bbk 000000

УДК 628.147:658.26.004.18

Орлов В. А., Шлычков Д. И.

Экономия электроэнергии при реализации бестраншейных технологий восстановления трубопроводов

Аннотация

Представлены экономические аспекты бестраншейной реновации трубопроводов систем водоснабжения различными методами и определение оптимальной технологии по минимальным затратам электроэнергии. В качестве критерия оценки энергосбережения при реализации бестраншейных методов реконструкции трубопроводов введено понятие годовой экономии электроэнергии на единицу длины трубопровода. На конкретных примерах рассчитаны и сопоставлены значения этого параметра для различных технологий реновации. На основе расчетных данных установлено, что влияние удельного сопротивления (реальной степени шероховатости внутренней поверхности труб) оказывает решающую роль для энергосбережения при транспортировке воды по трубопроводам системы водоснабжения.

Ключевые слова

трубопровод , бестраншейная технология , реновация , расход электроэнергии

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Комплексный анализ преимуществ бестраншейной реновации трубопроводных систем водоснабжения в части технико-экономической эффективности можно осуществить по следующим вариантам:

• сравнение с прокладкой нового трубопровода взамен старого открытым способом (с применением земляных работ);
• изменение (увеличение) пропускной способности ремонтируемого трубопровода по сравнению со старым;
• сокращение затрат электроэнергии на подачу воды;
• снижение реального объема утечек (скрытых расходов воды) на водопроводных сетях за счет исключения из рассмотрения проблем, связанных с эксфильтрацией;
• сравнение с прокладкой нового дублирующего трубопровода и прочисткой действующего трубопровода.

В условиях реновации старых трубопроводов без разрушения путем протягивания в них новых труб меньшего диаметра или нанесения защитных покрытий наиболее значимым элементом исследований из предложенного выше перечня может являться вариант технико-экономической эффективности по сокращению затрат электроэнергии на подачу воды [1; 2]. Этот вопрос напрямую согласуется с положениями Закона РФ от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» (пункт 2.3 статьи 11), где указывается, что «… требования к сооружениям и технологиям… должны позволять исключать нерациональный расход энергетических ресурсов как в процессе строительства, реконструкции … объектов, так и в процессе их эксплуатации».

Расчет эффективности реновации по фактическому сокращению затрат электроэнергии на подачу воды представляет собой весьма сложную задачу в условиях протяженной и разветвленной водопроводной сети города. Это объясняется тем, что после изменения гидравлического сопротивления на определенных участках сети, где были осуществлены работы по реновации, может измениться направление потоков. В этом случае доказать реальную эффективность восстановительных работ становится трудно.

Для определения фактической эффективности работ по бестраншейной реновации предлагается следующий путь. Он основан на определении экономии энергоресурсов при транспортировании воды по восстановленному трубопроводу по сравнению со старым при неизменных параметрах потока по линии до и после ремонтно-восстановительных работ. Причем в качестве вариантов реконструкции берутся только те технологии, при которых достигается положительный эффект, заключающийся в уменьшении гидравлических сопротивлений трубопроводов после реновации независимо от степени сужения диаметра исходного трубопровода.

Годовая экономия электроэнергии DЭ, кВт·ч, за счет уменьшения гидравлического сопротивления после операций по реновации трубопровода и, следовательно, снижения потерь напора по длине трубопровода подсчитывается по базовой формуле:

где ρ – плотность жидкости, равная 1000 кг/м³; g – ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с²; Q – расход подаваемой трубопроводом воды, м³/с; η_нас, η_двиг – коэффициент полезного действия насоса и электродвигателя соответственно; 24 – количество часов работы насоса в сутки, ч; 365 – количество дней в году; 1000 – переводной коэффициент из Вт в кВт; ΔН – снижение потерь напора по длине трубопровода, м вод. ст.

ΔН = Н_стар – Н_нов,                             (2)

где Н_стар, Н_нов – потери напора в трубопроводе до и после реновации соответственно, м вод. ст.

После математических преобразований формула (1) имеет вид:

В целях универсальности подхода к определению экономических параметров следует ввести понятие годовой экономии электроэнергии на единицу длины трубопровода ΔЭ_1м. В этом случае потери напора Н_стар и Н_нов будут рассчитываться на единицу длины трубопровода, т. е. на 1 м.

Общие формулы для определения потерь напора с учетом удельных гидравлических сопротивлений:

Н_стар = А_старlQ²;                              (4)

Н_нов = А_новlQ²,                              (5)

где l – длина трубопровода (1 м по условиям задачи); А_стар, А_нов – коэффициент сопротивления старого и нового трубопроводов соответственно, с²/м⁶; Q – расход транспортируемой воды, м³/с.

Формулы (3) и (4) с учетом единичной длины трубопровода преобразуются к виду:

Н_стар = А_старQ²;                               (6)

Н_нов = А_новQ².                                (7)

Подставляя формулы (6) и (7) в выражение (3), с учетом преобразований получим базовую формулу для определения годовой экономии электроэнергии на единицу длины старого трубопровода после его реновации:

Из зависимости (8) следует, что величина экономии электроэнергии пропорциональна третьей степени пропускаемого расхода, т. е. Q³ при условии сохранения неизменной величины расхода.

Ниже приведен расчет экономии энергозатрат после проведения работ по бестраншейной реновации стальных трубопроводов двумя методами: протягиванием полиэтиленовых труб (два альтернативных случая); нанесением цементно-песчаного покрытия (два альтернативных случая).

Протягивание полиэтиленовых труб. В качестве условия задачи рассматриваются следующие варианты реновации: старый стальной водовод внутренним диаметром 1 м подлежит бестраншейному восстановлению круглой полиэтиленовой трубой (первый вариант) наружным диаметром 0,9 м и деформированной полиэтиленовой трубой (второй вариант) наружным диаметром 1 м. Согласно ГОСТ 18599-2001, выбрана полиэтиленовая труба ПЭ 100 наружным диаметром 0,9 м и толщиной стенки 22 мм. Таким образом, внутренний диаметр полиэтиленовой трубы составляет 0,9 – 2·0,022 = 0,856 м. Труба рассчитана на давление до 0,4 МПа (40 м вод. ст). Для второго варианта реновации используется труба наружным диаметром 1 м и толщиной стенки 2,44 мм, т. е. внутренний диаметр ее составляет 1 – 2·0,0244 = 0,9512 м. На бровке траншеи перед протягиванием труба подвергается предварительной деформации на формовочной машине для изменения поперечного сечения.

Удельное сопротивление старой стальной трубы определяется по формуле А = 0,0017d^–5,1716, полиэтиленовой трубы А = 0,0004d^–5,7276 [3; 4]. Для решения задачи необходимо задаться расходом Q, который можно принять равным 0,79 м³/с, что соответствует скорости течения воды в стальном трубопроводе внутренним диаметром 1 м – 1 м/с. Далее, подставляя исходные данные в формулу (8) и производя промежуточные операции, получим расчетные значения годовой экономии электроэнергии на единицу длины трубопровода:

для первого случая (круглая труба):

Для реальных условий проектирования, когда, например, протяженность водовода составляет 1–2 тыс. км, годовая экономия энергозатрат по первому варианту составит 42726,1–85452,2 кВт·ч, по второму варианту – 68742,6–137485,2 кВт·ч.

Нанесение цементно-песчаного покрытия. В качестве условия задачи рассматриваются следующие варианты реконструкции: старый стальной водовод внутренним диаметром 1 м подлежит бестраншейной реконструкции путем нанесения цементно-песчаного покрытия методом опалубки (первый вариант) и центробежного набрызга (второй вариант). Толщина слоев, согласно установленным нормам для диаметра 1 м, составляет в обоих случаях 11 мм. Внутренний диаметр трубопровода после реновации составит 1 – 2·0,011 = 0,978 м. Расход воды, как и в предыдущей задаче по реновации трубопровода, составляет 0,79 м³/с.

Подставляя исходные данные в формулу (8) и производя промежуточные операции, получим расчетные значения годовой экономии электроэнергии на единицу длины трубопровода:

для первого случая (метод опалубки):

Для реальных условий проектирования, например при протяженности водовода 1–2 тыс. км, годовая экономия энергозатрат по первому варианту составит 40525,1–81050,2 кВт·ч, по второму варианту – 60337,3–120674,6 кВт·ч соответственно.

Анализ результатов расчета по определению экономии электроэнергии на единицу длины трубопровода по двум альтернативным бестраншейным технологиям реновации старого стального трубопровода и их модификаций, показал, что наиболее экономичным по энергозатратам является метод протаскивания деформированной профилированной полиэтиленовой трубы (DЭ_1м = 68,7426 кВт·ч). Наименьшая экономия энергозатрат достигается при реконструкции трубопровода методом опалубки.

Несмотря на то что после реновации методом протягивания внутренние диаметры новых двухтрубных конструкций уменьшаются по сравнению с методами нанесения цементно-песчаных покрытий (например, 0,9512 м при протягивании и 0,978 м при цементации), экономия энергозатрат возрастает. Поэтому удельное сопротивление (т. е. степень шероховатости внутренней поверхности трубопроводов) оказывает существенное влияние на энергосбережение при транспортировке воды по трубопроводам системы водоснабжения.

Выводы

В качестве критерия оценки энергосбережения при реализации бестраншейных методов реновации трубопроводов введено понятие годовой экономии электроэнергии на единицу длины трубопровода. На конкретных примерах подсчитаны и сопоставлены значения этого параметра для различных технологий реновации.

Список цитируемой литературы

1. Отставнов А. А., Устюгов В. А., Харькин В. А. и др. Энергосберегающие бестраншейные технологии // Сантехника. Отопление. Кондиционирование (С.О.К.). 2010. № 8.
2. Отставнов А. А., Устюгов В. А., Харькин В. А. и др. Энергосбережение на трубопроводах водоснабжения и водоотведения // Сантехника. 2010. № 4.
3. Шевелев Ф. А., Шевелев А. Ф. Таблицы для гидравлического расчета водопроводных труб. – М.: Стройиздат, 1984.
4. Орлов В. А. Защитные покрытия трубопроводов. – М.: Издательство АСВ, 2009.