Нормы плотности теплового потока с поверхности изолированных трубопроводов и оборудования на на данный моментшний день определяются СНиПом 2.04.1488 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов» с Изменением № 1 в части требований к теплозащите.

Реальная экономия топливноэнергетических ресурсов в промышленности и ЖКХ может быть достигнута за счет своевременного ремонта и реконструкции тепловой изоляции промышленных трубопроводов и оборудования.

В практике большинства промышленных предприятий ремонт тепловой изоляции действующего оборудования и трубопроводов чаще всего осуществляется в соответствии со старыми проектами, в которые заложены устаревшие нормативные требования по тепловой изоляции.

Анализ опыта эксплуатации теплоизолированных трубопроводов и оборудования демонстрирует, что ремонт и реконструкция тепловой изоляции должны осуществляться на основе результатов систематического контроля технического состояния теплоизоляционных конструкций, современных нормативных требований и конструктивных решений с использованием новых теплоизоляционных материалов.

В настоящей аналитической статье на примере одного из нефтеперерабатывающих предприятий Татарстана приводятся методика и результаты обследования технического состояния теплоизоляционных конструкций, эксплуатируемых с 1965 года, магистральных теплопроводов, оценка соответствия фактических теплопотерь требованиям нормативных документов, рекомендации по их снижению и оценка экономической эфф. энергосберегающих мероприятий. Объектом обследования являлись теплоизоляционные конструкции магистральных паропроводов надземной прокладки диаметром 630 мм (труба № и 820 мм (трубы № 1 и для подачи перегретого пара под давлением соответственно 16 ати (П1 и 13 ати (П1 от ТЭЦ на промышленное предприятие. По данным диспетчерской службы ТЭЦ, в период обследования начальная температура подаваемого с ТЭЦ пара составляла: П16 – (268–27 °C, П13 – (248–25 °C. Расход пара в трубах № 1, 2 и 4 имел значения в пределах соответственно 60–80 т/ч, 108–114 т/ч, 40–42 т/ч. Паропроводы проходят по верхнему ряду многотрубной эстакады в пять ниток (трубы № 3 и 5 в период обследования были отключены). Требования к теплоизоляции обследуемых паропроводов в период строительства (1964–1965 годы) определялись Нормами проектирования тепловой изоляции для трубопроводов и оборудования электростанций и тепловых сетей 1959 года. Согласно указанному документу проектные теплопотери при расчетной температуре окружающего воздуха 5°C для паропроводов диаметром 630 мм (Т=300°C) и 820 мм (Т=250°C) должны были составлять соответственно 385 ккал/м•ч (141 ккал/м2•ч) и 398 ккал/м•ч (122 ккал/м2•ч).

Теплоизоляция трубопроводов выполнена матами минераловатными прошивными плотностью 125–150 кг/м3 на металлической сетке с защитным покрытием из оцинкованной стали или металлопласта.

Плотность утеплителя в конструкции с учетом монтажного уплотнения составляет 150–180 кг/м Расчетная толщина теплоизоляционного слоя при указанных исходных данных для паропроводов диаметром 630 мм и 820 мм составляет 150 мм.

Методика обследования технического состояния теплоизоляционных конструкций надземных трубопроводов предусматривает проведение следующего комплекса мероприятий:

геометрические обмеры и визуальное обследование конструкций, обследование защитнопокровного слоя и деталей крепления, выявление повреждений защитного покрытия;

термографирование (инфракрасный контроль) наружной поверхности теплоизоляционных конструкций, выявление участков нарушенной теплоизоляции;

контактные тепловые измерения в характерных точках конструкции с учетом результатов термографирования поверхности теплоизоляции. Определение термического сопротивления в характерных точках конструкции;

расчет фактических теплопотерь магистральных теплопроводов на основе полученных теплометрических и технологических данных, сопоставление их с нормативными показателями;

техникоэкономический анализ результатов обследования, рекомендации по дальнейшей эксплуатации теплоизоляционных конструкций.

Анализ полученных данных показал, что суммарная протяженность неизолированных участков трубопроводов и участков с нарушенной теплоизоляцией на обследованном контрольном участке паропроводов № 1, 2 и 4 составляет более 10% их общей протяженности.

Теплопотери неизолированных участков обследуемых теплопроводов при расчетной температуре окружающего воздуха +5°C составляют 12–14 кВт/м, что более чем в 30 раз превышает нормативное значение для теплоизолированного трубопровода.

При проведении геометрических обмеров выявлено значительное «провисание» теплоизоляционных конструкций на горизонтальных участках трубопроводов и, как следствие, уплотнение и уменьшение толщины теплоизоляционного слоя в верхней части конструкции и образование воздушной прослойки м. трубой и теплоизоляционным слоем в ее нижней части, что существенно снижает теплозащитные свойства конструкции.

Измерения, проведенные на нескольких участках по длине паропроводов, позволили установить, что толщина теплоизоляционного слоя в обследуемых конструкциях изменяется по периметру и имеет значения в пределах от 30–50 мм (в верхней точке) до 200–250 мм (в нижней точке).

Инфракрасный контроль теплоизоляционных конструкций, проходящих по эстакаде паропроводов, проведен при помощи тепловизора «АGЕМА – 470» (Швеция ) с использованием автогидроподъемника АГП – 2 Обследование проведено по всей протяженности контрольного участка трубопровода в дневные и вечерние часы при отсутствии прямой солнечной радиации и температуре окружающего воздуха +15–18°C.

Характерная термограмма наружной поверхности теплоизоляционных конструкций трубопроводов в цветном изображении представлена на рисунке. Справа от термограммы приведена цветная шкала (°C), позволяющая идентифицировать значение температуры в каждой точке термограммы. В окне 2 приводится та же термограмма в чернобелом изображении, что позволяет более точно определить положение фрагмента на поверхности объекта. В окнах 3, 4, 5 приводятся результаты компьютерной обработки термометрической информации, представленной на прямоугольном участке термограммы (окно , выделенном белыми линиями с точками 1, 2, 3, 4, В окне 3 предложен профиль температур вдоль линии 1–5 в окне В окне 4 описаны значения температуры в точках 1–5, и минимальные, максимальные, среднеарифметические и среднеквадратичные значения температур вдоль линии 1–5 (210 и по выделенной площади фрагмента (АК0 . В окне 5 показана гистограмма, отображающая долю (процент от общей площади выделенного прямоугольника) участков, имеющих значение температуры в диапазоне, указанном на левой шкале.

Защитное покрытие теплоизоляции выполнено из оцинкованной стали и металлопласта, имеющих различные коэффициенты излучения. Это учитывается при анализе термограмм, который позволяет выявить участки конструкций с повышенной температурой поверхности и, следовательно, с пониженным термическим сопротивлением. Так, приведенная на рисунке термограмма демонстрирует, что повышенные температуры наблюдаются по верхней образующей горизонтальных паропроводов, что согласуется с результатами геометрических обмеров конструкций.

Наличие наблюдаемых аномальных зон объясняется деформацией конструкций под воздействием собственного веса и деструктивных эксплуатационных факторов, к которым следует отнести: ветровые нагрузки, вибрации трубопроводов, механические воздействия при температурных деформациях труб, случайные механические воздействия. В цикле эксплуатации под воздействием указанных факторов происходит уплотнение и снижение толщины теплоизоляционного слоя в верхней части конструкции и образование воздушной прослойки м. теплоизоляционным слоем и трубопроводом в нижней ее части.

При этом вследствие уплотнения и уменьшения толщины теплоизоляционного слоя, и увеличения конвективной составляющей переноса тепла в конструкции снижается ее приведенное термическое сопротивление и существенно возрастают теплопотери теплопровода.

Определение фактических теплотехнических характеристик теплоизоляционных конструкций предусматривает контактное измерение плотности теплового потока и температуры поверхности в характерных точках теплоизоляционной конструкции, определяемых с учетом результатов геометрических обмеров и тепловизионного обследования. По итогам проведенных измерений выполняется расчет фактического термического сопротивления теплоизоляционных конструкций и фактических теплопотерь паропроводов. Измерение плотности теплового потока производили при помощи дисковых термоэлектрических датчиков плотности теплового потока на основе батареи дифференциальных медьконстантановых термопар с коэффициентом преобразования К=2022 Вт/м2•мВ. Измерение температуры поверхности производили при помощи поверхностных термопар градуировки ХК и дистанционного термометра с лазерным целеуказателем «Кельвин». В качестве вторичного прибора использовался цифровой милливольтметр.

Измерения проводились на девяти контрольных участках теплоизоляции, не имеющих внешних нарушений. На каждом участке измерения проводили в верхней, средней и нижней точках по периметру конструкции.

Анализ полученных результатов показал, что измеренная плотность теплового потока в нижней и средней части теплоизоляционных конструкций паропроводов П13 и П16 не превышает нормативное значение в условиях обследования соответственно 123,5 Вт/м2 и 132,2 Вт/м2 при Твозд.= +20°C.

Измеренные значения плотности теплового потока в верхней части теплоизоляционных конструкций паропроводов в 1,34–2,2 раза превышает нормативное значение – 123,5 Вт/м2.

Результаты проведенного обследования показали, что неизолированные или имеющие разрушенную теплоизоляцию участки паропровода составляют до 10% его длины, в том числе неизолированные участки – до 5%.

Фактические теплопотери паропровода № 2 (П1 с учетом неизолированных участков и измеренных значений плотности теплового потока с поверхности паропровода с неразрушенной теплоизоляцией, приведенные к расчетным условиям (Tвозд.= +5°C) в расчете на 1 км паропровода составляют 1,104 Гкал/км•ч.

Изменение энтальпии пара на контрольном участке паропровода протяженностью 0,75 км, определенное по термодинамическим таблицам [2], по изменению его параметров составляет Di=25,6 кДж/кг. Балансовые теплопотери паропровода в окружающую среду при указанном выше расходе пара на контрольном участке составляют 3855498 кДж/км•ч (0,92 Гкал/км•ч).

Результаты расчета теплопотерь паропровода П13 по теплометрическим данным и по изменению термодинамических параметров пара на контрольном участке трубопровода имеют удовлетворительную для натурного обследования корреляцию. Величина фактических теплопотерь паропровода № 2 (П1 может быть принята как среднеарифметическое значение по результатам двух методов определения – 1,012 Гкал/км•ч.

Сверхнормативные теплопотери, отнесенные к нормам 1959 года, составляют – 0,614 Гкал/км•ч.

Ежегодный перерасход тепловой энергии при нормативном годовом числе часов работы 8 000 по сравнению с нормами 1959 года составляет 4 912 Гкал/км•год или в стоимостном выражении – 855 тыс. руб./год при стоимости тепловой энергии 174 руб./Гкал в период проведения обследования для предприятия, на котором расположены обследуемые паропроводы.

Нормативный тепловой поток для того же паропровода по действующим нормам СНиП 2.04.1488 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов» с Изменением № 1 составляет 0,249 Гкал/км•ч. При этом годовой перерасход энергии на действующем паропроводе составит 6 104 Гкал/год или в стоимостном выражении 1 062 тыс. руб./км•год.

Для приведения тепловой изоляции в соответствие с требованиями норм 1995 года необходима полная ее замена. Проведенная оценка необходимых капитальных затрат и сроков их окупаемости показала, что при средней стоимости 1 м3 смонтированной теплоизоляции 2,5 тыс. руб./м3 капитальные затраты на замену теплоизоляции составят 1 602 тыс. руб., а с учетом стоимости демонтажа существующей изоляции – 1 750 тыс. руб. Окупаемость капитальных затрат, определенная без учета роста стоимости тепловой энергии, окупаемость банковского кредита и других ценообразующих факторов, составит 4,9 года. С учетом длительного срока эксплуатации трубопроводов и возможной необходимости замены в ближайшие годы самих труб, такие затраты представляются необоснованными.

Для магистральных теплопроводов большого диаметра, находящихся в длительной эксплуатации, альтернативным техническим решением является реконструкция и выборочный ремонт существующей теплоизоляции.

По результатам проведенного обследования повышенные потери паропроводов обусловлены высокой плотностью теплового потока в верхней части конструкции и наличием неизолированных участков трубопроводов и участков с разрушенной теплоизоляцией. Для обеспечения нормативного уровня теплопотерь может быть применено техническое решение, предусматривающее увеличение толщины тепловой изоляции в верхней части конструкции до 150–180 мм без демонтажа существующей теплоизоляции. Дополнительная тепловая изоляция может быть установлена поверх существующей теплоизоляционной конструкции, включая покрытие. Дополнительный теплоизоляционный слой из матов минераловатных прошивных с односторонней обкладкой из сетки № 200,5 или плит минераловатных на синтетическом связующем марки 125 толщиной 100 мм закрепляется в верхней части трубопровода на одну треть периметра существующей конструкции (по 500 мм в каждую сторону от верхней образующей конструкции). Рулонированные маты можно раскатывать в длину, а покрытие крепить самонарезающими винтами к существующему покрытию. В качестве дополнительного покрытия рек. использовать оцинкованную сталь толщиной 0,35–0,5 мм по ГОСТ 149188 Ориентировочный объем дополнительной тепловой изоляции на 1 км длины паропровода для рассматриваемого объекта составляет 100 м При средней стоимости изоляции 2,5 тыс. руб./м3 стоимость теплоизоляционных работ, включая установку лесов, составит 250 тыс. руб. Окупаемость капитальных вложений при этом менее 1 года.

В расчете на 10 км паропроводов диаметром 820 мм капитальные затраты на реконструкцию и ремонт составят 2,5 млн. руб., а ежегодная экономия за счет снижения теплопотерь – 9,6 млн. руб./год.

систематический контроль технического состояния и своевременный ремонт и реконструкция теплоизоляционных конструкций с использованием предлагаемого технического решения являются рентабельными энергосберегающими мероприятиями, позволяющими существенно сократить расходы по эксплуатации магистральных паропроводов при сравнительно невысоких затратах на реконструкцию тепловой изоляции.

Литература
Нормы проектирования тепловой изоляции паропроводов и оборудования электростанций и тепловых сетей. Госэнергоиздат, 1959.

СНиП 2.04.148 Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов. М.: Стройиздат, 1989.

Вукалович М. П. и др. Теплофизические свойства воды и водяного пара. М.: Издательство стандартов, 1969.