Интеграция мирового сообщества в процессы глобализации позволяет активизировать международное сотрудничество в культурных, социально-политических, экономических и научно-технических областях. Это создаёт благоприятные предпосылки к эффективному решению локальных и глобальных экологических проблем антропогенного и природного характера. В аспекте тенденций глобализации всё больше стран мира присоединяются к международному соглашению по ограничению выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. 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 осуществлены значительные мероприятия по повышению эффективности теплоизоляции и индустриализации теплоизоляционных работ, однако уровень их не отвечает современным требованиям. Анализ, проведённый ВНИПИ Теплопроект, показывает, что ежегодные потери тепла на 400 тысяч км уложенных тепловых сетей (с нормальной толщиной теплоизоляции) составляют 224,5 млн. Гкал, или 31,8 млн. т условного топлива.
На данный момент промышленностью выпускается достаточно широкая номенклатура теплоизоляционных материалов, обладающих различными характеристиками (срок службы, теплоизоляционные свойства, стоимость, область применения). При проектировании теплоизоляции технологического оборудования и строительных конструкций необходимо решить два основных вопроса:
- Какой теплоизоляционный материал необходимо применить?
- Какой должна быть толщина теплоизоляционного слоя из выбранного материала?
Рациональность выбора теплоизоляционного материала и толщины его слоя определяются 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, себестоимость единицы тепла, срок функционирования изолируемого объекта. К характеристикам теплоизоляционного материала, влияющим на рациональность его выбора, относятся: предельно-допустимые условия эксплуатации, коэффициент теплопроводности, срок службы, капительные затраты на устройство теплоизоляции. Наличие такого количества факторов обуславливает необходимость индивидуального подхода при расчётах теплоизоляции технологического оборудования и строительных конструкций.
Действующим нормативным документом по проектированию теплоизоляции в Республике Казахстан является МСН 4.0203-2004 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов» [1]. 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.
При выполнении расчётов для теплотрасс, проложенных в непроходных каналах, в соответствии с МСН 4.02-03-2004, получается, что толщина теплоизоляции на обратном трубопроводе должна быть больше, чем на подающем (превышение может достигать 40%). И это при том, что температура теплоносителя в подающем трубопроводе выше, чем в обратном. Указанное является логическим противоречием и позволяет усомниться в объективности данного метода расчёта. Таким образом, возникает необходимость в разработке нового метода расчёта теплоизоляции, обеспечивающего сведение теплопотерь к рациональному минимуму. В связи с этим, на кафедре «Рациональное использование водо-воздушного бассейна и теплогазоснабжения» ВКГТУ им. Д. Серикбаева была разработана методика расчёта теплоизоляции в аспекте минимизации себестоимости теплоэнергии. Данная методика позволяет выбрать наилучший теплоизоляционный материала из имеющегося ассортимента и определить его оптимальную толщину.
В целях упрощения изложения сущности предлагаемой методики расчёта теплоизоляции введём следующие термины:
- целесообразность теплоизоляции трубопроводов – величина снижения себестоимости годового объёма теплоэнергии за счёт применения теплоизоляции на одном метре длины трубопровода, обусловленная сокращением теплопотерь с поверхности технологического оборудования (единица измерения д.е./(м*год); где д.е. – денежные единицы);
- определение оптимальной теплоизоляции – выбор наилучшего теплоизоляционного материала для данного объекта из имеющегося ассортимента с таким значением толщины слоя, который обеспечивает максимальное снижение себестоимости теплоэнергии, обусловленное сокращением теплопотерь;
- эффект теплоизоляции экономический эффект от капитальных затрат на устройство теплоизоляции, выражающийся в снижении затрат по выработки и реализации годового объёма теплоэнергии за счёт теплоизоляции поверхности технологического оборудования и трубопроводов;
- удельный эффект теплоизоляции – эффект теплоизоляции, приходящийся на один метр длины трубопровода;
- удельный годовой фонд амортизации по теплоизоляции – годовой фонд амортизации по теплоизоляции, приходящийся на один метр длины трубопровода.
Теплоизоляция является частью основных фондов предприятия. При производстве товаров и услуг основные фонды постепенно переносят свою стоимость на стоимость конечной продукции в виде амортизационных отчислений [2]. Таким образом, затраты, связанные с устройством теплоизоляции, влияют на величину себестоимости теплоэнергии. Но при этом она сокращает расход топлива на производство теплоэнергии для потребителя. Увеличение толщины теплоизоляционного слоя приводит к сокращению теплопотерь, а, следовательно, и к увеличению эффекта теплоизоляции. Это снижает себестоимость теплоэнергии. В то же время, увеличение толщины теплоизоляции влечет за собой возрастание капитальных затрат на её устройство, что приводит к увеличению годового фонда амортизации по теплоизоляции. Это увеличивает себестоимость теплоэнергии. Учитывая противоречивость этих факторов, необходимо применять теплоизоляцию такой толщины, которая обеспечит максимальное значение её целесообразности. При этом себестоимость теплоэнергии будет минимальной.
На рисунке 1 приведён пример графиков удельного эффекта теплоизоляции (уЭ) и удельного годового фонда по её амортизации (уА) в зависимости от толщины теплоизоляции. График целесообразности теплоизоляции (Z) определяется их разностью (Z=уЭ-уА). Он показывает, на сколько снижается себестоимость годового объёма теплоэнергии при устройстве теплоизоляции различной толщины на одном метре длины трубопровода. На этом графике оптимальное значение толщины теплоизоляционного слоя соответствует максимальному значению целесообразности (точка О на рисунке 1).
Для сравнения действующей нормативной методики с предлагаемой методикой, были произведены расчёты толщины пенополиуретановой теплоизоляции для трубопроводов теплосетей, проложенных в непроходных каналах. Расчёты производились для подающих и обратных трубопроводов различных диаметров при идентичных параметрах теплоносителя и окружающей среды. Результаты расчетов представлены в графическом виде на рисунке 2. Из рисунка следует, что толщина теплоизоляции, рассчитанная по предлагаемой методике, значительно больше, чем требуется по МСН 4.02-03-2004. Повышение толщины теплоизоляции обуславливает снижение тепловых потерь, что является важным энергосберегающим фактором.
Ниже показано влияние рационально запроектированной теплоизоляции на снижение негативного антропогенного воздействия на окружающую среду на примере города Усть-Каменогорска. Расчётами определено соответствие теплоизоляции тепловых сетей города требованиям действующих нормативных документов [3]. Благодаря её наличию расход топлива снижается на 35% (более чем на 280 тыс. т угля в год). Это обеспечивает снижение годовых выбросов загрязняющих веществ в атмосферу на 8,4 тыс. т. Однако, в соответствии с новой методикой расчёта, целесообразно применять теплоизоляцию большей толщины, чем этого требует МСН 4.02-03-2004. При оптимальной толщине экономия топлива составит 45% (360 тыс. т угля в год), обусловливая дополнительное снижение выбросов загрязняющих веществ в атмосферу на 28% (общее снижение 10,8 тыс.т в год).
Рис. 1 Графики экономических факторов использования теплоизоляции
Рисунок 2 Сравнение результатов расчётов толщины теплоизоляции трубопроводов
Графики зависимости толщины теплоизоляции от диаметра трубопровода:
график 1 – результат расчёта по МСН 4.02-03-2004 для подающего трубопровода;
график 2 – результат расчёта по МСН 4.02-03-2004 для обратного трубопровода;
график 3 – результат расчёта по оценке целесообразности для подающего трубопровода;
график 4 – результат расчёта по оценке целесообразности для обратного трубопровода.
Важно отметить, что при этом не только снижается негативное влияние предприятий теплоэнергетики на окружающую среду, но и уменьшается стоимость теплоэнергии.
На рассмотренных примерах объективно доказано, что повышение толщины теплоизоляционного слоя с величины, требуемой по МСН 4.02-03-2004, до оптимального значения приводит к следующим положительным эффектам:
- снижение себестоимости теплоэнергии;
- уменьшение негативного влияния промышленных производств на окружающую среду, обусловленное сокращением потребления энергетических ресурсов.
Таким образом, имеется явное преимущество предлагаемой методики расчёта теплоизоляции. Методика расчёта по МСН 4.02-03-2004 объективно не учитывает такие важнейшие факторы как: стоимость выработки единицы тепла, капительные затраты на устройство теплоизоляции, срок функционирования теплоизоляции.
Тем самым, игнорируется специфика проектируемого объекта, что обусловлено влиянием плановой экономики советских времён.
Современные рыночные отношения требуют индивидуального подхода к технологическим задачам, что позволяет выявить наиболее рациональный путь их решения. Предложенная методика определения оптимальной теплоизоляции позволяет свести к минимуму экономические затраты, обусловленные неизбежными потерями тепла при использовании нагретых сред в технологических процессах. Это достигается благодаря тому, что данная методика охватывает широкий круг факторов, учитывающих специфику проектируемого объекта. Оценка целесообразности теплоизоляции позволяет не только определить оптимальную толщину данного теплоизоляционного материала, но и произвести обоснованный выбор материала из имеющегося ассортимента.
ЛИТЕРАТУРА
- Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов. МСН 4.02-03-2004. Дата введения 01.11.2005 г.
- Чистов Л. Экономика строительства. Учеб. пособие. СПб: Питер, 2001
- Методические указания по составлению энергетических характеристик для систем транспорта тепловой энергии: РД 153-34 РК.0-20.523-02 Астана: Казэнергоналадка, 2002.