CC BY
189
УДК 158.34
Р. Е. Воропаев, А. Е. Упшинская ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ
В ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Ключевые слова: энергоэффективность, инновационные технологии, трубные конструкции, Техмат, экономическая модель функционирования предприятия, энергоэффективные проекты, энергоресурсосберегающие мероприятия.
Высокая энергоемкость российской промышленности обусловлена рядом факторов. В регионе необходима реализация комплексного проекта по энергоэффективности предприятий. Энергоресурсосбережение в промышленности и особенно в коммуникациях связано с использованием изоляции. Применение современных, качественных и долгоживущих материалов уменьшит не только стоимость потреблённой энергии, но и конструкции коммуникаций.
Key words: energy-efficiency, innovation technologies, pipe installation, Tech mat, economical model of functioning
enterprises, energy-economy projects.
The high energy content in Russian industry is caused by a whole series of the factors. It is important to realize complex policy in the region in energy-efficiency on enterprises. Energy-economy in the industry, generally and in the pipe installation are connected with the effective use of heating insulation. We must be used only contemporary, qualitative and long-lived materials, which are reduced costs not only for energy, but also by the construction ofpipes.
Сектор промышленности является одной из основных причин изменения климата, загрязнения окружающей среды. По оценкам IFC (Международной финансовой корпорации), Россия могла бы сэкономить энергии до 45%. Такая расточительность оценивается в размере 84-112 миллиардов долларов недополученных доходов от экспорта нефти и газа.
Высокая энергоемкость промышленности в России обусловлена целым рядом факторов: изношенность основных средств производства, крайне слабый учет, контроль и регулирование расходования энергетических ресурсов, искусственно заниженные тарифы на электроэнергию и цены на другие энергоносители, отсутствие заинтересованности участников процесса в рациональном использовании энергоресурсов, практически полное отсутствие национального производства энергоэффективного оборудования и материалов, преобладание монопольной системы энергоснабжения и ряд других. В последние годы удельная энергоемкость растёт из-за изношенности коммуникаций.
Современное производство, как часть инновационной экономики имеет два основных акцента. Во-первых, производство должно быть основным сектором экономики, инфраструктуры и финансов. Во-вторых, производство - это один из ключевых потребителей инновационных технологий. Речь идет не только и не столько об инновациях, ориентированных на массового потребителя, сколько об инновационных технологических и решениях, необходимых для решения наиболее острых проблем [1,2]. Как представляется, производство формирует спрос на инновации в четырех ключевых областях:
- качество продукции;
- энергонезависимость и энергоэффективность;
- развитие производственной инфраструктуры;
- безопасность.
Важность промышленности как потребителей инновационных решений усиливается тем обстоятельством, что данный сегмент относится к компетенции органов государственной и муниципальной власти. Государство и муниципалитеты обладают всеми полномочиями для стимулирования инноваций, используя систему муниципального и государственного заказа, а также инструменты технического, законодательного и административного регулирования.
В 2009 году в России развитие энергоэффективных технологий получило мощный импульс. В ноябре был принят закон № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». В законе прописаны идеи установления системы мер экономического, организационного и непосредственно административного характера по стимулированию энергосбережения и повышению энергоэффективности. В настоящее время наша промышленность, из-за высокой энергоемкости продукции, является
неконкурентоспособной. Определены два основных вектора по выходу из сложившейся ситуации: альтернативная энергетика и поэтапное уменьшение энергопотребления.
Анализ мировых трендов в области создания энергоэффективного производства приводит к выводу о том, что для достижения этой цели может использоваться целый комплекс мер - от решений высокого уровня политики по энергоэффективности государства до шагов в каждой конкретной области, таких как теплоизоляция трубопроводов за счет инновационных технологий.
В настоящее время, большинство предприятий сталкиваются с постоянным ростом стоимости энергии, что является результатом инфляционных факторов, повышения затрат энергокомпаний, корреляции к мировым ценам. Осознавая необходимость усиления контроля за издержками, руководители предприятий, тем не менее, не всегда выбирают правильную стратегию поведения. Фактически, в рамках типового предприятия, могут быть рассмотрены и проанализированы три основные стратегии.
Стратегия 1. Функционирование предприятия без изменения действующего курса компании.
Графическая экономическая модель функционирования предприятия без кардинальных изменений стратегии управления и контроля за издержками представлена на рисунке 1.
Рис. 1 - Графическая модель функционирования предприятия без изменения стратегии управления и контроля за издержками: а - объем эксплуатационных затрат предприятия; с - объем совокупных платежей за энергию, покрывающих затраты предприятия; Т - время, лет; V - объемы затрат (платежей потребителей)
При этом проблемы энергоэффективности на предприятии не будут решаться.
Стратегия 2. Ориентация по передаче издержек предприятия на потребителей. На рисунке 3 представлена графическая экономическая модель функционирования предприятия, иллюстрирующая влияние повышения тарифов для потребителей на конкретное отраслевое предприятие.
Данная стратегия решает только текущие задачи деятельности предприятия, но фактические объемы их финансирования практически не изменяются, а качество предоставляемых услуг не улучшается.
V"
Рис. 2 - Графическая экономическая модель ориентации предприятия на максимально возможное перекладывание затрат на потребителей: а - объем совокупных платежей за энергию; с - объем эксплуатационных затрат предприятия; Т - время, лет; V - объем затрат (платежей)
При реализации данного варианта имеет место отказ от комплексного решения проблем отрасли в пользу частного корпоративного решения, обеспечивающего лишь замедление процесса неминуемого разрушения инфраструктуры, что в существующих условиях не обеспечивает выход из кризиса и приводит к неоправданным потерям ресурсов.
Стратегия 3. Реализация комплексной политики в области энергоэффективности на предприятии.
Стратегия 3 основана на реализации комплексной политики в области энергоэффективности на предприятии. Целесообразность осуществления энергоэффективных проектов и мероприятий на отраслевых предприятиях отражена на графической экономической модели, приведенной на рисунке 4.
При проведении комплексной политики в области энергоэффективности и энергосбережения, затраты предприятия (кривая линия а, рис. 4) включают в себя эксплуатационные затраты, а также инвестиционные затраты (в виде тарифной инвестиционной составляющей) на осуществление проектов в области энергоэффективности.
На основе приведенной модели, можно сделать вывод, что скорейший процесс реализации энергоресурсосберегающие мероприятий (проектов) позволяет достигать более быстрого снижения совокупных затрат предприятия. Таким образом обосновывается целесообразность реализации политики энергоэффективности как одного из стратегических направлений.
Решая задачу сокращения энергопотерь, возможно уделить внимание теплоизоляции оборудования. Более половины тепла уходит через трубопроводы. Таким образом, решив проблему энергосбережения в инженерных сетях, можно добиться двойной экономии средств.
Чем выше температура теплоносителя, тем более важным становится применение эффективной теплоизоляции. Если для горячего водоснабжения температура часто не превышает 60 градусов, то для сетей отопления она доходит уже до 95-ти.
Использование некачественной или недостаточной теплоизоляции, особенно в последних двух случаях, приводит к тому, что буквально на воздух (или в землю) выбрасывается огромное количество тепла и, соответственно, денежных средств. Доля потерь в тепловых сетях достигает сейчас 17% от общего потребления тепловой энергии в стране, отмечает ЦЭНЭФ, что составляет более 170 миллионов Гкал, или минимум 50 миллиардов рублей в год.
Рис. 3 - Графическая экономическая модель реализации комплексной политики в области энергоэффективности на предприятии: а - объем совокупных (эксплуатационных и инвестиционных) затрат предприятия при проведении политики энергоэффективности; Ь - объем совокупных (эксплуатационных) затрат предприятия без проведения политики энергоэффективности; Т - время, лет; V - объем затрат
Подобное положение вещей обусловлено двумя объективными причинами. Первая -физический износ теплоизоляции. По оценкам Министерства промышленности и энергетики, в среднем по России за год на каждую сотню километров коммуникаций приходится 200 аварий. Износ теплосетей в некоторых регионах достигает порой 75%. Намного раньше стальных труб и технологических аппаратов выходит из строя традиционная теплоизоляция, выполненная из устаревшей стекловаты по ГОСТ 10499-78, при надземной и подземной канальной прокладке, а также из армопенобетона или битумоперлита - при бесканальной прокладке. Средний срок службы этих материалов составляет всего 10 лет. В то же время предусмотренный срок эксплуатации трубопроводов равен 25 годам.
Являясь относительно гидрофильными, старые материалы впитывают влагу и тем самым еще более ускоряют коррозию металла. Немалые дополнительные расходы становятся неизбежны: либо на внеплановую замену теплотрассы, либо на постоянное латание отдельных участков с попутной ликвидацией аварий.
Вторая причина заключается в несоответствии теплоизоляции современным требованиям. Покрытия, используемые при бесканальной прокладке, являются по современным меркам скорее просто защитными, чем теплоизоляционными. Теплопроводность армопенобетона и битумоперлита даже в сухом состоянии составляет около 0,1 Вт/м*град., а при неизбежном и быстром увлажнении увеличивается еще в 3-5 раз. В то же время у эффективных материалов этот показатель не превышает 0,05 Вт/м*град.
Всем знакомы бесснежные и сухие дорожки-проталины, «обозначающие» зимой тепловую магистраль. При использовании современных видов теплоизоляции возникает другая проблема. Обеспечить необходимую толщину оболочки некоторыми материалами оказывается слишком дорого. Поэтому, несмотря на низкую теплопроводность изоляционного слоя, теплопотери остаются высокими.
К тому же многие популярные виды современной изоляции просто не производятся достаточной толщины. Например, изделия из вспененных полимеров (полиэтилена, синтетического каучука) выпускаются толщиной не более 13-25 мм - особенности технологии делают производство продукции большей толщины неоправданно дорогостоящим. Такая теплоизоляция прекрасно справляется с задачей обеспечения безопасной температуры поверхности, однако не удовлетворяет современным понятиям об энергоэффективности.
Ставя задачу энергосбережения, следует проводить расчет теплоизоляции по нормам плотности теплового потока, регламентированным СНиП 41-03-2003. Необходимая толщина теплоизоляции определяется согласно формулам, представленным в СП 41-103-2000. В качестве примера можно рассмотреть трубопровод отопления диаметром 42 мм, с температурой теплоносителя 90 градусов, проходящий в помещении с температурой воздуха 10 градусов, работающий свыше 5000 часов в год. Теплопроводность изоляции примем за 0,04 Вт/м*град, что приблизительно соответствует значению этого параметра для современных материалов (полимерных и волокнистых) при повышенной температуре. Результат такого приблизительного расчета показывает, что минимальная толщина теплоизоляции в этом случае составляет 38 мм.
Необходимую толщину - от 30 мм - имеют изделия из минеральной ваты. Их применение позволяет обеспечить соответствие тепловых потерь современным требованиям по энергоэффективности. Цилиндры - наиболее удобная форма продукции для монтажа на трубопроводах - выпускаются достаточно больших диаметров.
Однако теплоизоляция необходимой толщины - еще не гарантия энергоэффективности. Распространенные ошибки могут привести к значительному увеличению теплопотерь. Среди них выделим две:
1) Применение теплоизоляции без учета монтажного уплотнения волокнистых материалов. СНиП 41-03-2003 устанавливает, что толщину теплоизоляционного изделия до установки на изолируемую поверхность следует определять с учетом коэффициента уплотнения Кс. Для цилиндрической поверхности используется формула:
§1 =5КС^, 1 Сс1 + 25
где 81 - толщина теплоизоляционного изделия до установки на изолируемую поверхность (без уплотнения), м; 8 - расчетная толщина теплоизоляционного слоя с уплотнением в конструкции, м; б - наружный диаметр изолируемого оборудования, трубопровода, м; Кс -коэффициент уплотнения теплоизоляционных изделий.
В этом же документе приведены значения коэффициента уплотнения для разных материалов. Например, для изделий ROCKWOOL ТЕХ МАТ этот показатель равен 1,35-1,2, а для некоторых матов из стеклянного штапельного волокна доходит до 3,6, что связано с различной ориентацией волокон внутри материала. В первом случае они располагаются хаотично, а во втором - преимущественно вдоль основания мата. Поэтому утеплитель из стекловолокна больше подвержен уплотнению. Если не учитывать этот фактор, реальная толщина теплоизоляции трубопровода вскоре окажется существенно меньше расчетной, что станет причиной непредусмотренных энергопотерь.
2) Неправильный монтаж. При установке стального защитного покрытия следует предусмотреть отсутствие нагрузки на слой теплоизоляции. Для этого используются специальные крепления, принимающие вес покрытия на себя и перераспределяющие на опоры. Игнорирование такого подхода приводит к серьезным деформациям утеплителя и еще большему увеличению теплопотерь.
Нельзя не упомянуть и еще одну ошибку, которая часто встречается даже при соблюдении всех проектировочных и технологических правил. При теплоизоляции трубопроводов из всех приемлемых материалов выбираются наиболее дешевые - с очевидной целью сэкономить средства. Но, как это обычно бывает, неоправданная экономия оборачивается дополнительными затратами. В данном случае - на монтаж. Реальное сбережение ресурсов не только в процессе эксплуатации, но и в процессе монтажа может быть обеспечено применением наиболее качественных материалов. Например, маты минераловатные прошивные, выпускаемые многими предприятиями, имеют теплопроводность, достигающую предельного значения, указанного в ГОСТ 21880-94 - 0,044 Вт/м*град. Показатель в 0,036 Вт/м*град, которым характеризуется продукция высокого
качества, позволяет использовать продукты меньшей толщины и, соответственно, сократить расходы при монтаже.
Наглядно увидеть все статьи экономии можно из сметы-сравнения. В ней приведены данные по теплоизоляции трубопровода с наружным диаметром 273 мм, с температурой теплоносителя 100 градусов, расположенного на открытом воздухе, с числом часов работы в год более 5000. Плотность теплового потока, согласно СНиП 41-03-2003, должна быть не более 57 Вт/м. Исходя из этого, вычисляется необходимая толщина теплоизоляции: матами ЯОС^ООЬ ТЕХ МАТ (Х=0,036 Вт/м*град) - 90 мм, матами прошивными по ГОСТ 21880-94 - 110 мм (за счет большей теплопроводности), матами из стекловолокна - 120 мм (за счет большего монтажного уплотнения). Соответственно, объем теплоизоляции на 100 метров длины трубопровода равен: 10,25, 13,22 и 14,80 м3 соответственно. Видно, что благодаря меньшему объему теплоизоляции сокращаются расходы по всем позициям монтажных работ (труд рабочих и машинистов, установка бандажных колец, автотранспорт), а также расход стали на защитное покрытие. В результате, несмотря на наибольшую стоимость ТЕХ МАТ, итоговые затраты при их применении оказываются наименьшими.
Таким образом, энергосбережение в промышленности, вообще и в трубопроводных сетях в частности связано с эффективным использованием теплоизоляции. Уже на стадии проектирования необходимо предусмотреть толщину изолирующего слоя, обеспечивающую соответствие нормам плотности теплового потока. Далее, для волокнистых теплоизоляционных материалов следует учитывать коэффициент уплотнения, а при монтаже в обязательном порядке применять элементы, предотвращающие нагрузку на утеплитель со стороны защитного покрытия. Наконец, должны применяться только современные, качественные и долговечные материалы, благодаря которым сокращаются расходы не только на эксплуатацию, но и на сооружение трубопроводов.
Литература
1.Ибрашева, Л.Р. Программа энергосбережения и повышения энергетической эффективности как инструмент Стратегии устойчивого развития города (на материалах г. Казань) / Л.Р.Ибрашева, А.М. Идиатуллина // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. - №2. - С. 198-202.
2.Шинкевич, А.И. Проекты энерго-, ресурсосбережения на предприятиях Республики Татарстан в условиях кризиса/ А.И.Шинкевич, Т.В. Малышева, И.А Зарайченко. // Вестник Казан. технол. ун-та. -2011. - №2. - С. 294.
© Р. Е. Воропаев - региональный представитель ЗАО «Минеральная вата», соиск. КГТУ; А. Е. Упшинская - канд. пед. наук, доц. каф. химической кибернетики КГТУ [email protected].
