CC BY
48
98
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ Г. МОСКВЫ
© Гордеева Г.В.* *, Замятин А.В.*, Борисов Н.Б.*
Московский государственный университет информационных технологий, радиотехники и электроники, г. Москва
В представляемой статье рассмотрены особенности эксплуатации и мониторинга трубопроводов магистральных тепловых сетей г. Москвы. Приведены структуры тепловых сетей, особенности применяемых и внедряемых материалов трубопроводов, а также методы их контроля. Рассмотрена разработанная и внедренная система оперативно дистанционного контроля и результаты её эксплуатации.
Ключевые слова магистральные тепловые сети, CAFSAFLEX, трубопроводы с ППУ-изоляцией, дефекты трубопроводов, тепловая аэросъемка, акустическая эмиссия, магнитная дефектоскопия, система оперативно дистанционного контроля.
На сегодняшний день численность населения г. Москвы превышает 12 млн. человек постоянных жителей. Ежегодно столь значительное количество человек сталкивается с отключением горячего водоснабжения в летний период, что, как правило, связано с проведением периодического обследования трубопроводов городских магистральных тепловых сетей и их ремонтом при необходимости. Однако, случается и так, что останов тепловой магистрали неизбежен и в другие периоды года, что приносит особенно острые неудобства в зимний период, так как кроме горячего водоснабжение происходит отключение и центрального отопления. Как показывает опыт, подобные аварии обусловлены особенностями применяемых материалов трубопроводов и методиками их контроля, о чем пойдет речь далее.
Магистральные тепловые сети (далее МТС) являются составной частью системы централизованного теплоснабжения и горячего водоснабжения (ГВС) и предназначены для транспортирования и распределения потребляемой тепловой энергии (теплоты). На рис. 1 изображена обобщенная структура МТС.
В целом, тепловая сеть - это система покрытых теплоизоляцией трубопроводов централизованного теплоснабжения, по которым теплота переносится теплоносителем от источника к потребителям. В трубопроводах постоянно поддерживается давление, обеспечивающее избежание закипания теплоносителя: так, при температуре теплоносителя 150 °С должно поддерживаться давление 0,5 МПа.
* Старший преподаватель кафедры «Метрология, сертификация и диагностика».
* Доцент кафедры «Метрология, сертификация и диагностика».
* Ведущий инженер ОАО «Московская объединенная энергетическая компания».
Технические науки
99
Рис. 1. Обобщенная структура магистральной тепловой сети.
Существует несколько разновидностей тепловых сетей в зависимости от их назначения:
- магистральные - от источника теплоты до предприятий и населенных мест;
- распределительные - от магистральных тепловых сетей до ответвлений к зданиям;
- ответвления - трубопроводы к отдельным зданиям (до обреза фундамента или стены здания).
Тепловая сеть, основанная на централизованной схеме снабжения, по своей структуре подразделяется на два уровня: магистральную и квартальную (микрорайонную). Первая состоит из элементов, соединяющих источники тепла с местными (районными) пунктами его распределения среди конечных потребителей.
В магистральную сеть теплоноситель поступает из тепловой станции (ТЭЦ, ТЭС) и районной котельной (тепловой) станции. В данном случае возможно осуществление процесса резервирования подачи при поломке одного из пунктов нагрева носителя. Осуществляется это с помощью установки соединительной перемычки на подающие и обратные магистрали. Совокупностью этих элементов формируется единая кольцевая тепловая сеть. Проектируемый диаметр проводящих элементов систем рассчитывается таким образом, чтобы обеспечить пропускную способность необходимого носителя даже при аварийных ситуациях. В условиях стабильной бесперебойной работы теплоноситель перемещается по всем теплопроводам сети.
В настоящее время существует огромное количество схем тепловых сетей и способов их прокладки, некоторые из которых приведены на рис. 2.
100
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
в
Рис. 2. Примеры схем тепловых сетей:
а - тупиковая схема; б - кольцевая схема МТС; в - радиальная схема
(1 - источник, 2 - магистральные сети, 3 - распределительные сети,
4 - квартальные сети, 5 - ответвления, 6 - потребители, 7 - перемычка)
На рис. 3 представлены трубопроводы магистральных тепловых сетей, выполненные из различных материалов. Так, на рис. 3а представлены обычные трубопроводы, так сказать «старого образца», выполняемые, как правило из стали, реже - из меди, а на 3б - один из вариантов трубопроводов «нового поколения» - CAFSAFLEX.
Самым важным недостатком стальных труб является низкая коррозионная стойкость. Ржавчина неблагоприятно воздействует не только на стенки труб, но и засоряет воду механическими примесями, отрицательно влияет на качество воды, ухудшает работу запорной арматуры и пр. Для того чтобы повысить коррозионную стойкость данных труб, их покрывают слоем цинка.
Еще одним отрицательным фактором стальных труб является их низкая пропускная способность по сравнению с медными или пластиковыми трубами того же диаметра.
Причина заключается в шероховатости внутренних стенок стальных труб, увеличивающих сопротивление движению теплоносителя. А со временем пропускная способность еще больше уменьшается, потому что на стенках труб накапливаются вредные отложения.
Технические науки
101
а б
Рис. 3. Трубопроводы магистральных тепловых сетей, выполненные из различных материалов
Кроме этого, монтаж стальных труб также является далеко не легким делом. Помимо сварки, для соединения труб используются и резьбовые соединения. Оцинкованные трубы вообще нельзя соединять с помощью сварки, потому что на швах сгорает цинковое покрытие, и это место становится весьма уязвимым для коррозии.
На рис. 4 представлены современные трубы СAFSAFLEX, представляющие собой гибкие трубы для внутриквартальных сетей. Труба для горячего водоснабжения CAFSAFLEX имеет гофрированную подающую трубу, изготовленную из нержавеющей стали. Гофрированная труба разработана на основе гидродинамических расчетов трубопровода. Теплоизоляция трубы выполнена из пенополиуретана. Физические свойства гофрированной подающей трубы позволяют производить монтаж трубопровода без учета теплового расширения. Применяются трубы СAFSAFLEX при рабочей температуре до 130 °С и рабочем давлении до 25 бар.
На рис. 5 показан другой тип трубопроводов нового образца - это трубопроводы с пенополиуретановой изоляцией (или сокращенно - с ППУ-изоляцией).
102
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Рис. 4. Трубопровод CAFSAFLEX:
1 - напорная спирально-гофрированная труба из хромоникелевой нержавеющей стали (1.4301, 1.4404); 2 - гибкий сигнальный кабель системы оперативно дистанционного контроля; 3 - теплоизоляция и полужесткого ППУ; 4 - барьерный слой; 5 - защитная оболочка из полиэтилена; 6 - идентификационный полосы черного цвета
Рис. 5. Трубопроводы с пенополиуретановой изоляцией
Труба ППУ - это по сути две трубы, вложенные одна в другую. Технология изготовления труб весьма проста - сначала на обыкновенную трубу из стали наносится слой утеплителя - пенополиуретана, а затем готовую трубу помещают в дополнительную оболочку, состоящую из оцинкованной стали или полиэтилена. Сразу отметим, что дополнением труб ППУ является встроенный сигнальный кабель, который позволяет осуществлять удаленный контроль и обнаруживать проблемные участки на конкретном отрезке трубопровода. В общем, этот кабель был разработан специально для труб ППУ и является неотъемлемой частью системы оперативно-дистанционного контроля - СОДК.
Изначальный предполагаемый положительный эффект от внедрения труб ППУ заключался в снижение количества аварийных остановов, однако, первые результаты были омрачены сохранением динамики аварийности (рис. 6).
Технические науки
103
В ходе анализа инцидентов было установлено, что метод мониторинга, применяемые для трубопроводов старого образца, не обеспечивает достаточного контроля тепловых сетей, так как проводится только в период ремонтных работ. В связи с этим была налицо необходимость разработки нового метода контроля, учитывающего особенности проведения именно эксплуатационного контроля:
- значительные значения давления и особенно температуры теплоносителя, протекающего по МТС;
- подземное залегание МТС и их труднодоступность;
- малые сроки, отводимые на ремонтные работы и работы по обслу-
живанию.
- масштабность разброса МТС по городу;
Рис. 7. Дефекты трубопроводов МТС (повреждение изоляции, разрывы, трещины, коррозия, свищи)
104
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Дело также осложнялось необходимостью обеспечения бесперебойной работы тепловой сети и исключения аварийных ситуаций.
Среди причин аварийных ситуаций лидирующее место занимают дефекты самих трубопроводов, представленные на рис. 7. Эти дефекты обусловлены влиянием внешних факторов: коррозия, свищи, трещины, разрывы, наросты и т.п. На рис. 8-9 отражены структурные измерения трубопроводов, которые являются причиной возникновения некоторых дефектов.
г Wn1miTmKimrmfif77Wh
сетевая воде
Рис. 8. Разрушение металла в результате наружной коррозиизона увлажнения: а) вид с внешней стороны трубы; б) вид изнутри трубы в) наружная коррозия без локализации; г) наружная коррозия со свищами от блуждающих токов
Рис. 9. Вид стенки трубопровода при образовании свища от внутренней коррозии и последующем развитии наружной коррозия: • - свищ; У// - зона увлажнения
С целью обнаружения этих изменений и уже проявившихся дефектов на стальных трубопроводах проводился мониторинг, включающий в себя:
Технические науки
105
- тепловую аэросъемку;
- акустическую эмиссию;
- магнитную дефектоскопию.
Так физической предпосылкой дистанционной температурной индикации подземных теплотрасс (тепловой аэросъемки) является формирование на земной поверхности аномалии, величина которой зависит от температуры теплоносителя, диаметра и состояния теплопроводов, глубины залегания, физических свойств грунта и метеоусловий на земной поверхности (рис. 10).
Рис. 10. Вид МТС при проведении тепловой аэросъемки
Температурная аномалия может быть найдена путем решения стационарного уравнения теплопроводности Фурье. При наличии в теплотрассе прямой и обратной труб следует ожидать только один температурный максимум, т.е. в температурном поле поверхности эти трубы не разделяются. Анализ влияния утечки горячей воды на температуру поверхности показывает, что намокание изоляции должно приводить к значительному повышению (на 1,5.. .2 °С) аномалии температуры поверхности, которое может быть надежно зарегистрировано. При появлении утечки горячей воды на глубине 1 м температурная аномалия на поверхности достигает половины ее возможного максимального значения через 6 дней и 0,9 максимального значения - через 20 дней. Поэтому тепловая аэросъемка может обнаруживать утечки из теплотрасс, «возраст» которых составляет от нескольких дней до двух-трех недель и более в зависимости от глубины залегания труб. Съемка должна выполняться в условиях отсутствия прямой солнечной засветки (в пасмурную погоду или в ночное время суток) не ранее чем через 10 дней после выхода системы теплоснабжения на номинальный режим при отсут-
106
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
ствии снежного покрова (или на 2-3 сутки после выпадения осадков с толщиной снежного покрова не более 5 см). Оптимальная высота полета 350400 м (при использовании тепловизора «Малахит»).
Ещё одним методом является акустическая эмиссия (рис. 11).
|представили результаты инженерной диагностики!
Рис. 11. Метод акустической эмиссии
Метод основан на регистрации и анализе акустических волн, возникающих в процессе пластической деформации и разрушения (роста трещин) контролируемых объектов. Он позволяет формировать адекватную систему классификации дефектов и критерии оценки состояния объекта, основанные на реальном влиянии дефекта на объект. Другим источником акустической эмиссии является истечение рабочего тела (жидкости или газа) через сквозные отверстия. Метод АЭ может быть использован при изготовлении объектов, в процессе приемочных испытаний, при периодических технических обследованиях, в процессе эксплуатации в целях обнаружения, определения координат и слежения (мониторинга) за источниками АЭ, связанными с несплошностями на поверхности или в объеме стенки объекта контроля, сварного соединения и изготовленных частей и компонентов. Все индикации должны быть при наличии технической возможности оценены другими методами НК. АЭ-метод может быть использован также для оценки скорости развития дефекта в целях заблаговременного прекращения испытаний и предотвращения разрушения изделия.
Давление теплоносителя необходимо повысить не менее, чем на 10 % от эксплуатационного значения и затем в течение 10 мин произвести запись
Технические науки
107
сигналов. При одном подъеме давления можно продиагностировать около 1000 м трубопровода.
D условиях действующих тепловых сетей метод имеет ограниченную область применения и не дает однозначных результатов, его эффективность можно условно оценить, как среднюю.
Ключевым же методом исследования трубопроводов является всем известная магнитная дефектоскопия, основы и особенности которой подробно рассмотрены в [2-4]. Магнитный контроль используется для обнаружения дефектов в объектах с самыми различными размерами и формами. При контроле данным методом применяют стационарные, передвижные и переносные дефектоскопы. Подробное описание самого метода магнитного контроля изложено в диссертационной работе, сейчас же отмечу, что главным его недостатком для систем теплоснабжения является необходимость останова магистрали, вызывающего прекращение теплоснабжения. Также этот метод непригоден для современных типов трубопроводов.
Именно из-за перечисленных недостатков описанных выше методов мониторинга МТС был разработан новый метод контроля, в итоге сформировавшийся в единую систему оперативно-диспетчерского контроля. Состав системы представлен на рис. 12.
Рис. 12. Состав системы ОДК
Эта система позволяет контролировать состояние трубопровода, оперативно сигнализировать о появившейся неисправности и точно указать место любого дефекта. Наличие системы ОДК значительно экономит денежные средства и сокращает время, затрачиваемое на обслуживание трубопровода.
108
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Положительный эффект системы ОДК проявляется в:
- снижении эксплуатационных затрат;
- определении мест повреждений без нарушения режима работы тепловой сети.
Возможности системы ОДК позволяют:
- проверить качество монтажных работ.
- осуществлять эксплуатацию трубопровода.
- обнаруживаемые дефекты
- повреждение металлической трубы.
- повреждение полиэтиленовой оболочки.
- обрыв сигнальных проводников.
- замыкание сигнальных проводников на металлическую трубу.
- плохое соединение сигнальных проводов на стыках.
На рис. 13 представлен принцип действия СОДК, которая, по сути, представляет собой специальный комплекс приборов и вспомогательного оборудования, с помощью которого осуществляется контроль состояния трубопровода. Исключение какого-либо элемента из состава системы нарушает ее целостность и нормативную функциональность.
Рис. 13. Принцип действия СОДК
(1 - сигнальный проводник, 2 - опора-центратор, 3 - полиэтиленовая оболочка, 4 - металлическая труба, 5 - пенополиуретановая изоляция)
Все трубопроводы и фасонные изделия (тройники, отводы, задвижки, неподвижные опоры, компенсаторы) должны быть оснащены сигнальными проводниками. С помощью сигнальных проводов (по ним передается сигнал - ток или высокочастотный импульс) определяется состояние трубопровода. Сигнальные проводники фиксируются в пластмассовых держателях проводов либо в центраторах полиэтиленовой оболочки, которые, в свою очередь, прикреплены к металлической трубе.
Монтируемые провода абсолютно одинаковые, однако по назначению подразделяются на основной и транзитный провода.
Технические науки
109
Основной провод - это сигнальный проводник, заходящий при монтаже теплотрассы во все ее ответвления. Этот провод является главным для определения состояния трубопровода, так как повторяет его контур.
Транзитный провод - это сигнальный проводник, который не заходит ни в одно ответвление теплотрассы, а проходит по кратчайшему пути между начальной и конечной точкой трубопровода и в основном служит для образования сигнальной петли.
Детекторы повреждений предназначены для контроля состояния трубопроводов в ППУ-изоляции. Детектор не является измерительным прибором -это своеобразный сигнализатор текущего состояния трубопровода.
Прибор позволяет определить наличие следующих дефектов:
- намокание изоляции;
- обрыв сигнальных проводов;
- замыкание сигнального провода с металлической трубой.
Детектор измеряет электрическое сопротивление слоя ППУ-изоляции
(Яиз.) между установленными на заводе медными проводами и стальной трубой. В случае если значение сопротивления станет ниже порогового сопротивления, то детектором выдается сигнал неисправности - загорается светодиод желтого цвета рядом с надписью «намокание».
Пороговое сопротивление устанавливается изготовителем при сборке прибора и должно находиться в пределах от 1 кОм до 5 кОм. Выбор указанного диапазона, в котором должно находиться пороговое сопротивление, объясняется тем, что при данных значениях сопротивления изоляции, в трубе однозначно существует дефект, который легко можно локализовать.
Одновременно с измерением электрического сопротивления изоляции детектор измеряет сопротивление медных проводников (Япр). В случае обрыва сигнальной петли проводников или плохого контакта в местах их соединения (спайки) детектором выдается сигнал неисправности (при Япр. > 200 Ом) - загорается светодиод красного цвета рядом с надписью «обрыв».
Одновременно с появлением какого-либо дефекта («обрыв» или «намокание») детектор выдает звуковой сигнал о повреждении трубопровода. Сигнал предусмотрен для каждого канала отдельно и его можно отключить одним нажатием на соответствующую кнопку. Только многоуровневые детекторы имеют общее управление звуковой индикацией.
В случае, когда на трубопроводе идентифицируемые детектором повреждения отсутствуют, прибор выдает световой сигнал зеленого цвета рядом с надписью «норма» (рис. 14).
На рис. 15 представлено контрольно-измерительное оборудование, используемой в СОДК.
Для оценки работоспособности системы ОДК проверяется целостность сигнальных проводников и измеряется сопротивление ППУ-изоляции, которое далее сравнивается с эталонным значением.
110
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Рис. 14. Контрольно-измерительное оборудование СОДК
После укладки труб в траншею и сварки металлического трубопровода необходимо произвести соединение сигнальных проводников на каждом стыке. Перед соединением проводников необходимо обязательно на каждом стыке производить проверку работоспособности системы контроля - измерять сопротивление изоляции и сопротивления сигнальных проводников, что представлено на рис. 15.
Рис. 15. Проверка состояния СОДК
Оценка работоспособности производится путем сравнения измеренных значений сопротивления изоляции и сопротивления сигнальных проводников с нормативными значениями.
Технические науки
111
Сопротивление изоляции, смонтированной СОДК, не должно быть менее 1 МОм. Это должно соблюдаться при длине трубопровода равной 300 метрам. Примерная зависимость сопротивления изоляции от длины трубопровода отображена на графике на рис. 16.
Рис. 16. Зависимость сопротивления изоляции от длины трубопровода
В заключении хочется отметить, что эксплуатация внедренной СОДК заключается в своевременном и правильном контроле состояния трубопровода и системы сигнализации. Реализация данного метода позволяет значительно продлить срок эксплуатации труб, в результате чего снижается риск потери тепла и вероятность возникновения аварийных остановов.
Список литературы:
1. СП 41-105 2002 «Проектирование и строительство тепловых сетей бесканальной прокладки из стальных труб с индустриальной теплоизоляцией из пенополиуретана в полиэтиленовой оболочке».
2. Клюев В.В. Неразрушающий контроль и диагностика. - Изд. 2-е, доп. -М., Машиностроение, 2005.
3. Румянцев С.В., Добромыслов В.А., Борисов О.И. и др Неразрушающие методы контроля сварных соединений. - М.: Машиностроение, 1976.
4. ГОСТ 21105-87 Контроль неразрушающий. Магнитопорошковый метод.
5. ГОСТ 10705-80* Трубы стальные электросварные. Технические условия.
6. ГОСТ 21.605-82 СПДС. Сети тепловые (тепломеханическая часть). Рабочие чертежи.
112
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
7. Правила эксплуатации теплопотребляющих установок и тепловых сетей потребителей.
8. Инструкция по проведению мероприятий по контролю при осуществлении государственного энергетического надзора за оборудованием, зданиями и сооружениями электрических и тепловых установок, электростанций, котельных, электрических и тепловых сетей энергоснабжающих организаций и потребителей тепловой и электрической энергии.
9. «Руководство. Каталог» ООО «МТЭР ЦТС».
10. http://www.termoline.info.
АТМОСФЕРНЫЕ ПОМЕХИ В ОПТИЧЕСКИХ КАНАЛАХ СВЯЗИ ЗЕМЛЯ - КА
© Кузяков Б.А.*
Московский государственный технический университет информационных технологий, радиотехники и электроники, г. Москва
В работе анализируется влияние атмосферных помех на оптические каналы связи Земля - КА при средней мощности приземной облачности.
Приведены зависимости амплитуды колебаний лазерного луча от длины пути в атмосфере при разных параметрах. Показано, что использование методов коррекции позволяет значительно уменьшить влияние атмосферных помех на реализованные лазерные каналы связи.
Ключевые слова: оптический, канал связи, атмосферные помехи, космический аппарат, лазерный луч, колебания, методы коррекции, уменьшение влияния.
Для реализации конфиденциальной связи между наземной станцией и низкоорбитальными космическими аппаратами (КА) определенными преимуществами обладает оптическая связь. На рис. 1 приведены варианты нескольких околоземных орбит КА [3].
Наибольшую амплитуду колебаний лазерного луча в атмосфере 5Н, можно определить из следующего выражения [1]:
5Н = k • An • C1,5 / а0,5, (1)
где An - колебания показателя преломления воздуха; k - численный коэффициент; С - расстояние, пройденное лазерным лучом в атмосфере; а -диаметр объемов неоднородности воздуха.
При реализации лазерной связи [1-2] в открытом пространстве (рис. 2) между наземными станциями и космическими аппаратами (КА) приходится учитывать влияние динамики атмосферных условий.
Доцент кафедры Телекоммуникационных систем, кандидат физико-математических наук.
