CC BY
81
ВЛИЯНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО И ПРИБОРНОГО ОСНАЩЕНИЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ НА ПОТЕРИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ
Гордеева Гликерия Вадимовна, Замятин Антон Валерьевич, Московский государственный университет информационных технологий, радиотехники и
электроники, г.Москва
E-mail: Lamia88@gmail.com
Аннотация. Настоящая статья посвящена вопросам обеспечения работы систем теплоснабжения и горячего водоснабжения на всех этапах функционирования: выработка (генерация), транспортировка и потребление. Рассмотрены основы построения тепловых сетей. Также рассмотрены возникающие в тепловых сетях потери, обусловленные, как несовершенством систем учета, так и техническими особенностями.
Ключевые слова: магистральные тепловые сети, отопление, ГВС, учет тепла, расход теплоносителя, потери теплоносителя.
Согласно данным оценки численности населения России по регионам численность постоянного населения г. Москвы на 01.01.2015 г. составляет более 12 млн. человек. Для комфортных условий проживания и работы этого количества людей в г. Москва проложена масштабная система теплоснабжения, включающая в себя множество генерирующих, транспортирующих, сбытовых и потребляющих объектов.
09.02.2015 г. Министерством энергетики был подписан приказ № 53 «Об утверждении схемы теплоснабжения города Москвы на период до 2028 года», являющейся промежуточным результатов «Схемы теплоснабжения города Москвы на период до 2030 г.» с учетом развития присоединяемых территорий [2].
Количество потребителей тепловой энергии неуклонно растет (для сравнения в табл.1 приведены сведения о численности населения г. Москвы за последние годы), т.е. возрастает потребность в теплоэнергии, то в связи с этим увеличивается и нагрузка на тепловые сети и, в особенности, на генерирующие объекты.
УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА
Таблица 1
Изменение численности населения г. Москвы в период 2010-2015 гг.
Год Численность, млн. чел.
2010 11,468
2011 11,551
2012 11,612
2013 11,979
2014 12,108
2015 12,184
В целом, крупнейшими объектами по выработке тепловой энергии, на долю которых приходится большая составляющая выработки тепловой энергии, являются ТЭЦ «ПАО «Мосэнерго» (13 шт.) и энергоисточники ОАО «МОЭК» (частично перешедший в ведомство ПАО «Мосэнерго в процессе реорганизации энергетических компаний ОАО «Газпромэнергохолдинга». На рис.1 показаны области, обеспечиваемые теплом посредство ТЭЦ ПАО «Мосэнерго».
Рис. 1 ТЭЦ ПАО «Мосэнерго»
УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА
Выработка тепловой энергии системой ПАО «Мосэнерго» является непрерывным круглосуточным процессом, т.к. в отличии от объектов ОАО «МОЭК» является не только поставщиком тепла в зимний отопительный сезон, но и горячего водоснабжения жилых домов, промышленных объектов, больниц, детских садов и т.п.
Упрощенная схема выработки тепловой энергии и перемещения теплоносителя представлена на рис.2.
Рис. 2 Упрощенная схема выработки тепловой энергии и перемещения теплоносителя
Как видно из схемы, прежде, чем приступить к выработке тепловой энергии ТЭЦ необходимо получить источник теплоносителя - химически неочищенную, «сырую» воду (например, из водохранилища). Так как химически не очищенная вода в процессе своего нагревания негативно влияет на техническое состояние трубопроводов посредством выделения твердых осадков и образования накипи, она предварительно попадает в системы химводоочистки (ХВО).
После очистки вода поступает в систему энергетических (в зимнее время и пиковых) котлов и в тепловую систему. В качестве топлива для котлов в
УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА
основном используется природный газ (в качестве резервного топлива - мазут). Проходя по трубкам котлов, вода превращается в насыщенный пар, который является необъемлемым элементов системы выработки электрической энергии: попадая на лопатки турбогенератора, своим давлением он заставляет их вращаться (рис.3).
Часть пара уходит на горизонтальные сетевые подогреватели (ПСГ), предназначенные для подогрева воды на нужды тепловой сети. Температура воды в подающих трубопроводах колеблется в зависимости от сезона года в диапазоне 70.. .130 оС при рабочем давлении 8... 11 кгс/см2 (800.1100 кПа). Параметры же обратных трубопроводов соответствуют 45.65 оС и 1,5..2,5 кгс/ см2 (150.250 кПа).
Рис. 3 Роль пара в процессе выработки электроэнергии
Как правило, типовая ТЭЦ имеет несколько выводов теплосети, именуемых подающими (или прямыми) трубопроводами. За территориальной границей ТЭЦ данные трубопроводы переходят в юрисдикцию ОАО «МОЭК», взявшую на себя транспортирование теплоносителя до потребителей вместо прекратившей свое существование Московской Теплосетей Компании (ОАО «МТК»).
Распространяясь в город магистральные трубопроводы, достигающие диаметров Б=1400мм, постепенно уменьшаясь разветвляются на районные, квартальные и др. (рис.4).
УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА
Рис. 4 Упрощенная схема распределения тепловой сети в городе
С целью учета теплоносителя и тепловой энергии на источниках тепла и у потребляющих абонентов ведется строгий учет. Так, в системах потребления устанавливаются приборы учета абонентов, к ним относятся общедомовые счетчики, квартирные и прочие индивидуальные приборы, по которым абоненты (будь то физические или юридические лица) рассчитываются с поставляющей организацией.
Точно также, как транспортирующая тепловую энергию организация является поставщиком тепла для абонентов города, генерирующая компания является поставщиком для транспортирующей. Соответственно, финансовые расчеты за тепловую энергию производятся на двух уровнях, что представлено на рис.5.
абоненты потребитель тепла
V\VsV\ теплоноситель ¿s ¿УС/ и тепловая энергия
Рис. 5 Упрощенная схема платежей за тепловую энергию. В случае идеальной системы теплоснабжения количество отданного генерирующей компанией теплоносителя £ GreH и тепловой энергии £ (?ген
МММ финансовые средства
УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА
равнялось бы количеству, полученному абонентами ££гпотр и 2(?Потр (1)
; лотр
потр
XСген 2
(1)
^^ Фген ^ Олотр
Однако если обратиться к табл.2, можно увидеть существенные потери, присутствующие в системе теплоснабжения.
Таблица 2
Потери системы теплоснабжения
Отпуск тепловой энергии в тепловые сети (вода+пар) с покупкой, Гкал Тепловые потери Отпущено подпи-точной воды в сети, т Потери подпиточной воды с учетом перебросок и всех абонентов, т
Январь 10223896,447 320193,430 1635151,0 829820,610
Февраль 11367657,164 127875,796 1847740,0 857140,454
Март 8924254,482 278017,842 1758640,0 955956,391
Апрель 530952,999 21352,374 1614121,0 1016622,797
Май 194242,454 123532,159 1426411,0 1047238,97
Июнь 1598747,868 158257,870 1486201,0 1039166,523
Июль 1437374,307 137701,341 1579850,0 1163323,810
Август 1528132,009 148566,841 1541499,0 11119293,302
Сентябрь 1829708,007 182478,993 1352805,0 881325,613
Октябрь 4952888,817 300062,519 1583455,0 791091,704
Ноябрь 7021294,450 241620,240 1478661,0 800371,397
Декабрь 11049559,686 643029,395 1749237,0 1012602,820
За год 60658708,69 2682688,8 19053771 21513954,39
Данные потери можно разделить на вызванные несовершенством системы учета и технические потери, вызванные аварийными ситуациями. К последним относятся различные прорывы трубопроводов, свищи, трещины, смещения и т.д. (рис.6).
Рис. 6 Дефекты и аварии системы теплоснабжения
Ф На рис. 7 отражена статистика аварий тепловой сети на примере ОАО ф
«МОЭК» за 2012-2014 гг.
Рис. 7 Статистика аварийности тепловой сети.
Большинство магистральных и прочих трубопроводов тепловой сети изготовлены и проложены значительное время назад. Ещё 10 лет назад основным применявшимся материалом трубопроводов являлась сталь (реже медь), которые значительно подвержены воздействию внешних негативных факторов: коррозия, возникновение отложений, разрушение, истончение и т.д. В связи с этим, одним из методов сокращения потерь теплоносителя стала замена
УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА
металлических трубопроводов «старого» образца на «новый» - пластиковые трубы САРБАБЬЕХ или трубопроводы с ППУ-изоляцией (полипропиленовой изоляцией). Замена трубопроводов повлекла за собой разработку и внедрение новой системы оперативно-дистанционного контроля (СОДК), позволившей вести оперативный эксплуатационный контроль тепловых сетей и обнаруживать дефект в их зачаточном состоянии. Принцип действия СОДК отражен на рис.8.
1 2 12 3 4 5
Рис. 8 Принцип действия СОДК (1 - сигнальный проводник, 2 - опора-центратор, 3 - полиэтиленовая оболочка, 4 - металлическая труба, 5 - пенополиуретановая изоляция)
В структуру ППУ-изоляции встроен детектирующий проводник, реагирующий на намокание изоляции. Соответственно, срабатывание системы информирования позволяет обнаруживать дефекты ещё в состоянии, например, трещины или капиллярного прободения. В этом случае во избежание развития дефекта магистраль отключают для её ремонта, предварительно перенаправив тепловую нагрузку на резервную. Это позволяет исключить возникновение существенной аварии и вызванных ею потерь теплоносителя и прерывания снабжения абонентов.
Потери, обусловленные несовершенством применяемой системы учета, подразумевают особенности применяемых средств измерения и проложенных систем связи.
Как было представлено в [3], наиболее популярными средствами измерения расхода теплоносителя на источниках тепла являются расходомеры электромагнитные, ультразвуковые и основанные на принципе переменного перепада давления (рис.9).
94
УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА
Рис. 9 Средства измерения расхода на источниках тепловой энергии:
а - ультразвуковой; б - электромагнитный; в - переменного перепада давления на базе сужающего устройства
Системы учета абонентов представлены электромагнитными, тахометрическими и турбинными типами расходомеров и счетчиков-расходомеров.
В табл.4 представлены сведения о средствах измерения расхода на примере наиболее популярных фирм-изготовителей.
Таблица 3
Характеристики расходомеров (в зависимость от выбранного диаметра условного прохода )
Наименование Фирма-производитель Тип Dy, мм Диапазон измерения* Класс точности / погрешность*
SA-94/1 АО «Aswega», Таллин Электромагнитный 20... 400 0.4000 м3/ч ±2. ±4%
Ирга-РВ ООО Глобус, Белгород Вихревой 20... 800 0,25..135000 ±0,5. ±2
АКРОН -01: ООО ПНП Сигнур Ультразвуковой 40. 2000 0,16.40000 ± 1,5 %.
ИРВИ-КОН СВ-200 ЗАО ИРВИС, Москва Ультразвуковой 15. 2000 1,5.100000 ±1. ±3,5%
ДНЕП Р-7 ЗАО ДНЕПР, Мосва Ультразвуковой 50...1600 0,05...43429,4 ±2%
Мет-ран-300 ПР ЗАО ПГ Метран, Челябинск Вихреакустиче-ский 25..300 0,18...2000 ±1%
Rose-mount 8700 ЗАО ПГ Метран, Челябинск Электромагнитный 4... 900 0,012...20000 ±0,5%
УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА
продолжение таблицы 3
МАГИКА-АХХХ» ООО Магика Прибор Электромагнитный 15... 300 0,02.2500 ±0,5. ±4
ПРЭМ ЗАО НПФ Теплоком, Санкт-Петербург Электромагнитный 20..150 0,02.630 ±1.±3
КМ-5, РМ-5 ТБН Энергосервис Электромагнитный 15.300 0,0025... 2500 ±0,5.±5
Отечественный расходомерный рынок представлен намного большим количеством средств измерения расхода, однако, согласно [4] погрешность узла учета рассчитывает как (2):
= ± (2 + 0,02 ■ , но не более 5% для класса 2
£у = ± + 0,01 ■ ^г1) , но не более 3,5% для класса 1
(2)
Согласно более ранней редакции правил максимальная допустимая погрешность составляла ±2%. Именно поэтому, независимо от требований, предъявляемых, что старыми, что новыми правилами, не все средства измерения расхода могут обеспечить выполнение требований к погрешности.
Единственным методом избавления от поверь, обусловленных несовершенством самих средств измерения расхода, может быть лишь их непосредственное совершенствование с целью уменьшения их погрешностей [3].
Второй составляющей потерь системы учета являются применяемые системы связи. Так, для примера рассмотрим узел учета, состоящий из ультразвукового первичного преобразователя, его электронного блока и вычислителя тепловой энергии (рис.10). (Во избежание разглашения коммерческой тайны эксплуатирующей компании обозначим ультразвуковой первичный преобразователи и его электронный блок как «УЗР», а вычислитель -«ВЫЧ»).
В целом система учета теплоносителя представляет собой 3-хуровневую автоматизированную систему коммерческого учета теплоносителя и тепловой энергии. Нижний уровень системы включает в себя первичные преобразователи расхода, давления и температуры, а средний уровень - электронные блоки и вычислители. Верхний уровень системы - это специализированный программный комплекс, позволяющий вести дистанционный контроль
параметров теплоносителя, архивировать данные и проводить распечатки показаний. На рис.11 представлены примеры типовой распечатки ВУ системы.
Рис. 10 Упрощенная схема связи «УЗР» и «ВЫЧ»
а) б)
Рис. 11 Типовые распечатки системы учета теплоносителя
УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА
На распечатках отражаются значения давления, температуры, расхода теплоносителя, вычисленной тепловой энергии, время штатной и нештатной зафиксированной ситуации и характер нештатной ситуации. На рисунке 11а пример распечатки данных за месяц, в котором не зафиксировано ни одной нештатной ситуации. На рис.11 б налицо значительное количество нештатных ситуаций, среди которых наибольший интерес представляет так называемой «Зашкал всех Q». Поиск в технической документации показал, что точной расшифровки содержания нештатной ситуации и её причин отсутствует.
Фактически, скорее всего, данная нештатная ситуация обусловлена паразитным наводками, оказывающими негативное влияние на передачу измерительных данных по каналам связи.
Зачастую, в силу кажущейся незначительности нештатной ситуации (продолжительность составляет несколько тысячных часа в сутки) наличием нештатной ситуации пренебрегают. Однако, как показал расчет, даже НС продолжительностью 0,003 часа несет в себе немалые потери.
Так на рис.11 б:
^=0,003 ч = 0.0125% суток. )
Gшс=181068 т, = 99,9875% от расхода при 24 часах штатной работы.
Gист = 181068*100/99,9875=181090,63т
Gнс= Gист - Gшс = 181090,63-181068 = 22,63 т
Таким образом, за 0,003 часа остались неучтенными 22,63 т теплоносителя. Определим количество теплоты согласно заложенному в систему алгоритму:
Q=Gпод*(hl-h2), (3) где - энтальпия подающего и обратного трубопроводов соответственно
(4)
Энтальпия является функцией температуры [5], для простоты расчетов примем разницу энтальпий подающего и обратного трубопроводов равной разнице их температур. Тогда:
Q=Gпод*(hl-h2)= Gпод*(tl-t2)=22(101,7-55,81)= 1 009,55 Гкал.
УНИКАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ XXI ВЕКА
При рыночной стоимость 1 Гкал составляющей 1235,10 руб./Гкал это составляет 1 246 932,26 руб. И это всего за 0,003 часа за сутки.
Как уже отмечалось, на сегодняшний день достоверно не известна причина возникновения данной нештатной ситуации, но предположительно сказываются паразитные наводки на кабели, проложенные между «УЗР» и «ВЫЧ». В настоящее время они соединены кабелем типа витой пары с частотной передачей данных.
Предположительно, при возникновении какого-либо паразитного воздействия его частота и частота измерительного выходного сигнала накладываются друг на друга, что в сумме превышает пропускную способность измерительного канала. Обнаружить причину наводок не представляется возможным. Единственным возможным средством подразумевается прокладка другого типа кабелей: не просто витой пары, а экранированной витой пары в оплетке. Требований к типу степени помехозащищенности кабелей при проектировании узла учета не предъявлялось, так как предполагалась достаточная компенсация наводок за счет применения именно витой пары, а не обычных соединительных кабелей. Как показывает практика, скорее всего этого оказалось недостаточно. В настоящее время проводятся работы по замене кабелей с целью определения истиной причины возникающих нештатных ситуаций: в случае их сохранения при максимально экранированном кабеле влияние внешних помех будет исключено.
Литература:
1. [Электронный ресурс]. - URL: https://sites.google.com/site/ruregdatav1/naselenie-moskvy-po-оkrugam-i-rajonam
2. Приказ министерства энергетики РФ №53 от 09.02.2015 г. "Об утверждении схемы теплоснабжения города Москвы до 2028 года"
3. Г.В. Гордеева "Обзор и анализ средств измерения коммерческого учета энергоносителей" Итоги диссертационных исследований, том 2. Материалы V всероссийского конкурса молодых ученых, 2014 г.
4. Правила коммерческого учета тепловой энергии, теплоносителя (утв. постановлением Правительства РФ от 18 ноября 2013 г. № 1034)
5. МИ 2412-97 ГСИ. Водяные системы теплоснабжения. Уравнения измерений тепловой энергии и количства теплоносителя.
6. "Руководство. Каталог" ООО «МТЭР ЦТС"
7. Термолайн. Система контроля трубопроводов [Электронный ресурс]. - URL: http://www.termoline.info
