Концепция энергоэффективности тепловой изоляции оборудования и трубопроводов

Ежедневно в мире на предприятиях теплоэнергетики сжигаются миллионы тонн горючих полезных ископаемых для удовлетворения нужд населения и промышленности. При этом сотни тысяч тонн вредных веществ выбрасывается в атмосферу, загрязняя среду обитания человека. Это негативно сказывается на естественном развитии растительного и животного мира, а также на состоянии здоровья всего человечества. На сегодняшний день отсутствуют экологически чистые источники энергии, которые в достаточной мере могли бы удовлетворить постоянно растущие потребности человечества. Освоение природных ископаемых сопровождается не только загрязнением окружающей среды, разрушением среды обитания флоры и фауны, но и истощением их ограниченного запаса. Поэтому необходимо рационально использовать имеющиеся ресурсы, сводя к минимуму неизбежные материальные и энергетические потери в технологических процессах промышленных производств.

В настоящее время на предприятиях теплоэнергетики за счет средств автоматизации удается добиться достаточно высокого КПД теплогенерирующих установок (90… 95%). Однако при транспортировке теплоэнергии к потребителю в виде горячей воды или пара происходят значительные потери тепла, так как в трубопроводах теплоноситель частично остывает, отдавая тепло окружающей среде. Для снижения теплопотерь в тепловых сетях применяется теплоизоляция. Эффективность теплоизоляции зависит от её физических свойств и толщины. Чем толще слой теплоизоляции, и больше её термическое сопротивление, тем меньше тепла теряет теплоноситель. Но устройство теплоизоляционных конструкций требует экономических затрат, поэтому необходимо рационально подходить к решению данного вопроса. В современной технике применяются теплоносители высоких температур и глубокого холода, что обусловливает большие потери энергии. В связи с этим, теплоизоляция технологического оборудования приобрела первостепенную и самостоятельную роль.

За последние годы были достигнуты значительные успехи в области производства теплоизоляционных материалов, а также по индустриализации теплоизоляционных работ. Теплотехнические характеристики теплоизоляционных материалов постоянно улучшаются, а стоимость капитальных затрат на обустройство теплоизоляции снижается относительно стоимости тепловой энергии. Однако проектно нормативная документация по проектированию тепловой изоляции не соответствует современному уровню развития теплотехники, так как методологический подход содержит значительные обобщения, принципиальная основа которых разработана в 50-х годах прошлого века [1].

Действующим нормативным документом по проектированию теплоизоляции в Республике Казахстан является МСН 4.02-03-2004 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов» [2]. Проектирование энергосберегающей тепловой изоляции по данному нормативному документу основано на ограничении тепловых потерь. В МСН 4.02-03-2004 указаны нормированные значения плотности теплового потока через изолированную поверхность в зависимости от геометрических и эксплуатационных условий. Исходя из указанных значений, рассчитывается необходимая толщина теплоизоляционного слоя.

Анализ нормативного документа МСН 4.02-03-2004 позволил выявить следующие недостатки:

• в МСН 4.02-03-2004 отсутствует сама методика расчёта толщины теплоизоляционного слоя, и не представлены ссылки на какие-либо другие документы, регламентирующие алгоритм расчёта;
• для теплотрасс, проложенных под землёй в непроходных каналах и бесканально, не представляется возможным отдельно рассчитать тепловую изоляцию для

подающего и обратного трубопровода, так как нормы плотности теплового потока представлены суммарно по длине теплотрассы;

• значения коэффициента, учитывающего изменение стоимости теплоты в зависимости от района строительства, представлены только для регионов России.

До 2005 года проектирование тепловой изоляции в Казахстане производилось

tн температура окружающей среды, С;

Rвн термическое сопротивление теплоотдаче на внутренней поверхности стенки изолируемого объекта, м2С/Вт;

Rн то же, на наружной поверхности теплоизоляции, м2С/Вт;

Rст термическое сопротивление кондуктивному переносу теплоты стенки

изолируемого объекта, м2С/Вт;

по СНиП 2.04.14-88* «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов» [3], в котором отсутствовали вышеуказанные недостатки. Однако этот документ содержал нормативные данные, которые приводили к

ошибочным результатам расчётов. С при-

n



i 1

Ri полное термическое сопротивление кондуктивному переносу теплоты n-

слойной плоской изоляции, м2С/Вт. Произведём технико-экономической

нятием МСН 4.02-03-2004 этот СНиП утратил статус нормативного документа.

В сложившихся условиях при проектировании тепловой изоляции приходится использовать алгоритмы расчётов, представленных в СП 41-103-2000 «Свод правил по проектированию и строительству. Проектирование тепловой изоляции оборудования и трубопроводов» (одобрен для применения в странах СНГ протоколом № 16 от 02.12.1999 года Межгосударственной научно-технической комиссии по стандартизации, техническому нормированию и сертификации в строительстве) [4].

Для осуществления технико экономической оценки действующей нормативной методики проектирования тепловой изоляции произведем расчёты тепловых потерь и экономической эффективности тепловой изоляции в виде чистого приведенного эффекта инвестиций (NPV) при различной толщине тепловой изоляции на конкретных примерах для плоских и цилиндрических объектов.

Тепловые потери для плоских и цилиндрических объектов диаметром 2 м и более определяются по формуле:

Q F *(tв  tн )

n

расчёт для бака-аккумулятора горячей воды. Для теплотехнического расчёта принимаем следующие исходные данные: стенки бака плоские металлические; площадь изолируемой поверхности бака 10 м2; tв =70 ˚С; tн =16 ˚С; количество часов работы в год n=8400 час/год; теплоизоляционный материал пенополиуретан с =0,032 Вт/(м*˚С); наружный защитный слой окрашен алюминиевой краской; место расположения в помещении.

Используя нормированные значения плотности теплового потока по МСН 4.0203-2004 и алгоритм расчёта СП 41-1032000, была определена требуемая толщина теплоизоляционного слоя 55 мм.

Для экономического обоснования проектного решения определим чистый приведенный эффект инвестиций (NPV) при различной толщине теплоизоляционного слоя. При этом необходимо использовать дополнительные исходные данные: срок службы тепловой изоляции N=10 лет; нагрев воды осуществляется электронагревателями; стоимость электроэнергии 5,57 тг/(кВт*ч), что соответствует С =1,547*10-6 тенге/Дж; капитальные затраты на устройство тепловой изоляции из 1 м3 теплоизоляционного материала ЗКV =52000 тен-

Rвн  Rст   Ri  Rн

i1 , (1)

где Q – тепловые потери изолируемого объекта, Вт;

F – площадь поверхности объекта, м2;

tв температура среды внутри изолируемого оборудования, С;

ге/м3; уровень инфляции 10%; коэффициент дисконтирования 0,16.

Используя теорию теплообмена [4], нетрудно установить динамику изменения тепловых потерь от изолируемого объекта при различной толщине теплоизоляционного слоя. На основе этих данных при из-

вестной стоимости энергии, которую удалось сохранить, и капитальных затратах на устройство тепловой изоляции можно установить чистый приведенный эффект инвестиций (NPV) [5]. Значение NPV определяется по формуле:

n Pi

i 1

вн – линейное термическое сопротивление теплоотдаче на внутренней поверхности стенки изолируемого объекта, мС/Вт;

L то же, на наружной поверхности теп-

RL

R

н

лоизоляции, мС/Вт;

RL линейное термическое сопротивление кондуктивному переносу теплоты

ст

NPV

  (1  r)i

 IC , (2)

стенки изолируемого объекта, мС/Вт;

n

i

где NPV – чистый приведенный эф-

 RL полное линейное термическое со-

фект инвестиций, тенге;

P – доход от инвестиций, полученный в году i, тенге;

i – год получения дохода;

n – количество лет получения дохода;

i 1

противление кондуктивному переносу теплоты n-слойной плоской изоляции, мС/ Вт.

Произведём технико-экономической

r коэффициент дисконтирования;

IC – объём инвестиций, тенге.

Результаты данных расчетов представлены в таблице 1 и в графическом виде

расчёт для трубопроводов теплосетей, проложенных в непроходных каналах. Для теплотехнического расчёта принимаем следующие исходные данные: диаметр трубопроводов d = 530 мм; для подающих тру-

на рис. 1. При выполнении расчётов толщина теплоизоляционного слоя изменялась

бопроводов

бопроводов

tв = 90 ˚С; для обратных тру-

t = 50 ˚С; t =9 ˚С; n=8400 ча-

от 0 до 0,180 м. в н

Из данных таблицы 1 и рисунка 1 видно, что толщина тепловой изоляции 55 мм, установленная по нормативным документам не является оптимальной, так как максимальное значение чистого приведенного эффекта инвестиций (NPV) достигается при толщине 100 мм. Конечно, увеличение значения NPV при переходе от 55 мм к 100 мм небольшое (1,5%), однако, при этом значительно снижаются тепловые потери (на 43%).

Аналогичным образом произведём технико-экономические расчёты для цилиндрической поверхности. Тепловые потери для цилиндрических объектов диаметром менее 2 м определяются с помощью формулы:

tв  tн

сов; тепловая изоляция из пенополиуретана

=0,032 Вт/(м*˚С).

Используя нормированные значения плотности теплового потока по МСН 4.0203-2004 (96,2 Вт/м) и алгоритм расчёта СП 41-103-2000, была установлена требуемая толщина теплоизоляционного слоя для подающего и обратного трубопровода 51 мм.

Для экономического обоснования проектного решения определим чистый приведенный эффект инвестиций при различной толщине теплоизоляционного слоя. При этом используются дополнительные исходные данные: срок службы тепловой изоляции N = 25 лет; стоимость теплоэнергии С = 410,5*10-9 тенге/Дж; капитальные затраты на устройства тепловой изоляции из 1 м3 теплоизоляционного материала

ЗК =52000 тенге/м3; высота непроходного

qL 

n

RL  RL   RL  RL

вн ст i н

i1 , (3)

где qL линейная плотность теплового потока через цилиндрическую теплоизоляционную конструкцию, Вт/м;

V

канала 1,105 м; ширина непроходного канала 2,41 м; грунт – суглинок с коэффициент теплопроводности 1,75 Вт/(м*˚С); глубина заложения до оси трубопровода 2 м; уровень инфляции 10%; коэффициент дисконтирования, применяемый для тепловых сетей, равен 0,12.

Таблица 1 Результаты расчётов тепловой изоляции бака-аккумулятора

Аналогично предыдущему примеру, производятся технико-экономические расчёты для теплотрассы. Результаты данных расчётов для теплотрассы длиной в 1 км с диаметром труб 530 мм, проложенных в непроходном канале, представлены в таблице 2 и в графическом виде на рис. 2.

При выполнении расчётов, результаты которых представлены в таблице 2, толщина теплоизоляционного слоя подающего трубопровода изменялась от 0 до 0,12 м. При этом толщина теплоизоляционного слоя обратного трубопровода была принята 62% от толщины теплоизоляционного слоя подающего трубопровода. Это соотношение в данной задаче является наиболее оптимальным, что было выявлено на основе многовариантного перебора значений от 0 до 100%.

Рис. 1. Зависимость чистого приведенного эффекта инвестиций (NPV) от толщины теплоизоляционного слоя бака

Анализ данных таблицы 2 свидетельствует о том, что оптимальное значение толщины теплоизоляционного слоя в рассматриваемом примере составляет: для подающего трубопровода 70 мм, для обратного трубопровода 43 мм. При этом чистый приведенный эффект инвестиций (NPV) на тепловую изоляцию 1 км теплотрассы составляет 37235 тыс. тенге, а тепловые потери теплотрассы составляют 86,9 Вт/м.

Таблица 2 Результаты расчётов тепловой изоляции для теплотрассы длиной в 1 км с диаметром труб 530 мм, проложенных в непроходном канале

Необходимо отметить, что подающий и обратный трубопроводы, находясь в замкнутом пространстве канала, оказывают взаимное влияние на тепловые потери друг друга. Снижение тепловых потерь одного из них за счёт тепловой изоляции приводит к увеличению тепловых потерь другого.

Как ранее было установлено, требуемая толщина теплоизоляционного слоя по нормативным документам на подающем и обратном трубопроводах составляет 51 мм, обеспечивая величину тепловых потерь 96,2 Вт/м. При данном значении чистый приведенный эффект инвестиций (NPV) на тепловую изоляцию 1 км теплотрассы составляет 36402 тыс. тенге. В сравнении с оптимальными значениями толщины тепловой изоляции, нормативные значения характеризуются пониженной величиной NPV (на 2,3%), и повышенными тепловыми потерями (на 10,7%).

Таким образом, на рассмотренных примерах объективно доказано, что нормативная методика расчёта тепловой изоляции не обеспечивает нахождение оптимальных параметров теплоизоляционного слоя.

Рис. 2. Зависимость чистого приведенного эффекта инвестиций (NPV) от толщины теплоизоляционного слоя трубопроводов 1 км теплотрассы

Методика расчёта по МСН 4.02-032004 и СП 41-103-2000 объективно не учитывает такие важнейшие факторы, как стоимость выработки единицы тепла, капитальные затраты на устройство тепловой изоляции, срок функционирования тепловой изоляции. Тем самым, игнорируется специфика проектируемого объекта, и не учитываются особенности его функционирование в условиях рыночной экономики.

Современные рыночные отношения требуют индивидуального подхода к технологическим задачам, что позволяет выявить наиболее рациональный путь их решения. Это обусловливает необходимость разработки новой методики проектирования тепловой изоляции оборудования и трубопроводов, которая позволит определить оптимальные параметры теплоизоляционного слоя и свести к минимуму экономические затраты, связанные с неизбежными потерями тепла. Новая методика проектирования должна предусматривать нахождение универсального критерия энергоэффективности тепловой изоляции, который обеспечит выявление не только оптимальной толщины теплоизоляционного слоя, но и вида материала из имеющегося ассортимента.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• произвести анализ современного состояния проблемы тепловой изоляции оборудования и трубопроводов и выявить недостатки существующих методов проектирования;
• сформулировать концепцию универсального критерия энергоэффективности, определяющего выбор теплоизоляционного материала и его оптимальной толщины;
• разработать методику проектирования оптимальной тепловой изоляции оборудования и трубопроводов по критерию энегоэффективности;
• произвести технико-экономическую оценку разработанной методики путём сопоставления с действующей (нормативной) методикой, дать конкретные рекомендации по её применению.

Рациональность выбора теплоизоляционного материала и толщины его слоя определяется собственными характеристиками этого материала и условиями эксплуатации. К условиям эксплуатации, влияющим на рациональность выбора теплоизоляционного материала, относятся: разность температур рабочей и окружающей среды, коэффициент теплоотдачи с поверхности, геометрические характеристики изолируемой поверхности, стоимость единицы тепла, срок функционирования изолируемого объекта. К характеристикам теплоизоляционного материала, влияющим на рациональность его выбора, относятся: допустимые условия эксплуатации по техническим параметрам, коэффициент теплопроводности, срок службы, капитальные затраты на устройство тепловой изоляции. Наличие такого количества факторов существенно осложняет определение оптимальных параметров тепловой изоляции оборудования и трубопроводов при проектировании.

В соответствии с действующим нормативным документом МСН 4.02-03-2004, конструкции тепловой изоляции оборудования и трубопроводов должны отвечать требованиям:

• энергоэффективности иметь оптимальное соотношение между стоимостью теплоизоляционной конструкции и стоимостью тепловых потерь через изоляцию в течение расчетного срока эксплуатации;
• эксплуатационной надежности и долговечности выдерживать без снижения теплозащитных свойств и разрушения эксплуатационные, температурные, механические, химические и другие воздействия в течение расчетного срока эксплуатации;
• безопасности для окружающей среды и обслуживающего персонала при эксплуатации.

Исходя из функционального назначения тепловой изоляции, очевидно, что её оптимальные параметры определяются энергоэффективностью. Это обусловливает необходимость выполнения экономической оценки инвестиций для тепловой изоляции оборудования и трубопроводов. Таким образом, на основе анализа факторов оптимизации тепловой изоляции оборудования и трубопроводов в данной работе обозначена концепция расчёта критерия энергоэффективности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Нормы проектирования тепловой изоляции для трубопроводов и оборудования электростанций и тепловых сетей. М.: Госстройиздат, 1959.
2. Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов. МСН 4.02-03-2004. Дата введения 01.11.2005 г.
3. Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов. СНиП 2.04.14-88* М.: Государственный строительный комитет СССР, 1989.
4. Свод правил по проектированию и строительству. Проектирование тепловой изоляции оборудования и трубопроводов. СП 41-103-2000. М.: ГОССТРОЙ России, 2001.
5. Экономика строительства. Учебник для вузов/ Под ред. д.э.н., проф. И. С. Степанова. М.: Юрайт, 2000.