВ В.П., д-р техн. наук, КУЛАГИН С.М., канд. техн. наук, КОРЯГИН А.Н., асп.

Представлены результаты исследований влияния различных факторов на тепловые потери в трубопроводах. На основе технико-экономического анализа получены уравнения, позволяющие выбрать оптимальные нормы удельных тепловых потерь при проектировании тепловой изоляции оборудования и трубопроводов.

Ключевые слова: трубопровод, тепловые потери, теплоизоляция.

TECHNICAL-ECONOMIC BASE FOR CHOOSING SPECIFIC HEAT LOSS IN PIPELINES

V.P. SOZINOV, Ph.D., S.M. KULAGIN, Ph.D., A.N. KORYAGIN, postgraduate

This paper is devoted to the results of research of different factors influence upon heat loss in pipelines. Using technical-economic analysis, the authors have got the equations, which allow choosing optimal norms of specific heat loss while equipment and pipeline thermal protection designing.

Key words: pipeline, heat loss, thermal protection.

Принятое недавно Положение об организации в Министерстве промышленности и энергетики Российской Федерации работы по утверждению нормативов технологических потерь при передаче тепловой энергии является первым звеном в деле проведения целенаправленной энергосберегающей политики и упорядочения тарифов для населения.

Сложившаяся система нормирования тепловых потерь не позволяет учитывать многих факторов, определяющих эффективность работы системы теплоснабжения. Более правильным в современных условиях представляется переход к практике гибкого нормирования, учитывающего конъюнктуру цен на тепловую энергию и теплоизоляционные материалы в данном регионе, а также специфику условий эксплуатации теплоизоляционных конструкций.

На тепловые потери трубопроводов большое влияние оказывают конструктивные, климатические, экономические и эксплуатационные факторы.

Конструктивные факторы включают в себя диаметр (<^н) и длину трубопровода (Ц, способ прокладки, вид теплоизоляционного материала (Хиз) и его толщину (8из), наличие местных потерь теплоты.

К климатическим факторам можно отнести расчетную температуру наружного воздуха (н), среднюю температуру грунта (¿ф), продолжительность отопительного периода (По).

К экономическим - стоимость изоляции (Сиз), стоимость тепловой энергии (С-), стоимость монтажных работ (см), транспортные расходы (стр), а также амортизационные отчисления (сам).

К эксплуатационным факторам относят температуру теплоносителя (т), расход воды (в), тепловую нагрузку (О), долю тепловых потерь трубопроводами в годовом потреблении теплоты.

Учесть все эти факторы при оптимизации тепловых сетей возможно за счет введения некоторого единого обобщенного показателя, например, совокупных затрат.

Было получено уравнение совокупных затрат (7), в которое вошли все перечисленные выше факторы, а также удельные тепловые потери (д) 1 м трубы.

Если инвестиции осуществляются однократно, то формула имеет вид

Z = К,,

(1 + я)'

где Кинв - капитальные затраты, руб.; Э( - годовые эксплуатационные расходы, руб.; Я - норма дисконта; t - расчетный год.

Капитальные затраты определяются типом изоляционной конструкции, диаметром и длиной трубопровода. Их можно определить из выражения

Кинв = ктркмсиз^из,

где ктр - коэффициент, учитывающий транспортные расходы; км - коэффициент, учитывающий монтажные работы; сиз - стоимость изоляции, руб/м3; \/из -

объем изоляции, м3.

Объем теплоизоляционного материала находится по формуле

Кз = = + 8из,

где бн - наружный диаметр стенки трубы, м; 8из -

толщина изоляции, м.

Выразим толщину тепловой изоляции через плотность теплового потока. Для простоты пренебрегаем термическим сопротивлением стальной трубы.

Согласно нормам [2], толщина тепловой изоляции трубопроводов определяется по формуле

^

8из =-

2

Для цилиндрической поверхности диаметром менее 2 м имеет место уравнение " К

In B = 2жки

П

где B = -И-

-28„

- RL

-; ^из - коэффициенты теплопровод-

dн

ности изоляции, Вт / (м2-°С); К - коэффициент дополнительных потерь [2], учитывающий теплопотери через теплопроводные включения в теплоизоляционных конструкциях, обусловленных наличием в них крепежных деталей и опор; т - температура теплоносителя, °С; tн - температура окружающей среды, °С; д -

плотность теплового потока, Вт/м; Я^ - линейное термическое сопротивление теплопередаче на наружной поверхности изоляции, м°С/Вт [2]. Итак,

cL + 28и

2пХиз { «ZM-RL

c

= e

н

8из =

Из этого соотношения получаем

f 2 П Хг,з f K&hLrL j ^

С учетом этого выражения формула объема тепловой изоляции примет вид

VU3 =П

f 2П, fK^R

\

- 1

V

f 2пХиз К

К q J -1

4

H L.

Z(q) = ктркмсиз П

f 2пХи!«ZÜ-rL

К q J -1

f aaj «ZMr j ^

dн L + CmqLn0•3600•10-2 (1 + R)f

Чтобы определить вид полученной зависимости, в нее подставлены численные показатели (табл. 1) и построен график (рис. 1):

300000

250000

200000

150000

100000

50000

Рис. 1. График зависимости совокупных затрат от удельных линейных тепловых потерь

График показывает, что функция имеет четко выраженный минимум, который может быть найден из

п

условия — = 0 . ¿Я

Таблица 1. Исходные данные для построения графика

Эксплуатационные расходы определятся как стоимость годовых тепловых потерь трубопроводами, руб/год,

Э = Стц1по • 3600 • 10-9 ,

где Ст - стоимость тепловой энергии, руб/ГДж; L -протяженность теплопровода, м; по - число часов работы теплопровода в год, ч.

Окончательно выражение для определения совокупных затрат примет вид

Наименование Значение

Коэффициент транспорта ктр 1,2

Коэффициент монтажа км 1,5

Диаметр трубопровода дн ,м 0,1

Длина трубопровода L , м 100

Коэффициент дополнительных потерь К 1,2

Линейное термическое сопротивление Я^ , м°С/Вт 0,07

Температура теплоносителя т, °С 50

Температура окружающей среды tн , °С -3,9

Число часов работы теплопровода п0 , ч 5256

Норма дисконта Я 0,15

Расчетный год t 1

Стоимость тепловой энергии Ст , руб/ГДж 500

Стоимость тепловой изоляции сиз , руб/м3 9140

Коэффициент теплопроводности X, Вт/м°С 0,038

cdZ=- 1

dq = 25•105

L -25 • 105 ктркмСизП2ХК

-4пХ-

-КT+Ktn+Rnq 25 1n5 k k с П2,К

-Я- w2 25 •10 ктркмсизж XK

4 • d Т+--Ч:-X

-4ПХ-КT+Ktn+RLLq 9С n

xe Я • d 2tH + -ML.

H (1 + R)t

Оптимальное значение удельных линейных тепловых потерь, соответствующее этому условию, получено с помощью программного средства «Mathcad» и составило 29,1 Вт/м, что существенно отличается от нормативного значения [1], равного 19 Вт/м при тех же исходных данных.

С использованием полученных зависимостей проведен анализ влияния различных факторов на величину оптимальных тепловых потерь в трубопроводах (табл. 2). Оценивалось влияние климатических условий района строительства, вида и стоимости тепловой изоляции, тарифов на тепловую энергию.

Для анализа условно выбраны некоторые произвольные показатели: два климатических района (центральный Европейский и более суровый Северный) [3]; два вида тепловой изоляции (пенополиуретан, X = 0,038 Вт/м°С, и минеральная вата, X = 0,055 Вт/м°С); две системы теплоснабжения с различными тарифами на тепловую энергию (от ТЭЦ Ст = 800 руб/ГДж и от котельной Ст = 2000 руб/ГДж).

Согласно действующим номам [1], для всех вариантов расчета (табл. 2) нормативные удельные линейные тепловые потери одинаковы и составляют 19 Вт/м.

Таблица 2. Результаты вычислений

Сред- Вид тепловой

няя изоляции

темпе- Стои-

Ва- ратура мость

ри- наруж- Вт/(м°С) Стои- тепловой

ант ного мость, энергии,

возду- руб/м3 руб/ГДж

ха,

°С

1 -3,9 0,038 9140 800

2 -6,3 0,038 9140 800

3 -3,9 0,038 9140 2000

4 -3,9 0,055 3050 2000

5 -3,9 0,055 3050 800

Удельные линейные тепловые потери, Вт/м

29,1

30

21,9

22,1

27

Анализ результатов показывает, что влияние климатических условий на выбор оптимальных нормативов удельных тепловых потерь незначительно (варианты 1 и 2). Большее влияние оказывают стоимостные показатели. Для более дорогой изоляции (ППУ) значения оптимальных удельных тепловых потерь выше (варианты 1 и 5). Это говорит о том, что дальнейшее снижение тепловых потерь за счет увеличения капитальных вложений в тепловую изоляцию становится нецелесообразным. В тоже время с ростом тарифа на тепловую энергию стоимость годовых тепловых потерь становится сопоставимой с затратами на сооружение тепловой изоляции. Этот факт подтверждается расчетом: для большей стоимости тепловой энергии удельные линейные тепловые потери меньше (вариант 1 и 3, 4 и 5).

Для центрального региона со средней температурой наружного воздуха -3,9°С [3] получена зависимость стоимости тепловой энергии от оптимальных удельных линейных тепловых потерь (рис. 2).

Рис. 2. График зависимости стоимости тепловой энергии от оптимальных удельных тепловых потерь

Подводя итоги сказанному, следует отметить, что для различных регионов, отличающихся климатическими показателями, стоимостью теплоизоляционных материалов и тарифами на тепловую энергию, оптимальные удельные тепловые потери различны. Следовательно, необходимо разработать территориальные нормы по проектированию тепловой изоляции оборудования и трубопроводов, что позволит оптимизировать тепловые потери в трубопроводах с учётом всех влияющих на них факторов.

Список литературы

1. СНиП 41-03-2003 Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов. ГОССТРОЙ РОССИИ.

2. СП 41-103-2000 Проектирование тепловой изоляции оборудования и трубопроводов. ГОССТРОЙ РОССИИ.

3. СНиП 23-01-99(2003) Строительная климатология. ГОССТРОЙ РОССИИ.

Созинов Владимир Петрович,

ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой промышленной теплоэнергетики, телефон (4932) 26-97-24, e-mail: nelli@pte.ispu.ru

Кулагин Станислав Михайлович,

Ивановский государственный архитектурно-строительный университет, кандидат технических наук, доцент кафедры теплогазоснабжения и вентиляции e-mail: nelli@pte.ispu.ru

Корягин Алексей Николаевич,

ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», аспирант кафедры промышленной теплоэнергетики, телефон (4932) 26-97-24, e-mail: nelli@pte.ispu.ru