CC BY
0
УДК 614.843.27
РАЗРАБОТКА НАУЧНО-ОБОСНОВАННЫХ РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ И ПРОЕКТИРОВАНИЮ ПРОТИВОПОЖАРНЫХ ВОДОПРОВОДОВ ДЛЯ ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ АРКТИКИ
В. Б. БУБНОВ, Д. С. РЕПИН
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново E-mail: kafppv@mail.ru
Проанализированы основные проблемные вопросы и задачи, возникающие на стадиях проектирования и эксплуатации трубопроводных систем транспортировки воды на пожаротушение в условиях низких температур.
Представлены некоторые результаты исследований, проводимых с использованием математической модели, учитывающей основные факторы, влияющие на изучаемые процессы: внутренние источники тепла от электорообогревательных элементов, фазовые переходы, изменение свойств материала.
Рассмотрено влияние состояния тепловой изоляции на остывание воды по длине трубопровода и глубину ее промерзания, влияние скорости движения жидкости в трубопроводе на ее остывание и промерзание изоляции. Исследован процесс остывания и замерзания жидкости в обогреваемом сечении. Установлено, что наиболее эффективным является локализация обогрева у поверхности трубы. Выявлена тепловая мощность обогрева, обеспечивающая отсутствие замерзания.
Изучено влияние конструктивных и режимных факторов на исследуемые процессы. Установлено, что изменение скорости жидкости при одинаковом расходе и геометрически подобной изоляции практически не влияет на кривую охлаждения жидкости. Установлено, что фронт замерзания жидкости продвигается к оси трубопровода значительно быстрее в случае смещения обогревательных элементов к периферии, что является негативным фактором при эксплуатации трубопроводов. Определен предпочтительный вариант локализации тепловыделения. Определены оптимальные значения диаметров трубопроводов, работающих при низких отрицательных температурах воздуха.
На основе анализа результатов исследований разработаны рекомендации по эксплуатации и проектированию противопожарных водопроводов для природно-климатических условий Арктики.
Ключевые слова: противопожарный водопровод, тепловая изоляция, проектирование, эксплуатация, теплопроводность, электрообогрев, тепловые потери, гидравлические сопротивления, промерзание.
DEVELOPMENT OF SCIENTIFICALLY-BASED RECOMMENDATIONS FOR THE OPERATION AND DESIGN OF FIRE-FIGHTING WATER PIPES FOR THE NATURAL AND CLIMATIC CONDITIONS OF THE ARCTIC
V. B. BUBNOV, D. S. REPIN
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education
«Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo E-mail: kafppv@mail.ru
The main problematic issues and tasks arising at the stages of design and operation of pipeline systems for water transportation for fire fighting at low temperatures are analyzed.
Some results of studies conducted using a mathematical model that takes into account the main factors affecting the processes under study: internal heat sources from electric heating elements, phase transitions, changes in material properties are presented.
The influence of the state of thermal insulation on the cooling of water along the length of the pipeline and the depth of its freezing, the influence of the velocity of fluid movement in the pipeline on its cooling and freezing of insulation is considered. The process of cooling and freezing of the liquid in the heated sec-
© Бубнов В. Б., Репин Д. С., 2023
tion is investigated. It is established that the most effective is the localization of heating at the pipe surface. The thermal power of heating is revealed, ensuring the absence of freezing.
The influence of constructive and regime factors on the studied processes has been studied. It is established that the change in the velocity of the liquid at the same flow rate and geometrically similar insulation practically does not affect the cooling curve of the liquid. It is established that the freezing front of the liquid moves to the pipeline axis much faster in the case of displacement of heating elements to the periphery, which is a negative factor in the operation of pipelines. The preferred option of localization of heat release is determined. The optimal values of the diameters of pipelines operating at low negative air temperatures have been determined.
Based on the analysis of the research results, recommendations have been developed for the operation and design of fire-fighting water pipes for the natural and climatic conditions of the Arctic.
Key words: fire-fighting water supply, thermal insulation, design, operation, thermal conductivity, electric heating, heat losses, hydraulic resistance, freezing.
Актуальность настоящей работы заключается в осуществлении мер по реализации Указа Президента Российской Федерации от 05.03.2020 № 164 «Об Основах государственной политики Российской Федерации в Арктике на период до 2035 года»1.
«Основы государственной политики Российской Федерации в Арктике на период до 2035 года» являются документом стратегического планирования в сфере обеспечения национальной безопасности России и разработаны в целях защиты национальных интересов страны.
В числе основных направлений реализации государственной политики Российской Федерации в Арктике - социальное и экономическое развитие Арктической зоны Российской Федерации, а также развитие ее инфраструктуры; развитие науки и технологий в интересах освоения Арктики; обеспечение защиты населения и территорий Арктической зоны Российской Федерации от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера.
Одной из основных задач в сфере обеспечения защиты населения и территорий Арктической зоны Российской Федерации от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера является осуществление научно-технического, нормативно-правового и методического сопровождения деятельности по защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, обеспечению пожарной безопасности и безопасности на водных объектах в арктических условиях.
Решать данную задачу необходимо с учетом особых природно-климатических условий Арктики. При принятии оптимальных проектных решений и выборе режимов эксплуата-
1 Указ Президента Российской Федерации «Об Основах государственной политики Российской Федерации в Арктике на период до 2035 года» от 05.03.2020 № 164.
ции для систем транспортировки воды в наружном противопожарном водоснабжении следует учитывать, к примеру, промерзание слоя теплоизоляции, надземную прокладку, возможное замерзание жидкости при возникновении аварийных ситуаций.
Актуальной задачей является повышение технико-экономических показателей на стадиях проектирования и эксплуатации трубопроводных систем, эксплуатируемых в условиях низких температур окружающей среды.
Целью исследования является разработка научно-обоснованных рекомендаций по эксплуатации и проектированию противопожарных водопроводов для природно-климатических условий Арктики.
Для достижения цели в работе решались следующие задачи: проведение анализа современного состояния и проблем трубопроводного транспорта при низких отрицательных температурах окружающего воздуха; выявление основных проблемных вопросов и задач, возникающих на стадиях проектирования и эксплуатации исследуемых систем; исследование влияния режимных, а также конструктивных факторов на исследуемый процесс; рассмотрение подходов к выбору оптимальных параметров для систем транспортировки жидкости в условиях низких температур.
В силу особых климатических условий Арктических территорий и значительной протяженности водопроводных сетей задачи энергосбережения при транспортировке жидкости особенно актуальны. Следует отметить важнейшую роль тепловой изоляции в обеспечении низких теплопотерь противопожарными водопроводами. Основная причина роста тепловых потерь [1] обусловлена эксплуатацией трубопроводов с влагонасыщенной теплоизоляцией.
Вода оказывает существенное влияние на важный показатель эффективности теплоизоляционных материалов - теплопроводность. Так, например, в случае попадания воды в ма-
териал из минеральной ваты или пенополиуретана теплопроводность теплоизоляции увеличивается в разы. Кроме этого, снижается срок службы как изоляции, так и самих трубопроводов. При монтаже технической теплоизоляции одним из главных требований является достижение герметичности её конструкции, так как в противном случае увеличиваются местные потери тепла, а проникновение влаги к поверхности трубы может привести к коррозии её поверхности и сокращению срока службы. Особенно важно обеспечить полную герметичность теплоизоляционной конструкции на так называемых участках местных сопротивлений (повороты, запорно-регулирующие устройства и т.д.).
Следовательно, главными задачами являются: на стадии проектирования - выбор конструкции тепловой изоляции, оптимальных теплопотерь; на стадии эксплуатации - поддержание в течение продолжительного времени теплозащитных свойств тепловой изоляции (обеспечение контроля за ее состоянием).
Вопрос энергосбережения особенно важное значение имеет для небольших объектов, которые удалены на значительное расстояние от насосных установок. Поскольку по таким водопроводным сетям подается небольшое количество воды на дальние расстояния, эффективность их работы невелика, тепловая нагрузка таких объектов небольшая. Любые мероприятия по энергосбережению при транспортировке воды позволяют снизить рост тарифов и повысить эффективность их работы.
Если температура окружающей среды низкая, то наружный слой тепловой изоляции может частично промерзнуть. Это приведет к снижению ее термического сопротивления.
Важная проблема, которая имеет место при эксплуатации трубопроводных линий - их отключения при возникновении аварийной ситуации. В этом случае нельзя допустить замерзания воды во время ликвидации аварии. В отключенном при аварии участке трубопровода (при отсутствии подачи воды) и сама вода, и слой тепловой изоляции быстро остывают. Тепловая изоляция частично промерзает. Частичное замерзание воды иногда происходит при большом перерыве в эксплуатации. Следует отметить, что допустимым считается замерзание не более 25 % воды, содержащейся в отключенном участке [2].
По завершении ремонтных работ, при пуске трубопровода, прогревается вся система (жидкость, трубопровод, тепловая изоляция). При этом в жидкости и тепловой изоляции происходят фазовые переходы (лед-вода). Существенное возрастание гидравлического сопротивления трубопровода потоку жидкости в этом случае может быть вызвано слоем льда
на его внутренней поверхности, потребуются дополнительные энергозатраты на привод насосного оборудования.
Применяемый в последнее время электрообогрев способен уменьшить отрицательные последствия процессов, сопровождающих аварии на теплоизолированных трубопроводах [3].
Тепловая изоляция, применяемая с целью утепления трубопровода, замедляет процесс его замерзания, но не предотвращает от него. К примеру, трубопровод 3/4 дюйма (при тепловой изоляции 25 мм) при температуре окружающего воздуха -10 °С полностью промерзнет за 13 часов.
Кабельные системы обогрева имеют ряд преимуществ по сравнению с паровыми и водяными. Их проще монтировать, в том числе можно использовать на сложных, разветвленных водопроводных сетях, они не боятся раз-морозки и не подвержены коррозионным воздействиям, имеют незначительную материалоемкость, питаются от общей электроснаб-жающей системы объекта. Кроме того, они оснащаются АСУ, поддерживают выбранный режим точно, по установленному алгоритму и с АСУ верхнего уровня легко интегрируются.
Основным способом промышленного электрообогрева трубопроводов значительной протяженности является СКИН-система электрообогрева на базе индукционно-резистивной системы нагрева. Низкотемпературный вариант такой системы защищает трубопроводы от замерзания, при этом поддерживается температура в пределах 3-5 оС.
Большая толщина тепловой изоляции и ее меньшая теплопроводность обеспечивает меньшие тепловые потери. При этом требуется меньшая мощность электрообогревательной системы.
При проведении исследований в работе использовалась разработанная тепловая математическая модель, учитывающая все основные факторы, влияющие на исследуемые процессы: внутренние источники тепла от электорообогревательных элементов, фазовые переходы «вода-лед», изменение свойств материала [4].
На рис. 1 -3 показаны некоторые результаты моделирования теплового процесса в трубопроводе длиной 15 км при постоянной температуре окружающей среды -20 оС. Считается, что трубопровод и жидкость выходят на воздух из теплого помещения с равномерно распределенной температурой +20 оС.
На рис.1 показана эволюция распределения температуры по радиусу изоляции при различных ее теплофизических состояниях: влажная незамерзающая, влажная замерзшая и влажная замерзающая.
Рис. 1. Влияние состояния тепловой изоляции на распределение температуры по ее радиусу вдоль водопровода
Во всех случаях температура на внутреннем радиусе изоляции (внешнем радиусе жидкости) не опускается до нуля, то есть о замерзании жидкости речь не идет (нет критической точки). Как и ранее, остывание по длине трубы при влажной незамерзающей изоляции идет медленнее, чем при полностью замерзшей, а при промерзающей изоляции процесс остывания затягивается из-за фазового перехода в изоляции.
Те же данные представлены на рис. 2 в виде графиков остывания жидкости для всех упомянутых выше случаев, а также графика
Ъ
20
18 16 14 12 10 8 6 4
0 5000 10000 v 15000
а л, м
Рис. 2. Влияние состояния тепловой изоляции на остывание воды по длине трубопровода (а) и глубину ее промерзания (б)
продвижения фронта промерзания изоляции для третьего случая.
Из этого графика видно, что изоляция промерзает не полностью: 20 % ее толщины, примыкающей к трубе, содержит капельную влагу, то есть на удалении от входа изоляция состоит из двух колец постоянного размера -внешнего промерзшего и внутреннего с капельной влагой.
Рис. 3 иллюстрирует влияние скорости движения жидкости в трубопроводе одинакового размера на ее остывание и промерзание изоляции.
tw,°C
С 5000 10000 х. м 15000
Гте, М
О 5090 10000 х М 1-000
б
Рис. 3. Влияние скорости движения жидкости на ее охлаждение по длине трубопровода (а) и глубину промерзания тепловой изоляции (б)
/С
Гте, М
\ П зомерзш ая изоляция
\
\
Е лажная изоляци?
i i
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000
Чем меньше скорость жидкости, тем быстрее ее остывание. При 0,5 м/с на расстоянии от входа около 11 км изоляция промерзает полностью и начинается замерзание жидкости (в ней достигается нулевая температура). При больших скоростях полного промерзания изоляции не происходит и опасность замерзания жидкости отсутствует.
С ростом скорости пропорционально растет расход жидкости. Естественно, что с изменением скорости и диаметра меняется гидравлическое сопротивление трубопровода и мощность на прокачку жидкости, соответственно. Поэтому на выбор рациональной (оптимальной) скорости могут влиять причины не теплового характера.
Модель позволяет определить ресурс времени в случае различной толщины изоляции. Расчетами установлено, что процессы промерзания, охлаждения тепловой изоляции вносят в тепловой баланс процесса значительный вклад, поскольку при понижении температуры окружающего воздуха влияние снижения теплопроводности теплоизоляции при промерзании доминирует над влиянием замедления остывания жидкости за счет теплоты фазового перехода. Точность расчета тепловых процессов исследуемых систем повышается благодаря учету их кинетики.
Исследованы процессы замерзания жидкости в трубопроводе при остановке прокачки воды по трубопроводной линии. Кинетику процесса необходимо знать для определения времени, располагаемого для проведения ремонтных работ.
Скорости процесса для случаев с сухой изоляцией и изоляцией с замерзшей влагой различны. Это объясняется тем, что значение теплопроводности изоляции с замерзшей влагой выше, чем сухой изоляции. Замерзание воды в трубопроводе при сухой изоляции, полностью промерзшей и промерзающей начинается с разного времени, а линии продвижения фронта промерзания аналогичные, но с временным запаздыванием, обусловленным продолжительностью замерзания влаги в тепловой изоляции.
Исследования процесса в электрообо-греваемом сечении трубопровода показали, что влияние обогрева на тепловую изоляцию становится заметным, начиная с мощности 40 Вт/м. При 80 Вт/м тепловая изоляция до конца вообще не промерзает и жидкость останется жидкостью неограниченно долгий период
времени.
В случае рассмотрения совместного влияния обогрева и изменения температуры окружающей среды, а именно ее повышения, установлено, что до мощности 40 Вт/м продвижение фронта внутрь трубопровода просто затягивается. При 40 Вт/м происходит стабилизация фронта, устанавливается равновесие. При 60 Вт/м после скачка температуры жидкость начинает оттаивать как с внутренней, так и с внешней стороны. При 9,3 ч. жидкость оттаивает полностью. Тепловая изоляция при 80 Вт/м полностью не промерзает, а после скачка окружающей температуры фронт оттаивания начинает продвижение к периферии. Модель позволяет работать с любым временным графиком изменения окружающей температуры.
Влияние некоторых факторов конструктивной реализации теплоизоляции показывают рис. 4 и 5. Проанализируем влияние того, как расположены элементы тепловыделения в разных местах тепловой изоляции (рис. 4).
Процесс заметно ухудшается при смещении обогревательных элементов к периферии, т.к. фронт замерзания жидкости при этом продвигается к оси трубопровода значительно быстрее.
На рис. 5 проиллюстрировано, какое влияние оказывает распределение тепловыделяющих ячеек по толщине слоя тепловой изоляции (суммарной мощности тепловыделяющих ячеек одинакова).
Здесь влияние так называемого «размазывания» тепловыделения по изоляционному слою значительно меньше по сравнению с влиянием смещения ее к периферии.
Предпочтительным вариантом представляется локализация выделения тепла около поверхности трубопровода, в том числе и за счет удобства указанной конструктивной реализации элементов тепловыделения.
Так как положение «критической точки» (место достижения данной температуры) зависит от температуры окружающего воздуха, можно предложить варианты конструктивного оформления обогрева. Вести обогрев водопровода рационально посредством независимых секций (продольных) и с независимым регулированием тепловой мощности. Энергетически целесообразен обогрев между «критической точкой» без обогрева и конечным участком водопровода.
Рис. 4. Промерзание при разных положениях обогревательного элемента над поверхностью трубы (ДQe=40 Вт/м; температурный скачок окружающего воздуха от 0 до -30 оС)
Рис. 5. Промерзание при распределенной одинаковой полной мощности нагревателя (по радиусу) (ДQe=40 Вт/м; температура окружающего воздуха -30°С)
Эффективность использования теплоизоляции определяют такие факторы, как ее естественный износ, стоимость энергии в том или ином регионе, капитальные затраты на монтаж конструкции для тепловой изоляции, конструктивные особенности. При рассмотрении исследуемых процессов следует учитывать данные факторы.
Капитальные затраты зависят от затрат на транспорт и монтаж, объема и стоимости труб и теплоизоляционного материала. В свою очередь, объем теплоизоляционного материала зависит от диаметра и длины трубопровода, от тепловых потерь.
Рассмотрим водопровод длиной 11,45 км (диаметр 219*8 мм, толщина слоя изоляции 0,07 м). Теплоизоляция из пенополиуретана. Подается 30,5 т/час воды.
Расчет, проведенный для существующего режима (расход воды 30,5 т/час), и для
режима оптимальной скорости потока (расход воды 151 т/час) показал, что при увеличении расхода воды уменьшается падение ее температуры по трассе трубопровода. При этом удельные тепловые потери не изменяются, а при окружающей температуре -37 оС они в обоих случаях составляют примерно 19,5 Вт/м.
При различных диаметрах трубопроводов можно обеспечить распределение температуры и удельные потери тепла, соответствующие существующему режиму.
В случае замены трубопровода на трубопровод меньшего диаметра затраты на строительство трубопровода и нанесение на него теплоизоляции уменьшаются, однако при этом увеличиваются затраты на прокачку по нему воды. В таблице приведены результаты расчетов для четырех вариантов.
Таблица. Результаты расчетов параметров работы исследуемого водопровода
при различных диаметрах
Диаметр Толщина Скорость Потери Мощность Удельная Объем Суммарная
водопровода тепло- воды давления на прокач- мощность тепло- мощность
(мм) изоляции (мм) (м/с) (МПа) ку (кВт) на прокачку (Вт/м) изоляции (м /м) на прокачку и тепловые потери (Вт/м)
87х5 27 1,79 7,6 79,19 6,89 0,097 26,39
114х6 35 1,02 1,76 18,33 1,59 0,016 21,09
159х8 50 0,52 0,31 3,20 0,28 0,033 19,78
219х8 70 0,26 0,051 0,511 0,04 0,064 19,54
Анализ расчетов показал, что затраты энергии на прокачку жидкости сопоставимы с тепловыми потерями лишь при диаметрах трубопровода не более 114 мм. Минимум используемого критерия оптимальности соответствует диаметру трубопровода 98 мм. Таким образом, лучше всего подходит трубопровод диаметром 114х6 мм, у которого внутренний диаметр составляет 102 мм. Скорость потока воды в нем попадает в рекомендуемый интервал оптимальных скоростей.
Проведенные численные исследования и анализ результатов исследований позволили предложить практические рекомендации по проектированию, эксплуатации систем транс-
портировки воды для наружного противопожарного водоснабжения в условиях Арктического региона.
Научно-обоснованные рекомендации составят основу актуализированной научно-методической базы, включающей в себя современные расчетные методики и практические рекомендации, позволяющие применять методы математического моделирования и повысить точность расчета исследуемых процессов, а также экспертных и проектных работ в области обеспечения пожарной безопасности, будут способствовать совершенствованию учебной и научно-методической деятельности образовательных организаций МЧС России.
Список литературы
1. Aлифaнoв O. М. Oбрaтныe зaдaчи тeплooбмeнa. М: Мaшинocтрoeниe, 1988. 280 а
2. Тепловая изоляция: справочник / под ред. Г. Ф. Кузнецова. 3-е изд. М.: Стройиздат, 1985. 440 с.
3. Струпинский М. Л., Хренков Н. Н., Кувалдин А. Б. Проектирование и эксплуатация систем электрического обогрева в нефтегазовой области: справочная книга. М: Инфра -Инженерия, 2015. 272 с.
4. Использование электрообогрева для повышения надёжности эксплуатации противопожарных водопроводов в районах Крайнего
Севера / Н. Н. Елин, В. Б. Бубнов, В. А. Комельков [и др.] // Технологии техносферной безопасности. 2019. Вып. 2 (84). С. 108-118. DOI: 10.25257/TTS.2019.2.84.108-118.
References
1. Alifanov O. M. Obratnye zadachi tep-loobmena [Inverse heat transfer problems]. Moscow: Mashinoctroenie, 1988. 280 p.
2. Teplovaya izolyatsiya: spravochnik [Thermal insulation: handbook]. pod red. G. F. Kuznetsova. Moscow: Stroyizdat, 1985. 440 p.
3. Strupinskij M. L., Hrenkov N. N., Ku-valdin A. B. Proektirovanie i ekspluataciya sistem
elektricheskogo obogreva v neftegazovoj oblasti [Design and operation of electric heating systems in the oil and gas industry]. Spravochnaya kniga. Moscow: Infra - Inzheneriya, 2015. 272 p.
4. Ispol'zovaniye elektroobogreva dlya povysheniya nadozhnosti ekspluatatsii pro-tivopozharnykh vodoprovodov v rayonakh Kraynego Severa [Use of electric heating to increase the reliability of operation of fire-fighting water pipelines in the Far North] / N. N. Yelin, V. B. Bubnov, V. A. Komel'kov [et al.]. Tekhnologii tekhnosfernoy bezopasnosti, 2019, vol. 2 (84), pp. 108-118. DOI: 10.25257/TTS.2019.2.84.108-118.
Бубнов Владимир Борисович
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
кандидат технических наук, доцент
E-mail: kafppv@mail.ru
Bubnov Vladimir Borisovich
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy
of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies
and Elimination of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo
candidate of Technical Sciences, associate Professor
E-mail: kafppv@mail.ru
Репин Денис Сергеевич
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
преподаватель
E-mail: denisrep@mail.ru
Repin Denis Sergeevich
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy
of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies
and Elimination of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo
lecturer
E-mail: denisrep@mail.ru
