Надежность теплоснабжения
Под надежностью системы центрального теплоснабжения следует понимать способность системы в целом и каждой ее частей (источника теплоснабжения, магистральных и распределительных сетей, потребляющих теплоустановок) обеспечивать при условии выполнения
эксплуатационного обслуживания подачу теплоты (теплоносителя) в требуемый период, в заданных количествах и режимах.
Надежность является комплексной характеристикой, состоящей из более простых свойств, таких, как безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость.
Потребители теплоты по надежности теплоснабжения делятся на три категории.
Первая категория — потребители, не допускающие перерывов в подаче расчетного количества теплоты и снижений в помещениях температуры воздуха ниже предусмотренной ГОСТ 30494. Это, например, больницы, родильные дома, детские дошкольные учреждения с круглосуточным пребыванием детей, химические и специальные производства и т. п.
Вторая категория — потребители, допускающие снижение температуры в отапливаемых помещениях на период ликвидации аварии, но не более чем на 54 ч:
— в жилых и общественных зданиях — до 12°С;
— в промышленных зданиях — до 8°С.
Третья категория — остальные потребители.
В технике свойства надежности регламентированы ГОСТ 27.002-83 «Надежность в технике. Термины и определения».
Под надежностью тепловых сетей понимается их способность обеспечивать потребителей необходимым количеством теплоносителя при заданном его качестве, оставаясь в течение требуемого срока (25—30 лет) в полностью работоспособном состоянии при сохранении проектных технико-экономических показателей (абсолютных и удельных потерь теплоты, удельной пропускной способности и др.). Уровень надежности систем теплоснабжения должен закладываться еще на стадии разработки и проектирования, а затем реализовываться при эксплуатации. Надежность тепловых сетей характеризуется следующими показателями: вероятностью безотказной работы (P), коэффициентами готовности (Kг) и живучести (Ж).
Расчет показателей надежности системы должен производится с учетом каждого потребителя.
Минимально допустимые показатели вероятности безотказной работы имеют такие значения:
источники теплоты Рист = 0,97
тепловые сети Рт.с = 0,9
потребители теплоты Рп.т = 0,99
системы теплоснабжения Рс.т = 0,9 ⋅ 0,97 ⋅ 0,99 = 0,86
в целом
Заказчик вправе устанавливать в техническом задании на проектирование более высокие показатели.
Готовность системы к исправной работе следует определять по числу ожидания: источника теплоты, тепловых сетей, потребителей теплоты, а также числу нерасчетных температур наружного воздуха в данной местности.
Минимально допустимый показатель готовности систем теплоснабжения Kг принимается равным 0,97.
Показатели надежности теплоснабжения на уровне потребителей теплоты должны соответствовать нормируемым санитарно-гигиеническими правилами и требованиями СНиП значениям внутренней температуры в отапливаемых помещениях, а также значениям температуры горячей воды для бытовых и коммунальных нужд.
В процессе эксплуатации необходимо контролировать надежность систем в отношении обеспечения следующих параметров:
— допустимых отклонений от нормы температур воздуха внутри отапливаемых помещений и воды в системе горячего водоснабжения;
— допустимой продолжительности указанных отклонений при нарушениях в работе системы теплоснабжения;
— допустимой суммарной продолжительности нарушений в работе системы в течение заданного периода (например, года).
Для расчета времени, в течение которого температура внутри отапливаемого помещения может понизиться до нормируемого санитарными правилами минимального уровня, можно использовать зависимость, предложенную Е.Я. Соколовым:
где z — период нарушения нормального теплового режима, ч; tв — температура, устанавливающаяся внутри помещения через время z после нарушения нормального теплового режима, град.С; t′ в — температура в помещении в момент нарушения нормального теплового режима, град.С; tн — средняя температура наружного воздуха за период нарушения теплового режима, град.С; Q0 — теплота, подающаяся в помещение, Дж/ч; q0V — удельные расчетные потери тепла здания, Дж/(ч ⋅ град.С); β — коэффициент аккумуляции здания, ч.
Для конкретного здания коэффициент аккумуляции является постоянной величиной. Используя справочные данные об аккумулирующей способности зданий и тепловые характеристики отопительных установок, можно определить допустимые значения и продолжительность отклонений параметров теплоносителя (температуры сетевой воды в подающем трубопроводе), а также расход теплоносителя в системе теплоснабжения.
Следует принять во внимание, что указанные параметры должны определяться для каждого отапливаемого здания в зависимости от назначения и аккумулирующей способности данного здания и ограждающих конструкций. Поэтому целесообразно в процессе эксплуатации создавать банк данных теплотехнических характеристик отапливаемых зданий, в том числе, коэффициентов аккумуляции. Знание этих коэффициентов очень важно при решении многих практических задач, таких, например, как прогнозирование динамики изменения внутренней температуры отапливаемых зданий при изменении параметров теплоносителя в тепловой сети при нестационарных режимах работы систем теплоснабжения. Количественно состояние надежности тепловых сетей оценивается по значению показателя отказов λ, (км⋅год)–1. Этот показатель зависит от конструкции и качества изготовления теплопровода, влажности грунта, в котором проложен теплопровод, качества ремонтно-профилактических работ. В настоящее время поток отказов в тепловых сетях имеет большие значения:
1—2 (км⋅год)–1, в то время как рекомендуемые составляют 0,02—0,03 (км⋅год)–1, что соответствует, в среднем, одному отказу в год на 25—30 км длины сети.
Безотказность. Под безотказностью тепловых сетей понимают их способность сохранять рабочее состояние в течение заданного нормативного срока службы. Количественным показателем безотказности служит параметр потока отказов λ, определяемый как число отказов за год, отнесенное к единице (1 км) протяженности теплопроводов. Динамика изменения потока отказов во времени определяется зависимостью, предложенной Я.Е. Соколовым:
где t — срок действия теплоотвода, отсчитанный от года ввода в работу, год;
t0 — наработка на первый отказ, год;
tk — число лет после первого отказа, за которые поток отказов достигает значения λ = 1 – 1/e = 0,63 (км ⋅ год)–1. Параметры t0 и tk характеризуют надежность конструкции теплопровода при заданных условиях его сооружения. С увеличением t0 и tk снижается значение λ, и замедляется
темп роста потока отказов.
Долговечность. Под долговечностью участков тепловых сетей понимается свойство сохранять работоспособность до наступления предельного состояния, когда дальнейшее их использование недопустимо или экономически нецелесообразно.
Экономически целесообразный срок действия теплопровода, с учетом фактора надежности, определяется из условия, что годовые расчетные затраты при сооружении нового теплопровода равны или меньше ежегодных затрат на ликвидацию отказов действующего теплопровода.
Значение предельного потока отказов λпред, при котором экономически целесообразно сооружение нового теплопровода:
где Ен — нормативный коэффициент отчислений,
Ен = 0,12 год–1; f — доля ежегодных отчислений на амортизацию, текущий ремонт и общественные расходы (f = 0,075 год–1); kн — удельные капитальные затраты на сооружение нового теплопровода, руб/км; I — затраты на ликвидацию одного отказа, руб/отказ. Из приведенного выражения следует, что экономически целесообразный срок эксплуатации теплопровода зависит от начальных затрат на сооружение теплопровода kн, а также от значения и динамики изменения потоков отказов. В настоящее время при использовании компьютеров решение указанной задачи не представляет особых трудностей. Одна из задач эксплуатации тепловых сетей заключается в обнаружении и ликвидации разрывов и неплотностей в системе теплоснабжения. Утечки воды из сети восполняются умягченной, деаэрированной водой, а это требует дополнительных расходов. Одно из возможных мест утечек сетевой воды — водо-водяные подогреватели горячего водоснабжения, устанавливаемые на групповой подстанции или на абонентском вводе в закрытых системах теплоснабжения, а также отопительные водо-водяные подогреватели при независимой схеме присоединения отопительных установок.
Возникновение разрывов и неплотностей является одной из наиболее частых причин отказов и аварий в тепловых сетях.
Необходимо принимать меры к отысканию места утечки воды. Для этого в первую очередь проводится внешний осмотр сети. Параллельно на станции проводится проверка герметичности стационарной подогревательной установки (бойлерной). Если при внешнем осмотре сети и проверке герметичности подогревательной установки не удается обнаружить место утечки, то проводится детальная проверка герметичности путем поочередного отключения от сети отдельных абонентских систем и участков тепловой сети и наблюдение при этом за работой подпиточной установки. В последние годы разработаны и получили практическое применение электронно-акустические приборы для определения мест повреждений в подземных теплопроводах и водоводах. Особенность устройства заключается в способности обнаруживать участок с максимальной утечкой, после выявления которого определяются участки с меньшей утечкой. На рисунке приведена принципиальная схема системы дистанционного обнаружения
утечек, разработанная МЭИ.
При утечке сетевой воды на участке теплопровода между местом утечки и станцией возникает разность расходов воды ΔG = Gп – Gо в подающем и обратном трубопроводах. Эта разность устанавливается блоком 3 на основе импульсов, поступавших от измерителей расходов 1 и 2. Участок утечки, которому соответствует максимальное отношение утечки к расходу в подающем трубопроводе тепловой сети ΔG/Gп = max, определяется блоками 4. Сравнивая эти показатели, блок 5 устанавливает участок максимальной утечки и дает импульс на сигнализатор.
При этом очень важна точность измерения расходов сетевой воды.
Ремонтопригодность. Под ремонтопригодностью понимается способность к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния участков тепловых сетей путем обеспечения их ремонта с последующим вводом в эксплуатацию. Параметром, характеризующим ремонтопригодность теплопровода, служит время zp, необходимое для ликвидации повреждения.
Для предварительного определения параметра zp, ч, рекомендуется пользоваться зависимостью
zp = a [1 + (b + c l) d1,2],
где l — расстояние между секционными задвижками, м;
a,b, c — постоянные коэффициенты, зависящие от способа укладки теплопровода (подземный, надземный) и его конструкции, а также от уровня механизации ремонтных работ.
В условиях сельского хозяйства для теплоснабжения используется подземная укладка теплопроводов в непроходных каналах. В этом случае можно считать а = 6, b = 0,5, c = = 0,0015 м–1, и формула примет вид:
zp = 6[1 + (0,5 + 0,0015 l)d1,2].
На рисунке показана зависимость zp = f(l, d).
Рис. Время
восстановления поврежденной
секции теплопровода
Уменьшение расстояния l между секционными задвижка ми заметно снижает время восстановительного ремонта.
Сохраняемость. Под сохраняемостью тепловых сетей понимается их способность сохранять безотказность, долговечность и ремонтопригодность в течение срока консервации. Для обеспечения безотказности и сохраняемости следует предусмотреть систему резервирования теплоснабжения от смежных магистралей тепловой сети или от других источников.
Время za, в течение которого при полном выключении отопления внутренняя температура отапливаемых помещений снижается от расчетной величины t′в (обычно 18°С) до допустимого минимального предела tв (обычно 12—14°С) определяется по формуле:
Из условия zр ≤ za при относительном расходе теплоты Q– = 0 следует, что резервирование теплоснабжения необходимо при диаметре трубопроводов, составляющем:
где tн.о — расчетная температура наружного воздуха, град С.
При подземной прокладке теплопроводов в непроходных каналах и при коэффициенте аккумуляции отапливаемых зданий β = 60 ч
Для систематизации и обобщения параметров, характеризующих надежность тепловых сетей, в литературе предлагаются следующие качественные показатели (Е.Я. Соколов):
Относительная повреждаемость тепловых сетей
где Мот — материальная характеристика участков тепловой сети, выключенных из работы при аварии или отказе, м2;
nот — время вынужденного выключения участков сети, вызванное аварией или отказом и его устранением, ч;
ΣМn —произведение материальной характеристики тепловой сети данной системы теплоснабжения на плановую длительность ее работы за заданный период времени (обычно за год);
Относительный аварийный недоотпуск тепловой энергии:
где ΣQав — аварийный недоотпуск теплоты за год;
ΣQ —расчетный отпуск теплоты за год.
Необходимо заметить, что недоотпуск теплоты или аварийные ситуации означают не только дополнительные технические и экономические расходы, не только создание некомфортных условий для жильцов, но и приводят к негативным последствиям в экологическом отношении.
В процессе эксплуатации тепловая изоляция оборудования и трубопроводов должна соответствовать требованиям СНиП 41-03-2003.
При приеме тепловых сетей или после их ремонта в качестве расчетной температуры окружающей среды следует принимать следующие значения:
а) среднюю температуру за год — для трубопроводов тепловых сетей при круглогодичной работе;
б) среднюю за период со среднесуточной температурой наружного воздуха 8°С и ниже — для трубопроводов тепловых сетей, работающих только в отопительный период;
в) +20°С — для изолированных поверхностей, расположенных в помещении;
г) +40°С — для трубопроводов, расположенных в туннелях;
д) среднюю за год температуру грунта на глубине залегания оси трубопроводов — при подземной прокладке в каналах или бесканальной прокладке трубопроводов;
е) +50°С — для обратных трубопроводов водяных сетей.
При величине заглубления менее 0,7 м за расчетную температуру окружающей среды должна приниматься та же температура наружного воздуха, что и при надземной прокладке.
В качестве расчетной температуры теплоносителя для подающего трубопровода водяных тепловых сетей следует принимать: при количественном регулировании — максимальную расчетную температуру теплоносителя; при качественном регулировании — в соответствии со следующими данными:
Температурные режимы
водяных тепловых сетей, град.С 50—70 150—70 180—70
Расчетная температура
теплоносителя, град.С 65 90 110