Потери энергии и ресурсов в инженерных сетях

1.Участок  производства тепловой  энергии. Существующая  котельная.  

       Главным звеном на этом участке является котлоагрегат, функциями которого является преобразование химической энергии топлива в  тепловую и передача этой энергии  теплоносителю. В котлоагрегате  происходит ряд физико-химических процессов, каждый из которых имеет свой КПД. И любой котлоагрегат, каким бы совершенным он не был, обязательно  теряет часть энергии топлива  в этих процессах. Упрощенно схема  этих процессов изображена на рисунке. 

      На  участке производства тепловой энергии  при нормальной работе котлоагрегата  всегда существуют три вида основных потерь: с недожогом топлива и  уходящими газами (обычно не более18%), потери энергии через обмуровку  котла (не более 4%) и потери с продувкой  и на собственные нужды котельной (около 3%). Указанные цифры тепловых потерь приблизительно близки для нормального  не нового отечественного котла (с КПД  около 75%). Более совершенные современные  котлоагрегаты имеют реальный КПД  около 80-85% и стандартные эти потери у них ниже. Однако они могут  дополнительно возрастать:

• Если своевременно и качественно не проведена режимная наладка котлоагрегата с инвентаризацией вредных выбросов, потери с недожогом газа могут увеличиваться на 6-8 %;
• Диаметр сопел горелок, установленных на котлоагрегате средней мощности обычно не пересчитывается под реальную нагрузку котла. Однако подключенная к котлу нагрузка отличается от той, на которую рассчитана горелка. Это несоответствие всегда приводит к снижению теплоотдачи от факелов к поверхностям нагрева и возрастанию на 2-5% потерь с химическим недожогом топлива и уходящими газами;
• Если чистка поверхностей котлоагрегатов производится, как правило, один раз в 2-3 года, это снижает КПД котла с загрязненными поверхностями на 4-5% за счет увеличения на эту величину потерь с уходящими газами. Кроме того, недостаточная эффективность работы системы химводоочистки (ХВО) приводит к появлению химических отложений (накипи) на внутренних поверхностях котлоагрегата значительно снижающих эффективность его работы.
• Если котел не оборудован полным комплектом средств контроля и регулирования (паромерами, теплосчетчиками, системами регулирования процесса горения и тепловой нагрузки) или если средства регулирования котлоагрегата настроены неоптимально, то это в среднем дополнительно снижает его КПД на 5%.
• При нарушении целостности обмуровки котла возникают дополнительные присосы воздуха в топку, что увеличивает потери с недожогом и уходящими газами на 2-5%
• Использование современного насосного оборудования в котельной позволяет в два-три раза снизить затраты электроэнергии на собственные нужды котельной и снизить затраты на их ремонт и обслуживание.
• На каждый цикл "Пуск-останов" котлоагрегата тратится значительное количество топлива. Идеальный вариант эксплуатации котельной - ее непрерывная работа в диапазоне мощностей, определенном режимной картой. Использование надежной запорной арматуры, высококачественной автоматики и регулирующих устройств позволяет минимизировать потери, возникающие из-за колебаний мощности и возникновения нештатных ситуаций в котельной.

       Перечисленные выше источники возникновения дополнительных потерь энергии в котельной не являются явными и прозрачными для  их выявления. Например, одна из основных составляющих этих потерь - потери с  недожогом, могут быть определены только с помощью химического анализа  состава уходящих газов. В то же время  увеличение этой составляющей может  быть вызвано целым рядом причин: не соблюдается правильное соотношение  смеси топливо-воздух, имеются неконтролируемые присосы воздуха в топку котла, горелочное устройство работает в неоптимальном  режиме др.

Таким образом, постоянные неявные дополнительные потери только при производстве тепла  в котельной могут достигать  величины 20-25%! 
 

2. Потери тепла на  участке его транспортировки  к потребителю.  Существующие трубопроводы  теплосетей. 

      Обычно  тепловая энергия, переданная в котельной  теплоносителю, поступает в теплотрассу  и следует на объекты потребителей. Величина КПД данного участка  обычно определяется следующим:

• КПД сетевых насосов, обеспечивающих движение теплоносителя по теплотрассе;
• потерями тепловой энергии по длине теплотрасс, связанными со способом укладки и изоляции трубопроводов;
• потерями тепловой энергии, связанными с правильностью распределения тепла между объектами-потребителями, т.н. гидравлической настроенностью теплотрассы;
• периодически возникающими во время аварийных и нештатных ситуаций утечками теплоносителя.

       При разумно спроектированной и гидравлически  налаженной системе теплотрасс, удаление конечного потребителя от участка  производства энергии редко составляет больше 1,5-2 км и общая величина потерь обычно не превышает 5-7%. Однако:

• использование отечественных мощных сетевых насосов с низким КПД практически всегда приводит к значительным непроизводительным перерасходам электроэнергии. 
• при большой протяженности трубопроводов теплотрасс значительное влияние на величину тепловых потерь приобретает качество тепловой изоляции теплотрасс. 
• гидравлическая налаженность теплотрассы является основополагающим фактором, определяющим экономичность ее работы. Подключенные к теплотрассе объекты теплопотребления должны быть правильно шайбированы таким образом, чтобы тепло распределялось по ним равномерно. В противном случае тепловая энергия перестает эффективно использоваться на объектах потребления и возникает ситуация с возвращением части тепловой энергии по обратному трубопроводу на котельную. Помимо снижения КПД котлоагрегатов это вызывает ухудшение качества отопления в наиболее отдаленных по ходу теплосети зданиях.
• если вода для систем горячего водоснабжения (ГВС) подогревается на расстоянии от объекта потребления, то трубопроводы трасс ГВС обязательно должны быть выполнены по циркуляционной схеме. Присутствие тупиковой схемы ГВС фактически означает, что около 35-45% тепловой энергии, идущей на нужды ГВС, затрачивается впустую. 

       Обычно  потери тепловой энергии в теплотрассах не должны превышать 5-7%. Но фактически они могут достигать величины в 25% и выше! 

3. Потери на объектах  потребителей тепла.  Системы отопления  и ГВС существующих  зданий. 

      Наиболее  существенными составляющими тепловых потерь в теплоэнергетических системах являются потери на объектах-потребителях. Наличие таковых не является прозрачным и может быть определено только после  появления в теплопункте здания прибора учета тепловой энергии, т.н. теплосчетчика. Опыт работы с огромным количеством отечественных тепловых систем, позволяет указать основные источники возникновения непроизводительных потерь тепловой энергии. В самом  распространенном случае таковыми являются потери:

• в системах отопления связанные с неравномерным распределением тепла по объекту потребления и нерациональностью внутренней тепловой схемы объекта (5-15%);
• в системах отопления связанные с несоответствием характера отопления текущим погодным условиям (15-20%);
• в системах ГВС из-за отсутствия рециркуляции горячей воды теряется до 25% тепловой энергии;
• в системах ГВС из-за отсутствия или неработоспособности регуляторов горячей воды на бойлерах ГВС (до 15% нагрузки ГВС);
• в трубчатых (скоростных) бойлерах по причине наличия внутренних утечек, загрязнения поверхностей теплообмена и трудности регулирования (до10-15% нагрузки ГВС).

Общие неявные непроизводительные потери на объекте потребления могут  составлять до 35% от тепловой нагрузки!  

        Главной косвенной причиной наличия  и возрастания вышеперечисленных  потерь является отсутствие на  объектах теплопотребления приборов  учета количества потребляемого  тепла. Отсутствие прозрачной  картины потребления тепла объектом  обуславливает вытекающее отсюда  недопонимание значимости принятия  на нем энергосберегающих мероприятий.  

3. Тепловая изоляция 

      Теплоизоляция, тепловая изоляция, термоизоляция, защита зданий, тепловых промышленных установок (или отдельных их узлов), холодильных  камер, трубопроводов и прочего  от нежелательного теплового обмена с окружающей средой. Так, например, в строительстве и теплоэнергетике  теплоизоляция необходима для уменьшения тепловых потерь в окружающую среду, в холодильной и криогенной технике - для защиты аппаратуры от притока  тепла извне. Теплоизоляция обеспечивается устройством специальных ограждений, выполняемых из теплоизоляционных  материалов (в виде оболочек, покрытий и т. п.) и затрудняющих теплопередачу; сами эти теплозащитные средства также называются теплоизоляцией. При  преимущественном конвективном теплообмене  для теплоизоляции используют ограждения, содержащие слои материала, непроницаемого для воздуха; при лучистом теплообмене - конструкции из материалов, отражающих тепловое излучение (например, из фольги, металлизированной лавсановой плёнки); при теплопроводности (основной механизм переноса тепла) - материалы с развитой пористой структурой.

Эффективность теплоизоляции при переносе тепла  теплопроводностью определяется термическим  сопротивлением (R) изолирующей конструкции. Для однослойной конструкции R=d/l, где d - толщина слоя изолирующего материала, l - его коэффициент теплопроводности. Повышение эффективности теплоизоляции  достигается применением высокопористых материалов и устройством многослойных конструкций с воздушными прослойками.

Задача  теплоизоляции зданий - снизить потери тепла в холодный период года и  обеспечить относительное постоянство  температуры в помещениях в течение  суток при колебаниях температуры  наружного воздуха. Применяя для  тепловой изоляции эффективные теплоизоляционные  материалы, можно существенно уменьшить  толщину и снизить массу ограждающих  конструкций и таким образом  сократить расход основных стройматериалов (кирпича, цемента, стали и др.) и  увеличить допустимые размеры сборных  элементов.

       В тепловых промышленных установках (промышленных печах, котлах, автоклавах и т. п.) теплоизоляция  обеспечивает значительную экономию топлива, способствует увеличению мощности тепловых агрегатов и повышению их КПД, интенсификации технологических процессов, снижению расхода основных материалов. Экономическую эффективность теплоизоляции  в промышленности часто оценивают  коэффициентом сбережения тепла h= (Q₁ - Q₂)/Q₁ (где Q₁ - потери тепла установкой без теплоизоляции, а Q₂ - c теплоизоляцией). Теплоизоляция промышленных установок, работающих при высоких температурах, способствует также созданию нормальных санитарно-гигиенических условий труда обслуживающего персонала в горячих цехах и предотвращению производственного травматизма.  

3.1 Теплоизоляционные  материалы 

       Основные  области применения теплоизоляционных  материалов — изоляция ограждающих  строительных конструкций, технологического оборудования (промышленных печей, тепловых агрегатов, холодильных камер и  т. д.) и трубопроводов.

       От  качества изоляционной конструкции  теплопровода зависят не только тепловые потери, но и его долговечность. При  соответствующем качестве материалов и технологии изготовления тепловая изоляция может одновременно выполнять  роль антикоррозийной защиты наружной поверхности стального трубопровода. К таким материалам, относятся  полиуретан и производные на его  основе - полимербетон и бион.

       Основные  требования к теплоизоляционным  конструкциям заключается в следующем:

· низкая теплопроводность как в сухом  состоянии так и в состоянии  естественной влажности;

· малое  водопоглощение и небольшая высота капиллярного подъема жидкой влаги;

· малая  коррозионная активность;

· высокое  электрическое сопротивление;

· щелочная реакция среды (pH>8,5);

· достаточная  механическая прочность.

      Основными требованиями для теплоизоляционных  материалов паропроводов электростанций и котельных являются низкая теплопроводность и высокая термостойкость. Такие  материалы обычно характеризуются  большим содержанием воздушных  пор и малой объемной плотностью. Последнее качество этих материалов предопределяет их повышенные гигроскопичность и водопоглощение.

       Одно  из основных требований к теплоизоляционным  материалам для подземных теплопроводов  заключается в малом водопоглащении. Поэтому высокоэффективные теплоизоляционные  материалы с большим содержанием  воздушных пор, легко впитывающие  влагу из окружающего грунта, как  правило, непригодны для подземных  теплопроводов.

       Различают жёсткие (плиты, блоки, кирпич, скорлупы, сегменты и др.), гибкие (маты, матрацы, жгуты, шнуры и др.), сыпучие (зернистые, порошкообразные) или волокнистые  теплоизоляционные материалы. По виду основного сырья  их подразделяют на органические, неорганические и  смешанные.

       Органические  в свою очередь делятся на органические естественные и органические искусственные. К органическим естественным материалам относятся материалы, получаемые переработкой неделовой древесины и отходов  деревообработки (древесноволокнистые  плиты и древесностружечные плиты), сельскохозяйственных отходов (соломит, камышит и др.), торфа (торфоплиты) и др. местного органического сырья. Эти теплоизоляционные материалы, как правило, отличаются низкой водо- и биостойкостью. Указанных недостатков  лишены органические искусственные  материалы. Очень перспективными материалами  этой подгруппы являются пенопласты, получаемые путем вспенивания синтетических  смол. Пенопласты имеют мелкие замкнутые  поры и этим отличаются от поропластов  – тоже вспененных пластмасс, но имеющих  соединяющиеся поры и поэтому  неиспользуемые в качестве теплоизоляционных  материалов. В зависимости от рецептуры  и характера технологического процесса изготовления пенопласты могут быть жесткими, полужесткими и эластичными  с порами необходимого размера; изделиям могут быть приданы желаемые свойства (например, уменьшена горючесть). Характерная особенность большинства органических теплоизоляционных материалов — низкая огнестойкость, поэтому их применяют обычно при температурах не выше 150 °С.