Вопросы для самопроверки по разделу 8

1. Перечислите задачи гидравлического расчёта тепловых сетей.

2. Напишите и охарактеризуйте составляющие выражения для полного напора жидкости в трубопроводе (следствие уравнения Бернулли).

3. Формула для расчёта линейных потерь давления и зависимость их от режима течения (ламинарного, переходного и турбулентного) в гладких трубах.

4. Влияние шероховатости труб на линейные потери давления в зависимости от числа Re.

5. Совместное решение каких уравнений дает выражения для расчёта предельных значений Re и скорости движения теплоносителя в трубах? Почему они предельные?

6. Формула для расчёта потерь давления в местных сопротивлениях.

7. Как определяются суммарные потери давления на участке трубопровода?

8. Назначение и требования к построению пьезометрического графика.

9. Перечислите задачи теплого расчёта теплопроводов.

10. Расчёт термического сопротивления и линейной плотности теплового потока однотрубного теплопровода надземной прокладки.

11. Расчёт термического сопротивления и линейной плотности теплового потока двухтрубного теплопровода канальной прокладки.

12. Расчёт термического сопротивления и линейной плотности теплового потока двухтрубного теплопровода бесканальной прокладки.

13. Расчёт снижения температуры сетевой воды или пара в теплопроводе.

14. Расчёт выпадения конденсата в паропроводе.

15. Использование СНиП 41-03-2003 при расчёте теплопроводов.

16. Перечислите задачи расчёта трубопровода на прочность.

17. Зависимость допускаемого напряжения в трубопроводе от температуры теплоносителя в тепловых сетях.

18. Расчёт необходимой толщины стенки трубопровода.

19. Выбор пролёта между свободными опорами.

20. Определение нагрузок на неподвижные опоры.

21. Каков уровень напряжения в защемлённом прямолинейном участке в расчётных условиях?

22. Что понимают под самокомпенсирующимся трубопроводом.

Раздел 9. Эксплуатация систем теплоснабжения предприятий

Изучая материалы этого раздела, следует понять, что грамотное проектировании систем теплоснабжения зависит от обязательного учёта факторов, определяющих надёжность и качество теплоснабжения. Следовательно, основное внимание следует обратить на показатели надёжности теплоснабжения и существующие методы их количественной оценки, а также на комплекс регламентных работ (испытаний) по оценке эксплуатационного состояния тепловых сетей.

9.1. Надёжность и качество теплоснабжения

От безаварийной эксплуатации современных систем централизованного теплоснабжения (СЦТ) зависит комфортность и безопасность труда и отдыха, уровень заболеваемости работников предприятий и населения жилых районов, уровень затрат на восстановление нормативных характеристик оборудования ИТ, ТС и ТПС при возникновении аварийных ситуаций и т.д. Поэтому при проектировании и эксплуатации СЦТ большое внимание уделяется обеспечению их надёжности.

Под надёжностью в технике понимается свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования (ГОСТ 27.002-89. Надёжность в технике. Основные понятия). В соответствии с этим определением надёжность СЦТ представляет собой способность системы и её составляющих обеспечивать в течение заданного времени требуемые режимы, параметры и качество теплоснабжения потребителей (СНиП 41-02-2003, п.6-27).

Следовательно, в количественной оценке надёжности СЦТ необходимо учитывать:

1. Допустимые границы отклонения от нормативного значения температуры воздуха внутри отапливаемых помещений и температуры горячей воды в системах ГВС.

2. Допустимую продолжительность этих отклонений при нарушении в работе одной или нескольких частей СЦТ.

3. Допустимую интегральную продолжительность таких нарушений в работе основных частей СЦТ в течение заданного периода (например, года).

Ключевые параметры (нормативные и минимально допустимые) определяются комфортными условиями труда и отдыха людей, а также опасностью для их здоровья временного переохлаждения. Эти условия устанавливаются врачами-гигиенистами. Продолжительности периода снижения температуры внутри отапливаемых помещений от нормативного до минимально допустимого уровня, установленных врачами-гигиенистами, можно оценить, используя приближённую формулу Е.Я. Соколова

t_в = t_н + Q_о/ (q_оV) + [t'_в - t_н - Q_о/(q_оV)]/e^z/β, (9.1)

где t_в – температура внутреннего воздуха, которая установится в помещении через время z (ч) после нарушения нормального теплового режима, °С; t'_в – то же в помещении перед нарушением нормального теплового режима, °С; t_н – средняя температура наружного воздуха за время z, °С; Q_о – поступление теплоты в помещение, Дж/ч; q_оV – удельные расчётные теплопотери здания объёмом V (м³), Дж/(ч∙°С); e = 2,718 – основание натурального логарифма; β – коэффициент аккумуляции здания (ч), равный

β = z/ln{[t'_в - t_н - Q_о/(q_оV)]/ [t_в - t_н - Q_о/ (q_оV)]}. (9.2)

В формулах (9.1-9.2) значения t'_в и t_в устанавливаются врачами-гигиенистами, а остальные параметры определяются техническими особенностями и режимными возможностями СЦТ, вплоть до оценки допустимого времени однократного перерыва в подаче теплоты и интегральной продолжительности таких перерывов в течение года.

Чрезвычайно важной является минимизация свойств СЦТ, совокупность которых необходима и достаточна для качественно-количественной оценки её надёжности. Они не должны противоречить общим принципам оценки надёжности сложных технических систем. Поскольку СЦТ представляет собой совокупность сложных подсистем (ИТ, ТС и ТПС), надёжность которых изучается самостоятельно, ниже основное внимание будет уделено ТС, которые связывают между собой другие подсистемы (ИТ и ТПС).

В соответствии с ГОСТ 27.002-89 основными свойствами надёжности являются: безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость. В СНиП 41-02-2003 рассматриваются только три показателя надёжности: вероятность безотказной работы (Р), коэффициент готовности (К_г), живучесть (Ж).

Безотказность - свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки (ГОСТ 27.002-89). В СЦТ это её способность сохранять работоспособное состояние в течение нормативного срока службы (для ТС 25 лет).

В соответствии со СНиП 41-02-2003 (пп. 6.27-6.28) показателем (критерием) её количественной оценкой служит вероятность безотказной работы Р. Минимально допустимыми считаются следующие значения Р:

• Р_ит = 0,97 – для источников теплоты;

• Р_тс = 0,90 – для тепловых сетей;

• Р_тпс = 0,99 – для теплопотребляющих систем;

• Р_сцт = Р_ит∙ Р_тс∙ Р_тпс = 0,97∙0,90∙0,99 = 0,86 – для СЦТ в целом.

Процесс функционирования элемента (например, участка ТС постоянного диаметра) можно представить как чередующуюся последовательность периодов нормальной эксплуатации и отказов (нарушения работоспособного состояния, для восстановления которого необходим аварийно-восстановительный ремонт - АВР). Последовательность отказов (случайных событий) при этом называется потоком отказов. Количество отказов за период t (лет) теплопроводов и оборудования ТС можно представить линейной функцией

Н(t) = ω t, (9.3)

где ω - параметр потока отказов, т.е. удельное количество отказов данного вида в течение года, 1/год. Он устанавливается по статистике многолетних наблюдений служб эксплуатации ТС и рассчитывают на 1 км его длины l, т.е.

ω = ω_т l, (9.4)

где ω_т - параметр потока отказов теплопровода на 1 км его длины, 1/(км∙год).

Вероятность m отказов за t лет в простейшем потоке событий определяется по формуле Пуассона

Р_m(t) =[(ω t)^m/m!] e ^{- ω t}, (9.5)

где m! = 1∙2∙3∙…∙m.

Из формулы (5.5) следует, что вероятность безотказной работы за t лет, представляющая одно из основных свойств надёжности, равна

Р_о(t) = e ^{- ω t}. (9.6)

Следовательно, надёжность математически описывается экспонентой и меняется от 0 до 1. Чем ближе её значение к 1, что возможно при ω → 0, тем выше вероятность безотказной работы.

В СНиП 41-02-2003 используется коэффициент готовности К_г, который предлагается определять по времени ожидания готовности (ч), а его минимально допустимое значение для СЦТ составляет К_г = 0,97. Известна формула для его расчёта¹

К_г = z_о/( z_о + z_в), (9.7)

где z_о – время наработки на отказ ( важнейший показатель безотказности), ч; z_в – время восстановления работоспособного состояния после отказа, ч.

Долговечность - свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки (ГОСТ 27.002-89). В ТС СЦТ это свойство сохранять работоспособность до достижения предельного состояния, когда их дальнейшая эксплуатация недопустима по условиям безопасности или затраты на АВР ТС сопоставимы с затратами на их перекладку.

Аналитическое выражение этого условия можно представить в виде

(Е_н + f) k_н ≤ ω_тпр y, (9.8)

где Е_н = 0,12 1/год – нормативный коэффициент эффективности капиталовложений (в расчётах без дисконтирования); f = 0,075 1/год – доля ежегодных отчислений на амортизацию, общесетевые расходы и ремонт ТС; k_н – удельные капиталовложения в строительство нового теплопровода, тыс. руб/год; y – затраты на АВР при одном отказе с учётом ущерба от недопоставки теплоты, рассчитываемого по действующей методике², тыс. руб; ω_тпр – предельный параметр потока отказов, 1/(км∙год).

Из выражения (5.7) следует, что

ω_тпр ≥ (Е_н + f) k_н/ y. (9.9)

Следовательно, с момента совпадения затрат на АВР и ущерба от недопоставки теплоты с нормативной прибылью (определяемой Е_н) и ежегодными отчислениями на амортизацию, общесетевые расходы и ремонт ТС, дальнейшая эксплуатация изношенных ТС не имеет смысла и оправдана их перекладка.

Необходимо отметить, что по состоянию на середину 1990-х гг. в водяных ТС России преобладала подземная прокладка, в которой на долю канальной и бесканальной прокладки приходилось соответственно 80 и 20 % от общей протяжённости ТС в двухтрубном исчислении¹. Фактический срок службы ТС до первого отказа составлял от 3-5 лет при D_у = 50-100 мм до 8-10 лет при D_у = 1000-1400 мм, а параметр потока отказов (всех зарегистрированных) ω_т после 15-20 лет эксплуатации был равен: 1) 3-5 1/(км∙год) при D_у < 200мм; 2) 1-2 1/(км∙год) при D_у = 200-400 мм: 3) 0,5-1,0 1/(км∙год) при D_у > 400 мм.

В ТС бесканальной прокладки положение было хуже среднего. Например, в Теплосети Ленэнерго параметр потока отказов ω_т по всем зарегистрированным отказам за 1993 г. составил 3,1 1/(км∙год) при среднем значении D_у около 600 мм. Это в 3раза выше, чем в среднем по России и обусловлено низкими теплогидравлическими и прочностными характеристиками широко применявшейся в Санкт-Петербурге до 1995 г. теплоизоляционной конструкции из армопенобетона (АПБ).

Подобное положение сложилось на фоне прогрессирующего старения теплопроводов, связанного с резким сокращением объемов работ по капитальному ремонту и перекладке ТС по истечении нормативного срока службы. Поэтому 15 % ТС России находилось в аварийном состоянии, а к середине 2004 г. оно возросло почти в 2 раза. Следовательно, в целом показатели надёжности ТС к настоящему времени снизились по сравнению с серединой 1990-х гг.

Пример 9.1. Оценка предельного значения параметра потока отказов

Попробуем оценить применимость выражения (9.9) для оценки долговечности и, следовательно, надёжности водяных ТС Санкт-Петербурга по состоянию на 1997 г. в предположении, что ТИК двухтрубного бесканального теплопровода выполнена из АПБ, а значения ω_т в зависимости от D_у приняты равными средним значениям по России (с запасом по долговечности). Соотношению k_н/ y принято по материалам статьи², а результаты расчёта ω_тпр приведены в таблице 9.1.

Таблица 9.1