Расширим диапазон исследования в области надежности тепловых сетей с учетом проделанной работы в [11].

1. Согласно [5], одним из способов повышения надежности тепловых сетей является их рациональное разделение - выбор оптимального расстояния между секционными задвижками ( км). Задачей оптимального секционирования является минимизация математического ожидания годового ущерба от недоотпуска теплоты, связанного с неготовностью системы, с учетом времени восстановления в виде (1):

, (1)

где- удельный ущерб от недоотпуска тепловой энергии, руб./МВт;

- отношение средней за отопительный период и расчетной тепловой мощности, передаваемой по участку сети;

- вероятность отказа участка сети между секционирующими задвижками.

Вероятность отказа участка между секционирующими задвижками равна (2):

, (2)

Максимально допустимое расстояние между секционирующими задвижками (3):

, (3)

Предположим, что можно определить оптимальное расстояние между секционными клапанами на основе условий, описанных в номограмме (рисунок 1), как один из способов повышения надежности тепловых сетей. Фактически этот показатель применим только в случае нового строительства тепловых сетей или подключения потребителей с достаточно протяженными тепловыми сетями. В годы развития строительства централизованного теплоснабжения на территории бывшего СССР эта практика является целесообразной и продуктивной, но в настоящее время в условиях жесткого строительства крупных городов с уже установленными частыми сообщениями она вряд ли эффективна и трудно реализуема.

2. Из источника [27] следует, что надежность зависит от параметра потока отказов элементов тепловых сетей , расчетного значения времени t и величины относительной тепловой нагрузки , отключаемой при аварийных ситуациях на сетях (4):

,

Вычисленное значение параметра для элементов тепловых сетей, спроектированных и построенных в соответствии с действующими нормами, достаточно стабильно. теплоснабжение энергетический вологда



Рисунок 1 - Номограмма для определения максимально допустимого расстояния между секционирующими задвижками и минимально допустимой долей отпуска на отопление

Уменьшение параметра щ может быть достигнуто за счет использования более совершенных материалов и конструкций тепловых труб и сетевого оборудования, возможность их использования связана с общим техническим прогрессом. То есть, обосновывая схему тепловых сетей в процессе проектирования, параметр представляет собой значение предопределенного и определяющего надежность нерезервированных систем. Расчетное значение времени t принимается за продолжительность отопительного сезона.

Расчет надежности тепловой сети проводится в два этапа. На первом этапе необходимый структурный резерв оправдан, на втором этапе - резерв мощности (мощности) сети. На первом этапе расчета надежности учитываются только те элементы, ремонт которых превышает допустимое прерывание подачи тепла, поэтому трубы и фитинги малого диаметра не учитываются при расчете системы (предварительно, что соответствует трубе диаметром 200 мм).

Второй этап заключается в расчете резерва диаметров трубопроводов для наиболее неблагоприятных аварийных ситуаций. Такие ситуации связаны с отключением элементов головки. В результате этих расчетов все не связанные потребители должны получать по крайней мере ограниченное количество тепла в любой чрезвычайной ситуации.

В соответствии с вариантом, предложенным в [6], проблема оптимизации системы теплоснабжения была сведена к построению «идеальной» схемы теплоснабжения, которая могла бы быть реализована для конкретного местоположения потребителей с их тепловыми нагрузками. В качестве объективной функции в процессе оптимизации используются общие дисконтированные затраты на систему теплоснабжения для расчетного периода. В качестве исходных данных принимаются: а) из плана города или отдельной анализируемой площади - количества потребителей и их привязки к местности в декартовых координатах. B) описание тепловой нагрузки отопления, вентиляции (максимальный расчет, график Россандера) и подачи горячей воды для каждого потребителя. Остальные значения, определяющие целевую функцию, устанавливаются заранее и могут быть изменены в зависимости от местных условий, а именно: стоимости котельного оборудования, насосных агрегатов, метода укладки и стоимости тепловых и газовых сетей, стоимости электроэнергии , топлива, воды, учетная ставка, срок службы оборудования и т. д.

Автор [7] рассматривает для оценки надежности транспортировки теплоносителя по тепловым сетям вероятностный метод, в рамках которого надежность системы трубопроводов оценивается показателем вероятности безотказной работы (5):

, (5)

Где Р - показатель вероятности безотказной работы;

n - параметр потока отказов как отношение числа отказов за год на трубопроводах определенного диаметра к общей протяженности трубопровода рассматриваемого диаметра;

l - протяженность теплотрубопровода;

- длительность во времени расчётного периода, для которого оценивается безотказность работы.

Методология и программный алгоритм, представленный в [28], предназначены для расчета показателей надежности в тепловых сетях систем централизованного теплоснабжения при разработке схем теплоснабжения с целью выбора решений, обеспечивающих нормативные требования к надежности теплоснабжения потребителей на основе резервирования тепловых сетей. Показатели надежности рассчитываются для отопительного периода. При определении показателя . временной резерв потребителей;

- его зависимость от температуры наружного воздуха;

- продолжительность стояния температур наружного воздуха, при которых время восстановления элементов превышает временной резерв потребителей, т.е. доля отопительного периода, в течение которой отказ каждого элемента нарушает теплоснабжение каждого потребителя.

Интенсивность отказов запорно-регулирующей арматуры (ЗРА) (одной единицы) (6):

, (6)

Параметр потока отказов элементов тепловых сетей:

Параметр потока отказов участков тепловых сетей (7):

1/ч, (7)

Где L - длина участка тепловых сетей, км.

Параметр потока отказов ЗРА (8):

, 1/ч(8)

Среднее время до восстановления элементов тепловых сетей:

Среднее время до восстановления участков тепловых сетей [4] (9):



, ч, (9)

где- расстояние между секционирующими задвижками, км;

d - диаметр теплопровода, м.

Для реализации методологии используются вероятностные модели функционирования системы и расчета показателей узловой надежности, детерминированные модели теплообмена в зданиях и расчеты гидравлических режимов в многоконтурных транспортных средствах. Их эффективное внедрение возможно только в геоинформационных системах, в которых разрабатываются электронные модели схем теплоснабжения.

В основе метода [29] положено разбиение трубопроводных транспортных систем (ТТС) на аварийно-ремонтные зоны (АРЗ) и замены структуры ТТС макроструктурой АРЗ.

Метод АРЗ включает семь последовательных этапов:

1.Формирование математической модели трубопроводной транспортной сети со сложной топологической структурой в виде взвешенного графа.

2.Разбиение исходного взвешенного графа сложной трубопроводной транспортной сети на подграфы (макроэлементы), каждый из которых соответствует одной АРЗ.

3.РасчеттехническойнадежностиАРЗкакнезависимого

макроэлемента в функционировании ТТС.

4.Преобразование исходного взвешенного графа сети большой размерности во взвешенный макрограф АРЗ малой размерности (замена микрографа каждой АРЗ одной вершиной).

5.Построение упрощенного макрографа АРЗ относительно конкретного потребителя трубопроводной транспортной сети.

6.Построение расчётной модели функциональной надёжности трубопроводной транспортной сети относительно конкретного потребителя.

7.Формирование математической модели функциональной надежности сети по отношению к конкретному потребителю с использованием классических методов теории надежности технических систем и прямого расчета функциональной надежности.

Основным отличием всех вышеперечисленных методов является практическая возможность использования полученных результатов. В первых четырех методах численное значение индекса надежности, полученного при расчетах, предполагает использование этой информации только в том случае, когда система централизованного теплоснабжения находится в разработке. Другими словами, это создание высоконадежной системы энергоснабжения, где тепловые сети из нового источника закладываются с нуля, и в настоящее время наиболее актуальным является изучение надежности тепловых сетей при разработке городских схем теплоснабжения.

7. К утвержденным методикам (в соответствии с 190-ФЗ 22 февраля 2012 г. постановление Правительства РФ №154), которыми предлагается руководствоваться при анализе показателя надежности схемы теплоснабжения города, можно отнести методические рекомендации по разработке схемы теплоснабжения раздел X (срок введения 29 декабря 2012 г.), к рекомендуемым методикам относится методика.

К примеру, эмпирическая зависимость для нахождения времени восстановления теплоснабжения в случае отсутствия достоверных данных не несет логической информации о работе тепловых сетей, т.к. значение используемых в формуле коэффициентов a,b, зависящих от способа укладки трубопровода, приведены только для канальной прокладки (10).

, (10)

Где a, b - постоянные коэффициенты, зависящие от способа укладки теплопровода.

Кроме того, одним из основных требований для расчета показателей надежности является возможность определения оптимальной транспортировки теплоносителя из одного или нескольких источников без изменения существующей топологии тепловой сети. То есть, в результате вычислений инженер мог определить точку подключения нового потребителя на ветке, функциональная надежность которой будет иметь максимальное значение.

2.3 Алгоритм и методика расчета надежности тепловых сетей различных структур

Исторически сложилось так, что в некоторых населенных пунктах тепловые сети «закольцовываются», другие имеют «древовидную» структуру. Следует отметить, что расчет надежности тупиковых и кольцевых систем теплоснабжения имеет свои отличия.

Для этого разработан алгоритм оценки перспективного развития системы теплоснабжения с учетом структуры тепловых сетей (рисунок 2). Алгоритм начинается с определения типа схемы и сбора исходных данных (расчетная схема с указанием диаметров, длин, тепловых узлов, секционирующих задвижек и расходов теплоносителя у потребителя). Далее производится циклическая обработка данных, связанная с эквивалентированием тепловой сети и выделением участков, отсекаемых секционирующими задвижками. Затем производится расчет по одной из апробированных методик и сверка полученного значения с нормативным. При этом учитывается, что для кольцевой сети нормативный показатель надежности принимается равным 0,86 (как для всей системы теплоснабжения, т.к. при расчете учитываются тепловые нагрузки потребителей), а для тупиковой - 0,9 (как для системы тепловых сетей, т.к. при этом расчет производится без гидравлической увязки). Циклическая обработка завершается, когда полученное значение показателя надежности будет соответствовать нормативному. В этом случае подключение новых потребителей позволит сохранить надежность и безопасность теплоснабжения всех потребителей.

Рисунок 2 - Алгоритм оценки перспективного развития системы теплоснабжения с различными типами структуры тепловых сетей.

Уникальность и специфичность систем теплоснабжения приводят к передаче исследований их надежности в области теории, расчетов, моделирования и прогнозов. Термин «надежность» включает в себя набор свойств и характеризует их с любой стороны (структурная надежность, режим, живучесть, устойчивость и т. д.). В связи с тем, что далее указаны конкретные показатели надежности, в зависимости от того, какой критерий надежности надежности принимается за основу.

Методика расчета надежности тепловых сетей тупиковой разветвленной структуры основана на [29]. Отличия предлагаемой методики:

- разбиение графа исходной тепловой сети на АРЗ производилось с условием транспортировки теплоносителя до ТК, а не до потребителя. Т.е. влияющими повреждениями оказались только отказы на магистральных тепловых сетях;

- в связи с принципиальными отличиями тепловых систем от других инженерных систем, методика впервые апробирована для расчета надежности систем теплоснабжения;

- в соответствии с СанПиН 2.1.4. 2496-09 «Гигиенические требования к обеспечению безопасности систем горячего водоснабжения» и введением ограничения срока отключения горячей воды в период профилактических ремонтов (п. 3.1.11), отказы в летний период также приравниваются к влияющим.

После преобразований формулы Самойленко И.Н. с учтёнными отличиями, техническая надёжность каждой из зон (АРЗ) определяется по формуле (11):

, (11)

Где - длина участка,

n-количество потребителей,

W - суммарное количество задвижек,

o - количество отказов.

Применение метода аварийно-ремонтных зон для определения вероятности работоспособного состояния системы теплоснабжения позволяет учитывать особенности структуры сети, позволяет адекватно оценивать надежность теплоснабжения отдельных потребителей при:

проектировании, строительстве и реконструкции участков тепловых сетей;

выборе точки подключения новых потребителей к тепловым сетям;

выборе наиболее «сложного» потребителя, находящегося в самых неблагоприятных условиях;

обосновании или планировании резервирования участка;

разработке схемы теплоснабжения поселений и городских округов.

Методика расчета показателя надежности системы теплоснабжения позволяет сопоставить полученный коэффициент с нормативным при:

· разработке схемы теплоснабжения поселений и городских округов;

· определении секционирования тепловой сети с целью распределения величины отключаемой мощности при авариях.

Повреждения тепловых сетей напрямую связаны с отказами других инженерных систем. Исследование состояния вопроса о надежности расчета имеет значение в смежных областях (в частности, расчет надежности магистральных трубопроводных систем, таких как поставка газа, водоснабжение и водоотведение). Разработка методологии оценки надежности системы теплоснабжения позволит регулировать надежность тепловых сетей при различных условиях эксплуатации и способе транспортировки теплоносителя.

На сегодняшний день нет утвержденных методов расчета надежности систем теплоснабжения, которые регулируют их использование в качестве основы для разработки новых участков тепловых сетей или при планировании подключения новых потребителей. Несмотря на это, в методологии MДС 41-6.2000 в зависимости от показателей надежности отдельные системы и муниципальные системы теплоснабжения города (населенного пункта) можно оценить с точки зрения надежности как:

высоконадежные - более 0,9;

надежные - 0,75 - 0,89;

малонадежные - 0,5 - 0,74;

ненадежные - менее 0,5.

Разработан алгоритм оценки перспективного развития системы теплоснабжения и методика расчета надёжности тепловых сетеq, которые позволят инженеру-проектировщику на первом этапе работы оценить структуру тепловой сети, выбрать методику для расчета надежности и определить нормативный показатель надежности в соответствии с требованиями законодательства.



3. Оценка надежности тупиковой системы теплоснабжения на примере тепловых сетей Вологды

3.1 Структура системы теплоснабжения города Вологды и анализ статистики по тепловым сетям

На территории г. Вологда в настоящее время единого централизованного источника теплоснабжения нет. Но основным поставщиком тепловой энергии в г. Вологде является муниципальное унитарное предприятие «Вологдагортеплосеть» (далее МУП «ВГТС»). Более 85% всей тепловой энергии реализуется через тепловые сети этого предприятия.

Теплоснабжение г. Вологда обеспечивают достаточно большое количество теплоисточников, самыми крупными из которых являются ГУ ОАО «ТГК-2» по Вологодской области, ООО «ЗАПАДНАЯ КОТЕЛЬНАЯ», ТЭЦ ОАО "ВОМЗ". Значительный совокупный вклад в теплоснабжение города вносят котельные МУП «Вологдагортеплосеть».

По состоянию на конец 2013 г. только МУП «ВГТС» эксплуатирует 25 котельных общей установленной мощностью 364,3 Гкал/ч. В качестве топлива используется только природный газ.

В котельных города установлены котлы различных видов и мощности, в эксплуатации остается большое количество устаревших морально и физически котлов, установленных в 70-80-х годах прошлого века. Износ непосредственно котлоагрегатов составляет в среднем по городу 55-60%. Практически повсеместно отсутствует автоматика поддержания режимов горения и отпуска тепла за исключением недавно построенных котельных и реконструированных. На некоторых котельных имеется дефицит тепловой мощности.

В течение ряда лет на предприятии МУП «ВГТС» накапливались данные по повреждениям (иначе: дефектам) на тепловых сетях, выборочно опробовались различные методы технического диагностирования. На основании накопленных статистических данных, произведена обработка и систематизация тепловых сетей по различным признакам.

На основании даных МУП «ВГТС» город разделен на 5 теплосетевых районов (рисунок 3). Каждый из них отличается характеристиками почвы и уровнем грунтовых вод, а также протяженностью трубопроводов по типам изоляции и году прокладки.

Расчеты, прогнозы возможных ситуаций в сложном инженерном хозяйстве предприятия выполнялись и ранее, но необходимость обработки огромных массивов информации, в ряде случаев ее отсутствие, сложность сопоставления различных баз данных, выполненных в разных форматах, приводили к тому, что задача оптимального адресного выбора участков капитального ремонта не всегда решалась правильно. Пришло понимание того, что необходимо создать, поддерживать, развивать и наращивать мониторинг - комплексную систему наблюдений, оценки и прогноза состояния тепловых сетей. Реализации такого замысла способствовало и появление соответствующих технических и программных средств.

Рисунок 3 - Схема теплосетевых районов г. Вологда

В таблице 3 указана протяженность тепловых сетей в однотрубном исполнении для пяти сетевых районов г. Вологды.

Таблица 3 - Распределение протяженности тепловых сетей в сетевых районах

Наименование района	Протяженность теплосетей в однотрубном исполнении, км
Р-н № 1	78,029
Р-н № 2	121,289
Р-н № 3	82,37
Р-н № 4	118,609
Р-н № 5	186,985
ИТОГО:	587,282

Процент износа тепловых сетей по состоянию на 01.01.2013 года составляет 72,0%. Следствием достаточно высокого уровня износа сетей является повышенный уровень потерь воды и тепловой энергии.

Наиболее существенными факторами, которые оказывают влияние на снижение надежного теплоснабжения потребителей и распространены на территории г. Вологды являются:

1. Физический износ оборудования систем теплоснабжения.

2. Наличие и состояние тепловой изоляции трубопроводов тепловых сетей.

3. Среда, в которой содержатся трубопроводы.

Рассмотрим их более подробно.

Физический износ составляет более 50% всех тепловых сетей города (рисунок 4) является первым из трех рассматриваемых критериев.



Рисунок 4 - Распределение тепловых сетей по срокам ввода в эксплуатацию

Исходя из данных МУП «ВГТС» установлено, что сети наиболее ранней прокладки в первом и втором сетевых районах, более поздней прокладки в третьем и пятом.

Вторым существенным фактором определен тип изоляции проложенных трубопроводов (рисунок 5). Из приведенных на диаграмме данных видно, что на территории г. Вологды преобладает традиционная (минераловатная) изоляция тепловодов.

Рисунок 5 - Тип изоляции трубопроводов по сетевым районам города

Тем не менее, в последние годы производится планомерная реконструкция участков тепловых сетей и замена труб в минераловатной изоляции на предизолированные трубы в ППУ-изоляции, которая является энергоэффективнее традиционной.

Третьим существенным фактором, влияющим на отказы в тепловых сетях, принят состав среды, в которой находятся трубопроводы.

Известно, что основной причиной повреждений на тепловых сетях являются коррозионные процессы металла трубопроводов в результате физико-химических воздействий окружающей среды на трубопроводы.

Т.к. более 70% теплопроводов в г. Вологды подземной прокладки, следовательно доминирующей средой, в которой располагаются трубы, являются грунты. Несмотря на то, что прокладка труб в традиционной изоляции предусматривается в лотках с параллельным дренажем, не редки случаи попадания грунтовых вод и частичное или полное затопление каналов, а также тепловых камер.

Структура, влажность, воздухопроницаемость, окислительно-восстановительный потенциал, общая кислотность и общая щелочность почв и грунтов обуславливает коррозионную активность среды, в которой прокладывается тепловая сеть. Помимо почвенной коррозии, подземные теплопроводы подвержены электрокоррозии, вызываемой блуждающими токами, и внутренней коррозии.

Воздействие блуждающих токов на трубопроводы наиболее интенсивно в области функционирования электротранспорта.

Выясним динамику отказов на тепловых сетях различных районов (рисунок 6, 7).

Рисунок 6 - Общее количество повреждений, зафиксированных на тепловых сетях г. Вологды за период 2008-2013 гг.

При определении параметра потока отказов были учтены не все повреждения, зафиксированные в районах. Из рассмотрения были изъяты повреждения, повлекшие за собой отключения участков и абонентов в течение менее 3 ч.

В целом количество аварий с каждым годом растёт. В 2010 году зафиксирован всплеск аварийных ситуаций на тепловых сетях г. Вологды. Число перебоев в работе тепловых сетей продолжает оставаться достаточно высоким, что объясняется большим количеством ветхих сетей.

Рисунок 7 - Количество повреждений, зафиксированных на тепловых сетях различных районов г. Вологды за 2008-2013 г.

Обозначим результаты, полученные на основании данных, отраженных на (рисунок 7) с последующим их обоснованием:

1. Воздействие перечисленных выше влияющих факторов в первом сетевом районе является минимальным. Количество аварийных ситуаций в период с 2008 по 2013 года находится на самом низком значении.

2. Напряженная ситуация во втором сетевом районе, связанная с наличием в ней промышленной зоны, собственники предприятий которой не заинтересованы в перекладке тепловых сетей, находящихся на их балансе ввиду сложной экономической ситуации. А также напряжённой ситуации способствует истёкший срок эксплуатации тепловых сетей.

3. Наиболее сложная аварийная ситуация тепловых сетей состоит в сетевом районе № 3, которая затрудняется сложной топологией систем теплоснабжения от ТЭЦ ОАО «ТГК-2», частой застройкой времён 60-70-х годов, что подразумевает высокий износ тепловых сетей.

4. Четвертый сетевой район занимает лидирующее положение по стабильной работе тепловых сетей. Этому обстоятельству способствует простая топология системы теплоснабжения - наличие нескольких закольцованных источников теплоснабжения. Также стабильной работе способствует тот факт, что срок службы тепловых сетей не превышает 25 лет, так как в последние годы реконструкция отдельных участков в этом районе с заменой стальных труб магистральных и отопительных сетей на предизолированные в ППУ-изоляции составила свыше 25% от общей протяженности.

5. Несмотря на то, что сети пятого сетевого района имеют сравнительно невысокий процент износа, а также наименее подвержены воздействию причин, снижающих надежность систем теплоснабжения, количество выявленных повреждений на магистральных и отопительных сетях достаточно велико по сравнению с другими районами. Это обусловлено большим размером сетевого района, сложной топологией сети от Западной котельной.

Изложенные ниже рекомендации для эксплуатирующих организаций получены на основе результатов проведенного анализа для каждого сетевого района.

1. Сети теплоснабжения первого сетевого района с точки зрения аварийности находятся в наилучшем состоянии, но из-за загрязнённости попутного дренажа и сбросных колодцев тепловые камеры и лотки тепловых сетей заполнены сточными водами, что повышает риск коррозии трубопроводов. Рекомендуется произвести прочистку дренажной системы и системы ливневой канализации.

2. Результирующим обстоятельством, влияющим на аварийную работу системы теплоснабжения второго сетевого района, является ветхость оборудования. С целью сохранения безотказного транспортирования теплоносителя рекомендуется планомерная замена труб на предизолированные с ППУ изоляцией. Также рекомендуется произвести прочистку дренажной системы и системы ливневой канализации.

Ввиду ветхости тепловых сетей напор, создаваемый сетевыми насосами приводит к напряжениям в трубе, которые являются причиной разрывов.

3.В связи с тем, что в третьем сетевом районе процент износа наиболее высокий, наблюдается наибольшее количество аварий. Рекомендуется в оперативном порядке разработать программу по замене трубопроводов, срок эксплуатации которых истёк на трубопроводы с применение ППУ изоляции. С целью сохранения надежности необходимо своевременное снятие показаний о состоянии изоляции труб с целью предотвращения разрывов (регистрация с терминалов системы оперативно-диспетчерского контроля). Также рекомендуется произвести прочистку дренажной системы и системы ливневой канализации.

4.В сетевом районе № 4 предполагается повсеместное применение предварительно изолированных трубопроводов тепловых сетей либо дополнительная организация дренажа ливневых вод в обход каналов теплотрассы. Контрольная проверка участков, на которых обнаружена коррозия, должна осуществляться не реже одного раза в год.

5.Сложная топология пятого сетевого района является одной из причин аварийных ситуаций, поэтому следует увеличить количество осмотров состояния изоляции и диагностики состояния стальной трубы ультразвуком или другими способами диагностирования.. С целью сохранения безотказного транспортирования теплоносителя рекомендуется планомерная замена труб на предизолированные с ППУ изоляцией. А также рекомендуется произвести прочистку дренажной системы и системы ливневой канализации.

Так как в третьем сетевом районе наиболее сложные условия эксплуатации тепловых сетей и часты случаи возникновения отказов, то проведено более детальное исследование статистических данных, с увязкой их по месту на карте города в программно-расчётном комплексе Zulu Thermо.



3.2 Оценка надежности системы теплоснабжения третьего сетевого района Вологды

В дальнейшем произведен расчет вероятности работоспособного состояния теплоснабжения третьего сетевого района и поставлена следующая задача: выяснить, как будет развиваться исследуемая тупиковая тепловая сеть, если в перспективе будет происходить последовательное наращивание тепловой мощности?

Для этого сформирован алгоритм поиска зоны подключения новых потребителей к системе теплоснабжения (рисунок 8).

Алгоритм поиска зоны подключения новых потребителей к системе теплоснабжения начинается с ввода исходных данных (местоположение потребителя, тепловая нагрузка, нормируются показатель надёжности и величина остаточного ресурса трубопровода). В блоках 3-8 организована циклическая обработка результатов исследования участка на соответствие трубопровода остаточному ресурсу (результаты диагностики) и на соответствие показателя надежности нормативному.

При выполнении цикла происходит перебор возможных участков подключения с различными характеристиками (рабочий ресурс трубопровода и показатель надежности участка). Циклическая обработка завершается, когда выбирается участок, величина остаточного ресурса которого не ниже нормированной и показатель надежности которого не ниже нормативного.

Расчет функциональной надежности магистральной системы теплоснабжения потребителей третьего сетевого района проводился методом аварийно-ремонтных зон (метод АРЗ), который позволяет оценить вероятность поступления теплоносителя конкретному потребителю с учетом структуры сети и надежности функционирования отдельных ее элементов.

Рисунок 8 - Алгоритм поиска зоны подключения новых потребителей к системе теплоснабжения.

Расчёт производится по методике АРЗ известной Самойленко Н. И. с внесёнными изменениями. Основное отличие предлагаемой методики:

- расчёт производился только на магистральном трубопроводе до ТК (а не до потребителя, как в методике Самойленко Н. И., так как влияющими повреждениями оказались только отказы на магистральных тепловых сетях.

После преобразований формулы Самойленко И.Н. с учтёнными отличиями, техническая надёжность каждой из зон (АРЗ) определяется по формуле (12):

, (12)

Где - длина участка,

n - количество потребителей,

W - суммарное количество задвижек,

o - количество отказов.

На рисунке (рисунок 9) представлена схема магистральных трубопроводов тепловых сетей, осуществляющих транспортировку теплоносителя от ТЭЦ ОАО «ТГК-2», которая была рассчитана на надёжность и на нахождение точки подключения перспективных потребителей (розовым цветом выделен тепловод, рассчитанный на надёжность).

Рисунок 9 - Магистраль, рассчитанная на надёжность

Результаты расчётов сведены в таблицу 4.

Таблица 4 - Расчёт надёжности аварийно - ремонтных зон

№ уч.	Наименование ТК	Наименование ТК	Длина (L), м	Количество потреб. (n)	Кол - во задвижек	Отказы	Надежность
1	Вол.ТЭЦ ГУ ОАО ТГК-2	ТК-1Ц	20	850	4	1	0,981
2	ТК-1Ц	ТК-2Ц	87,3	841	3	0	0,999
3	ТК-2Ц	ТК-3Ц	24,5	840	3	0	0,999
4	ТК-3Ц	ТК-4Ц	4,3	795	2	0	0,985
5	ТК-4Ц	ТК-6Ц	490,8	795	3	0	0,999
6	ТК-6Ц	ТК-4-10	17,7	402	2	0	0,996
7	ТК-4-10	ТК-4-9	43,3	402	2	0	0,997
8	ТК-4-8	ТК-4-7	91,3	402	2	1	0,979
9	ТК-4-9	ТК-4-8	7	402	2	0	0,994
10	ТК-4-7	ТК-4-6	55,9	402	2	0	0,997
11	ТК-4-5	ТК-4-4	76,15	402	2	0	0,997
12	ТК-4-6	ТК-4-5	9,45	402	2	0	0,995
13	ТК-4-5	ТК-4-4	76,15	352	2	0	0,996
14	ТК-4-4	ТК-4-3	45	352	3	0	0,997
15	ТК-4-3	ТК-4-2	125,2	322	2	0	0,996
16	ТК-4-2	ТК-4Ю	22	322	2	2	0,952
17	ТК-4Ю	ТК-6ю	188,6	291	3	0	0,997
18	ТК-6ю	ТК-8Ю	201	246	2	0	0,995
19	ТК-8Ю	ТК-9ю	227,07	211	2	0	0,994
20	ТК-9ю	ТК-9АЮ	90	211	2	0	0,994
21	ТК-9АЮ	ТК-10ю	40	180	2	0	0,993
22	ТК-10ю	ТК-11ю	337	178	3	1	0,943
23	ТК-11ю	ТК-11аю	125,3	161	3	0	0,994
24	ТК-11аю	ТК-12АЮ	202	161	2	0	0,993
25	ТК-12АЮ	ТК-12Ю	84,9	157	4	0	0,994
26	ТК-12Ю	ТК-13Ю	152,9	142	2	3	0,891
27	ТК-13Ю	ТК-13аю	161,5	125	3	0	0,992
28	ТК-13аю	ТК-14Ю	166	97	2	1	0,989
29	ТК-14Ю	ТК-15ю	150,3	97	2	0	0,989
30	ТК-15ю	ТК-16Ю	259,5	62	2	1	0,984
31	ТК-16Ю	ТК-16аю	148	55	2	0	0,981
32	ТК-16аю	ТК-17ю	131,6	52	2	1	0,981

На графике (рисунок 10) показаны результаты произведенных расчетов вероятности работоспособного состояния для потребителей участков 1-32.

Рисунок 10 - Показатели функциональной надежности системы «источник-потребитель»

Результаты расчёта свидетельствуют, что потребители, обозначенные на схеме (рисунок 11) на участке 26, обеспечивается целевым продуктом с наименьшей надёжностью. Расчёт показал, что при трёх отказах и более в течение обозначенного времени показатель надёжности становится ниже нормативного, что предполагает, как минимум, невозможность подключения нового потребителя к системе и, как следствие необходимость замены трубопровода на данном участке.



Рисунок 11 - Участок магистрали с наименьшей надёжностью

На основе проведенного анализа определена структура системы теплоснабжения города Вологды. Исследования проведены по тепловым сетям транспортирующей организации МУП «ВГТС» по виду прокладки, типу изоляции и сроку эксплуатации. Наибольшее число повреждений зафиксировано на трубопроводах квартальных систем отопления. Причиной этого является отсутствие жестких регламентированных требований к качеству мониторинга немагистральных тепловых сетей. Безусловно, на магистральных тепловых сетях регистрируется меньшее количество отказов, но именно они в большей степени влияют на надежность всей системы теплоснабжения.

На основании сравнительных таблиц и диаграмм произведён анализ надёжности тепловых сетей в сетевых районах г. Вологды.

В качестве экспериментального обоснования выбранной методики оценки надежности тепловых сетей произведена сверка рассчитанной вероятности безотказной работы со статистикой повреждений. Установлено, что наиболее часто отказы возникают именно там, где функциональная надежность сети имеет наиболее низкие показатели. Таким образом, можно определить наиболее рациональные участки, подключение к которым обеспечит сохранение надежности теплоснабжения на перспективу.

Сформулированы рекомендации по повышению надёжности по каждому сетевому району для организации, эксплуатирующей тепловые сети.



4. Безопасность жизнедеятельности при строительстве тепловых сетей

4.1 Безопасность жизнедеятельности при обслуживании подземных теплопроводов, камер и каналов

При обслуживании подземных теплопроводов, камер и каналов должны соблюдаться требования правил.

Обходы (объезды) теплотрассы без спуска в подземные сооружения должны осуществляться группой, состоящей не менее чем из 2 человек. При спуске в камеру или выполнении работы в ней бригада должна состоять не менее чем из 3 человек.

При прохождении пути нагрева персонал, отличный от слесарного инструмента, должен иметь ключ для открытия люка камеры, крючок для открытия камер, ограждения для их установки в открытых камерах и на проезжей части, осветительное оборудование (фонари батарей, ручные фонари с напряжением не более 12В во взрывозащищенном исполнении), а также газоанализатор.

Группа должна поддерживать связь с дежурным офицером во время смены, сообщая ему о проделанной работе. Если есть дефекты в оборудовании, представляющем опасность для людей и оборудования, персонал должен принять меры, чтобы немедленно отключить его.

Работы, связанные с вводом в эксплуатацию водо- или паровых тепловых сетей, а также испытания сети или отдельных ее элементов и конструкций, должны выполняться в соответствии со специальной программой, утвержденной главным инженером предприятия и согласованной организацией энергоснабжения.

Программа должна предусматривать необходимые меры безопасности для персонала.

В течение периода запуска необходимо контролировать заполнение и нагрев трубопроводов, состояние запорных клапанов, сальников, дренажных устройств. Последовательность и скорость запуска операции должны быть такими, чтобы исключить возможность значительных тепловых деформаций трубопроводов. В случае повреждения начатых трубопроводов или связанного с ним оборудования необходимо принять меры для немедленного устранения этого ущерба.

Гидропневматическая промывка трубопроводов и тестирование сетей для расчетного давления и расчетной температуры должны проводиться под непосредственным наблюдением начальника цеха (участка). Разрешается выполнять промывку под руководством другого специалиста, назначаемого приказом начальника цеха (участка).

При запуске тепловых сетей тепловые трубы должны заполняться под давлением, превышающим статическое давление заполненной части теплотрассы сети не более 0,2 МПа (2 кгс / см2), с отключенными потребительскими системами.

Трубопроводы тепловых сетей должны быть заполнены водой при температуре не выше 70 ° C с отключенными системами теплопотребления.

Рабочие, наблюдающие воздушные каналы в тепловой камере при заполнении сети, должны находиться вдали от фланцевых соединений. Воздушные фитинги должны иметь изгибы, направленные к яме. Расстояние от конца ветки до вершины не должно превышать 50 мм.

Открывать и закрывать вентиляционные отверстия вручную маховиками. Использование ключей и других рычажных устройств для этой цели запрещено.

Вентиляция с открытым воздухом с повторной продувкой после наполнения отопительной сети должна быть очень осторожной, не дожидаясь большой утечки воды.

При гидропневматическом промывке отопительных сетей и тестировании тепловой сети для расчетного давления следует отключить потребительские системы и тепловые точки.

Совместная гидропневматическая промывка тепловых сетей и систем потребителей запрещается.

Запрещается производство ремонтных и других работ на участках тепловой сети при их гидропневматической промывке, а также присутствие лиц, которые непосредственно не участвуют в промывке вблизи промытых трубопроводов.

Места выгрузки воздушной смеси из промытых трубопроводов должны быть защищены и не допускать к ним посторонних лиц.

Трубопроводы, из которых выпускается водно-воздушная смесь, должны быть надежно закреплены.

При использовании шлангов для подачи сжатого воздуха из компрессора в промывочные трубопроводы они должны быть соединены с фитингами специальными зажимами; На фитингах должна быть отметка, предотвращающая скольжение шланга с них. На каждом суставе должно быть не менее двух зажимов. Для плотности и прочности соединения шлангов с фитингами следует соблюдать в течение всего периода стирки.

Запрещается использование шлангов, которые не предназначены для требуемого давления.

Обратный клапан на воздушной линии должен быть хорошо заземлен и проверен на плотность с помощью гидравлического пресса.

Пребывание людей, в камерах и проходах промывочной секции отопительной сети во время подачи воздуха на трубопроводы запрещено.

Перед началом испытания тепловой сети на расчетное давление необходимо тщательно удалить воздух из проверяемых трубопроводов.

При испытании при расчетной температуре они должны быть отключены от тепловой сети системы отопления детских и медицинских учреждений, систем прямого подключения, открытых систем горячей воды, кондиционеров, а также неавтоматизированных закрытых систем для горячей воды поставка.

Во время тестирования тепловой сети для проектного давления, тепловых точек и местных потребительских систем следует отключить от тестируемой сети. В случае нарушения плотности разъединительных фитингов в тепловой точке потребители должны быть отключены клапанами, установленными в соединительных камерах, в тепловую сеть или с помощью пробок, установленных в точках нагрева.

Во время тестирования тепловой сети для расчетных параметров хладагента необходимо организовать постоянную работу абонентского персонала в точках нагрева и в потребительских системах. Кроме того, при тестировании тепловой сети при расчетной температуре необходимо организовать мониторинг всего ее маршрута, для которого необходимо разместить наблюдателей от обслуживающего персонала тепловой сети и абонентов, а также соответствующие Услуг промышленных предприятий, на маршруте по направлению опытного лидера и на основе местных условий.

Особое внимание следует уделять разделам сети в местах передвижения пешеходов и транспорта, участках неканальной укладки, в районах, где были случаи коррозионного разрушения труб и т. Д.

При тестировании тепловой сети для конструктивных параметров хладагента запрещается:

Работа над испытанными областями работы, не связанная с тестом;

Быть и спускаться в камеры, каналы и туннели;

Расположен напротив фланцевых соединений трубопроводов и фитингов;

Для устранения выявленных неисправностей.

При тестировании тепловой сети для расчетного давления хладагента резко повышайте давление и поднимайте его выше предела, указанного в программе испытаний.

Во время теста при расчетной температуре камеры и туннели следует избегать в верхней части маршрута.

Контроль за состоянием неподвижных опор, компенсационных швов, фитингов, фланцев и т. Д. Должен осуществляться через люки, не попадая в камеру.

Одновременная проверка расчетного давления и расчетной температуры запрещена.

При работе в трубопроводе должны быть обеспечены условия работы и отсутствие газа в самом трубопроводе и камерах тепловой сети.

Разрешается забираться в трубопровод для осмотра и очистки посторонних предметов только на прямолинейных участках длиной не более 150 м с диаметром трубы не менее 0,8 м. В то же время должен быть предусмотрен свободный выход с обоих концов участка трубопровода, подлежащего проверке и очистке.

Отводы, мосты и соединения с другими трубопроводами на участке должны быть надежно отключены.

Для осмотра и очистки трубопровода необходимо назначить не менее 3 человек, из которых два должны быть на обоих концах трубопровода и наблюдать за работником.

Работы в трубопроводе должны быть в брезентовом костюме и рукавицах, в сапогах, коленных подушках, очках и шлеме. Конец жизненного цикла ремня безопасности должен находиться в руках входа в трубопровод, который наблюдает сбоку. Наблюдатели от выхода из трубопровода должны иметь фонарик, который освещает всю площадь.

Помещения тепловых пунктов, в которых нет постоянного дежурного офицера, должны быть заперты; Ключи от них должны быть расположены в четко определенных местах и выдаваться персоналу, указанному в списке, утвержденном руководителем магазина (сайта).

При выполнении текущих ремонтов на тепловой станции, когда температура хладагента не превышает 75 ° C, оборудование должно быть отключено запорными клапанами на тепловой станции.

При температуре теплоносителя в тепловой сети выше 75 ° C допускается ремонт и замена оборудования на тепловой станции после отключения системы запорными клапанами на тепловой станции и клапанами на ветке потребителю (В ближайшей ячейке).

Система отключает персонал, обслуживающий отопительные сети предприятия.

Менять конус элеватора необходимо путем снятия болтов с двух ближайших фланцев вставки перед элеватором.

Запрещается снимать конус лифтов, вытягивая секции труб перед лифтом.

Когда включается тепловая точка и паровая система, необходимо предварительно открыть соответствующие пусковые стоки, а трубопроводы и оборудование нагреваться со скоростью, с которой исключается возможность гидравлических ударов.

Работы по заземлению подземных прокладок должны выполняться в соответствии с требованиями Правил.

На предприятии должна храниться схема тепловой сети, на которой должны быть размещены места и результаты запланированных дрейфов, места аварийного повреждения, затопление маршрута и сдвинутые участки и на которых соседние подземные коммуникации (газопровод , Канализация, кабели), железные дороги электрифицированного транспорта и тяговые подстанции.

Если трубопровод разрывается с поливом земли и вытекает горячая вода, следует охранять опасную зону и, при необходимости, наблюдать за наблюдателями. На заборе должны быть установлены защитные ограждения, а ночью - сигнальные огни.

При демонтаже отдельных участков трубопроводов необходимо следить за тем, чтобы остальная часть трубопроводов находилась в устойчивом положении. Консольные концы трубопроводов должны поддерживаться временными постами.

При прокладке пространственных узлов трубопроводов запрещается оставлять свои ветви по весу свободными.

Перед установкой трубопроводов необходимо проверить устойчивость склонов и прочность крепления траншей, в которых будут укладываться трубопроводы, а также прочность стеновых крепежных деталей, а также склонов и траншей, требуемых по безопасным условиям, по которым машины Должен двигаться.

Перед тем как опустить трубы и фитинги в скважины и траншеи, работники должны быть удалены из соответствующих колодцев и из траншей.



5. Технико-экономическая оценка эксплуатации недостаточно надёжной системы тепловых сетей

Федеральное законодательство о теплоснабжении и повышении энергетической эффективности одной из своих задач в среднесрочной перспективе ставит задачу повышения надежности систем теплоснабжения, в том числе снижения числа аварий на тепловых сетях.

Убытки теплоснабжающей организации при эксплуатации недостаточно надежной системы тепловых сетей возникают из-за не получения запланированного дохода вследствие сниженной реализации тепловой энергии, а также из-за необходимости компенсации затрат на индивидуальное отопление (например, электроотопление), возникающих у потребителей при отключении их от системы централизованного теплоснабжения (СЦТ). При осуществлении проектов повышения надежности и уменьшения суммарного времени отключения потребителей от СЦТ у теплоснабжающей организации формируется дополнительная прибыль из-за уменьшения вышеуказанных убытков.

Выражение для определения максимальной величины удельных инвестиций в проект повышения надежности тепловых сетей в зависимости от основных показателей проекта и системы теплоснабжения согласно [7]:

, (13)

Выражение (13) позволяет выявить закономерности, присущие показателю удельных максимальных инвестиций в проект повышения надежности, в частности, зависимость данного показателя от заданного срока окупаемости инвестиций, коэффициента возмещения затрат потребителей на индивидуальное теплоснабжение при отказах системы, а также интегрального показателя надежности системы, достигаемого в результате реализации проекта.

Проиллюстрируем использование выражения (12) на примере проекта повышения надежности тупиковой тепловой сети протяженностью 20 км путем ее резервирования с применением двухтрубной перемычки протяженностью 4 км.

Исходные данные для расчета: тепловая мощность системы Q₀=1000 МВт; величина тарифа на тепловую энергию принята равной 1500 руб./Гкал без НДС; число часов использования установленной мощности - 2000 час/год; доля переменных затрат в тарифе на тепловую энергию составляет 70%. Величина тарифа на электроэнергию в руб./кВт·ч без НДС для теплоснабжающей организации - 4.39; а для населения - 3.0. Удельная величина затрат трудовых ресурсов, машин и механизмов - 1879.9 руб./час без НДС. Срок освоения инвестиций (продолжительность работ по строительству перемычки) принят равным одному году. Ставка дисконта - 10% годовых. Прочие исходные данные для расчета приняты в соответствии с действующим законодательством. Стоимость трубы в ППУ изоляции рассчитана по диаметру перемычки 920 мм по аппроксимационной зависимости в соответствии с [7] (рисунок 12).

Рисунок 12 - Зависимость стоимости 1 погонного метра трубы в ППУ изоляции от внутреннего диаметра

Математическое ожидание отключаемой тепловой мощности до осуществления проекта резервирования составляет 378 МВт, после осуществления проекта - 12 МВт. Интегральный показатель надежности в результате реализации проекта увеличивается на 0.4%.

В результате расчетов получена зависимость максимальной величины удельных частных инвестиций в данный проект от срока окупаемости проекта и коэффициента возмещения затрат на индивидуальное теплоснабжение потребителей в случае отказа системы (рисунок 13), так как именно эти факторы оказывают наибольшее влияние на результирующий показатель.

Рисунок 13 - Максимальная величина удельных частных инвестиций в проект повышения надежности тепловых сетей в зависимости от срока окупаемости

Как следует из рисунка, при сроке окупаемости проекта 15 лет и коэффициенте возмещения затрат, равном 1, максимальная величина частных инвестиций, которые можно вложить в данный проект, составляет 142.9 млн. руб. В то же время величина инвестиционной стоимости, рассчитанная на основе данных [7] и приведенная к современному уровню с использованием индексов изменения стоимости строительства на 01.01.17 составляет 384 млн. руб., то есть за счет частных инвестиций можно профинансировать только 37% стоимости данного проекта. Остальные инвестиции необходимо производить за счет бюджетных средств.



6. Экология при строительстве и эксплуатации тепловых сетей

Решение проблемы теплоснабжения занимает особое место при проектировании новых жилых зданий, особенно в тех районах, где нет сетевых сетей и которые не попадают в зону охвата существующих объектов теплоэнергетики. Размещение новых тепловых объектов практически невозможно в связи с отсутствием свободных площадей для них, санитарно-гигиеническими и экологическими ограничениями на их размещение и укладку тепловых сетей.

С положительной стороны централизованной системы заключается в том, что с небольшим количеством источников теплоснабжения и их значительной удельной мощностью можно использовать достаточно развитые устройства для снижения концентрации загрязняющих веществ в продуктах сгорания и высоких дымовых трубах, которые улучшают условия дисперсии. Эти вещества в атмосфере.

Серьезные недостатки централизованной системы включают в себя техническую сложность ее строительства и эксплуатации, значительные объемы отбора проб грунта, изменения рельефа и других элементов природного комплекса при строительстве объектов и самих отопительных сетей.

Как известно, сети сильно подвержены внешней коррозии, особенно в условиях района с высоким уровнем грунтовых вод, что требует их ремонта или замены каждые 5-8 лет, а следовательно, большого количества раскопок. Несчастные случаи на системах отопления представляют собой прямую угрозу здоровью и жизни населения.

Увеличение расходов на тепло из-за их потерь при транспортировке требует увеличения объема сжигаемого топлива. Это приводит к увеличению массового выброса загрязняющих веществ в атмосферу. Устранение тепловых потерь в сетях требует применения комплексных мер для теплоизоляции.

Нагревательные сети нарушают естественный температурный режим почвы и почвы, что приводит к деградации почвенного и растительного покрова. Кроме того, в технических зонах теплотрасс нет возможности создания высокопроизводительных сообществ растений в связи с требованиями к условиям эксплуатации.

При работе от отопительных систем возникают утечки, которые изменяют не только геохимическую ситуацию в зоне фильтрации, но также значительно нарушают гидрогеологическую среду, провоцируя развитие процессов наводнения.

Положительным моментом является то, что в соответствии с условиями подключения и эксплуатации можно отключить теплоэнергетические объекты вне жилищного строительства. Удаление источников влияния с этой территории является одним из простейших и надежных способов снижения вреда для здоровья населения, как с точки зрения химического фактора загрязнения атмосферы, так и фактора акустического воздействия.

Когда используется транспортное средство, вода используется из городской системы водоснабжения для подачи замкнутых сетей и на очистных сооружениях во время регенерации и промывки фильтров.

Подпиточная вода пропускает химическую очистку воды на натриевые катионитовые фильтры. Потребление сточных вод, образующихся при регенерации фильтров, может достигать 300 м3 / сут. (40 м3 / ч). Сточные воды с завода по очистке воды содержат значительное количество минеральных солей (хлоридов натрия, кальция и магния) и не могут быть перенаправлены в муниципальную канализационную сеть. Это потребует организации местного лечения с последующим повторным использованием нормативно чистых промытых и очищенных шламовых вод и удаления образовавшегося осадка.