Повышение надежности и сокращение тепловых потерь путем устройства продольного дренажа на магистральных тепловых сетях города Омска Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 697.34 DOI: 10.17213/0321-2653-2016-4-61-66

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ И СОКРАЩЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ ПУТЕМ УСТРОЙСТВА ПРОДОЛЬНОГО ДРЕНАЖА НА МАГИСТРАЛЬНЫХ ТЕПЛОВЫХ СЕТЯХ ГОРОДА ОМСКА

THE RELIABILITY IMPROVEMENT AND REDUCING HEAT LOSSES BY FORMING THE GROUNDWATER DRAINAGE SYSTEM OF OMSK

HEAT TRANSMISSION MAINS

© 2016 г. С.В. Чичерин

Чичерин Станислав Викторович - аспирант, кафедра «Теп- Chicherin Stanislav Viktorovich - post-graduate student, de-лоэнергетика», Омский государственный университет путей partment «Thermal Engineering», Omsk State Transport Uni-сообщения, г. Омск, Россия. E-mail: man_csv@hotmail.com versity, Omsk, Russia. E-mail: man_csv@hotmail.com

Рассмотрена проблема канальной прокладки, состоящая в проникновении и нахождении воды внутри канала с возможным ущербом теплоизоляции и наружной коррозией трубопроводов. Показано, что при прокладке тепловых сетей ниже максимального уровня стояния грунтовых вод следует предусматривать искусственное понижение грунтовых вод — попутный дренаж. Изучены имеющиеся съемки местности, составлены гидрогеологические профили с установлением уровня грунтовых вод, подсчитан дебит воды, поступающей на отдельные участки омских тепловых сетей. Предложено устройство одностороннего попутного дренажа путем укладки толстостенных трубофильтров, изготовленных из крупнопористых бетонов, в качестве одного из проектов инвестиционной программы ОмскРТС до 2020 года. Установлено, что жизненный цикл инвестиционного проекта - 30 лет, из них 7 месяцев приходится на инвестиционную фазу и 28 лет и 5 месяцев на эксплуатацию.

Ключевые слова: теплоснабжение; гидроизоляция; грунтовые воды; дренаж; непроходной канал; затраты; срок окупаемости.

The problem of ingress and manifestation of water with possible consequent damage to insulation and external corrosion to piping was analyzed. While piping location is lower than the water table level groundwater drainage along the piping network is an important factor in insuring system reliability. An analysis of existing soils conditions including elevation of each boring, water table level, description of soil strata and penetration data was determined. Construction of a gravity drainage to a storm drain as an investment project towards 2020 is proposed. Overall project period is 30 years whereas a period of project implementation is 7 months.

Keywords: district heating; waterproofing; groundwater; drain, drainage; concrete culvert; first costs; payback period.

Введение

Главная проблема всех типов канальной прокладки состоит в проникновении и нахождении воды внутри канала с возможным ущербом теплоизоляции и наружной коррозией трубопроводов. Вода может скапливаться из-за протечек грунтовых вод, попадания атмосферных осадков, тающего снега и конденсации влаги [1].

Поэтому при строительстве подземные тепловые сети желательно располагать выше уровня грунтовых вод. Если же практически это не осуществимо, то при прокладке тепловых сетей ниже максимального уровня стояния грунтовых вод следует предусматривать искусственное понижение грунтовых вод - попутный дренаж, а

для наружных поверхностей строительных конструкций - обмазочную битумную изоляцию [2].

Актуальность и постановка задачи

Для тепловых сетей, как правило, применяются горизонтальные попутные (продольные) дренажи. Продольный дренаж применяют для искусственного понижения уровня грунтовых вод в узкой полосе трассы. Грунтовые и поверхностные воды, проникая через стенки каналов и покровные оболочки бесканальных прокладок, увлажняют теплоизоляцию и вызывают коррозию труб. Для защиты подземных прокладок от затопления применяют гидрофобные теплоизоляционные материалы, герметичные каналы и

продольное дренирование [3]. Большое значение имеет планировка поверхности земли над теплопроводом с уклоном в сторону от трассы, а также уплотнение и прикатка грунта для предупреждения местных просадок почвы, в которых застаиваются талые воды и атмосферные осадки [4].

Устройство попутного дренажа значительно удорожает стоимость строительства тепловых сетей в целом. Кроме того, строительно-монтажные работы по его прокладке пока еще недостаточно механизированы, что требует большого количества ручного малопроизводительного труда [5]. При этом также существенно увеличиваются сроки строительства и ввода тепловых сетей в эксплуатацию. Однако опыт эксплуатации показывает, что при наличии попутного дренажа тепловые сети достаточно надежно защищены от затопления грунтовыми и поверхностными водами, что, безусловно, оказывает влияние на надежность и долговечность работы теплопроводов [6].

Краткая характеристика объекта исследования

Балансодержателем магистральных тепловых сетей города Омска является акционерное общество «ОмскРТС» (далее - АО «ОмскРТС»), теплоснабжающая организация, осуществляющая производство и передачу тепловой энергии жилым, административным зданиям и промышленным предприятиям в населенном пункте.

В состав АО «ОмскРТС» входят следующие структурные подразделения: СП «Тепловые сети», СП «ТЭЦ-2», СП «Кировская районная котельная», СП «Теплоэнергосбыт» и др.

Предметом деятельности СП «Тепловые сети» является передача и распределение потребителям тепловой энергии по магистральным трубопроводам от источников теплоснабжения Омского филиала АО «ТГК-11» (ТЭЦ- 3,4,5) и от источников АО «ОмскРТС» (ТЭЦ-2, Кировская районная котельная), монтаж, наладка и ремонт тепло- и энергооборудования.

С целью обеспечения гидравлических режимов работы тепловых сетей и систем теплопо-требления на тепловых сетях установлено 13 насосных станций.

По конфигурации тепловые сети компании имеют лучевую схему с поперечными связями. Зоны действия теплоисточников ограничены индивидуальными гидравлическими режимами работы тепловых сетей. Наличие перемычек обеспечивает возможность перевода части тепло-

вой нагрузки с одного источника на другой. В межотопительный период наличие перемычек позволяет перераспределять нагрузку горячего водоснабжения между теплоисточниками в зависимости от ремонтной схемы.

В настоящее время общая протяженность магистральных тепловых сетей в г. Омске составляет 262,691 п.км, из них:

- водяные - 255,850 км (в двухтрубном исчислении);

- паровые - 6,841 км (в однотрубном исчислении).

Емкость сетей - 148 470 м3. Средний диаметр тепловых сетей составляет 600 мм. Присоединение потребителей к тепловым сетям осуществляется как по зависимой схеме (в основном через элеваторные узлы), так и по независимой (через центральные тепловые пункты (ЦТП). Горячее водоснабжение потребителей осуществляется в основном по открытой схеме, только в зоне Омской ТЭЦ-4 - по закрытой схеме.

Основной тип прокладки тепловых сетей -надземный (56,6 % сетей от общей протяженности), 34,6 % сетей проложены подземным способом, 8,8 % приходятся на бесканальную прокладку.

Первый этап разработки проекта прокладки попутных дренажей и дренажных линий

Автором были изучены имеющиеся в структурном подразделении съемки местности, составлены гидрогеологические профили с установлением уровня грунтовых вод, подсчитан дебит воды, поступающей на отдельные участки омских тепловых сетей. Также были проанализированы реестры повреждений, акты шурфовок, была изучена имеющаяся в компании и в открытых источниках [7] информация по наличию и уровню стояния грунтовых вод, что позволило составить перечень участков, на которых требуется выполнение работ по устройству попутного дренажа. Исходя из ориентировочных финансовых возможностей предприятия, данный перечень был значительно сокращен, оставлены лишь те участки, выполнение работ на которых требуется безотлагательно (табл. 1).

Начата работа по определению мест отвода поступающей воды, составлению депрессионных кривых понижения уровня грунтовых вод дренажными трубопроводами, определению их диаметров.

Таблица 1

Техническая характеристика выбранных участков

Участок Месторасположение Диаметр, м Протяженность, м Способ прокладки Период ввода в эксплуатацию с учетом капитального ремонта Повреждений с момента ввода Диаметр дренажной трубы (предварительно)

У-З-ТК-94/2-У-З-ТК-95 ул. Иркутская 0,72 350 Непроходной канал н/д н/д 300

ТК-П-В-15 - ТК-П-В-19 ул. Дзержинского -ул. Некрасовская 0,53 450 То же 1989 - 2003 5 200

ТК-У-В-65/1 - ТК-У-В-65/2 пр-т К. Маркса 0,53 60 « 2009 н/д 300

У-В-ТК- 101 - У-В-ТК- 102 ул. Ермака 0,72 470 « 1992 - 2008 5 300

ТК-У-В-56/1 - ТК-У-В-62 ул. Ермака 0,53 470 « 1998 - 2003 9 300

У-З-94 - У-З-5 - У-З-4/2 мост Октябрьский ЦАО г. Омска 0,82 790 « 1995 - 2003 2 -

ТК У-В-86/8 ливневая канализация по ул. 10 лет Октября ЦАО г. Омска 0,325 230 Бесканальный 1998 - 2010 5 -

Предложено устройство одностороннего попутного дренажа путем укладки толстостенных трубофильтров, изготовленных из крупнопористых бетонов, в качестве одного из проектов инвестиционной программы ОмскРТС до 2020 г. Благодаря большой пористости стенок вода будет свободно проникать в трубы. Устройство зернистого основания, предполагающее значительное увеличения объема земляных работ, не потребуется. Для чистки заиленных труб предложены колодцы из сборных железобетонных элементов. Колодцы будут размещены на прямых участках через 40 - 75 м в местах смены диаметров дренажных труб и перепадов уровней их заложения, а также на поворотах трасс и ответвлений [8].

Жизненный цикл инвестиционного проекта - 30 лет, из них 7 месяцев приходится на инвестиционную фазу и 28 лет и 5 месяцев - эксплуатация. Целью проекта является исключение периодических подтоплений участков трубопроводов подземной прокладки, преимущественно уложенных в непроходные каналы, грунтовыми водами, водами от смежных коммуникаций и т. п. Задачами реализации проекта являются снижение потерь тепловой энергии, уменьшение скорости наружной коррозии и повреждаемости.

Технико-экономическое обоснование

Были определены часовые удельные тепловые потери для участка У-З-ТК-94/2 - У-З-ТК-95 (табл. 1) при среднегодовых условиях работы тепловых сетей. Расчет произведен согласно Приложению 5 [9].

Термическое сопротивление изоляции Rиз [(м • °С)/Вт] определяется по формуле

R, =

ln(1+25 / d)

2лА,„„

где d - наружный диаметр трубопровода, м; 5 -толщина изоляции трубопровода, м; Хиз - коэффициент теплопроводности изоляции, Вт/(м • °С).

Рассчитывается для подающего (RПз) и обратного (RИз) трубопроводов с подстановкой соответствующих значений d, 5, Хиз.

Определим коэффициент теплопроводности изоляции

- для подающего трубопровода:

X из = 0,049 + 0,0002(84,3 - 40)/ 2 = = 0,05343 Вт/ (м-°С);

- для обратного трубопровода:

Хиз = 0,049 + 0,0002(51-40)/2 = 0,0501 Вт/ (м-°С),

где 84,3 °С и 51 °С - температура теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах соответственно.

С учетом приведенных ниже поправок коэффициент теплопроводности изоляции составит:

- для подающего трубопровода

согласно указаниям действующих Строительных норм и правил по тепловой изоляции оборудования и трубопроводов равным 8 Вт/(м2 • °С).

R

1

возд

3,14-8-(0,72 + 2-0,001)

= 0,0551 (мх°С)/Вт.

Термическое сопротивление теплоотдаче от воздуха в канале к грунту ^возд [(м • °С)/Вт] находится по формуле

1

X

из.сК = 0,05343(3,5+4,5+5) = 0,69459Вт/(м-°С) ;

Лав d экв

- для обратного трубопровода

X

из.сК = 0,0501(3,5 + 4,5+5) = 0,6513 Вт/(м-°С) .

В качестве поправки к коэффициенту теплопроводности изоляции приняты:

К=3,5 - уплотнение основного слоя изоляции на 75 % (принят максимальный коэффициент);

К=4,5 - сильное увлажнение изоляции (40 - 60 %) (принят максимальный коэффициент);

К=5,0 - периодическое затопление канала грунтовыми водами или смежными коммуникациями (принят максимальный коэффициент).

Для подающего трубопровода

где ав - коэффициент теплоотдачи от воздуха в канале к грунту; принимается согласно указаниям действующих Строительных норм и правил по тепловой изоляции оборудования и трубопроводов равным 8 Вт/(м • °С);

R К

1

3,14-8-1,59053

= 0,025 (м - °С)/Вт,

R1 -

ln(1+2 - 0,001/0,72)

2 •3,14-0,69459 для обратного трубопровода

= 0,0006359 (мх°С)/Вт;

йэкв - эквивалентный диаметр сечения канала в свету, м; вычисляется по формуле

ёэкв = 2 Ь h/(b + h),

ёэкв = 2-2,1-1,28/(2,1+1,28) = 1,59 м,

где Ь - ширина канала, 2,1 м; h - высота канала, 1,28 м.

Термическое сопротивление массива грунта RIV [(м-°С)/Вт] определяется по формуле

R О =

ln(1+2 - 0,001/0,72) 2-3,14 - 0,6513

= 0,0006782 (мх°С)/Вт.

Rrp -

ln[3,5( H / h)(h / б)0,25] X гр(5,7+0,5b / h) '

Термическое сопротивление теплоотдаче от где Н - глубина заложения до оси трубопрово-

поверхности изолированного трубопровода в воздушное пространство канала RBoЗД [(м • °С)/Вт] определяется по формуле

1

R

rca(d+25)'

где а - коэффициент теплоотдачи от изоляции трубопровода к воздуху канала; принимается

дов, м; Хгр - коэффициент теплопроводности грунта, Вт/(м • °С).

Для участка У-З-ТК-94/2-У-З-ТК-95 (ул. Иркутская) от ТЭЦ-5.

ln

Rrp

3,5-(1,6/1,28) - (1,28/2,1)

0,25

2,57 - (5,7 + 0,5-2,1/1,28) = 0,081(м-°С)/Вт.

Температура воздуха в канале (°С) рассчитывается по формуле

Кр г /(Rипз + RвПoзд)] + [Сг/(RИз + R0oзд)] + / ^ + Rгр)]

tкан

[1/( R^ + Rвпозд)]+[1/(R0 + RвОозд)]+[1/( RBOH + Rrp)]

где tпр. - среднегодовая температура теплоносителя в подающем трубопроводе, °С; t0p^ - средне-

t сР-г 'гр

годовая температура теплоносителя в обратном трубопроводе, °С; грунта, °С.

_ [84,3/(0,0006359 + 0,0551)]+[51/(0,000678 + 0,0551)]+[4,76 / (0,025 + 0,081)]

среднегодовая температура

tKaH

[1/(0,000558 + 0,0551)]+[1/(0,000678 + 0,0551)]+[1/(0,025 + 0,081)]

- 54,555°С.

Среднегодовые часовые удельные тепловые потери qp (Вт/м) определяются по формуле

q = (* - * ср-г)/(Я кан + К )

Чр у'кан 'гр /' ^Лвозд "гггр/-

qp = (54,555 - 4,76)/(0,025 + 0,081) = 546,336 Вт/м.

Нормативные тепловые потери после прокладки дренажных линий и приведения условий эксплуатации к требованиям НТД определены по формулам для расчета нормативных тепловых потерь по нормам согласно требованиям [9] и [10, Приложение 4.3]. Для участка У-З-ТК-94/2 -У-З-ТК-95 составили 56,987 кВт.

Экономия за счет выполнения указанного мероприятия на указанном участке:

Эетп = 188,406 - 56,987 = 131,419 кВт.

Годовая экономия составит:

131,419-8424=1,107 ГВт.

Аналогично проведены расчеты по всем остальным участкам, для которых предложено выполнение работ. Результаты расчетов приведены в табл. 2.

Предложен график выполнения работ, предполагающий получение технических условий от инженерно-технических служб г. Омска, разработку проекта, проведение Государственной экспертизы проектной документации, необходимые согласования и выполнение работ на площадке поэтапно в течение 2016 - 2018 гг. Ориентировочная стоимость выполнения про-ектно-изыскательских (ПИР) и строительно-монтажных (СМР) работ для реализации мероприятий согласно коммерческому предложению в прогнозных ценах представлена в табл. 3.

Таблица 2

Основные технико-экономические показатели

Участок Фактические удельные нормы тепловых потерь, Вт/м Фактические тепловые потери, кВт Нормы тепловых потерь после капитального ремонта, кВт Экономия, кВт Продолжительность работы после ремонта, ч Экономия, тыс. руб.

У-З-ТК-94/2-У-З-ТК-95 546,336 188,406 56,987 131,419 8424 382,47

ТК-П-В-15 - ТК-П-В-19 437,180 225,622 58,15 167,472 8424 495,56

ТК-У-В-65/1 - ТК-У-В-65/2 437,180 30,238 11,63 18,608 8424 66,07

У-В-ТК- 101 - У-В-ТК- 102 469,702 253,534 81,41 172,124 8424 559,13

ТК-У-В-56/1 - ТК-У-В-62 437,180 236,089 58,15 177,939 8424 555,89

У-З-94 - У-З-5 - У-З-4/2 - мост Октябрьский 481,915 437,288 139,56 297,728 8424 929,31

ТК У-В-86/8 - ливневая канализация по ул. 10 лет Октября 375,276 98,855 23,26 75,595 8424 247,94

Таблица 3 График выполнения работ и их ориентировочная стоимость

Мероприятия 2016 2017 2018

ПИР СМР ПИР СМР ПИР СМР ИТОГО

ТК-П-В-15 - ТК-П-В-19 (ул. Дзержинского - ул. Некрасовская) 216 - - 2196 - - 2412

ТК-У-В-65/1 - ТК-У-В-65/2 29 - - 293 - - 322

У-В-ТК- 101 - У-В-ТК- 102 - - 236 - - 2414 2650

ТК-У-В-56/1 - ТК-У-В-62 - - 236 - - 2414 2650

У-З-94 - У-З-5 - У-З-4/2 мост Октябрьский - - 427 - - 4366 4793

ТК У-В-86/8 - ливневая канализация по ул. 10 лет Октября - - 116 - - 1181 1297

Общие затраты на выполнение данного блока мероприятий в прогнозных ценах составят 14125 тыс. руб. Срок окупаемости затрат на прокладку попутного дренажа составляет от 4,5 до 5 лет, в среднем 4,76 года.

Заключение

Прокладка попутного дренажа позволит снизить потери тепловой энергии (11,4 тыс. Гкал в год), а также увеличить межремонтный период в 2 раза, так как опыт эксплуатации показывает, что срок эксплуатации теплотрасс в агрессивных условиях составляет 8 - 10 лет. Организованный отвод воды исключит подтопление трубопроводов и увеличит срок эксплуатации ориентировочно в 2 раза до 16 - 20 лет. Соответственно в 2 раза сокращаются затраты на проведение ремонтных работ на данных участках.

Общие затраты на прокладку попутного дренажа в прогнозных ценах составят 14125 тыс. руб, срок окупаемости затрат - от 4,5 до 5 лет, в среднем 4,76 года. В будущем планируется оценить правовые, природно-климатические, строительно-монтажные риски, риски финансирования, которые могут воспрепятствовать воплощению проекта в жизнь.

Литература

1. Чичерин С.В. Канальная прокладка трубопроводов тепловых сетей как средство обеспечения надежности систем централизованного теплоснабжения: Материалы докладов X школы-семинара молодых ученых и специалистов академика РАН В. Е. Алемасова (13 - 15 сентября 2016 г.) Казань: КазНЦ РАН, 2016. 393 с.

2. Авдолимов Е.М., Шальнов А.П. Водяные тепловые сети. М.: Стройиздат, 1984.

3. Tereshchenko T., Nord N. Importance of Increased Knowledge on Reliability of District Heating Pipes //Procedia Engineering. 2016. Т. 146. С. 415 - 423.

4. Козин В.Е., Левина Т.А. [и др.]. Теплоснабжение. М.: Высшая школа, 1980. 408 с.

5. MacKenzie-Kennedy C. District Heating, Thermal Generation and Distribution: A Practical guide to centralised generation and distribution of heat services. - Oxford, Perga-mon Press Ltd., 1979. 198 p.

6. Wiltshire R. (ed.). Advanced District Heating and Cooling (DHC) Systems. - Woodhead Publishing, 2015.

7. Титов Г.И., Новопашина Н.А. Исследование надежности тепловых сетей // Региональная архитектура и строительство. 2011. № 2. С. 30 - 33.

8. Phetteplace G. [et al.]. District Heating Guide. Atlanta, ASHRAE, 2013. 374 p.

9. СО 153-34.20.523-2003 Методические указания по составлению энергетической характеристики для систем транспорта тепловой энергии по показателю «тепловые потери». Ч. 3.

10. Приказ Минэнерго России от 30.12.2008 г. № 325 «Об организации в Министерстве энергетики Российской Федерации работы по утверждению нормативов технологических потерь при передаче тепловой энергии».

References

1. Chicherin S.V. [Piping placed in channels as a factor in insuring system reliability]. Materialy dokladov X shkoly-seminara molodykh uchenykh i spetsialistov akademika RAN V.E. Alemasova [Materialy dokladov X shkoly-seminara molodyh uchenyh i specialistov akademika RAN V.E. Alemasova]. Kazan, KazNTs RAN, 2016, 393 р.

2. Avdolimov E.M., Shal'nov A.P. Vodyanye teplovye seti [Hot-water distribution systems]. Moscow, Stroiizdat, 1984.

3. Tereshchenko T., Nord N. Importance of Increased Knowledge on Reliability of District Heating Pipes // Procedia Engineering. 2016. Vol. 146. Pp. 415 - 423.

4. Kozin V.E., Levina T.A. i dr. Teplosnabzhenie [District heating]. Moscow, "Vysshaya shkola", 1980. 408 р.

5. MacKenzie-Kennedy C. District Heating, Thermal Generation and Distribution: A Practical guide to centralised generation and distribution of heat services. Oxford, Pergamon Press Ltd., 1979. 198 p.

6. Wiltshire R. (ed.). Advanced District Heating and Cooling (DHC) Systems. Woodhead Publishing, 2015.

7. Titov G.I., Novopashina N.A. Issledovanie nadezhnosti teplovykh setei [Hot-water pipes reliability research]. Regional'naya arkhitektura i stroitel'stvo, 2011, no. 2, pp. 30 - 33. [In Russ.]

8. Phetteplace G. et al. District Heating Guide. Atlanta, ASHRAE, 2013. 374 p.

9. SO 153-34.20.523-2003 Metodicheskie ukazaniya po sostavleniyu energeticheskoi kharakteristiki dlya sistem transporta teplo-voi energii po pokazatelyu "teplovye poteri". Chast' 3 [153-34.20.523-2003 SO Part Ш: Procedural Guidelines for Compiling Energy Characteristics of Piped Hot Water Heat Supply Networks According to the "Thermal Losses" Indicator].

10. Prikaz Minenergo Rossii ot 30.12.2008. № 325 "Ob organizatsii v Ministerstve energetiki Rossiiskoi Federatsii raboty po utverzhdeniyu normativov tekhnologicheskikh poter'pri peredache teplovoi energii" [Ministry of Energy of Russian Federation Order of 30 December 2008. Ob organizacii v Ministerstve jenergetiki Rossijskoj Federacii raboty po utverzhdeniju normativov tehnologicheskih poter' pri peredache teplovoj jenergii].

Поступила в редакцию 4 октября 2016 г.