Реновация трубопроводов как средство энергосбережения при реализации бестраншейных технологий

РЕНОВАЦИЯ ТРУБОПРОВОДОВ КАК СРЕДСТВО ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ БЕСТРАНШЕЙНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

PIPE RENOVATION AS A WAY OF ENERGE-SAVINGS IN TRENCHLESS TECHNOLOGIES PERFORMANCE

B.A. Орлов, Д.И. Шлычков, E.B. Коблова

V.A. Orlov, D.I. Shlichkov, E.V. Koblova

ФГБОУ ВПО МГСУ

В статье представлены экономические аспекты бестраншейной реновации трубопроводов различными методами и определение оптимальной технологии по минимальным затратам электроэнергии.

This article presents economic aspects of trenchless renovation the pipelines by different methods and the determination an optimum technology with minimal energy expenditures.

Комплексный анализ преимуществ бестраншейной реновации трубопроводных систем водоснабжения в части технико-экономической эффективности можно осуществить по следующим вариантам:

-сравнением с прокладкой нового трубопровода взамен старого открытым способ (с применением земляных работ);

-изменением (увеличением) пропускной способности подвергнутого реновации трубопровода по сравнению со старым;

-сокращением затрат электроэнергии на подачу воды;

-снижением реального объема утечек (скрытых расходов воды) на водопроводных сетях за счет исключения из рассмотрения проблем, связанных с эксфильтрацией;

-сравнением с прокладкой нового дублирующего трубопровода и прочисткой действующего трубопровода.

В условиях реновации старых трубопроводов без разрушения путем протягивания в них новых труб меньшего диаметра или нанесением защитных оболочек наиболее значимым элементом исследований из предложенного выше перечня может рассматриваться вариант технико-экономической эффективности по сокращению затрат электроэнергии на подачу воды [1,2]. Этот вопрос напрямую согласуется с положениями по энергосбережению согласно пункту 2.3 статьи 11 Закона РФ от 23.11.2009 № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», где указывается, что «... требования к сооружениям и технологиям ... должны позволять исключать нерациональный расход энергетических ресурсов как в процессе строительства, реконструкции.объектов, так и в процессе их эксплуатации».

6/2011 мвВЕСТНИК

Расчет эффективности реновации по фактическому сокращению затрат электроэнергии на подачу воды представляет собой весьма сложную задачу в условиях протяженной и разветвлённой трубопроводной сети города. Это объясняется тем, что после изменения гидравлического сопротивления на определённых участках сети, где были осуществлены работы по реновации, может измениться направление потоков. В этом случае доказать реальный эффект восстановительных работ становится трудно. Отсюда для определения фактического эффекта работ по бестраншейной реновации предлагается следующий путь. Он основан на определении экономии энергоресурсов при транспортирование воды по восстановленному трубопроводу по сравнению со старым при неизменных параметрах потока по линии до и после ремонтно-восстановительных работ. Причем в качестве вариантов реновации берутся только те технологии, при которых достигается положительный эффект, заключающийся в уменьшении гидравлических сопротивлений трубопроводов после реновации независимо от степени сужения диаметра исходного трубопровода.

Годовая экономия электроэнергии ДЭ (кВтч) за счёт уменьшения гидравлического сопротивления после операций по реновации трубопровода и, следовательно, уменьшения потерь напора по длине трубопровода, подсчитывается по следующей базовой формуле (1):

2

ргСО Н „ гкг  м „  Э =-—--24 • 365 [----ч = кВт • ч ]

1000 'Л «ас. -Лдвиг. с

где р - плотность жидкости, кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2; О - расход подаваемой трубопроводом воды, м3/с; цнас, и цдвиг. - соответственно коэффициенты полезного действия соответственно насоса и электродвигателя; 24 - количество часов работы насоса в сутки, ч; 365 -количество дней в году; 1000 - переводной коэффициент из Вт в кВт; АН - снижение потерь напора по длине трубопровода, м вод. столба (2):

АН = Нстар. - Ннов.

где Н1 и Н2 - соответственно потери напора в трубопроводе до реновации (старый трубопровод) и после реновации (восстановленный трубопровод), м вод. столба.

В случае транспортировки воды, т.е. при значениях р = 1000 кг/м3, g = 9,81 м/с и проведении математических операций преобразования, формула (1) преобразится в формулу (3):

Э =9,81 ^Н • 24.365

Лнас. Лдвиг.

В целях универсальности подхода к определению экономических параметров следует ввести понятие годовой экономии электроэнергии на единицу длины трубопровода ДЭ1м. В этом случае потери напора Н1 и Н2 будут рассчитываться на единицу длины трубопровода, т.е. на 1 м.

Вид общих формул для определения потерь напора через удельные гидравлические сопротивления будет следующим:

НСтар. Астар. 1 °

Ннов. Анов;/'0

где I - длина трубопровода (по условиям задачи 1 м); Астар. и Анов/- соответственно коэффициенты сопротивления старого и нового трубопроводов, с2/м6; О - расход транспортируемой воды, м3/с.

С учётом единичной длины формулы (3 и 4) преобразуются к виду (6 и 7):

НСтар. Астар. О

Ннов. Анов.

Подставляя формулы (6 и 7) в (3) и делая преобразования, путем вынесения за скобки величины квадрата расхода О2, получим базовую формулу для определения годовой экономии электроэнергии на единицу длины старого трубопровода после его реновации (8):

Э1м = 9,81' ^ . 24. 365

Лнас. Лдвиг.

Из приведенной зависимости (8) следует, что величина экономии электроэнергии пропорциональна третьей степени пропускаемого расхода, т.е. О3 при условии сохранения неизменным величины расхода О.

Ниже приведен расчет экономии энергозатрат после проведения работ по бестраншейной реновации стальных трубопроводов двумя методами:

-протягиванием полиэтиленовых труб (два альтернативных случая);

-нанесение цементно-песчаного покрытия (два альтернативных случая).

Первый метод реновации - протягивание полиэтиленовых труб.

В качестве условия задачи рассматриваются следующие варианты реновации: старый стальной водовод внутренним диаметром 1,0 м подлежит бестраншейному восстановлению круглой полиэтиленовой трубой (первый вариант) наружным диаметром 0,9 м и деформированной полиэтиленовой трубой (второй вариант) наружным диаметром 1,0 м. Согласно ГОСТ 18599-2001 из сортамента труб выбрана полиэтиленовая труба ПЭ 100 наружным диаметром 0,9 м и толщиной стенки 22,0 мм. Таким образом, внутренний диаметр полиэтиленовой трубы составляет 0,9 - 2'0,022 = 0,856 м. Труба рассчитана на давление до 0,4 МПа (40 м вод. ст). Для второго варианта реновации используется труба наружным диаметром 1,0 ми толщиной стенки 24,4 мм, т.е. внутренний диаметр ее составляет 1,0 - 2'0,0244 = 0,9512 м. На бровке траншеи перед протягиванием труба подвергается предварительной деформации на формовочной машине для изменения поперечного сечения.

Удельное сопротивление старой стальной трубы определяется по формуле А=0,00Ш"5,1716 и полиэтиленовой трубы А=0,0004ё"5,7276 [3,4].

Для решения задачи необходимо задаться расходом О, который можно принять равным 0,79 м3/с, что соответствует скорости течения воды в стальном трубопроводе внутренним диаметром 1,0 м - 1,0 м/с.

Далее, подставляя исходные данные в формулу (8) и производя промежуточные операции, получим расчетные значения годовой экономии электроэнергии на единицу длины трубопровода:

6/2П11 ВЕСТНИК _ 6/2011_МГСУ

-для первого случая (круглая труба):

Э,„ = 9,81'6 (. 24 • 365

Лнас. ' Лд<

виг.

9,81-0,793(0,0017-1,0^5'1716 -0,0004• 0,856~5'7276) _ ,„„„,. „

или —----—--------• 24 • 365 = 42,7261 кВтч на 1

0,8 • 0,9

погонный метр длины трубопровода в год;

-для второго случая (деформированная труба):

ЭХм = 9,81 •64 ^ . 24. 365

Лнас. Лдвиг.

9,81- 0,793 (0,00 1 7 • 1,0'5'1716 - 0,0004 • 0,9512'5'7276) _

или--24 • 365 =68,7426 кВтч на 1

0,8 • 0,9

погонный метр длины трубопровода в год;

Для реальных условий проектирования, когда, например, протяженность водовода составляет 1-2 тыс. км, экономия энергозатрат по первому варианту составит в год соответственно 42726,1-85452,2 кВтч, а по второму варианту 68742,6-137485,2 кВтч.

Второй метод реновации - нанесение цементно-песчаного покрытия. В качестве условия задачи рассматриваются следующие варианты реновации: старый стальной водовод внутренним диаметром 1,0 м подлежит бестраншейной реновации путем нанесения цементно-песчаного покрытия методом опалубки (первый вариант) и центробежного набрызга (второй вариант), Толщины слоев согласно установленным нормам для диаметра 1,0 м составляют в обоих случаях 11 мм. Внутренний диаметр после реновации составит 1,0 - 2'0,011 = 0,978 м.

Расход воды составляет, как и в предыдущей задаче по реновации трубопровода 0,79 м3/с.

Подставляя исходные данные в формулу (8) и производя промежуточные операции, получим расчетные значения годовой экономии электроэнергии на единицу длины трубопровода:

-для первого случая (метод опалубки):

Э1м = 9,81'64 А™р.~ ^ . 24. 365

Лнас. Лдвиг.

9,81-0,793(0,00 1 7• 1,0'5'1716 -0,0009• 0,978'5,2146) и ,

или--24 • 365= 40,5251 кВтч на 1

0,8 • 0,9

погонный метр длины трубопровода в год;

-для второго случая (центробежный набрызг):

Эы = 9,81'^^ . 24.365

Лнас. Лдвиг.

9,81- 0,793

0,8 • 0,9

погонный метр длины трубопровода в год;

24 • 365= 60,3373 кВт-ч на 1

Для реальных условий проектирования, когда, например, протяженность водовода составляет 1-2 тыс. км, экономия энергозатрат по первому варианту составит в год соответственно 40525,1-81050,2 кВтч, а по второму варианту 60337,3-120674,6 кВтч.

Результаты расчетов по определению годовой экономии электроэнергии на единицу длины трубопровода для различных технологий сведены в табл. 1.

Таблица 1

Данные по экономии электроэнергии на единицу длины трубопровода при реализации

альтернативных технологий

Наименование бестраншейной технологии реновации Модификация технологии реновации Величина ДЭ1м, кВтч

1. Протягивание полимерной трубы внутрь старой Протягивание круглой в профиле трубы 42,7261

Протягивание деформированной в профиле трубы 68,7426

2. Нанесение слоя цементно-песчаного покрытия Нанесение опалубки 40,5251

Центробежный набрызг 60,3373

Анализируя данные таблицы 1 по двум альтернативным бестраншейным технологиям реновации старого стального трубопровода и их модификаций можно сделать вывод, что наиболее экономичным результатом в плане экономии энергозатрат является бестраншейная реновация старого трубопровода путем протаскивания в него деформированной в профиле полиэтиленовой трубы (ДЭ1м=68,7426 кВтч). Наименее экономичный результат экономии энергозатрат достигается в случае реконструкции трубопровода путем нанесения опалубки.

Приведенные расчеты показывают, что, несмотря на то, что после реновации методом протягивания внутренние диаметры новых двухтрубных конструкций уменьшаются по сравнению с методами нанесения цементно-песчаных покрытий (например, 0,9512 м при протягивании и 0,978 м при цементации), экономия энергозатрат возрастает. Отсюда напрашивается вывод, что влияние удельного сопротивления (т.е. степень шероховатости внутренней поверхности трубопроводов) оказывает решающую роль для энергосбережения.

6/2Q11 мвВЕСТНИК

Краткие выводы

1. В качестве критерия оценки энергосбережения при реализации бестраншейных методов реновации трубопроводов введено понятие годовой экономии электроэнергии на единицу длины трубопровода ДЭ1м и на конкретных примерах подсчитаны и сопоставлены значения этого параметра для различных технологий реновации.

2. На основе расчетных данных установлено, что влияние удельного сопротивления (т.е. реальная степень шероховатости внутренней поверхности трубопроводов) оказывает решающую роль для энергосбережения при транспортировке воды по трубопроводам системы водоснабжения.

Литература

1. Отставнов А.А., Устюгов В.А., Харькин В.А. и другие / Энергосберегающие бестраншейные технологии // Сантехника, отопление, кондиционирование (СОК).- 2010.-№ 8.- с. 14-20

2. Отставнов А.А., Устюгов В.А., Харькин В.А. и другие / Энергосбережение на трубопроводах водоснабжения и водоотведения // Сантехника.- 2010.-№ 4.- с. 38-42

3. Шевелев Ф.А., Шевелев А.Ф. / Таблицы для гидравлического расчета водопроводных труб // Стройиздат. - 1984. -117 с.

4. Орлов В.А. / Защитные покрытия трубопроводов // Издательство АСВ.-2009.- 126 с.

Literature

1. Otstavnov A.A., Ustyugov V.A., Harkin V.A and others / Power saving up бестраншейные technologies//the Sanitary technician, heating, air-conditioning (JUICE). 2010. № 8. with. 14-20.

2. Otstavnov A.A., Ustyugov V.A., Harkin V.A and others / Power savings on water supply and water removalpipelines//santehnika. - 2010. № 4. with. 38-42

3. Shevelev F.A., Shevelev A.F. / Tables for hydraulic calculation of water pipes//Stroyizdat. -1984.-117p.

4. Orlov V.A. /Sheetings of pipelines//Publishing house ASV.-2009.-126p.

Ключевые слова: бестраншейная технология, реновация, трубопровод, гидравлика, энергетические расходы.

Key words: trenchless technology, renovation, pipeline, hydraulics, energy expenditures.

129337, г. Москва, Ярославское шоссе, дом 26, тел/факс: 8-499-183-36-29,

E-mail автора: orlov950@yandex.ru.

Рецензент: Примин О.Г., д.т.н., профессор, зам. директора по науке ОАО «МосводоканалНИИ-

проект».