4.4 Исследования и направления ресурсосберегающей модернизации сетей тепло- и водоснабжения луцка Божидарник в.В., Мельник ю.А., Синий с.В., Сунак п.О.

(Луцкий НТУ, г. Луцк, Украина)

Предложена методика микроскопических исследований для оценки изменения геометрических параметров микротрещин на рабочих поверхностях трубопроводов систем водоснабжения. Проведены исследования модернизации насосных установок для повышения давления в системах водоснабжения. Предложены направления модернизации сетей тепло- и водоснабжения города Луцка.

The technique of microscopic examination to assess the changes in the geometric parameters of micro-cracks on the working surfaces of pipelines for water supply is proposed in the article. Investigations of upgrading pumping stations to increase the pressure in water systems. The directions of modernization of heat supply networks and water supply of the city of Lutsk is proposed.

Устойчивое развитие урбоэкосистем городов является одной из важных задач внедрения на местном уровне принципов устойчивого развития городских территорий, провозглашенных на Конференции ООН по населённым пунктам (Стамбул, 1996 г.). Воплощение идеологии устойчивого развития отображается, в частности, в решениях вопросов генерального планирования городов [1]. Полиморфизм урбоэкосистемы, как результат взаимодействия природных и антропогенных условий существования города, заметно влияет и на условия устойчивого развития внешних и внутренних городских сетей тепло- и водоснабжения. Ресурсосберегающая и энергоэффективная модернизация городских сетей тепло- и водоснабжения имеет не только важную социально-экономическую, но и экологическую обоснованность.

Луцк – областной центр Волынской области, его технико-экономические показатели, согласно [3] и данных предприятий тепло-, водоснабжения и др. [1, 7, 8 и др.], следующие: общая площадь территории 4161 га, в т.ч. застроенных земель 3958,3 га (95,2%), при населении 210,6 тыс. чел.; жилой фонд 4,0 млн. м², в т.ч. многоквартирная застройка 3,2 млн. м² (80%).

Централизованное водоснабжение и водоотведение предоставляется КП «Луцкводоканал» для более 80,4 тыс. абонентов, из них население составляет 79,0 тыс. абонентов (более 180 тыс. жителей). Основной источник для сети централизованного водоснабжения Луцка – подземные воды из 5 водозаборов (общее количество скважин – 55 шт., их глубина от 80 до 170 м), мощности речного водозабора не используются из экономических и санитарно-гигиенических условий. Качество воды из подземных источников отвечает нормативным требованиям к питьевой воде, кроме содержания железа, а вода из 2 скважин Омеляновского водозабора полностью отвечает требованиям ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая» и сразу направляется в резервуары чистой воды (РЧВ). Все площадки водоподготовки оборудованы комплексами сооружений по очистке и обработке сырой воды, в состав которых входят станции обезжелезивания и хлорирования воды (в 2011 г. жидкий хлор-газ заменен на более безопасный в эксплуатации гипохлорит), используется парк РЧВ (11 шт., всего 50,5 тыс. м³). Суммарный отпуск воды с площадок водоподготовки (среднесуточная подача) 52,6 тыс. м³/сутки при проектной мощности главных сооружений питьевого водопровода 97,0 тыс. м³/сутки. Главный источник водоснабжения города – Дубенская площадка (45 скважин при действующей мощности 45,2 тыс. м³/сутки), её проектная мощность 80 тыс. м³/сутки (при общей проектной мощности всех площадок 145,2 тыс. м³/сутки). Подача воды осуществляется насосными станциями I и II подъемов, водоводы сборные (проложены в 1 или 2 нитки, в зависимости от назначения) диаметрами 300-600 мм. Протяжность городской водопроводной сети 307,7 км, используются чугунные (166,6 км), стальные (128,4 км), асбестоцементные (3,6 км), полиэтиленовые (9,1 км) трубы диаметром 50-600 мм. При этом, на ветхие и аварийные водопроводные сети приходится 159,5 км (51,8 %).

Основным поставщиком теплоэнергии на нужды отопления, вентиляции и горячего водоснабжения для населения, бюджетных и коммунально-бытовых, а также хозрасчетных организаций города является ГКП «Луцктепло», которое на собственных источниках теплоты производит около 65 % теплоэнергии, остальная – покупная. Для обслуживания централизованных систем теплосетей и горячего водоснабжения, соответствующих внутренних систем используются 63 котельные (169 котельных агрегатов, работающих на природном газе, в т.ч. котлов типа НИИСТУ-5 – 90 шт., водогрейных котлов типа ТВГ, КВГ – 17 шт. и паровых котлов типа ДЕ, ДКВР и Е-1/9 – 48 шт., по 1-3 шт. котлов других типов), 52 центральных тепловых пункта (систему централизованного горячего водоснабжения технологически обеспечивает всего 81 ЦТП), 137,8 км тепловых трасс в 2-трубном измерении (96,2 км – магистральные и распределительные теплосети, 41,5 км – распределительные сети централизованных систем горячего водоснабжения) и значительное количество участков теплосетей других организаций. При этом 55 км (39,9 %) теплосетей являются ветхими и аварийными, около 34,5 км (25,0%) теплосетей находятся в передаварийном состоянии и подлежат поэтапной реконструкции в ближайшем будущем.

Анализируя состояние теплосетей имеем: большинство эксплуатируемых котлов (129 шт., 76,3%) – физически изношенное оборудование морально устаревших моделей и конструкций со сроком эксплуатации более 20 лет, из-за чего эффективность использования природного газа при производстве тепла в среднем по предприятию (за 2008-2012 г.г.) 85,5-85,9%, при возможностях современных технологий около 94%. ЦТП преимущественно оборудованы водоводяными кожухотрубными водонагревателями, а также, как и в городских сетях холодного водоснабжения, – насосными установками с постоянной частотой вращения электродвигателя, работа которых не соответствует современным и перспективным требованиям к энерго- и ресурсосбережению.

Проведенный нами анализ показал, что наряду с проблемами недоучета питьевой воды и ухудшения её качества в водопроводной сети (вторичное загрязнение), значительные потери воды и электроэнергии вызваны большой изношенностью и, как следствие, аварийностью систем холодного и горячего водоснабжения, а также – чрезмерным электропотреблением оборудования этих систем. Аналогичные проблемы, касающиеся значительных тепло- и электропотерь, присущи для систем теплоснабжения и отопления, и этим лишь усугубляют неудовлетворительную ситуацию с энергопотерями, связанными с производством, транспортированием и распределением тепла потребителям. Экологическая проблема, связанная с завышенными ресурсозатратами, в итоге становится и социально-экономической, ведь большинство затрат отображается на увеличении тарифов за коммунальные услуги (по состоянию на 01.01.2013 г. задолженность населения Луцка за предоставленные услуги по отоплению эквивалентна около 1,8 млн. евро и за горячую воду – около 0,8 млн. евро).

Таким образом, важными направлениями исследований, способствующих модернизации наружных и внутренних сетей даже в условиях выживания предприятий ЖКХ при существенной задолженности населения за услуги, являются технический мониторинг состояния изношенности рабочих поверхностей и ресурса элементов конструкций и деталей оборудования сетей, предпочтительно с помощью неразрушающих методов [2, 4-6, 9 и др.], а также технико-экономическое обоснование проектных решений по реконструкции и модернизации эксплуатируемого оборудования [7-9 и др.].

Методы и средства нанотехнологических исследований элементов конструкций оборудования различного назначения, применяемого в ЖКХ и строительстве, в т.ч. – в тепло- и водосетях, дают возможность существенно повысить эффективность мероприятий по ресурсосберегающей модернизации.

Наряду с мероприятиями по энергосбережению, внедряемыми при строительстве новых объектов, актуальной задачей для энергоэффективной модернизации эксплуатируемых в преобладающем большинстве украинских и российских городов спроектированных и построенных ещё в советское время систем сетей тепло- и водоснабжения остается необходимость выполнения значительного количества мероприятий по реконструкции участков внешних и внутренних систем, усовершенствовании работы действующего (нового и устаревшего) оборудования, поэтапного обновления изношенного оборудования.

С целью проведения ресурсосберегающих мероприятий в сфере ЖКХ, в рамках сотрудничества с производственными отделами предприятий и учреждений (КП «Луцкводоканал», ГКП «Луцктепло», Луцкого городского совета, Волынской областной государственной администрации и др.), учёными украинских и зарубежных вузов (Восточноевропейского НУ им. Леси Украинки, г. Луцк; Украинской академии печати, г. Львов; Физико-механического института им. Г. В. Карпенка НАН Украины, г. Львов; МГУ им. М.В. Ломоносова, г. Москва; Высшей школы Оствестфалия-Липпе, г. Лемго, Германия и др.), в соответствии с работами по госбюджетной научно-исследовательской теме 0112 U 000290 «Аналитические и экспериментальные методы стереофрактографических исследований в трибоматериаловедении», кафедрой ГСХ Луцкого НТУ проводятся исследования, направленные на повышение эффективности и надёжности работы элементов конструкций насосного оборудования и гидравлических систем, деталей конструкций, машин и механизмов, применяемых в строительстве [1, 2, 4-9 и др.].

Для усовершенствования процесса прогнозирования надежности работы (потребности замены) трубопроводов систем водоснабжения, нами проведены исследования по оценке разрушения рабочей поверхности трубопроводов, с использованием разработанной методики микроскопических измерений изменений геометрических параметров микротрещин рабочих поверхностей. Исследовались рабочие поверхности образцов чугунных труб (трубы условного диаметра 300 мм, до 20 лет эксплуатации) систем водоснабжения.

С помощью РЭМ-стереофрактографии в режиме «in situ» (без предвари­тельной обработки исследуемой поверхности) можно надежно фиксировать движение микротрещины. Однако определение действительной скорости рас­пространения трещины для малых трещин сильно затруднено влиянием разме­ров зерен, взаимодействием между ними, неопределенностью границ трещин, характером разрушения, видом раскрытия трещин и др. Для преодоления этого затруднения нужно знать морфологию и свойства зоны вытягивания [4]. С этой целью применяются стереографические наблюдения окрестностей зоны вытя­гивания трещин, которые заключаются в измерении профилей или стереосо­пряженных поверхностей излома образцов вблизи зоны вытягивания и фикса­ции кинематики продвижения микротрещины. Исследуя микрогеометрию уставших борозд и ямок, их глубину и линейные размеры, характер их распре­деления на различных участках излома, можно определить причины и место за­рождения, характер разрушения образца. Например, согласно [4], в работах Гриффитса и других исследователей утверждается, что хрупкое разрушение в металле реализуется не при номинальном напряжении, равном теоретической прочности _теор., а при значительно меньшем. Но чтобы возникало разруше­ние, напряжение все же должно достичь теоретической прочности. В остром конце трещины возникает напряжение, равное теоретической прочности и, как следствие, реализуется хрупкое разрушение в локализованной зоне. Согласно исследованиям Инглиса, напряжение в вершине трещины ( ) определяется уравнением:

,

где – нормальное напряжение; – геометрический показатель тре­щины (l – длина, r – острота) или иначе – коэффициент Инглиса. Чтобы определить прочность на хрупкость , нужно , оно составляет 20000 Н/мм, разделить на геометрический показатель трещины: .

Другой подход предусматривает использование, в качестве основной количественной характеристики, зоны вытягивания, ее высоту h и ширину F.

Экспериментально установлены тесные корреляционные зависимости между раскрытием трещины , высотой зоны вытягивания и коэффициентом вязкости разрушения . Связь между высотой зоны вытягивания, критическим раскрытием трещины ( ) и производной величиной ( / ), применяется в такой форме [4]:

, (1)

где Е - модуль Юнга; - предел текучести; с - постоянная; - коэффи­циент интенсивности напряжения.

Уравнение (1) можно использовать для экспертной оценки трещиностойкости по высоте зоны вытягивания (h).

Как отмечено в [4], значение коэффициента критической интенсивности напряжения определяется по формуле:

(2)

Когда нет возможности измерять параметр h, то осуществляется экспертная оценка трещиностойкости по ширине зоны вытягивания:

где .

Параметр , который определяется как F/h, характеризует форму зоны вы­тягивания.

Для экспериментальной проверки такого подхода нами были взяты данные цифровой модели микрорельефа ямочной поверхности излома образцов чугунных труб (Д_y = 300 мм). В проверке использовалось 15 величин h_c, имевших среднюю глубину 9,8 мкм. По данным эксперимента: Е=116 ГПа,  = 462 МПа и К_1c = 15,96 МПа. Полученный результат хорошо согласуется с литера­турными данными [4], где К_1с = 16,28 МПа.

Анализ технического состояния оборудования повышающих насосных станций (ПНС) в системах водоснабжения показал исчерпанность ресурса большинства насосных агрегатов, несоответствие их гидравлическим параметрам эксплуатируемых систем, слишком высокое энергопотребление (которое обусловлено в основном низким КПД насосных агрегатов), а регулирование работы насосного оборудования ПНС (включение/выключение насосов) осуществляется вручную в дискретном режиме, что приводит к возникновению дополнительных затрат электроэнергии и уменьшает срок эксплуатации электрооборудования.

Исходя из этого, одним из актуальных направлений, внедряемых нами совместно с эксплуатирующими предприятиями, по модернизации насосного оборудования в системах холодного и горячего водоснабжения Луцка, является исследование работы и проектирование реконструкции ПНС многоквартирных жилых домов, для обеспечения круглосуточной подачи воды требуемого давления. Считаем перспективным внедрение инновационного оборудования: насосных установок с преобразователями частоты (с заменой существующих насосов) или преобразователей частоты с векторным управлением (без замены существующих насосов). Такая водопроводная насосная станция автоматически поддерживает заданное давление в напорном трубопроводе и не требует постоянного обслуживания. Первый вариант (достигается 30-50% снижения потребления электроэнергии) обходится дороже, чем второй (достигается 15-30% снижения потребления электроэнергии), но он более энергоэкономный (ориентировочно в 2 раза), а значит более привлекателен для инвестирования. Поэтому, предпочтительнее, по возможности, ПНС с преобразователями частоты (с заменой существующих насосов). С учётом этого, проведены мероприятия (всего 7) для установок ПНС подачи холодной питьевой воды на преимуще­ственно 9-ти этажные жилые дома. На основании выполненных исследований, а также опыта эксплуатации аналогичного оборудования в КП «Луцкводоканал», принимались решения по подбору насосного оборудования комплектной насосной станции производства Wilo (Германия) или других.

Результат одного из уже реализованных проектов для 72-квартирного дома представлен на рисунке 1. В данном случае предусмотрена модернизация за счет установки новой ПНС производства Wilo, состоящей из оборудования блочного типа с блоком частотного регулирования и автоматического управления суточным режимом работы. Использованные в этом и других проектах данные основаны на результатах наших обследований и расчетов, а также технической и экономической информации, предоставленной специалистами КП «Луцкводоканал». Учитывая однотипность домов, время максимального и минимального водопользования для них практически совпадало.

Рисунок 1 – Модернизированная ПНС для жилого 9-этажного дома

Потребность в воде составляла: максимальная 1-2 м³/час, минимальная 0,31-0,43 м³/час. Значения максимального/минимального напора на входе в ПНС: 25/10 м.в.с. при максимально допустимом / минимально достаточном напоре на выходе из ПНС 40/30 м.в.с. Такие же ПНС можно внедрять на объектах с аналогичным насосным оборудованием систем горячего водоснабжения. В среднем, в результате реализации подобных проектов достигается 20-50% снижения потребления электроэнергии.

Проведенный нами анализ технико-экономического состояния теплосетей Луцка показал основные направления их энергоэффективной модернизации: в котельном хозяйстве – замена горелок на котлах средней и большой мощности на автоматизированные (в 15 котельных – современных автоматизированных газогорелочных устройств на 43 котлах типов ТВГ, КВГ, ДЕ, ДКВР и КГВМ); замена котлов малой мощности типа НИИСТУ (54 котлов на 20 котельных); ликвидация подвальных и нерентабельных котельных (около 45 устаревших и малоэффективных котлов НИИСТУ, насосов); строительство для ГКП «Луцктепло» новых блочных котельных (БТК) для теплоснабжения потребителей без поставки покупного тепла (не менее 2 шт.); в тепловых пунктах – модернизация ЦТП, устройство, переоборудование индивидуальных тепловых пунктов (ИТП) в жилых домах (замена в 23 ЦТП кожухотрубных теплообменников на пластинчатые и установка автоматизированных систем регулирования; установка в ИТП жилых домов пластинчатых теплообменников для передачи теплоты от системы теплоснабжения к внутридомовой системе горячего водоснабжения, а также внедрение погодного регулятора управления контуром системы центрального отопления в автоматическом режиме и автоматического регулирования температуры воды системы горячего водоснабжения с помощью регулирующего клапана с электроприводом и электронного регулятора); в теплосетях – замена труб в наружных теплосетях на предварительно теплоизолированные пенополиуретаном (ППУ). Проведение модернизации теплосетей должно проводиться поэтапно (за 10-15 лет) – от реконструкции до формирования естественной составляющей новой инженерно-транспортной инфраструктуры города.

Выводы

В сложившейся экономической ситуации существования большинства украинских и российских предприятий, эксплуатирующих городские сети тепло- и водоснабжения, им не хватает своих денежных ресурсов на активную ресурсосберегающую и энергоэффективную модернизацию сетей, в связи с чем необходима поддержка на местном и государственном уровнях, а также с активным использованием возможностей разных инвестиционных проектов.

Приведенный пример применения некоторых принципов фрактальности к механике разрушения поверхности металлических трубопроводов с помощью методики оценки развития поверхностных микротрещин, позволяет получить дополнительную информацию для контроля и прогнозирования интенсивности изнашивания рабочих поверхностей трубопроводов, что важно, например, при поэтапной замене трубопроводов городских систем тепло- и водоснабжения.

К перспективным направлениям модернизации ПНС в системах тепло- и водоснабжения (с 15-50% экономии электроэнергии) относится внедрение насосных установок с преобразователями частоты (с заменой существующих насосов) или преобразователей частоты с векторным управлением (без замены существующих насосов).

Основные направления энергоэффективной модернизации теплосетей Луцка: замена горелок на котлах средней и большой мощности на автоматизированные; замена котлов малой мощности (типа НИИСТУ); ликвидация подвальных и нерентабельных котельных; строительство БТК для теплоснабжения без поставки покупного тепла; модернизация ЦТП и устройство в жилых домах ИТП; замена труб в трубопроводах наружных теплосетей на трубы в ППУ-теплоизоляции. Модернизация должна проводиться поэтапно (за 10-15 лет).

Литература

1. Божидарнік В. В. Аналіз сучасного стану генерального планування міст. [Текст]. / В. В. Божидарнік // Містобудування та територіальне планування: наук.-техн. зб. – К: КНУБА, 2011. - Вип. 40. – Ч 1. – С. 6-12.

2. Божидарнік В. В. Діагностування руйнування скловолоконних композитів методом акустичної емісії: Монографія. [Текст]. / В. В. Божидарнік, В. Р. Скальський, Ю. Я. Матвіїв. – Київ: Наукова думка, 2012. – 256 с.

3. Генеральний план м. Луцьк. [Текст]. Український державний науково-дослідний інститут проектування міст «ДІПРОМІСТО», Київ, 2008.

4. Мельник В. М., Шостак А. В., Кількісна стереомікрофрактографія. Монографія [Текст]. – Луцьк: ПВД «Твердиня», 2010. - 460 с.

5. Мельник Ю.А. Методика количественного морфологического анализа пористости неоднородной полидисперсной системы [Текст] / Ю.А. Мельник, А. В. Шостак // Новые материалы, оборудование и технологии в промышленности: материалы междунар. науч.-техн. конф. молодых учёных (Могилёв, 30-31 октября 2012 г.) - Могилев: Белорус.-Рос. ун-т, 2012. – С.29.

6. Мельник Ю.А. Стереометрический анализ микроструктуры твердых тел [Текст] / Ю.А. Мельник // Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии: материалы междунар. науч.-техн. конф.: в 2 ч.; гл. ред. И.С. Сазонов (Могилёв, 19-20 апреля 2012 г.) - Белорус.-Рос. ун-т, 2012. – Ч. 1. – С. 85-87.

7. Синій С. В. Оцінка стану теплопостачання міста Луцька. [Текст]. / С.В. Синій, П.О. Сунак, О. В. Мельник, Р. І. Тарасюк // Містобудування та територіальне планування: наук.-техн. зб. – К: КНУБА, 2009. - Вип. 33. – С. 413-422.

8. Синій С.В. Оцінка стану та перспективні заходи водопостачання і водовідведення міста Луцька [Текст]. / С.В. Синій, А.В. Шостак, П.О. Сунак // Енергозбереження у міському будівництві та житлово-комунальній сфері: зб. доповідей наук.-практ. конф. Одеса, 7-8 квітня 2011 р. –ОДАБА, 2011. – С. 92-95.

9. Широков В. В. Прецизійне профілометрування та можливості мультифрактального аналізу гетерогенних поверхонь тертя [Текст]. / В. В. Широков, А. В. Шостак, Л. А. Арендар // Містобудування та територіальне планування: наук.-техн. зб. – К: КНУБА, 2011. - Вип. 40. – Ч 1. – С. 6-12.