Оптимизация толщины тепловой изоляции обогреваемых трубопроводов

На сегодняшний день энергоэффективность является важнейшим аспектом при проектировании и эксплуатации практически всех технологических установок. Во многих отраслях промышленности технологические установки обеспечиваются системами электрообогрева.

Применение систем электрообогрева позволяет поддержать температуру данной установки на требуемом уровне в течение всего срока эксплуатации. Соответственно, требования по энергоэффективности касаются и самой системы электрообогрева. Энергоэффективная система электрообогрева не только отвечает своему непосредственному назначению (обеспечивает требуемый температурный режим), но и эффективно использует энергетические ресурсы обогреваемого объекта. Один из наиболее простых и эффективных способов экономии энергоресурсов заключается в подборе оптимальной толщины теплоизоляции обогреваемого объекта. Рассмотрим данный вопрос более подробно.

Система электрообогрева представляет собой совокупность следующих подсистем: подсистемы обогрева, подсистем питания и управления и подсистемы крепления.

Рис. 1. Принципиальная схема кабельной системы обогрева

Необходимо понимать, что все компоненты системы электрообогрева связаны между собой и непосредственно влияют друг на друга. Например, известно, что теплоизоляция является одним из важнейших компонентов системы электрообогрева. От технических характеристик теплоизоляции напрямую зависят такие параметры системы электрообогрева как: требуемое количество нагревательного кабеля, мощность системы электрообогрева, количество потребляемой системой обогрева электроэнергии. Любые проблемы с теплоизоляцией, например, неоптимальная толщина теплоизоляции, несоответствие технических характеристик теплоизоляции заявленным, некачественный монтаж, напрямую отражаются на характеристиках всей системы обогрева. Слишком тонкая теплоизоляция трубопровода приводит к увеличению его теплопотерь. С одной стороны меньший объем теплоизоляции стоит дешевле. С другой стороны – неминуемо возрастает количество нагревательного кабеля, сопроводительной сети, соединительных коробок, а также ежегодное количество потребляемой электроэнергии. Чрезмерное увеличение толщины теплоизоляции также может не принести ощутимой экономии энергоресурсов, так как срок окупаемости такой теплоизоляции может быть неоправданно большим. Соответственно, мы получаем, что для определения оптимальной толщины теплоизоляции необходимо рассматривать затраты на всю систему электрообогрева в комплексе. Кроме того, построение энергоэффективной системы обогрева возможно при комплексном анализе характеристик обогреваемого объекта и его режима работы.

Рассмотрим методику проведения экономического расчета системы электрообогрева с целью определения тенденций по оптимизации толщины теплоизоляции в зависимости от региона расположения трубопроводов и требуемой температуры поддержания. Условием оптимальности выбранной толщины теплоизоляции будет являться минимальное значение затрат на систему электрообогрева в комплексе, а именно:

 СЭО+ТИ+МОН+ЭЭ → МИНИМУМ

где
СЭО – стоимость системы электрообогрева,
ТИ – стоимость теплоизоляции,
МОН – затраты на монтаж нагревательной части и теплоизоляции,
ЭЭ – стоимость электроэнергии за весь период работы системы электрообогрева.
Рассматриваемый период работы трубопровода составляет 6 лет.

В качестве материала теплоизоляции в данной работе рассмотрен один из наиболее эффективных и долговечных материалов – In Warm Flex. Теплоизоляция In Warm Flex представляет из себя гибкий теплоизоляционный материал с закрытыми порами на основе вспененного каучука. Теплоизоляционные материалы In Warm Flex характеризуются следующими основными техническими свойствами:

• Диапазон рабочих температур от -200 °С до +150 °С;
• Фактор сопротивления диффузии водяного пара μ≥7000;
• Пожарная безопасность (класс горючести Г1);
• Высокая технологичность монтажа.

Теплоизоляция In Warm Flex выпускается в двух исполнениях: универсальная теплоизоляция общего применения In Warm Flex BT и теплоизоляция с повышенными требованиями по безопасности и экологичности In Warm Flex РН. Технические характеристики теплоизоляции этих двух исполнений приведены в таблице 1.

Таблица 1. Технические характеристики теплоизоляции In Warm Flex

Низкий коэффициент теплопроводности теплоизоляции из вспененного каучука позволяет закладывать толщину теплоизоляции ориентировочно в 1.5 раза меньшую по сравнению с минеральной ватой.

Мы предполагаем, что для обогрева трубопроводов применяются саморегулирующиеся нагревательные ленты. Зададимся следующими параметрами трубопроводов:

Необходимо отметить, что мы рассматриваем трубопровод относительно небольшой длины (200 м), и предполагаем, что по всей длине трубопровода проложена сопроводительная сеть.

Мы выбрали три разных температуры поддержания трубопроводов: 5, 60 и 100 °С. Предполагаем, что по трубопроводу с рабочей температурой 5 °С перекачивается вода, и система электрообогрева предназначена для защиты от замерзания. В этом случае нагревательный кабель не подвергается воздействию высоких температур или агрессивных сред. Для данных целей подойдет достаточно бюджетное решение – низкотемпературные саморегулирующиеся нагревательные ленты типа НТР. Саморегулирующиеся нагревательные ленты данной марки выдерживают воздействие температуры до 65 °С без нагрузки и до 85 °С под нагрузкой. В данном случае мы применили универсальную теплоизоляцию марки In Warm Flex BT.

Рис. 2. Область применения саморегулирующихся нагревательных лент

Температура поддержания 60 °С характерна для технологических процессов, связанных с перекачкой нефтепродуктов. Для обогрева такого рода трубопроводов используются среднетемпературные нагревательные ленты типа ВТС, выдерживающую воздействие температуры 120 °С под нагрузкой и 190 °С без нагрузки. Трубопроводы с рабочей температурой 100 °С и выше целесообразно обогревать высокотемпературными саморегулирующимися нагревательными лентами типа ВТХ. Конструкция и особый состав матрицы данного типа лент позволяет выдерживать температурное воздействие до 190 °С под нагрузкой и 240 °С без нагрузки. Для трубопроводов с температурой поддержания 60 °С и 100 °С мы предусмотрели теплоизоляцию In Warm Flex РН.

Система электрообогрева реализует самый экономичный режим эксплуатации обогреваемых трубопроводов и оборудования, суть которого состоит в поддержании достигнутой в ходе технологического процесса температуры. Это наименее затратный режим обогрева с использованием систем относительно небольшой удельной мощности. Система «Тепломаг» обеспечивает поддержание заданной технологической температуры продукта путем компенсации тепловых потерь трубопроводов, возникающих в ходе технологического процесса. Соответственно, потребляемая электроэнергия определяется уровнем тепловых потерь трубопровода и может быть определена следующим образом:

где
W - потребляемая электроэнергия, Вт∙ч;
Q_i - среднемесячные тепловые потери трубопровода i-ого месяца, Вт;
τ_i - время работы системы электрообогрева в течение i-ого месяца, час;
n - количество рабочих месяцев.

Методика расчета тепловых потерь трубопровода была подробна рассмотрена нами в статье [1]. Для определения энергопотребления необходимо уделить пристальное внимание климатологии региона расположения обогреваемого объекта. Расчет мощности системы электрообогрева проводится по температуре наиболее холодной пятидневки или абсолютной минимальной температуре воздуха [2]. Для примера мы рассмотрим две климатических зоны: район Краснодара и район Надыма.

Таблица 2. Климатические параметры рассматриваемых регионов

В районе Надыма количество месяцев в году со средней температурой ниже ноля составляет 8 месяцев, в районе Краснодара – 2. Температура наиболее холодной пятидневки Надыма составляет -44 °С, для района Краснодара этот параметр составляет -19 °С. Очевидно, что для района Надыма толщина теплоизоляции при всех прочих равных условиях должна быть больше, чем для района Краснодара.

Для определения потребляемой электроэнергии системой обогрева необходимо знать фактическое время работы трубопровода. Защита от замерзания трубопроводов необходима в течение нескольких месяцев, когда температура воздуха опускается ниже 5 °С. Анализ климата выбранных нами регионов проводим по СНиП 23-01-99 «Строительная климатология». Для Краснодара средняя температура воздуха четырех месяцев опускается ниже 5 °С, а именно – января, февраля, марта и декабря (таблица 3).

Таблица 3. Среднемесячные температуры рассматриваемых регионов

Причем, март, как первый весенний месяц, характерен тем, что температура воздуха падает ниже нуля только в ночные часы. В связи с этим положим, что система электрообогрева будет работать только половину месяца. Таким образом, получаем, что время работы системы электрообогрева составит 3.5 месяца в год (2532 часа). Для Надыма средняя температура воздуха опускается ниже 5 °С с октября по май, итого восемь месяцев в год (5832 часа). На рис.3 и в таблице 4 показано сравнение ежегодных затрат электроэнергии на систему электрообогрева водопровода для указанных регионов. Зависимости приведены для трубопровода ф159 с теплоизоляцией из вспененного каучука толщиной 50 мм (данный трубопровод рассматривается для обоих случаев).

Рис. 3. Энергозатраты на систему электрообогрева водопровода, расположенного в Надыме и Краснодаре


Таблица 4

Поддержание температурного режима технологических трубопроводов с температурой 60 °С и 100 °С необходимо обеспечивать в течение полного времени работы трубопроводов. Положим, что данные трубопроводы работают круглый год (8760 часов). Сравнение ежегодных затрат электроэнергии на обогрев технологических трубопроводов с температурой 60 °С представлено на рис.4 и в таблице 5.

Рис. 4. Энергозатраты на систему электрообогрева трубопровода с температурой 60 °С, расположенного в Надыме и Краснодаре


Таблица 5

Для определения оптимальной толщины теплоизоляции удобно привести сумму всех затрат на систему электрообогрева к 1 метру обогреваемого трубопровода. На рис.5- 7 представлены зависимости относительных затрат на установку и эксплуатацию системы электрообогрева трубопровода ф159, расположенного в районе Краснодара. При поддержании температуры +5 ºС и минимальной толщине теплоизоляции 10 мм (рис.5) теплопотери трубопровода составляют 49.4 Вт/м и могут быть компенсированы нагревательной лентой 33НТР2-ВТ, уложенной с расходом 1.5 м/м.

Рис. 5. Относительные затраты на установку и эксплуатацию системы электрообогрева трубопровода ф159 мм в зависимости от толщины теплоизоляции

При дальнейшем увеличении толщины теплоизоляции мы также применяем кабели серии НТР, уменьшая расход нагревательного кабеля и номинал мощности. При этом мы находимся в одной ценовой категории кабелей. В связи с этим затраты на систему электрообогрева при увеличении толщины теплоизоляции изменяются незначительно. Основной вклад в затраты на установку и эксплуатацию системы электрообогрева вносит теплоизоляция, стоимость которой растет практически линейно. В связи с тем, что система электрообогрева будет эксплуатироваться 3.5 месяца в год, расход электроэнергии будет относительно небольшим (см. рис.3). Соответственно, оптимальная толщина теплоизоляции также будет иметь относительно небольшую величину, а именно – 25 мм. Установка теплоизоляции большей толщины также возможна, но срок окупаемости такого варианта будет больше.

На толщину теплоизоляции могут также повлиять длительные перерывы в электроснабжении. В этом случае толщина теплоизоляции будет определяться тепловой инерционностью конкретного трубопровода, длительностью перерыва и допустимым снижением температуры трубопровода [2].

При поддержании температуры +60 ºС и минимальной толщине теплоизоляции 10 мм (рис.6) теплопотери трубопровода составляют 179 Вт/м и могут быть компенсированы нагревательной лентой 60ВТС2- ВР, уложенной в 4 нитки. В этом случае затраты на систему электрообогрева и теплоизоляцию получаются сопоставимыми. А ежегодные затраты на электроэнергию будут составлять порядка 80% (!) от капитальных затрат. Данный вариант является наглядным примером построения неэффективной и чересчур затратной в эксплуатации системы электрообогрева. Наиболее экономически выгодным решением для данного трубопровода будет применение теплоизоляции толщиной 50 мм.

Рис. 6. Относительные затраты на систему электрообогрева трубопровода ф159 мм в зависимости от толщины теплоизоляции

Очевидно, что с повышением поддерживаемой температуры трубопровода увеличивается расход электроэнергии на систему обогрева, а соответственно, и оптимальная толщина теплоизоляции. Применение теплоизоляции толщиной порядка 90 мм для трубопровода с температурой 100 °С является оптимальным вариантом (рис.7).

Рис. 7. Относительные затраты на систему электрообогрева трубопровода ф159 мм в зависимости от толщины теплоизоляции

Аналогичным образом были получены толщины теплоизоляции для трубопроводов оставшихся диаметров (57, 325, 426 мм), расположенных в районе Краснодара и Надыма. Необходимо отметить, что для данных трубопроводов будут справедливы выявленные тенденции по затратам на установку и эксплуатацию систем электрообогрева.

Полученные результаты для всех трубопроводов удобно представить в виде зависимости оптимальной толщины теплоизоляции от диаметра трубопровода, региона расположения и температуры поддержания (рис. 8, 9).

Рис. 8. Оптимальная толщина теплоизоляции для трубопроводов, расположенных в районе Краснодара


Рис. 9. Оптимальная толщина теплоизоляции трубопроводов, расположенных в районе Надыма

Рассмотрим данные зависимости на примере трубопровода, расположенного в Краснодаре. Как видим, при защите трубопроводов от замерзания экономически выгодной оказывается теплоизоляция сравнительно небольшой толщины. Для трубопроводов диаметром до 100 мм – это теплоизоляция толщиной 10 мм. С увеличением диаметра трубопровода становится более заметным вклад потребляемой электроэнергии в эксплуатационные затраты. Данный факт приводит к тому, что для трубопроводов диаметром более 150 мм целесообразно применение теплоизоляции толщиной до 25 мм.

В случае обогрева технологических трубопроводов с температурой +60  °С получили, что для трубопроводов более 325 мм целесообразно устанавливать изоляцию толщиной до 90 мм. Очевидно, что при дальнейшем увеличении температуры поддержания (до 100 ºС) возрастает и величина оптимальной толщины теплоизоляции. В диапазоне диаметров трубопроводов от 57 до 159 толщина теплоизоляции растет практически линейно. Для диаметра труб свыше 159 мм экономически выгодной будет теплоизоляция толщиной 90 мм. Обратимся к зависимостям, полученным для района Надыма. Для водопроводов малых диаметров (57 мм) целесообразно применять теплоизоляцию толщиной до 25 мм. Для водопроводов диаметром более 100 мм целесообразно применять теплоизоляцию толщиной 30 мм. Несмотря на более суровый климат Надыма для технологических трубопроводов с температурой поддержания 60 и 100 °С оптимальные толщины теплоизоляций сопоставимы с величинами, полученными для региона Краснодара. Это связано с разницей в стоимости электроэнергии в данных регионах [3, 4].

Характерной особенностью полученных зависимостей является тот факт, что при определенном диаметре трубопровода величины оптимальных толщин теплоизоляции стабилизируются. Стабилизация толщины теплоизоляции происходит за счет того, что при определенной толщине мы достигаем оптимальной конфигурации и стоимости системы электрообогрева. Основной вклад в капитальные затраты в этом случае вносят затраты на теплоизоляцию и электроэнергию, соотношение которых определяет величину оптимальной толщины теплоизоляции.

Результаты, полученные в данной работе, суммированы в итоговой таблице (табл. 6). Эти данные рекомендуется использовать при выборе толщины тепловой изоляции обогреваемых трубопроводов, эксплуатируемых в условиях, указанных в данной статье.

Таблица 6. Оптимальная толщина теплоизоляции марки In Warm Flex для обогреваемых трубопроводов в зависимости от поддерживаемой температуры, диаметра трубопровода и климатических условий.

Необходимо отметить, полученные зависимости справедливы для трубопроводов небольшой длины (200 м), обогреваемых саморегулирующимися нагревательными лентами и теплоизолированных вспененным каучуком. Применение теплоизоляции из вспененного каучука, который характеризуется достаточно низким коэффициентом теплопроводности, позволило получить нам относительно небольшие толщины теплоизоляции. Для определения оптимальных толщин теплоизоляции трубопроводов большей длины, в том числе и магистральных, необходимо выполнять отдельный анализ. Практика показывает, что для таких трубопроводов экономически выгодной будет применение теплоизоляция большей толщины по сравнению с рассчитанными величинами. В этом случае увеличение толщины теплоизоляции позволяет увеличить длину плеча обогрева трубопровода, а соответственно сократить затраты на подвод сопроводительной сети.

Резюмируя все вышесказанное, а также учитывая наш опыт в проектировании систем обогрева, мы хотим обратить внимание проектных институтов и эксплуатирующих организаций на проблемы выбора теплоизоляции обогреваемых трубопроводов. Проектирование системы электрообогрева подразумевает комплексный анализ обогреваемого объекта, а также технико-экономическое обоснование принятых решений.