Исследование и расчет надежности сетей теплоснабжения г. Ижевска на примере микрорайона «Буммаш»

ГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет»​

В рамках дипломного проектирования была проведена научно-исследовательская работа, основой которой стала одна из наиболее важных проблем теплоснабжения — обеспечение необходимого уровня температуры воздуха внутри отапливаемых помещений коммунально-бытовых потребителей.

Необходимым условием создания и функционирования теплоснабжающих систем является надежное обеспечение потребителей тепловой энергией необходимого качества, в требуемом в данный момент времени количестве, в течение определенного периода времени и недопущение ситуаций, опасных для людей и окружающей среды. Данные условия сформулированы в основных положениях СНиП 41-02-2003 «Тепловые сети» [1] и РД-7-ВЭП [2].

Учитывая то обстоятельство, что сами системы и их элементы являются восстанавливаемыми объектами, отказы элементов и систем следует делить на отказы работоспособности и отказы функционирования. Первая категория отказов связана с переходом элемента или системы в момент времени из работоспособного состояния в неработоспособное (или частично неработоспособное). Отказы функционирования связаны с тем, что система в данный момент времени не обеспечивает (или частично не обеспечивает) заданный потребителем уровень энергоснабжения. Очевидно, что отказ работоспособности элемента или системы не означает отказа функционирования. И наоборот, отказ функционирования может произойти в случае, когда отказа работоспособности не произошло.

Целью научно-исследовательской работы являлся сбор, анализ информации, а также исследование надежности системы теплоснабжения и горячего водоснабжения микрорайона «Буммаш», от источника теплоснабжения — ЦТП-5 г. Ижевск.

Основными задачами данной работы, подлежащими решению, являлись:

• Сбор и анализ информации по отказам и дефектам системы в целом и отдельно по ее элементам.
• Исследование влияния негативных факторов на техническое состояние работоспособности системы теплоснабжения и горячего водоснабжения трубопроводов при длительной эксплуатации.
• Определение работоспособности системы теплоснабжения и горячего водоснабжения.
• Определение показателя надежности системы в целом. 
• Расчет вероятности отказов участков системы и узлов трубопроводов.

Основные технические характеристики микрорайона

Источником теплоснабжения является ЦТП-5 микрорайона «Буммаш». Микрорайон состоит из 14-ти пятиэтажных, 3-х двенадцатиэтажных и одного шестнадцатиэтажного жилых домов, трех магазинов, также в микрорайоне находятся два двухэтажных детских сада и одна четырехэтажная школа, на территории которой имеется теплица, отапливаемая от ЦТП микрорайона. Существующая прокладка трубопроводов систем теплоснабжения выполнена в непроходных каналах в трехтрубном и часть четырехтрубном исполнении.

В зданиях запроектирована секционная система горячего водоснабжения. Схема присоединения систем отопления зданий к тепловым сетям зависимая со смешением с помощью водоструйного элеватора. Параметры на выходе из ЦТП:

• расчетные тепловые нагрузки: на отопление — 9,092 МВт (7,818 Гкал/ч), на ГВС — 5,367 МВт (4,615 Гкал/ч);
• температурный график: 130 — 70 °С;
• давление: Р₁=0,6 МПа. (60,0 м в.ст.), Р₂=0,38 МПа (38,0 м в.ст.);
• давление горячей воде на выходе Н_г.в.=0,6 МПа (60,0 м. в.ст.);
• расчетная наружная температура хо лодного периода: t_н=-34 °С;
• расчетная температура внутреннего воздуха: t_В=20°С.

Обследование системы теплоснабжения и системы горячего водоснабжения микрорайона

За основу исследования теплотрассы были взяты и проанализированы акты обследования дефектных участков существующего микрорайона «Буммаш» г. Ижевска.

В соответствии с данными актами были построены гистограммы отказов системы теплоснабжения и системы горячего водоснабжения в период с января 2003 года по март 2006 года, в зависимости от диаметра трубопровода и от места, характера и причины повреждения (коррозии или износа арматуры).

Причины отказа системы теплоснабжения микрорайона

Рассмотрим гистограммы, характеризующие систему отопления микрорайона «Буммаш» г. Ижевска.

Рис.1

На рис.1 приведена общая гистограмма причин отказов системы отопления за весь рассматриваемый эксплуатационный период с января 2003 по март 2006 года.

По результатам гистограммы можно сделать вывод, что система отопления в период с 2003 г. по 03.2006 г. подвергалась ремонту по причинам воздействия на нее различных видов коррозии, таких как: электромеханической, внутренней и наружной.

В течение рассматриваемого периода ремонт теплотрассы по замене запорной арматуры производился дважды.

Наиболее интенсивной из рассматриваемых видов коррозии оказалась наружная, а наиболее щадящее воздействие на трубопроводы отопления оказывает внутренняя коррозия.

Таким образом, наибольшее разрушающее воздействие на систему отопления оказывает наружная коррозия по причине плохих условий содержания тепловых сетей в результате подъема грунтовых вод.

Отказы трубопроводов системы отопления микрорайона. В данной работе было проведено обследование системы теплоснабжения в зависимости от диаметра и протяженности трубопровода. Результаты представлены в табл. 1 и их замена на гистограмме рис.2.

Рис.2

Рассмотрев гистограмму (рис.2) за эксплуатационный период системы отопления с января 2003 по март 2006 года, видно, что чаще всего ремонту и замене подвергались трубопроводы O76 мм (11 замен из 44) и O108 мм (12 замен из 44). Трубопроводы O57 и O133 мм оказались более устойчивыми к негативным воздействиям в течение всего периода эксплуатации 2003-2006 года. Среднее количество ремонтов (5-6 замен за рассматриваемый период) испытала на себе теплотрасса отопления O89, O159 и O219 мм.

Причины отказов системы ГВС микрорайона

Рассмотрим диаграммы, характеризующие причины неисправностей системы ГВС микрорайона «Буммаш». На рис. 3 приведена общая гистограмма причин отказов системы отопления за весь рассматриваемый эксплуатационный период с января 2003 года по март 2006 года.

Рис.3

Из гистограмм по ремонту трассы ГВС видно, что система в период с 2003 г. по 03.2006 г. подвергалась ремонту по причинам воздействия на нее электромеханической, внутренней и наружной коррозии. Пять причин, по которым производился ремонт трассы ГВС, приходятся на замену или ремонт запорной арматуры.

За рассматриваемый период эксплуатации система горячего водоснабжения находилась в аварийных ситуациях и подвергалась ремонту в 49 случаях, из них наиболее часто, как и система отопления данного микрорайона, из-за воздействия наружной коррозии.

Резкий рост воздействия внутренней коррозии, по сравнению с системой отопления, на трубопроводы горячего водоснабжения связан с ухудшением качества сетевой воды. Самое наименьшее воздействие на систему горячего водоснабжения оказала электромеханическая коррозия.

Отказ трубопроводов системы ГВС микрорайона

В данном разделе на основе табличных данных системы ГВС проведено обследование системы теплоснабжения, в зависимости от диаметра и протяженности трубопровода результаты представлены в табл. 2 и замена их на гистограмме рис.4.

Рис.4

Из вышеприведенной гистограммы по замене трубопроводов горячего водоснабжения за 2003-03.2006 гг. (рис.4), видно, что максимальный процент всех ремонтов труб приходится на O159 мм (16 замен из 56). Трубопроводы O219 за истекший период подвергались ремонту лишь 4 раза. Остальные замены приходятся практически в равном количестве на трубы ГВС диаметром O57, O76,O89 и O108 мм.

Расчет надежности тепловых сетей и сетей ГВС

Средства обеспечения надежности систем теплоснабжения во многом определяются принятой ее структурной схемой, способами резервирования, а также нагрузочным резервированием отдельных ее элементов. Схема теплоснабжения должна обладать гибкостью и резервами на случай отказов ее отдельных элементов.

Время восстановления отказов магистральных трубопроводов играет решающую роль в обеспечении надежности теплоснабжения. Это время зависит от типа повреждения, состава аварийно-восстановительных бригад и технологии устранения повреждения. Понятие надежности отражает два главных подхода к оценке работы устройства или системы. Первый — это вероятная оценка работоспособности системы, связанная с тем, что продолжительность работы элементов системы обуславливается рядом случайных факторов, предвидеть воздействие которых на работу элемента не представляется возможным. Вторым, главным подходом к оценке работоспособности системы является учет времени работы. Надежность — это сохранение качеств элементом или системой во времени. Из всего вышесказанного главным критерием надежности является вероятность безотказной работы системы или элемента в течение заданного периода [2, 3].

Вероятность безотказной работы магистрального теплопровода зависит от длины тепломагистрали.

При расчете надежности все элементы тепловой сети, отказы которых приводят к отключению потребителей, были пронумерованы. Определены недоотпуски теплоты, связанные с отключением потребителей, и рассчитаны показатели надежности системы. При расчете показателя надежности был определен параметр потока отказов всех элементов (() и расчетное время. Недоотпуски теплоты для различных состояний системы определены для принятой (существующей) схемы тепловой сети.

Показатель надежности рассчитывался по формуле [3]:

Результаты расчета сведены в таблицу 3.

Полученные значения показателя надежности для нерезервированной (существующей) тепловой сети ниже допустимого, равного 0,9 [1, 2]. Следовательно, такую систему теплоснабжения нельзя было проектировать.

Основные результаты и выводы

Обследование рассматриваемого микрорайона и анализ полученных данных показывают, что наименее надежным элементом в системах теплоснабжения являются трубопроводы. Это обусловлено, главным образом, тремя факторами. Первый из них связан с плохим качеством сетевой воды. Это приводит к интенсивной внутренней коррозии трубопровода и снижению действительного ресурса по отношению к расчетному в несколько раз. Второй обусловлен постоянно ухудшающимися условиями содержания тепловых сетей вследствие подъема грунтовых вод. Он вызван, во-первых, утечками воды и, во-вторых, снижением испарения воды с поверхности земли в городах, что ведет к интенсивной внешней коррозии трубопроводов. Третий фактор связан с прокладкой теплотрасс вблизи наличия электрокабеля, в результате чего трубопроводы подвергаются воздействию электромеханической коррозии. Все это приводит к тому, что ресурс работы теплосети не превышает 5-8 лет по отношению к расчетному 25-30 лет. Как показывает анализ статистических данных по повреждаемости трубопроводов, свыше 90% отказов происходит по причине коррозии металла.

Из диаграмм видно, что чаще всего из строя выходят трубопроводы диаметром до 108х3 мм. Трубопроводы диаметром свыше 108х3 мм выходят из строя под воздействием электромеханической коррозии в результате нахождения вблизи прокладки трубопроводов электрокабеля или под влиянием наружной коррозий из-за наличия грунтовых вод.

По результатам представленных расчетов видно, что кольцевание тепловых сетей необходимо для повышения надежности теплоснабжения потребителей. Поскольку это очень дорогостоящее мероприятие, то закольцовывать систему микрорайона экономически невыгодно, поэтому резервирование тепловых сетей нужно осуществлять путем строительства перемычек между магистралями первичного контура, идущими от ТЭЦ к ЦТП микрорайонов, что значительно повысит надежность системы теплоснабжения. Надежность увеличивается для системы теплоснабжения в 0,971:0,89=1,1 раза.

Заключение

Результаты научно-исследовательской работы были отмечены: Диплом на II выставке-сесии инновационных проектов студентов и молодых ученых ИжГТУ (г. Ижевск, декабрь 2006 г.).

Первым местом в региональном туре Всероссийской студенческой олимпиады регионального конкурса ВКД по специальности 270109 «Теплогазоснабжение и вентиляция» (г. Казань, март 2007 г.).

Третьим местом в III заключительном туре конкурса дипломных проектов и работ Международного конкурса выпускных квалификационных работ по специальности 270109 «Теплогазоснабжение и вентиляция» (г. Волгоград, апрель 2007 г.).

В настоящее время совместно с ООО «Удмуртские коммунальные системы» выполняется научно-исследовательская работа по исследованию надежности систем теплоснабжения г. Ижевска.

Список литературы

СНиП 41-02-2003. Тепловые сети. — М.: Стройиздат, 2003. РД-7-ВЭП — Проектирование систем централизованного теплоснабжения по заданным уровням надежности (безотказность, готовность, живучесть). ВЭП-ПГТУ. 2000.

Ионин  А. А. Надежность систем тепловых сетей. — Москва.: Стройиздат, 1989. -268 с.