Принципы оптимизации при проектировании разводящих трубопроводов

Б. Боом, доктор техн. наук, отделение инженерной механики Датского технического университета,

Х. Кристенсен, консультант, отдел энергетики, Carl Bro A/S

Тепловые потери и потребность в ресурсах на традиционных и совместно изолированных трубопроводах*

Недавно полученная информация об экономии энергии на сдвоенных трубопроводах в сравнении с парой отдельно изолированных труб может поначалу ввести в заблуждение. Классы изоляции этих двух основных типов трубопроводов сравнивать невозможно из-за различий геометрии поперечных сечений изоляционного слоя. Для сравнения тепловых потерь при применении тех и других основных систем трубопроводов следует учитывать затраты и выгоды как в том, так и в другом случаях. Выгоды – это экономия от сокращения тепловых потерь, а затраты – это ресурсы, использованные для производства и установки.

Оценка эффективности в данном случае выполняется на модели, включающей множество переменных величин регрессии материальных ресурсов и трудовых затрат, также как цены и объема инвестиций. Составляя модель применения систем с одиночным или сдвоенным трубопроводами, во внимание принимают различные варианты затрат на стыки и комплектующие в комплексе с геометрией сети.

Экономия, получаемая при применении сдвоенных трубопроводов (рабочие трубы одинакового размера)

На рис. 1 для сравнения представлены две системы одиночных трубопроводов типа РЕХ 20 мм с тремя системами сдвоенных трубопроводов типа РЕХ 20 мм. Каждая из пяти систем имеет определенный диапазон диаметров оболочки, и каждая система представлена соответствующей кривой. Все трубопроводы имеют одинаковую пропускную способность и температуры, соответственно 70, 30 и 8 °С (подающий, обратный, грунт).

Кривые показывают, что увеличение размера оболочки ведет к снижению потерь теплоты, но ее снижение становится менее значительным по мере увеличения размеров оболочки, в то время как удельные затраты растут по мере увеличения размера оболочки.

Таким образом устанавливается предел эффективности возможного увеличения слоя изоляции для каждой системы.

Первые две системы одиночных трубопроводов, изображенные в верхней части рис. 1, включают стандартное изоляционное покрытие на обеих рабочих трубах, в то время как вторая система имеет дополнительный изоляционный слой на прямом трубопроводе. При этом полученная экономия будет больше10 %, что показано соответствующей кривой (кривая зеленого цвета). Однако одновременно кривая устремляется вправо, что связано с ростом требуемых удельных затрат, ограничивая объем чистой экономии, которая сводится к незначительному уровню, как это показано на рисунке, так как обе кривые практически совпадают.

Рисунок 1. Тепловые потери и материальные затраты для пяти систем трубопроводов. Одиночные системы: оболочки 2 х 66, 77, 90, 110, 125 мм. Сдвоенные системы: оболочки 1 х 77, 90, 110, 125, 140 мм

Короткая кривая на рис. 1 построена для серийной сдвоенной рабочей трубы РЕХ 20 мм с размером оболочек 90 и 110 мм соответственно. В обоих вариантах рабочие трубы расположены с одинаковым зазором, равным 19 мм. Стандартно зазор между рабочими трубами выдерживается насколько возможно большим. Более универсальный вариант сдвоенного рабочего трубопровода с общим диапазоном диаметров оболочек представлен кривой синего цвета (см. рис. 1). Здесь величина зазора регулируется с учетом зависимости относительного коэффициента тепловых потерь тепловых потоков от схемы размещения рабочих труб внутри изоляции. В данных системах соответствующая геометрия поперечного сечения поддерживается постоянной при различных диаметрах оболочек и относительной толщине трех слоев изоляции в пределах 35 + 30 + 35 % (зазор со стороны обратного трубопровода, зазор рабочего трубопровода, зазор со стороны подающего трубопровода).

Из сравнения кривых сдвоенного и одиночного трубопроводов можно сделать вывод, что сдвоенный трубопровод при грубом приближении дает 40 % экономии за счет снижения тепловых потерь (РЕХ 20 мм). Однако экономия, полученная в результате увеличения диаметров оболочек, может довольно резко снизиться в случае применения сдвоенных трубопроводов из-за геометрии поперечного сечения. В промышленных условиях возможные ограничения размеров оболочек могут сильно снизить величину экономии по сравнению с указанной выше. Но такое снижение экономии трансформируется в экономию инвестиций.

Самая нижняя кривая на рис. 1 представляет сдвоенный трубопровод с асимметрично размещенным изоляционным слоем: более толстый слой изоляции – на горячей подающей трубе; такая компоновка достигается путем размещения рабочих труб внутри оболочки таким образом, чтобы относительная толщина трех слоев изоляции составила 25 + 20+ 55 % (зазор со стороны обратной трубы, внутренний промежуточный зазор, зазор со стороны подающей трубы). По рисунку понятно, что дополнительная экономия составит около 10 %. В целом это почти соответствует классу изоляции (диаметр оболочки). Величина этой экономии не зависит от диаметра изоляции.

Еще один аргумент в пользу асимметричной изоляции в сдвоенных трубах – большая часть экономии получается от снижения тепловых потерь на обратной трубе (до 80 %). Экономия на подающей трубе ограничена величиной, составляющей около 30 %, но даже при этом суммарный объем полученной экономии составит 40 %. В случае с разводящими трубопроводами температурные потери весьма значительны, часто они составляют 2–3 °С. Это еще раз говорит в пользу применения асимметричной изоляции сдвоенных труб.

Экономия, получаемая на двойных трубопроводах (различные размеры рабочих труб)

Существует другой метод снижения тепловых потерь в подающем трубопроводе. Он заключается в уменьшении размера (диаметра) подающей трубы, но таким образом, что наиболее важный изоляционный слой, ближайший к подающей рабочей трубе, выполняется более толстым. Затраты на производство и прокладку остаются на том же уровне, но количество воды, транспортируемое через эту пару труб, будет меньше. Общую картину сравнения для разных диаметров дает рис. 2. Обследование проводилось сначала на трубопроводе РЕХ 20 мм, а затем на других трубопроводах с меньшими диаметрами рабочих труб, что дало возможность увидеть получаемый эффект. Результирующие кривые тепловых потерь и пропускной способности труб можно видеть на рис. 2, где представлены три группы двойных трубопроводов: первая группа с рабочими трубами одного диаметра (сдвоенный трубопровод); следующая группа – двойной трубопровод с подающей трубой на один размер меньше обратной трубы, т. е.18/20, 16/18 мм и т. д. (подающая/обратная); третья группа – подающая труба на два размера меньше обратной (16/20, 14/18).

Рисунок 2. Тепловые потери для различных вариантов систем трубопроводов

Сравнительный анализ трех кривых позволяет сделать вывод: принцип использования рабочих труб разного диаметра не дает какой-либо ощутимой экономии, только небольшой процент и в случае использования трубопроводов небольшого диаметра. Однако из рис. 2 видно, что при применении такой комбинации, когда двойные трубопроводы используются совместно со сдвоенными, появляется более благоприятная возможность наладить потоки в трубопроводах, и это может дать экономию в отдельных случаях до 8–10 %, что в среднем составит 4 % для большей части разводящих трубопроводов. Такая возможность получить «дешевую» экономию не должна быть упущена.

В пользу применения подающих рабочих труб небольших диаметров, особенно когда это касается разводящих трубопроводов, говорит то, что экономия за счет сокращения потерь теплоты в подающем трубопроводе ведет к меньшему снижению температуры теплоносителя. А на критичных (аварийных) участках сети экономия за счет снижения температурных потерь позволяет транспортировать в подающем трубопроводе от источника теплоты воду с более низкой температурой, что также ведет к снижению тепловых потерь во всей сети.

Температурные (тепловые) потери могут быть критичными в ситуациях, когда мы имеем неравномерную нагрузку, например, использование горячей воды для бытовых нужд.

Теплоты теряется меньше, когда трубы охлаждаются в ночное время в связи со снижением потребления воды; подающий трубопровод меньшего диаметра позволяет горячей сетевой воде быстрее дойти до потребителя (т. е. утром, когда она транспортируется по ранее охлажденной разводящей трубе). Тем не менее, это не верно, что малые диаметры трубопровода дают возможность снизить потери температуры благодаря большей скорости воды в статических условиях. Причина в том, что в трубопроводах меньшего диаметра находится меньшее количество воды, т. е. меньший объем воды охлаждается, эти два геометрических фактора имеют общее происхождение и уравновешивают один другого. Следовательно, экономия на статической температуре при применении трубопроводов меньшего диаметра возможна только благодаря экономии за счет снижения тепловых потерь.

Все вышесказанное подводит к важному выводу – если даже, на первый взгляд, двойные трубы не имеют никаких преимуществ перед сдвоенными (рассматривается случай с малыми размерами трубопроводов), экономия достигается посредством множества косвенных воздействий. Асимметрично изолированный двойной трубопровод, что подразумевает разные диаметры труб, может рассматриваться как более энергоэффективный вариант по сравнению с применением симмет-рично изолированного сдвоенного трубопровода.

Однако существует еще один тип трубопроводов со значительным энергосберегающим потенциалом – это строенный трубопровод. Схема такого трубопровода представлена на рис. 2 одной точкой, т. е. рассматривался только один вариант с тремя рядом лежащими трубами разного диаметра. Строенный трубопровод объединяет в себе преимущества трубопровода большого и малого диаметров, соответственно обеспечивает достаточную пропускную способность и дает возможность снизить тепловые потери на подающем трубопроводе. Выполнение этих преимуществ обеспечивается конфигурацией трубопровода, включающей два подающих трубопровода вместо одного. При этом подающие трубопроводы имеют разные диаметры и каждый из них – меньшего размера, чем диаметр обратного трубопровода. В основном эксплуатируется только подающий трубопровод меньшего диаметра, а подающий трубопровод большего размера открывается в периоды пиковой нагрузки, т. е. служит в качестве резервного; при этом мы как бы получаем конфигурацию трубопровода с трубами меньшего диаметра, обеспечивающего экономию за счет снижения тепловых потерь. Из рис. 2 видно, что строенный трубопровод имеет наименьшие тепловые потери по сравнению с другими конфигурациями. Однако эти данные, когда в работе находится только один подающий трубопровод меньшего диаметра, а эксплуатация резервного занимает только 2–4 % от времени работы всей системы, нельзя принимать как верные. Таким образом, средняя величина тепловых потерь несколько повысится. Более того, необходимо принимать во внимание эксплуатационный режим в динамике. Сравнительно простые замеры, проведенные на месте на работающем строенном трубопроводе, показали, что может быть получен значительный уровень экономии. Необходимо отметить, что строенные трубопроводы не могут применяться для всех типов потребительских установок. Кроме того, сооружение такого трубопровода ставит определенные требования к принципиальным проектным решениям установки на стороне потребителя.

Тепловой обмен между двумя рабочими трубами и влияние температуры обратной воды

В случае с обратным трубопроводом тепловые потери рассчитываются по следующей формуле:

q_r = (U_1r - U₂)(T_r - T_g) - U₂(T_f - T_r),

где U_1r и U₂ – коэффициенты тепловых потерь, а  Т_f, Т_г, Т_g – температуры в подающем трубопроводе, в обратном трубопроводе и в ненарушенном грунте соответственно.

U_1r – тепловой поток от обратного трубопровода (при отсутствии подающего трубопровода), a U₂ – тепловой поток от подающего трубопровода к обратному.

Величина U₂ зависит от расстояния между двумя рабочими трубопроводами, а также от теплопроводности изоляционного материала.

При грубом приближении в качестве значений двух коэффициентов тепловых потерь могут быть представлены следующие величины (рассматривается случай с малыми диаметрами труб):

– для медных сдвоенных труб: U₂ / U₁ = 45–50 %;

– для канальной прокладки (ячеистый бетон): U₂ / U₁ = 35–50 % в зависимости от содержания влаги;

– для сдвоенных труб типа РЕХ: U₂ / U₁ = 25 %;

– для одиночных изолированных труб: U₂ / U₁ = 3 %.

Это значит, что тепловой поток от подающего трубопровода к обратному будет относительно большим в случае со сдвоенными трубопроводами, чем с одиночными. Также большим он будет и в случае со сдвоенными медными трубами в отличие от случая с применением сдвоенных РЕХ труб (традиционно в сдвоенных медных трубах расстояние между рабочими трубами делается меньше).

Чтобы проиллюстрировать объем теплового потока от подающего трубопровода к обратному, рассмотрим пример со сдвоенным трубопроводом типа РЕХ 20, 20, 90 мм (соответственно подающий, обратный, оболочка).

На рис. 3 показана величина тепловых потерь в условиях изменения расстояния между рабочими трубами от 0 до 46 мм. При значении 46 мм рабочие трубы касаются внутренней стороны обсадной трубы (оболочки).

Рисунок 3. Влияние расстояния между рабочими трубопроводами на величину тепловых потерь в сдвоенном трубопроводе 20, 20, 90 мм

Суммарная величина тепловых потерь и тепловые потери от обратного трубопровода увеличиваются с увеличением расстояния между рабочими трубами. Если расстояние между рабочими трубами более 10 мм, мы имеем положительную величину тепловых потерь в обратном трубопроводе, это означает, что нет подогрева обратной воды. Суммарная величина тепловых потерь минимизируется посредством уменьшения расстояния между рабочими трубопроводами. Но обычно эта задача невыполнима, т. к. тепловой поток от подающего к обратному трубопроводу больше, что вызывает ненужное падение температуры в подающем трубопроводе и подъем температуры в обратном.

Настоящие расчеты сделаны для коэффициента теплопроводности 0,028 Вт/(м•К). На сегодняшний день на рынке представлена ППУ-изоляция, обладающая более высокими качествами; она способна снижать все тепловые потоки, включая теплообмен между рабочими трубопроводами.

В Дании сдвоенные трубы небольшого диаметра очень часто выполняются с зазором между ними в 19 мм. На рис. 4 показана зависимость тепловых потоков от различных температур теплоносителя в обратном трубопроводе при условии, что температура воды в подающем трубопроводе постоянна. Объем тепловых потерь в обратном трубопроводе равен величине тепловых потерь от обратного трубопровода в окружающее пространство за вычетом тепла, поступившего от подающего трубопровода. Из рис. 4 видно, что если температура обратной воды остается выше 23 °С, то «вклад» теплоты от подающего трубопровода меньше, чем величина тепловых потерь от обратного трубопровода в окружающее пространство. Следовательно, повышения температуры в обратном трубопроводе не будет.

Рисунок 4. Зависимость тепловых потерь от температуры теплоносителя в обратном трубопроводе при постоянной температуре подающего трубопровода 70 °С

В целом, температура обратной сетевой воды в системах централизованного теплоснабжения держится в диапазоне 30–50 °С в зависимости от нагрузки, характера потребителей и т. д. Однако, что касается разводящих трубопроводов, изменения температуры обратной воды могут быть более значительными. При обследовании предприятия Nykebing Falster в рамках проекта, выполняемого при спонсорской поддержке Датской ассоциации централизованного теплоснабжения, были сделаны замеры на разводящих трубопроводах. Результаты проведенной работы показали, что периодически температура обратной воды снижалась до 25–30 °С в связи с разбором горячей воды на бытовые нужды.

Можно сделать вывод, что сетевая вода в обратном трубопроводе, выполненном в сдвоенном варианте типа РЕХ, в общем случае не подогревается сетевой водой из прямого трубопровода.

Заключение

Новые альтернативные методы проектирования разводящих трубопроводов, включая комбинацию совместного изолирования с асимметрией расположения труб и применения двух или трех труб разного диаметра, имеют, в отличие от традиционного метода применения пары трубопроводов, значительный энергосберегающий потенциал. Величина экономии при приблизительном подсчете может составлять до 50 %. В целом подогрев воды в обратном трубопроводе – не проблема. Полученные результаты весьма важны в практическом применении в связи с постоянным увеличением тепловых нагрузок и ростом цен на энергоносители.

Литература

1. B. B0hm, H. Kristjansson. Одиночные, сдвоенные и строенные сетевые трубопроводы подземной прокладки: потенциал энергосбережения за счет снижения тепловых потерь и затрат // Международный журнал энергетических исследований (International Journal of Energy Research). 2005. 29: 1301–1312.

2. H. Kristjansson и др. Fjernvarmeforsyning af lavenergiomrader (Подача централизованного тепла в районы с низкой тепловой нагрузкой). EFP 2001. «Carl Bro» AS, Датский технический университет, 2004.

*Одиночный трубопровод – пара рабочих труб, изолированных отдельно.
Сдвоенный трубопровод – пара рабочих труб одинакового размера, изолированных совместно.
Двойной трубопровод – пара рабочих труб разного размера, изолированных совместно.
Строенный трубопровод – три рабочих трубы с общей изоляцией: два подающих и один обратный.
Асимметричная изоляция – более мощный изоляционный слой накладывается на подающий рабочий трубопровод, обратный трубопровод имеет облегченную изоляцию. Такой метод применяется для всех выше упомянутых типов трубопроводов.