Введение

Одним из элементов эффективного управления магистральными и распределительными трубопроводами систем городского водоснабжения является их оперативный ремонт как традиционными методами с раскопкой и заменой отдельных участков сетей, так и использованием бестраншейных технологий [1, 2]. Помимо восстановления физической целостности трубопроводной системы параллельно ставятся вопросы обеспечения санитарной надёжности при авариях и побочных переходных процессах, к которым можно отнести прочистку и дезинфекцию труб, обеспечение оптимального гидродинамического режима работы сети [3]. Значительная роль отводится также вопросам энергосбережения при транспортировке воды [4, 5].

Эффект энергосбережения после ремонта может быть обеспечен использованием защитных покрытий из полимерных и композиционных материалов, которые наносятся на внутреннюю поверхность трубопроводов [6, 7]. В качестве ремонтных материалов могут применяться протаскиваемые в старые трубопроводы новые трубы меньшего поперечного сечения, а также гибкие полимерные рукава, обделки на базе неорганических и органических составов, которые наносятся на внутренние стенки труб [8, 9]. Перечисленные ремонтные материалы в большинстве случаев обеспечивают снижение коэффициента гидравлического трения и тем самым содействуют достижению эффекта энергосбережения [10].

Отсюда цели и задачи исследователей, занимающихся вопросами энергосбережения в приложении к напорному трубопроводному транспорту жидкостей, сводятся к поиску и реализации на практике наиболее эффективных строительных технологий реконструкции и модернизации сетей, а также поиску строительных материалов с соответствующими гидравлическими характеристиками [11–12].

В качестве наиболее известных и значимых публикаций по данной тематике можно выделить следующие [13–15], где отражён комплекс вопросов по обоснованию выбора защитных покрытий и технологий их нанесения на трубопроводы.

Материалы настоящей статьи направлены на выявление потенциальных возможностей внутренних защитных покрытий в плане достижения энергосбережения в напорных трубопроводах, предназначенных для транспортировки питьевой воды, и опираются на результаты экспериментальных и теоретических исследований и разработок за последние годы в НИУ МГСУ [16].

Методы и материалы

В качестве методов исследований использовались аналитический и расчётный, которые базировались на результатах стендовых гидравлических экспериментов и их компьютерной обработки с помощью специально разработанного программного обеспечения [16–18]. Основное внимание уделялось вопросам обеспечения эффекта энергосбережения после реконструкции напорных водопроводных сетей внутренними защитными покрытиями из различных материалов.

Расчёт экономии электроэнергии (потенциала энергосбережения) при транспортировке воды по напорному трубопроводу, восстановленному альтернативными способами нанесения внутренних защитных покрытий, производится по следующей модифицированной формуле: где ?Э1м — изменение потенциала энергосбережения, кВт·ч; g — ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с2; Q — расход подаваемой трубопроводом воды, м?/с; ?НУ — коэффициент полезного действия насосной установки; 24 — количество часов работы насоса в сутки, ч; 365 — количество дней в году; Астар и Анов — эмпирические значения коэффициентов удельного сопротивления старого трубопровода и защитного покрытия (новой трубы), соответственно.

Для использования формулы (1) при расчёте эффекта энергосбережения необходимы сведения об универсальных эмпирических математических зависимостях удельного сопротивления А от диаметра d для каждого материала трубопровода (защитного покрытия), то есть А = f (d). В этих целях в лаборатории кафедры «Водоснабжение и водоотведение» НИУ МГСУ были проведены комплексные гидравлические эксперименты на трубопроводах с разными защитными покрытиями, используемыми при реконструкции и модернизации участков старых трубопроводных сетей (фото 1).

 

Результаты экспериментов и их интерпретация представлены ниже.

В качестве исследуемых на гидравлическом стенде материалов трубопроводов, которые потенциально могут быть использованы для достижения эффекта энергосбережения, были представлены следующие трубопроводы (условным диаметром 100 мм):

  • полиэтиленовая труба ПЭ-100 SDR 17 (110?6,6 мм) по ГОСТ 18599–2001;
  • полиэтиленовая труба ПЭ-80 SDR 17 (110?6,6 мм) по ГОСТ 18599–2001;
  • стеклопластиковая по ТУ 2296–002–05919802–03 «Трубы бипластмассовые и соединительные детали»;
  • высокопрочный чугун с шаровидным графитом по ТУ 1461–037–50254094–2004 завода «Свободный Сокол»;
  • стальная по ГОСТ 10704–91 труба с полимерным рукавом;
  • стальная по ГОСТ 10704–91 труба с набрызгиваемым покрытием Scotchkote 169 HB;
  • стальная по ГОСТ 10704–91 труба с набрызгиваемым покрытием Scotchkote Liner 2400;
  • стальная по ГОСТ 10704–91 труба с набрызгиваемым покрытием Subcote FLP.

В качестве сравнения приведён аналитический обзор каталожных характеристик стальных бесшовных труб отечественного производства 09Г2С по ГОСТ 10704–91.

 

Результаты исследования и обсуждение

На основании результатов стендовых гидравлических экспериментов на трубопроводах из различных материалов получены следующие эмпирические зависимости коэффициента удельного сопротивления А [с2/м6] в зависимости от диаметра трубопровода d [м] (табл. 1).

Используя представленные в табл. 1 зависимости и формулу (1) можно определить величину потенциала энергосбережения при транспортировке воды после проведения работ по реконструкции старого трубопровода соответствующими ремонтными материалами.

Ниже в качестве примера представлен расчёт потенциала энергосбережения Э на 1 м трубопровода в киловатт-час в год при использовании в качестве ремонтного материала для восстановления ветхих стальных трубопроводов полимерных труб (ПЭ-100 с SDR 17). Предусматривается, что реконструкция стального трубопровода осуществляется по технологии Swagelining, которая заключается в протягивании в трубопровод плети полимерных труб идентичного диаметра после предварительных операций их термомеханического сжатия [14].

При такой технологии достигается наивысший эффект энергосбережения за счёт плотного прижатия новой полимерной трубы после её распрямления к внутренним стенкам старого стального трубопровода.

В качестве инструментария использовано специально разработанное программное обеспечение [17]. Задаваясь стандартными диаметрами и соответствующим значением SDR (отношение диаметра к толщине стенки трубы), а также величиной расчётного расхода q и коэффициента полезного действия ? насосной установки, производится автоматизированный расчёт потенциала энергосбережения для диапазона диаметров 0,09–1,2 м и протяжённостью трубопровода 1 и 1000 м. Результаты расчёта потенциала энергосбережения и других показателей для массива пар диаметров старого стального трубопровода и полиэтиленовых труб ПЭ-100 с SDR 17 представлены в табл. 2.

Для наглядности изменения величины среднегодовой экономии электроэнергии на погонный метр трубопровода ?Э1 м представлен график (рис. 1), показывающий, что для больших диаметров потенциал энергосбережения значительно выше, чем для малых диаметров трубопроводов.

Таким образом, для ориентировочных расчётов величины энергосбережения при реконструкции старых стальных трубопроводов по технологии Swagelining новыми полиэтиленовыми трубами ПЭ-100 SDR 17 (при использовании соразмерных пар диаметров) можно использовать следующую формулу: ?Э1 м = 16,217d0,8568.

Выводы

1. Представлены полученные в ходе экспериментов эмпирические зависимости расчёта коэффициента удельного сопротивления для различных защитных покрытий (труб).

2. Разработана методика определения потенциала энергосбережения для ветхих напорных трубопроводов, подвергнутых бестраншейной реконструкции альтернативными защитными покрытиями (трубами).

3. С использованием специализированного ПО произведён расчёт потенциала энергосбережения для массива пар диаметров в случае восстановления старого стального трубопровода полимерными трубами SDR 17 по технологии Swagelining.

4. Получена ориентировочная математическая зависимость изменения потенциала энергосбережения от диаметра восстанавливаемого трубопровода.