Эксплуатация тепловых сетей. Повышение надежности и качества теплоснабжения. Методы обнаружения и ликвидации повреждений в системах теплоснабжения

Анализ данных эксплуатирующих организаций тепловых сетей показывает, что в большинстве случаев фактическое значение параметра потока отказов существенно превышает нормативные показатели. Это значит, что надежность этих сетей не удовлетворяет нормам и требует повышения. В последнее время остро ставятся вопросы реконструкции тепловых сетей (ТС) для оптимизации теплоснабжения потребителей, особенно снабжаемых теплотой от тупиковых систем. Анализ реальных схем подключения показывает, что многие существующие жилые здания подключены к таким сетям без технико-экономического обоснования длины ответвлений от основной магистрали и не входят в оптимальный радиус действия данного теплоисточника.

Существуют различные методики определения дополнительных денежных затрат в реконструкцию существующих систем теплоснабжения, в укрупненном виде их можно представить как пошаговый алгоритм расчета дополнительных денежных затрат.

При этом одним из ключевых вопросов данной проблемы является технико-экономическое обоснование эффективности инвестиций в повышение надежности теплоснабжения потребителей. Повышение надежности достигается различными путями:

♦ прокладываются дополнительные перемычки, если возможно закольцевать существующую тупиковую систему трубопроводов;

♦ перекладываются проблемные участки подземной сети трубопроводов, ранее подверженные местному ремонту, затоплениям, с выявленными коррозионными дефектами поверхности;

♦ изменяются условия прокладки трубопроводов: ветки ТС подземной прокладки, не выдерживающие параметры надежности, перекладываются надземным способом, т.к. срок службы (надежность) воздушных прокладок значительно выше;

♦ при недостаточной мощности теплоисточника (причинами могут выступать досрочный выход из строя оборудования, снижение тепловой мощности из-за несбалансированной работы, подключение абонентов, тепловая нагрузка которых превышает фактическую свободную тепловую мощность источника, и т.п.) - демонтаж существующей ветки с переводом потребителя на автономное теплоснабжение, что исключает зависимость снабжения потребителя теплоносителем от надежности работы ТС.

На практике, разветвленные тупиковые квартальные сети теплоснабжения зачастую невозможно закольцевать путем введения дополнительных перемычек или изменить тип прокладки трубопроводов, например по архитектурным требованиям. В этом случае рассматриваются варианты реконструкции существующей ТС либо решается вопрос о нерентабельности реконструкции, демонтаже сети и перевода абонента на автономное теплоснабжение при соответствующем технико-экономическом обосновании. Основная сложность состоит в правильной оценке состояния ТС. Ведь важно не только оценить степень изношенности трубопроводов, но и спрогнозировать изменение состояния теплоснабжающей ветки в течение последующих нескольких лет при различных вариантах замены тех или иных участков, исходя из условий ограниченного объема финансирования, в которых находится подавляющее большинство эксплуатирующих организаций.

ТС на практике не является равновозрастной структурой, т.к. в разные периоды эксплуатации некоторые участки перекладывались, трубы частично заменялись новыми, подключались новые абоненты и т.п.

Теплотрассы, доставляющие теплоноситель, находятся зачастую в крайне изношенном состоянии, по оценкам экспертов потери по теплотрассе превышают 20%. Тщательный анализ состояния ТС коммунально-бытового теплоснабжения в Саратовской области показал, что порядка 50% сетей жилищно-коммунального хозяйства и до 60% ТС абонентских вводов требуют капитального ремонта [1].

Общая протяженность магистральных трубопроводов ТС Саратовских Тепловых сетей (СТС) - 183 км. Около 50% ТС эксплуатируются более 20 лет (порядка 100 км). 161 км имеют срок эксплуатации 10 лет, что составляет 88% от общей протяженности теплотрасс. При этом 12% трубопроводов эксплуатируются свыше 30 лет (рис. 2).

Исходя из фактического срока службы трубопроводов ТС с минераловатной изоляцией (6-7 лет), в год требуется перекладка 16-17 км трубопроводов. В каждом конкретном случае, рассматривая теплоснабжение отдельных абонентов, необходимо величину перекладок определять с учетом надежности теплоподводя- щей магистрали. Количество перекладок должно обеспечить заданный уровень надежности сети. Так, например, сокращение объема перекладок в 2 раза при существующем ограничении финансирования, ведет к увеличению потока отказов в 6,06 раза [2]. Надежность ТС необходимо сделать одним из критериев оценки состояния ТС. В части эксплуатационных затрат должны присутствовать отчисления на компенсацию возможного ущерба от снижения надежности ТС в результате эксплуатации и вызванных этим отказов в работе системы теплоснабжения. Ущерб при аварийных отказах системы равен [3]:

Предположим, что данная ТС состоит из n веток, содержащих m участков (от 1 до j). Участки разновозрастные, возраст участков t изменяется в интервале от 1 года до k лет. Тогда затраты на возмещение этого ущерба на каждой ветке составят:

Величина параметра потока отказов rajt данной ветки j зависит от ее возраста, и чем старее трубопровод на этом участке, тем выше риск аварии на нем. В [3, 4] приводятся таблицы параметров потока отказов для возрастных групп трубопроводов. Это не совсем удобно для расчетов, т.к. дискретность данных не позволяет описать математически процесс старения трубопроводов. Тем не менее, зависимость параметра потока отказов от возраста трубопровода позволит смоделировать процесс старения всей системы в целом и выявить изменения показателей ее надежности в динамике: при естественном старении системы и при частичной замене существующих проблемных участков сети новыми трубами.

Под теплоустойчивостью зданий (помещений) понимают его свойство поддерживать относительное постоянство температуры при изменяющихся тепловых воздействиях. Как было сказано выше, в настоящее время не имеется общей, утвержденной методики оценки надежности систем коммунального теплоснабжения по всем или большинству показателей надежности.

В связи с этим для оценки надежности используются такие эмпирические показатели как интенсивность отказов (р) и относительный аварийный недоотпуск тепла (q), динамика изменения которых во времени показывает прогресс или деградацию надежности системы коммунального теплоснабжения.

Теория надежности энергетических систем дает следующие определения интенсивности отказов и недоотпуска энергии:

Интенсивность отказов «p(t)» представляет собой условную плотность вероятности возникновения отказа, определяемую для рассматриваемого момента времени при условии, что до этого момента отказ не возник.

Средний недоотпуск энергии «q_cp» характеризует не только все основные свойства надежности системы, но и режим ее загрузки, и представляет собой математическое ожидание не доотпуска энергии потребителям за расчетный период времени.

Определение указанных показателей для практических целей производится в течение всего времени эксплуатации систем коммунального теплоснабжения.

Анализ полученных результатов используется как при долгосрочном планировании, так и при разработке конкретных мероприятий по подготовке к очередному отопительному периоду.

Интенсивность отказов (р) определяют, как правило, за год по следующей зависимости:

(1)

где М_от - материальная характеристика участков тепловой сети, выключенных из работы при отказе (м²); n_от - время вынужденного выключения участков сети, вызванное отказом и его устранением (ч); ΣМ_n · n_пл - произведение материальной характеристики тепловой сети данной системы теплоснабжения на плановую длительность ее работы за заданный период времени (обычно за год). Величина материальной характеристики тепловой сети, состоящей из «n»-участков, представляет собой сумму произведений диаметров подводящих и отводящих трубопроводов на их длину.,

Относительный аварийный недоотпуск теплоты (q) определяется по формуле:

(2)

где ΣQ_aв - аварийный недоотпуск теплоты за год, ГДж (Гкал); ΣQ - расчетный отпуск теплоты системой теплоснабжения за год, ГДж (Гкал).

Для оценки надежности систем коммунального теплоснабжения могут использоваться (в опытном порядке) частные и общие критерии, характеризующие состояние электроснабжения, водоснабжения, топливоснабжения источников теплоты, соответствие мощности теплоисточников и пропускной способности тепловых сетей расчетным тепловым нагрузкам, техническое состояние и резервирование тепловых сетей.

Рассмотрим подробнее указанные критерии.

Надежность электроснабжения источников теплоты (К_э) характеризуется наличием или отсутствием резервного электропитания:

при наличии второго ввода или автономного источника электроснабжения

К_э = 1,0;

при отсутствии резервного электропитания при мощности отопительной котельной

до 5,8 МВт (5,0 Гкал/ч)	Кэ = 0,8;
св. 5,8 до 23,3 МВт (5,0 до 20 Гкал/ч)	Кэ = 0,7;
св. 23,3 МВт (20 Гкал/ч)	Кэ = 0,6

Надежность водоснабжения источников теплоты (К_э) характеризуется наличием или отсутствием резервного водоснабжения:

при наличии второго независимого водовода, артезианской скважины или емкости с запасом воды на 12 ч работы отопительной котельной при расчетной нагрузке

К_э = 1,0;

при отсутствии резервного водоснабжения при мощности отопительной котельной

до 5,8 МВт (5 Гкал/ч)	Кэ = 0,8;
св. 5,8 до 23,3 МВт (св. 5 до 20 Гкал/ч)	Кэ = 0,7;
св. 23,3 МВт (ев 20 Гкал/ч)	Кэ = 0,6

Надежность топливоснабжения источников тепла (К_т) характеризуется наличием или отсутствием резервного топливоснабжения:

при наличии резервного топлива

К_т =1,0;

при отсутствии резервного топлива при мощности отопительной котельной

до 5,8 МВт (5,0 Гкал/ч)	Кт = 1,0;
св. 5,8 до 23,3 МВт (5,0 до 20 Гкал/ч)	Кт = 0,7;
св. 23,3 МВт (20 Гкал/ч)	Кт = 0,5

Одним из показателей, характеризующих надежность системы коммунального теплоснабжения, является соответствие тепловой мощности источников теплоты и пропускной способности тепловых сетей расчетным тепловым нагрузкам потребителей (К_Б), т.е. размером дефицита.

Величина этого показателя определяется размером дефицита:

до 10%	КБ = 1,0;
св. 10 до 20%	КБ = 0,8;
св. 20 до 30 %	КБ = 0,6;
св. 30 %	КБ = 0,3;

Одним из важнейших направлений повышения надежности систем коммунального теплоснабжения является резервирование источников теплоты и элементов тепловой сети путем их кольцевания или устройства перемычек.

Уровень резервирования (К_р) определяется отношением резервируемой на уровне центрального теплового пункта (квартала; микрорайона) расчетной тепловой нагрузки к сумме расчетных тепловых нагрузок подлежащих резервированию потребителей, подключенных к данному тепловому пункту:

Резервирование	Св. 90 до 100% нагрузки	Кр = 1,0;
» 70»	Кр = 0,7;
» 50»	Кр = 0,5;
» 30»	Кр = 0,3;
менее 30 %	Кр = 0,2

Согласно СНиП при проектировании тепловых сетей подземной прокладки в непроходных каналах и при бесканальной прокладке должно предусматриваться резервирование подачи тепла в зависимости от климатических условий и диаметров трубопроводов (табл. 1).

Таблица 1. Величина резервной подачи теплоты, %, в течение ремонтно-восстановительного периода после отказа

Диаметр труб тепловых сетей, мм	Время восстановления теплоснабжения, ч	Расчетная температура наружного воздуха для проектирования отопления, °С
минус 10	минус 20	минус 30	минус 40	минус 50
Допускаемое снижение подачи теплоты, %, до
800-1000
1200-1400	До 54

Рекомендуется предусматривать 100%-ное резервирование (с отнесением к потребителям теплоты первой категории) жилых микрорайонов в городах (населенных пунктах) при расчетных температурах наружного воздуха для проектирования отопления:

ниже -40 °С - независимо от численности населения

от -40 до -31 °С - при численности св. 2,0 до 5,0 тыс. чел.

от -30 до -21 °С - при численности св. 5,0 до 10,0 тыс. чел.

от -20 до -11 °С - при численности св. 10 тыс. чел.

При наличии нескольких источников теплоты должна быть проанализирована возможность работы их на единую тепловую сеть. В этом случае при аварии на одном из источников теплоты имеется возможность частичного обеспечения потребителей тепловой энергией из единой тепловой сети за счет других источников теплоты.

Надежность системы теплоснабжения может быть повышена путем устройства перемычек между магистральными сетями, проложенными радиально от одного или разных источников теплоты.

Перемычки используются как в нормальном, так и в аварийном режимах работы. Наличие перемычек позволяет обеспечить беспрерывное теплоснабжение и значительно снизить недоотпуск теплоты при аварии. Число и диаметры перемычек определяются исходя из режима резервирования при сниженном расходе теплоносителя.

Практика эксплуатации показывает, что при замене мелких котельных крупными источниками теплоты, мелкие котельные, находящиеся в технически исправном состоянии, целесообразно оставлять в резерве.

Существенное влияние на надежность системы теплоснабжения имеет техническое состояние тепловых сетей, характеризуемое наличием ветхих, подлежащих замене трубопроводов (К_с):

при доле ветхих сетей

до 10%	Кс = 1,0;
св. 10 до 20%	Кс = 0,8;
св. 20 до 30%	Кс = 0,6;
св. 30%	Кс = 0,5

Показатель надежности конкретной системы теплоснабжения (К_над) определяется как средний по частным показателям К_э, К_в, К_т, К_Б, К_р и К_с:

(3)

где n - число показателей, учтенных в числителе.

Общий показатель надежности системы коммунального теплоснабжения города (населенного пункта) определяется по уравнению:

(4)

где - значения показателей надежности систем теплоснабжения кварталов, микрорайонов города; Q₁,..., Q_n - расчетные тепловые нагрузки потребителей кварталов, микрорайонов города.

Для случая, когда система централизованного коммунального теплоснабжения едина для всего города (населенного пункта), обобщенный показатель совпадает с коэффициентом, характеризующим надежность системы.

В зависимости от полученных показателей надежности отдельных систем и системы коммунального теплоснабжения города (населенного пункта) они с точки зрения надежности могут быть оценены как:

высоконадежные при К_над - более 0,9;

надежные при К_над - от 0,75 до 0,89;

малонадежные при К_над - от 0,5 до 0,74;

ненадежные при К_над - менее 0,5.

При планировании подготовки теплоснабжающих организаций к отопительному периоду необходимо также оценить их готовность к проведению аварийно-восстановительных работ в системах коммунального теплоснабжения, которая базируется на показателях:

укомплектованности ремонтным и оперативно-ремонтным персоналом;

оснащенности машинами, специальными механизмами и оборудованием;

наличия основных материально-технических ресурсов;

укомплектованности передвижными автономными источниками электропитания для ведения аварийно-восстановительных работ.

Показатель укомплектованности персоналом (K_п) определяется как отношение фактической численности к численности по действующим нормативам, но не более 1,0.

Показатель оснащенности машинами, специальными механизмами и оборудованием (K_м) принимается как среднее отношение фактического наличия к количеству, определенному по нормативам, по основной номенклатуре:

(5)

где - показатели, относящиеся к данному виду машин, n - число показателей.

Показатель наличия основных материально-технических ресурсов (К_тр) определяется аналогично по основной номенклатуре ресурсов (трубы; компенсаторы; арматура; сварочные материалы и т.п.). Принимаемые для определения значения общего показателя частные показатели не должны быть выше 1,0.