CC BY
37
УДК 628.14
ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ ВОДОВОДОВ П. НОВЫЙ УРГАЛ О.В.Акимов1
Дальневосточный государственный университет путей сообщения, 680021, г. Хабаровск, ул. Серышева, 47.
В зимний период для предотвращения перемерзания водоводы обычно теплоизолируют, а воду перед подачей по трубам подогревают. Себестоимость воды в северных районах страны в среднем в 20...30 раз выше, чем в средней полосе. Это связано со значительным расходом топлива на подогрев воды. В работе выполнено математическое моделирование системы водоснабжения на Севере на примере поселка Новый Ургал. По результатам моделирования назначены режимы, позволяющие добиться высокого экономического эффекта. Ил. 9. Библиогр. 2 назв.
Ключевые слова: водоснабжение; Север; энергосбережение.
OPTIMIZATION OF CONDUIT THERMAL REGIMES IN THE SETTLEMENT OF NEW URGAL O.V. Akimov
Far East State University of Railway Engineering, 47 Seryshev St., Khabarovsk, 680021.
To prevent freezing in the winter months conduits are usually covered with frost-protection layer, and water is heated before supplying in pipes. The cost of water in the northern parts of the country is on average 20-30 times higher than in the central parts. It has to do with significant fuel consumption for water heating. This paper presents the mathematical modeling of the water supply system in the North on example of the settlement of New Urgal. The regimes enabling to achieve high economic effect have been set according to the simulation results. 9 figures. 2 sources.
Key words: water supply; North; energy-saving.
При эксплуатации систем водоснабжения населенных пунктов на Севере существует опасность перемерзания водоводов в зимний период. Данная проблема связана с суровыми климатическими условиями. Стоимость водоводов достигает 30-50 % от общей стоимости системы водоснабжения. Вода, забираемая из источника водоснабжения, имеет температуру 0-2 0С. Транспортируется в населенный пункт по водоводам протяженностью, как правило, 3-10 км (время нахождения в пути частицы воды может достигать 10 часов), при этом температура наружного воздуха в течение продолжительного периода превышает минус 40-50 0С. Для защиты водоводов от перемерзания используются теплоизоляция, локальный и попутный подогрев воды и обеспечение циркуляции воды.
На БАМе наибольшее распространение получили: надземная прокладка водоводов с утеплением их минеральной ватой, а также локальный подогрев воды в скоростных водонагревателях на водозаборе или попутный подогрев при помощи «теплового спутника».
Прокладка водоводов с «тепловым спутником» имеет повышенную металлоемкость, так как совместно с водоводами прокладываются дополнительно два трубопровода, транспортирующих теплоноситель, больший расход теплоизолирующего материала, более сложную конструкцию опор. При этом, как показывает практика, надежность таких систем недостаточна. Трубопроводы «спутника» имеют небольшие диаметры 50-80 мм, и при авариях они перемерзают раньше защищаемых ими водоводов диаметром 200-300 мм
на 10-20 часов. Поэтому применение «теплового спутника» целесообразно при прокладке распределительных водопроводных сетей, когда водопроводные сети прокладываются совместно с тепловыми сетями.
Запуск систем с подогревом воды в скоростных водонагревателях и с «тепловым спутником», в связи с особенностями эксплуатации, необходимо осуществлять в сентябре-октябре, а отключение - в апреле-мае, что приводит к продолжительному отопительному периоду, составляющему более 250 дней.
Работы, выполненные кафедрой по оптимизации тепловых режимов водоводов ряда станций БАМа, Забайкальской железной дороги, свидетельствуют, что период подогрева воды без угрозы перемерзания можно существенно сократить, а для ряда водоводов в отдельные годы вообще отказаться от подогрева.
Снизить затраты на подогрев воды можно также за счет уменьшения температуры подогреваемой воды. Вода на головных сооружениях нередко подогревается до 10-16 0С. Что осуществляется из соображений увеличения продолжительности периода по ликвидации аварии. Время для ликвидации аварии складывается из времени остывания воды до 0 С и времени внутреннего обледенения водовода. Время остывания воды составляет менее 20 % от времени обледенения и таким образом не оказывает существенного влияния на продолжительность проведения аварийных работ [1].
Дальнейшее снижение затрат на подогрев воды можно осуществить за счет отказа подогрева воды
1Акимов Олег Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры гидравлики и водоснабжения, тел.: (4212) 407507, e-mail: giv@festu.khv.ru
Akimov Oleg Vladimirovich, Candidate of technical sciences, associate professor of the chair of Hydraulics and Water supply, tel.: (4212) 407507, e-mail: giv@festu.khv.ru
только в начале водовода, в этом случае подогрев осуществляется в нескольких точках по ходу движения воды. Количество пунктов подогрева назначается технико-экономическим расчетом.
Для наиболее эффективного снижения затрат на подогрев воды необходима гибкая система подогрева. Использующиеся в настоящее время угольные котельные данному критерию в значительной степени не
перед началом отопительного периода. Однако широкому внедрению электродных котлов препятствовала высокая стоимость электроэнергии, при этом предполагалось использование отопительного периода, соизмеримого с отопительным периодом тепловых котельных. Сокращение отопительного периода до 1030 дней вместо 250 позволяет сделать данный источник тепла экономически эффективным.
Рис.1. Схема водоснабжения п. Новый Ургал
соответствуют. Выходом для железнодорожных станций с численностью населения до 5-6 тыс. человек является применение электродных водонагревателей. Котельные с электродными водонагревателями используются на протяжении уже более 30 лет. Электродный водонагреватель прост по конструкции, обладает ничтожно малой металлоемкостью по сравнению с тепловой котельной, не требует значительных площадей для установки, пуск его можно осуществить в любой момент времени, управление водонагревателем легко поддается автоматизации, не требуются затраты на заработную плату обслуживающего персонала котельной, нет необходимости ежегодно проводить дорогостоящие ремонтные работы котельной
В качестве иллюстрации предлагаемой технологии подачи воды может служить система подачи воды п. Новый Ургал.
В поселке сложилась следующая схема водоснабжения. Источником хозяйственно-питьевого водоснабжения приняты подземные воды в пойме реки Солони, удаленные от поселка на расстояние более 7 км. Статический уровень подземных вод находится выше поверхности земли, а динамический уровень колеблется на отметке 20-25 м от поверхности земли. Водоотбор производится из 7 скважин, выстроенных в линейный ряд на расстоянии 350-400 м друг от друга. Средняя глубина скважин 150-160 м. Насосы погружены на глубину 50 м. Скважины оборудованы насосами
Рис. 2. График среднесуточных температур наружного воздуха за период ноябрь 2002 - март 2003 г.
марки ЭЦВ 10-63-150. Вода из артезианских скважин по двум сборным водоводам подается в котельную для подогрева, а затем по двум водоводам диаметром 261 мм - на площадку очистных сооружений, где производится водоподготовка (рис. 1). Очищенная вода поступает в два нагорных резервуара чистой воды (РЧВ) емкостью по 500 м3 каждый. Далее вода под естественным напором подается по двум водоводам диаметром 325 мм в распределительную сеть поселка Новый Ургал.
Производительность водозабора в зимний период составляет 235-250 м3/ч или 5 640-6 000 м3/сут. Напор
по манометру перед фильтрами очистных сооружений равен 5-7 м.
Все водоводы, включая самотечную часть, идущую от очистных сооружений до поселка, проложены надземно по железобетонным опорам на насыпи вдоль дорог. Водоводы, идущие от скважин до котельной, уложены вместе с тепловыми спутниками из стальных труб диаметром 89 мм, подающими теплоноситель от котельной в систему обогрева павильонов скважин. После котельной вплоть до поселка водоводы идут без теплового сопровождения. Поселковая распределительная сеть уложена в непроходных ка-
Рис 3. Расчетная схема
40
35 30
к
ч
о к
и й Рч
25
20 15
10
Л
\
1
1
сч
о м
см
о м
1Г1
СЧ1
в;
о м
оо
И и
ч
к ч
Ч"
И и
ч
г-
И и
ч
И и
ч
Рис. 4. График изменения подачи водозабора
налах совместно с трубопроводами теплоснабжения, что надежно предохраняет ее от замерзания. Температура воды в источнике водоснабжения колеблется около плюс 1,8-2 0С. В котельной установлен скоростной водонагреватель.
Все надземные водоводы имеют теплоизоляцию из минеральной ваты с проектной толщиной 90 мм и теплопроводностью 0,05 Вт/м 0С. Сверху теплоизоляция покрыта защитным листом из оцинкованной стали толщиной 0,8 мм.
Теплоизоляция надземных водоводов является важнейшим средством их защиты от перемерзания, и ее параметры оказывают важнейшее влияние на результаты тепловых расчетов. В связи с этим теплоизоляция водоводов была подвергнута специальным исследованиям с целью установить ее фактическое термическое сопротивление. Для оценки реального состояния теплоизоляции в 10 равноудаленных друг от друга точках были проведены замеры толщины теплоизоляции и определен коэффициент ее теплопроводности. Замеры показали, что первоначальные свойства теплоизоляции в значительной мере утрачены. Из-за отсутствия поддерживающих сеток теплоизоляция уплотнилась в верхней части и расслоилась в нижней. Путем проведения 40 замеров в различных точках теплоизоляции была определена ее средняя толщина, которая составила 75 мм.
Отсутствие гидроизоляции способствовало конденсационному и атмосферному увлажнению теплоизоляционного материала. Измеренная объемная влажность превысила нормативную в 5-7 раз. Подобное переувлажнение материала приводит к увеличению коэффициента теплопроводности в 1,6-1,7 раза. Кроме увлажнения, на увеличение теплопроводности изоляции оказало влияние уплотнение материала. Для определения фактического коэффициента теплопроводности применялся измеритель тепловых потоков ИТП-11. По результатам замеров (3 - 5 в каждом из 10 выбранных сечений водовода) был получен средний коэффициент теплопроводности изоляции,
равный 0,092 Вт/м С, при этом в некоторых сечениях коэффициент теплопроводности доходил до 0,105 Вт/м 0С.
Вода, забираемая из источника водоснабжения, обладает запасом тепла, которое теряется при движении ее по трубопроводу вследствие теплообмена с окружающей средой.
При остывании воды ниже температуры начала обледенения на стенке трубопровода, постепенно увеличиваясь, нарастает слой льда. Это происходит, когда теплопотери трубопровода в окружающую среду начинают превышать приток тепла от движущейся воды.
При достаточной протяженности водовода наступает момент, когда первоначальное теплосодержание воды исчерпано полностью. Она приобретает температуру, равную температуре фазового перехода вода-лед. При избыточном давлении в водоводе эта температура ниже 0 0С на величину, пропорциональную давлению. Начиная с этого момента теплопотери водовода в окружающую среду компенсируются выделением внутреннего диссипативного тепла трения.
Дальнейшее нарастание льда в трубопроводе прекращается вплоть до изменения внешних (климатических) или внутренних (гидравлических) условий.
В основу разработанной методики расчета положена работа П. А. Богословского [2]. При разработке метода расчета были внесены уточнения, касающиеся определения коэффициентов теплоотдачи и гидравлического сопротивления.
Метод расчета основан на решении уравнений теплового баланса, учитывающих запасы тепла, а также его приход и расход. Математическая модель, составленная по этой методике, представляет собой систему из трех уравнений: уравнения теплового баланса оледеневшего трубопровода с движущейся водой, уравнения теплового баланса слоя льда и стенок трубопровода и уравнения движения жидкости в трубопроводе.
Bf
к к
OJ
Я И
OJ
Ч
о а
к Рч
120 100 80 60 40 20 0
Л i.
500 1000 1500 2000 2500 Продольная координата водовода, м
3000
Бремя, ч
■864
■ 912
■960
984
1008
dt
Рис. 6. Продольный профиль оледенения водовода на участке 20-21
lnram (t-tM)
-pQc— + XTv - 2nraeu (t - t л ) =0;
dx
d r
2nraeH (t -1 л) - k (t л-3) - In p л Lr — = 0;
дт
дН = . v<2_
=Z 2r 2g •
dx
-pQc
xTv
Здесь
di
dx
-k (tл -3)
-2nрл Lr
- изменение теплосодержания по длине водовода;
- удельная мощность объемно - распределенного диссипативного источника тепла;
- удельный сток тепла за счет теплообмена воды с окружающей средой;
дг - удельная мощность, обусловленная дТ выделением (поглощением) скрытой теплоты фазовых переходов;
- удельный сток тепла за счет теплообмена воды с поверхностью льда;
1 у2 - гидравлический уклон,
2 г 2 g
где р- плотность воды; О - объемный расход воды; с - удельная теплоемкость воды; I - температура воды; X - смоченный периметр; Т - касательное напряжение трения; V - скорость движения воды; г - текущий радиус; авн - коэффициент теплоотдачи от воды стенке водовода; 1л - температура плавления льда; к - линейный коэффициент теплопередачи водовода; $ -температура наружного воздуха; рл - плотность льда; I - скрытая теплота льдообразования; т - время; Н -напор; ¡к - конструктивный уклон водовода; ^ - коэффициент гидравлического трения.
Современные системы подачи и распределения воды представляют собой (что видно на примере системы подачи воды п. Новый Ургал) сложные многоконтурные системы. Поэтому для моделирования таких систем используются методы расчета многоконтурных гидравлических цепей с распределенными
параметрами, на каждой итерации которых для нахождения параметров трубопроводов, работающих в режиме оледенения, применяется метод тепловых балансов.
Для оценки возможности работы водоводов без подогрева воды был выполнен ряд расчетов совместной работы насосов скважин и водоводов на участке от скважин до очистных сооружений в реальных климатических условиях. За последние 10 лет выбрана наиболее холодная зима 2002-2003 гг. Расчет выполнен для периода ноябрь 2002 г. - март 2003 г., т. е. продолжительность периода составила 151 день, или
3624 ч. Изменение температуры наружного воздуха показано на рис. 2.
Расчетная схема представлена на рис. 3. На данном рисунке отображены результаты расчета для температуры наружного воздуха минус 49,5 0С.
На рис. 4 показана динамика изменения расхода воды на участке 20-21. Анализ данных графиков показывает, что 13 декабря из-за образования льда на участке 20-21 водовода (см. рис. 5, 6) произойдет сужение сечения водовода и, как следствие, снижение его пропускной способности. Уменьшение расхода воды, протекающей по водоводу, в свою очередь, вы-
Рис. 7. График подачи воды водозабором
Рис.8. Динамика оледенения водовода в конечной точке (узел 21)
Рис. 9. Продольный профиль оледенения
зовет еще более интенсивное льдообразование, сужающее сечение водовода, и еще большее снижение расхода. В результате снижения расхода возрастет давление во всех узлах схемы, кроме узла 21. Однако напор, создаваемый насосом, установленным в узле 13, оказывается ниже по сравнению с соседними узлами. Происходит «задавливание» данного насоса, поток на участке 14-15 меняет направление движения на обратное, что приводит к срабатыванию обратного клапана, установленного в узле 14. Движение воды на участке 14-15 прекращается с последующим разрушением трубопровода вследствие перемерзания. Аналогичные процессы должны в дальнейшем происходить с участком 18-19 и т.д.
Для предотвращения данных аварий воду в выявленные опасные периоды необходимо подогревать. Что предполагается осуществлять с помощью электродного водонагревателя, установленного в здании котельной. Расчетом установлено, что для обеспечения надежной работы водовода достаточно установить водонагреватель мощностью 200 кВт в узле 20. При этом происходит нагрев воды примерно на 0,5 0С. Суммарная продолжительность подогрева воды составит 139 ч или 5,8 суток.
Результаты расчета для случая подогрева воды показаны на рис. 7-9. Как видно из графика, угрозы перемерзания водовода нет.
В период с 6 декабря по 13 марта водовод периодически работает с частичным оледенением на последних 200-500 м его протяженности.
Технико-экономический эффект от внедрения предложенной технологии подачи воды достигается за счет экономии угля на подогрев воды, сокращения фонда оплаты труда, отказа от текущего ремонта котлов перед каждым отопительным периодом, а также от прекращения выбросов вредных веществ и утилизации золы, образующейся при сжигании угля в котельной для подогрева воды.
Годовой расход топлива определяется по формуле
В = р с < тМЬ-10-12, где т - продолжительность периода подогрева воды; Дf - нагрев воды; Ь - удельная норма расхода топлива на выработку теплоты, при КПД котельной 70%, равная 48, 6 кг/ГДж.
Сокращение годового расхода угля при температуре воды в конце водовода 7 0С составило 932 т.
Библиографический список
1. Терехов Л.Д., Гинзбург А.В. Инерционность замерзания 2. Богословский П.А. Ледовый режим трубопроводов гид-водоводов в зимний период. М.: ВИНИТИ РАН, 2001. 44 с. роэлектрических станций. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1950. 154 с.
УДК 628.356.1
ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ ЦИРКУЛЯЦИОННЫХ ПОТОКОВ ЖИДКОСТИ В АЭРОТЕНКЕ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПОД ДЕЙСТВИЕМ АЭРИРУЮЩИХ СИСТЕМ
В.Д.Казаков1, Н.Д.Пельменёва2
Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Приведен расчет гидродинамических режимов работы аэротенка-вытеснителя при реконструкции элементов системы аэрации сточных вод и изменении схемы их размещения. Ил. 4. Библиогр. 13 назв.
Ключевые слова: аэротенк; аэрация; очистка сточной воды; аэрирующие системы.
STUDY OF HYDRODYNAMICS OF CIRCULATING LIQUID FLOWS INDUCED BY AERATING SYSTEMS IN AN AEROTANK
V.D. Kazakov, N.D. Pelmeneva
Irkutsk State Technical University 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074
The authors present the calculation of hydrodynamic modes of operation of a displacing aerotank when reconstructing the sewage aeration system elements and changing the circuit of their position. 4 figures. 13 sources.
Key words: aerotank; aeration; sewage purification; aerating systems.
Основными условиями, обеспечивающими нормальное протекание процессов биоокисления в аэро-тенке, являются: равномерное распределение биомассы активного ила в объеме сооружения, оптимальное взаимодействие микроорганизмов с субстратом органических загрязнений и перенос растворенного кислорода в зону этого взаимодействия. Эффективной организации этих процессов препятствует целый ряд причин, устранение которых связано с техническими и другими эксплуатационными затратами.
Наиболее серьезными причинами принято считать неоднородность поля концентраций поступающего активного ила и органических загрязнений, неравномерное распределение их по времени и по объему аэротенка, седиментационные свойства активного ила, способствующие его осаждению, отсутствие эффективных аэрирующих устройств и унифицированных схем их размещения в сооружениях биологической очистки.
Устранению данных причин и созданию нормальных условий протекания процессов биоокисления в аэротенках посвящена большая часть исследований в области очистки сточных вод [1-7].
Несмотря на обширность и глубину исследований, современные требования к качеству очистки сточных вод, сокращению эксплуатационных затрат, надежности и эффективности используемого оборудования постоянно растут. Появление новых материалов, новых конструкций аэраторов, аэрирующих систем и сооружений требует проведения новых исследований
в области биологической очистки сточных вод. Например, простой переход от аэратора типа «перфорированная труба» к аэраторам «фильтросная пластина», «АКВАЛАЙН» или «ПОЛИПОР» в действующем аэра-ционном сооружении сопряжен с изменениями всего процесса биоокисления. Прежде всего, это связано с изменением удельного расхода воздуха на погонный метр каждого типа аэратора, изменениями размеров газовой фазы и соответственно скоростями всплытия пузырьков. Это, в свою очередь, меняет гидродинамику потоков, способствующих процессу перемешивания сточной жидкости с активным илом. Размеры и количество газовой фазы, присутствующей в объеме аэрирующего факела, оказывают существенное влияние на концентрацию растворенного кислорода во всем объеме сооружения. Так, например, при использовании систем мелкопузырчатой аэрации лучше происходит процесс растворения кислорода в жидкости, но при этом уменьшаются скорости газожидкостного потока. В случае использования систем средне - и крупнопузырчатой аэрации возрастают скорости газожидкостного потока, но хуже идет процесс растворения кислорода [7]. При этом в разных системах аэрации обеспечивается разный расход воздуха, что влияет на энергоемкость всего процесса и на качество очистки сточных вод.
Следовательно, переход от одного типа аэраторов к другому типу и изменение при этом схемы размещения всей системы аэрации в сооружениях биологической очистки не всегда оправданы и эффективны.
1 Казаков Вячеслав Дмитриевич, кандидат физико-математических наук, проректор по экономике, тел.: (3952)405030, e-mail: kazakov@istu.edu
Kazakov Vyacheslav Dmitrievich, Candidate of physical and mathematical sciences, pro-rector on Economics, tel.: (3952) 405030, email: kazakov@istu.edu
2Пельменёва Наталья Дмитриевна, доцент, декан факультета среднего профессионального образования, тел.: (3952)405852, e-mail: pel@istu.edu
Pelmeneva Natalia Dmitrievna, associate professor, Dean of the faculty of Secondary Professional Education, tel.: (3952) 405852, email: pel@istu.edu
