5401
.pdf
На правах рукописи
РАЗМАЗИН Геннадий Александрович
ТЕПЛОВОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕПЛО- И ВОДОПРОВОДОВ В ПЕНОПОЛИУРЕТАНОВОЙ
ИЗОЛЯЦИИ С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ В НЕФТЕГАЗОДОБЫВАЮЩЕМ РЕГИОНЕ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
Специальность 05.23.03 — Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение
А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Тюмень 2000
Работа выполнена на кафедре «Теплогазоснабжение и вентиляция» Тюменской государственной архитектурно-строительной академии и ЗАО «Сибпромкомплект»
Научный руководитель: |
доктор технических наук, |
|
почетный работник ТЭК РФ, |
|
профессор Моисеев Б. В. |
Научный консультант: |
кандидат технических наук |
|
Чекардовский M. H. |
Официальные оппоненты: |
доктор технических наук, |
|
профессор Бодров В. И. |
|
кандидат технических наук, |
|
заслуженный энергетик РФ |
|
Богомолов В. П. |
Ведущее предприятие: |
институт «Нефтегазпроект», |
|
г. Тюмень |
Защита состоится 8 декабря 2000 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 064.71.01 при Тюменской государственной архитектурно-строительной академии по адресу: 625001,
г.Тюмень, ул. Луначарского, 2.
Сдиссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тюменской государственной архитектурно-строительной академии.
Автореферат разослан 6 ноября 2000 г.
Ученый секретарь |
|
диссертационного совета, |
|
кандидат технических наук, |
|
доцент |
МалышкинА. П. |
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Западно-Сибирский регион является в настоящее время основной базой добычи энергетического сырья — нефти и газа, и по прогнозным оценкам на ближайшую перспективу 25-30 лет это положение не изменится. Создание и развитие топливно-энергетического комплекса потребовало ускоренного развития инженерных коммуникаций и систем жизнеобеспечения. За годы освоения региона построено свыше 12 тыс. км теплотрасс и 23 тыс. км водоводов. Как показал опыт эксплуатации этих систем за прошедшие 30 лет, тепло- и гидроизоляция, применяемая при строительстве инженерных коммуникаций в условиях повышенной влажности и обводненности, быстро теряет свои защитные свойства и приводит к резким увеличениям тепловых потерь и коррозионным разрушениям материала трубопроводов. Поэтому на их ремонт требуется значительное количество материальных и финансовых затрат. За это время появились новые высокоэффективные полимерные тепло- и гидроизоляционные материалы, однако нормативная база по их применению отстает от требований производства.
В связи с чем задача всестороннего исследования материалов, их поведения в условиях эксплуатации, особенно в обводненных грунтах на севере Западно-Сибирского региона, разработки рекомендаций по их применению является чрезвычайно важной и актуальной проблемой.
Объектом исследования являются инженерные коммуникации и системы жизнеобеспечения в условиях Западно-Сибир- ского региона.
Предметом исследования является новая пенополиуретаневал (ППУ) изоляция подземных и наземных трубопроводов.
Цель исследования — разработка инженерных методов расчета и экспериментального исследования систем тепло- и водоснабжения с новой ППУ-изоляцией в обводненных грунтах За- падно-Сибирского региона.
В соответствии с целью исследования решались следующие
задачи:
—разработка инженерных методов теплового расчета трубопроводов с ППУ-изоляцией при подземной и наземной прокладке;
—численное моделирование теплового взаимодействия тру-
бопровода c грунтом при наличии фазового перехода для полу-
чения новых полуэмпирических зависимостей расчета глубины протаивания при подземной прокладке трубопроводов на базе обобщенных показателей;
—прогнозирование изменений температурного поля грунта
впроцессе эксплуатации трубопроводов для определения изменений тепловых потерь и сроков проведения планово-предупре- дительных ремонтов;
—разработка и проверка в условиях эксплуатации усовершенствованных конструкций трубопроводов с ППУ-изоляцией для сокращения тепловых потерь, а также материальных и финансовых затрат на их эксплуатацию и ремонт;
—разработка рекомендаций для проектных и эксплуатаци-
онных организаций по применению этих материалов и внесение их в отраслевые строительные нормы и правила.
Связь с тематикой научно-исследовательских работ. Диссертационная работа выполнялась согласно постановлению правительства РФ № 1087 «О неотложных мерах по энергосбережению» и в рамках целевой комплексной программы «Нефть и газ Западной Сибири», а также общеобластной программы «Энергосбережение в Тюменской области».
Методы и достоверность исследований. В работе использовались современные методы математической физики, вычислительного эксперимента, а также системный анализ. Полученные в работе данные сверялись с результатами других исследователей, а в ряде случаев экспериментально проверялись в натурных
условиях.
Научная новизна работы. Получено обобщенное полуэмпирическое уравнение расчета глубины протаивания грунта вокруг подземных трубопроводов на базе известной физической модели теплового взаимодействия трубопровода и грунта с проведением вычислительного эксперимента на ЭВМ. На основании обработки полученных результатов выявлено влияние различных факторов на величину талой зоны вокруг теплопровода, определено время стабилизации температурного режима грунта. Проведена проверка полученных полуэмпирических уравнений по расчету тепловых режимов в условиях наземной эксплуатации водовода с ППУ-изоляцией в районе г. Салехарда, показывающая хорошую сходимость расчетных и фактических значений.
На защиту выносятся:
—полуэмпирические уравнения расчета глубины протаивания грунта под теплопроводом с обобщенными переменными;
—результаты обработки численного эксперимента по тепловому взаимодействию теплопровода и окружающего грунта с учетом фазового перехода;
—результаты промышленного эксперимента по тепловому
режиму водовода с новой IIПУ-изоляцией при наземной прокладке;
—усовершенствованная конструкция трубопровода с новой ППУ-изоляцией, обладающая повышенной влаго- и коррозионной стойкостью и прочностью;
—рекомендации по применению новой ППУ-изоляции проектным организациям и внесение изменений в отраслевые нормы и правила по расчету толщины изоляции.
Практическое значение и реализация работы состоит в том, что разработанные теоретические и методические основы проектирования систем жизнеобеспечения используются при обустрой-
стве нефтегазовых месторождений на севере Западной Сибири. В работе предложена бесканальная прокладка коммуникаций с ППУ-изоляцией, обоснованная теплотехническими и техникоэкономическими расчетами. Разработанные усовершенствованные конструкции трубопроводов с ППУ-изоляцией подтверждены сертификатом Госстандарта России № 0075378. Разработаны и утверждены практические рекомендации по изготовлению, применению прогрессивных материалов и конструкций при наземной и подземной прокладке тепловых сетей в развитие действующих требований СНиП 2.04.14-88 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов».
Работа награждена: дипломом III степени на VII международной выставке «Нефть и газ—2000»; медалью конкурса «Сибирские Афины»на 2-ой международной выставке-конгрессе «Энергосбере- жение—99»; присуждена областная премия им. В. И. Муравленко за 1999 год. Разработаны технические условия по проектированию, изготовлению и применению трубопроводов с ППУ-изоляци- ей. Эффективность результатов работы подтверждена справками о внедрении. Теоретические и практические результаты исследования используются для специальных дисциплин при обучении сту-
дентов ТюмГАСА и проведения курсов повышения квалификации ИТР в ОАО НТЦ «Энергосбережение».
Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены и обсуждены на международных и Всероссийских конференциях; научно-технических советах: научно-техническая конференция ТюмГАСА (Тюмень, 1996); пятая Всероссийская научно-техническая конференция ТПГУ (Томск, 1999); научнотехническая конференция ТГАСУ (Томск, 1999); I международная научно-практическая конференция ПГАСА (Пенза, 1999); международная научно-техническая конференция СПбГТУ (Санкт-Петербург, 2000); II международная научно-техническая конференция ПГАСА (Пенза, 2000); 57-ая научно-техническая конференция НГАСУ (Новосибирск, 2000); HI международный конгресс НГАСУ (Новосибирск, 2000); III международная на- учно-практическая конференция ПГАСА (Пенза, 2000).
Публикации. Результаты диссертации изложены в 17 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы из 86 наименований и содержит 110 страниц текста, включая 10 таблиц и 30 иллюстраций.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение содержит обоснование актуальности проблемы, цель и задачи исследования, основные положения, выносимые на защиту, и данные по апробации научных результатов.
В первой главе проведен анализ отечественного и зарубежного опыта проектирования, строительства и эксплуатации инженерных коммуникаций в северных условиях. Значительный вклад
вразвитие различных сторон рассматриваемой проблемы внесли
В.H. Богословский, В. П. Витальев, С. С. ВялOB, Ю. С. Даниэлян, В. 3. Додин, M. M. Дубина, А. А. Ионин, С. Ф. Копьев,
В.А. Кудрявцев, С. С. Кутателадзе, А. В. Лыков, П. И. Мельников, Б. В. Моисеев, Г. В. Порхаев, E. Я. Соколов, С. А. Чистович, А. Л. Ястребов и др.
Анализ существующих конструкций трубопроводов и методов строительства систем жизнеобеспечения позволил автору сделать вывод о том, что в сложных инженерно-геокриологических услови-
6
ях ранее применяемые при строительстве инженерных сетей традиционные технологии и материалы являются дорогостоящими (табл. 1) и малонадежными (рис.1). В работе проанализированы модели и методы решения задач теплообмена в мерзлых грунтах и теплоизоляционном материале трубопроводов, а также технические решения совершенствования конструкций трубопроводов.
Анализ показывает, что действующие тепловые сети, проложенные в каналах, не удовлетворяют современным требованиям надежности и долговечности ни по качеству строительных конструкций теплопроводов, ни по теплофизическим показателям и не обеспечивают нормативных значений потерь теплоты. На практике часты случаи непозволительно высоких теплопотерь, превышающих нормативные значения в 2-4 раза. Ориентировочно в масштабе России потери теплоты, превышающие нормативные, составляют в настоящее время в пересчете на перерасход условного топлива 20-25 млн. т.у.т. в год.
Таблица 1 Оценка годового материального ущерба по Российской Федерации
Примечание: Материальный ущерб приведен в ценах 1991 г.
Сложившаяся ситуация имеет место, главным образом, из-за того, что поверхностные и грунтовые воды проникают в каналы теплопроводов вследствие большой водопроницаемости железобетонных элементов последних по причине их конструктивного несовершенства. Вода, попавшая в канал, увлажняет и разрушает тепловую изоляцию, не имеющую надежной гидроизоляции,
значительно снижает ее теплоизоляционные свойства и инициирует одновременно наружную коррозию трубопроводов. Таким образом, традиционные технологии и материалы, применяемые при строительстве и ремонте тепловых сетей, приводят к необходимости полной замены труб и теплоизоляции через 10-15 лет, а в некоторых случаях даже раньше.
Обзор существующих конструкций систем жизнеобеспечения позволяет сделать вывод о том, что в сложных инженерно-геокри- ологических условиях Западной Сибири наиболее рациональными конструкциями являются трубопроводы с ППУ-изоляцией.
Количество аварий за год на 1 км теплотрассы
Коэффициент теплопроводности изоляционных материалов
89 мм |
159 мы |
420 мм |
Стоимость прокладки 1 км двухтрубной теплотрассы
Рис.1 Сравнительные характеристики трубопроводов с различными видами теплоизоляции
Вторая глава посвящена постановке и решению задачи по прогнозированию температурного режима вечномерзлых грунтов вокруг теплопроводов в ППУ-изоляции с использованием методики вычислительного эксперимента. На температурный режим грунтов существенное влияние оказывают подземные инженерные коммуникации и особенно — теплопроводы. Отдавая некоторую часть теплоты в грунт, теплопроводы вызывают образование вокруг себя талых зон (ореолов протаивания) в мерзлом грунте и поэтому создают определенную опасность деформации трубопроводов. Таким образом, выяснение закономерностей формирования ореолов протаивания вокруг теплопроводов и определение оптимальных условий прокладки теплопроводов при строительстве в районах с вечномерзлыми грунтами является весьма актуальной задачей. Процесс теплопередачи, строго говоря, происходит в трехмерной области. Допуская, что температурный режим теплоносителя в трубопроводе вдоль трубы меняется слабо, а величина заглубления теплопровода не меняется по трассе, можно пренебречь тепловыми потоками вдоль теплопровода. Поэтому задачу о формировании температурного режима вокруг теплопровода можно рассматривать как двухмерную (рис. 2).
Особенностью математической формулировки задачи являются: во-первых, запись отдельных уравнений теплопроводности для мерзлой (M) и талой (т) зон, рассматриваемых как отдельные слои с переменной во времени границей; во-вторых, на подвижной границе стыка этих слоев задается условие Стефана; в-третьих, трубопровод имеет изоляционные слои цилиндрической формы, и температурное поле в них будет зависеть от радиуса. Математическая постановка данной задачи имеет вид:
уравнение для мерзлой зоны грунта
Рис. 2. Расчетная область грунта вокруг теплопровода.
уравнение для талой зоны грунта
где ТТ, Тм — температура талой и мерзлой зон грунта, К; ат, ам — температуропроводность талой и мерзлой зон грунта, м2/с; τ — время, ч.
уравнение для изоляционных слоев трубопровода
Для рассматриваемой задачи принимались следующие условия однозначности:
где T0, T1 — температура соответственно теплоносителя и внутренней стенки трубы, К; а1 — коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к стенке трубы, Вт/(м2К); R0 — внутренний радиус трубы, м.