Повышение эффективности работы водоводов в условиях сурового климата: На примере железнодорожных станций БАМа

Содержание

Актуальность проблемы. Наличие огромных природных богатств сырьевых и энергетических ресурсов в северных районах России способствует дальнейшему освоению этих районов, росту промышленного и гражданскогоительства В настоящее время здесь проживают около 4 миллионов человек, более чем в 400 населенных пунктах.

Водоснабжение является одной из важных составляющих, обеспечивающих бесперебойность работы промышленных предприятий и создание для населения бытовых условий, отвечающих современным требованиям. Водоводы относятся к одному из основных элементов системы водоснабжения, определяющему ее надежность и экономичность. Строительство и эксплуатация водопроводов на Севере имеет свои особенности, связанные с наличием вечномерзлых грунтов и сурового климата, а также дополнительными мероприятиями по предотвращению перемерзания водоводов. По капитальным затратам на водоводы, не зависимо от способа прокладки, приходится до 50% от сметной стоимости всей системы водоснабжения.

Себестоимость воды в Северных районах в среднем в 20−30 раз выше, чем в средней полосе страны. Это связано со значительным потреблением электроэнергии и топлива на транспортирование и подогрев воды.

Для борьбы с замерзанием воды в трубах водоводы обычно утепляют, а воду перед подачей по трубам подогревают. По нормам подогрев следует назначать таким, чтобы в конце водовода температура воды была не ниже 3 °C. Для выполнения этого условия воду необходимо подогревать на 15−20°С.

При снижении подогрева, а также в периоды вынужденной остановки движения воды в водоводах на внутренней поверхности труб возможно образование льда.

По действующим нормативам при эксплуатации водовода появление льда на внутренней поверхности трубы не допускается. Такое требование обусловлено недостаточным знанием процесса обледенения труб, а также желанием повысить надежность тт/ботюволов от замерзания, отодвинув опасную границу фазового перехода юходу топлива.

КНИГА ИМЕЕТ п -и ил и шганн. &bdquo-ыи. о гг ¡-Карт С-. V-О г- х 43 о *. и | - =!

41 условиях сурового «рмативы по назна-1ере учитывают со-1ых технологий по-гельну ю экономию

Целью диссертации является обоснование и разработка новых положений, направленных на топливо- и энергосбережение при транспортировании воды по водоводам в условиях сурового климата. Для реализации целевой установки необходимо решение следующих задач:

-собрать статистические материалы по аварийности водоводов на примере станций БАМа- выявить наиболее надежный и экономичный в эксплуатации способ прокладки труб-

-дать описание физического процесса перемерзания водовода и влияние различных факторов на увеличение безопасной продолжительности остановки движения воды в трубе-

-обосновать минимальное значение степени подогрева и температуры транспортируемой воды-

-разработать методику назначения оптимальной толщины теплоизоляции водовода, при которой обеспечиваются минимальные затраты на строительство и эксплуатацию водовода-

-разработать математическую модель теплового режима водовода с назначением минимального подогрева воды при возможном обледенении трубопровода-

-дать оценку экономической целесообразности работы водовода с минимально возможным подогревом воды с допущением внутреннего обледенения трубы.

Методика исследований основывается на применении математического моделирования, включающего систему дифференциальных уравнений, описывающих процессы переноса вещества и энергии, решение которых осуществляется методом конечных элементов.

Научная новизна заключается в принципиально новом подходе к назначению способа прокладки и вида теплоизоляции водовода, а также к снижению степени подогрева воды при ее транспортировании и состоит в следующем:

1.На основе собранных статистических материалов по аварийности водоводов БАМа выявлены основные причины аварий на водоводах различных способов прокладки. Установлено, что наименьшее количество аварий происходит на водоводах надземной прокладки и этому способу следует отдавать предпочтение по сравнению с другими.

2.Впервые дано описание физического процесса перемерзания водовода, составлена математическая модель инерционности замерзания воды в трубе при остановке движения и составлены номограммы для определения времени остыванию воды и времени перемерзания водовода при различных температурно-климатических условиях.

3.Преддожены новые параметры «защитное время» и «время восстановления», регламентирующие деятельность службы эксплуатации при возникновении аварий. Обоснована целесообразность снижения температуры транспортируемой воды с 3 до 0.1°С.

4.Разработана методика расчета и составлена программа, позволяющая назначать оптимальную толщину и вид теплоизоляции водовода при минимальных затратах на его строительство и подогрев воды в зимний период.

5.На основе теории тепломассообмена решена линейная задача и установлены закономерности формирования корки льда в сечении водовода и по его длине. Созданная математическая модель позволяет учитывать широкий спектр условий работы водовода и задавать параметры эксплуатации с минимальными затратами на подогрев.

Практическая ценность выполненных исследований выражается в уменьшении затрат на организационно-технические мероприятия при эксплуатации систем водоснабжения, расположенных в районах с суровыми климатическими условиями, а также топливо- и энергосбережении. Это позволило реализовать результаты исследований на ряде объектов Дальневосточной железной дороги и получить конкретную практическую выгоду:

-служба эксплуатации получила значение расчетного времени восстановления водовода, в течение которого необходимо выполнить все ремонтно-восстановительные работы без дополнительных затрат на опорожнение трубопроводов-

-обоснование нижнего предела температуры транспортируемой воды позволило значительно сократить степень подогрева воды, а в некоторых случаях вообще отказаться от него. Разработанный новый подход к тепловым режимам трубопроводов с минимальным подогревом и возможностью образования тонкой корки льда на внутренней поверхности трубы, дает экономию топлива до 20−40% и позволяет на некоторых станциях исключить котельную-

-снижается вредное воздействие на окружающую среду от продуктов сгорания топлива, вредных газов и пыли и уменьшается оплата за загрязнение окружающей среды-

-созданная программа оптимизации подбора толщины теплоизоляции позволяет получить до 10−15% экономии затрат на строительство водовода и его эксплуатацию-

-результаты работы используются в учебном процессе ДВГУПС при изучении спецкурса «Водоснабжение и водоотведение в условиях сурового климата» для студентов специализации 2908 «Водоснабжение и водоотведение» и на курсах повышения квалификации работников водоснабжения ДВжд.

Апробация работы. Отдельные положения диссертации разрабатывались в соответствии с научно-техническими программами Министерства Путей Сообщения РФ «Экспериментально-теоретические исследования ледотермических режимов трубопроводов» заказ ЦЭУ МПС 1996−97 гг. Jfe 7.14 и Российской академии архитектурно-строительных наук (РААСН) «Разработка и создание эффективной энергосберегающей технологии подачи воды по водоводам в суровых климатических условиях для Северных районов России».

Основные положения и результаты работы были доложены: на научно-технической региональной конференции «Проблемы развития строительного комплекса Дальнего Востока» (Хабаровск, 1987), конференции ХабИИЖТа (Хабаровск, 1989), 3 региональной научно-практической конференции «Пути улучшения работы сооружений водоснабжения и водоотведения Дальнего Востока» (Хабаровск, 1989), научно-техническом семинаре «Обеспечение надежности питьевого водоснабжения» (Москва, 1989), научно-технической конференции «Комплексные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железных дорог в условиях Крайнего Севера» (Хабаровск, 1997), третьей научно-практической конференции «Человек и окружающая природная среда» (Пенза, 2000).

Рекомендованные экономичные режимы водоводов внедрены на системах водоснабжения ст. Тында, п. Новый Ургал ДВжд.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 статей и выполнено 2 отчета по НИР. Объем и структура научного доклада. Диссертация в форме научного доклада состоит из введения, шести глав, заключения и списка основных научных работ.