За 2016–2019 годы объём добычи природного газа на Севере и Дальнем Востоке РФ увеличился на 15% до 741 млрд м³. Из 97 млрд м³ абсолютного прироста добычи в этот период более 50% ушло за границу, при этом доля зарубежных поставок в производстве выросла до 35%. Газификация входит в «Перечень объектов и технологий, которые относятся к объектам и технологиям высокой энергетической эффективности», утверждённый Постановлением Правительства РФ от 17 июня 2015 года №600-ПП, что позволяет применить для теплоснабжающих организаций ряд налоговых льгот.

При этом общий уровень газификации в России на начало 2021 года составил 70,1%. До сих пор остаются целые регионы, где уровень поставок газа остаётся невысоким: вся Восточная Сибирь (Красноярский край, Хакасия, Тува, Иркутская область и др.) и большинство регионов Дальнего Востока (Забайкальский край, Приморье, Республика Саха и др.). Одновременно остаются примеры слабо газифицированных регионов, где уже развёрнута добыча газа. Так, из 187 млрд м³ газа, полученного в рамках проекта «Сахалин-2″ с момента начала промышленной добычи по конец 2019 года, на внутренний рынок поставлено лишь 9,9 млрд м³ или чуть более 5% [1].

Основным потребителем газа на внутреннем рынке является электроэнергетика (42%), ещё порядка 10% приходится на централизованное теплоснабжение, работающее на газе [1]. Например, на объектах АО «Транснефть — Прикамье» последующее внедрение энергоэффективной котельной блочно-модульного типа планируется в 2021 году на нефтеперекачивающей станции «Малая Пурга» (Малопургинский район Удмуртской Республики) в рамках программы технического перевооружения и реконструкции [2].

Разработанные блочно-модульные котельные включены в программы внедрения механизмов экономического стимулирования оптимизации расходов образовательных учреждений на коммунальные услуги от проводимых энергосберегающих мероприятий.

Более того, вся стратегия социально-экономического развития Дальнего Востока и Байкальского региона на период до 2025 года [3] требует улучшения качества ограждающих конструкций, систем учёта тепловой энергии и водоснабжения; реконструкции систем энергои теплоснабжения, оснащения отдалённых сельских населённых пунктах автономными мини-котельными. Для реализации их энергосберегающего потенциала требуются температурные графики и тепловые сети, позволяющие работать с минимальными тепловыми потерями.

Значительное число публикаций посвящено нетрадиционным и возобновляемым источникам энергии (например, [4]), а часть авторов описывают специфику их применения для выбранного в настоящей статье объекта исследования [5]. Дороговизна водоподготовки, а также законодательные требования вынуждают переходить на закрытую схему теплоснабжения, что усложняет организацию гидравлического режима [6].

Структура теплопотребления и предпосылки к её изменению подробно описаны в [7], однако приведённые методы непригодны для применения к временным населённым пунктам вахтового типа. Традиционно много внимания уделяется типам тепловой изоляции и их вкладу в снижение тепловых потерь [8]. Между тем, это намного более комплексная задача, требующая решения на всех этапах проектирования и строительства [9].

Энергосберегающий потенциал определяется также и другими факторами: способом прокладки, принятым температурным графиком [10] и типом грунта [11], как, например, в анализе Д. Вольфрэма и Т. Нейдхарта [12] в части особенностей поведения трубопроводов тепловых сетей в грунтах обратной засыпки, обладающих временной подвижностью.

В целом, за рубежом при проектировании широко применяются BIM-модели и технологии виртуальной реальности, упрощающие процесс понимания проекта заказчиком, что позволяет находить и исправлять недоработки в гораздо более короткий срок [13].

С другой стороны, энергоэффективность системы централизованного теплоснабжения во многом определяется оборудованием на стороне потребления тепловой энергии — индивидуальными тепловыми пунктами (ИТП) [14].

Материалы и методы исследования

При строительстве новой системы централизованного теплоснабжения зачастую имеются новые здания или потребители тепла, не отапливающиеся от централизованных систем ранее. Целесообразно не просто ориентироваться на расчётные климатические параметры, но и проанализировать погодные данные последних четырёх-пяти отопительных периодов. Более того, если речь идёт о вахтовых посёлках, то обычно доступна лишь примерная информация о количестве зданий того или иного типа.

Определяется число градусо-часов отопительного периода [°C/ч], приходящихся на каждый месяц:

где tmax — число часов в месяце, ч; yt — соответствующая данному месяцу расчётная температура, °C:

где Tref — расчётная температура наружного воздуха, °C; Tt — текущая температура наружного воздуха, °C.

Число градусо-часов Tdd.max [°C/ч] используется для расчёта коэффициента Temperature Dependent Factor (TDF):

Удельная тепловая нагрузка [ МВт/м²]:

PA = PA,ref,tTDFmon, (4)

где PA,ref,t — расчётная тепловая нагрузка, МВт/м².

Тепловая нагрузка [ МВт], рассчитанная укрупнённым способом, составит:

P = PAA, (5)

где A — отапливаемая площадь здания, м².

Для ряда объектов, например, детских, спортивных и медицинских учреждений, требования к температурному режиму могут значительно отличаться [15], поэтому все объекты распределяются по типам.

Общая площадь зданий данного типа определяется согласно выражению:

As,b = AAs,i,bNb, (6)

где AAs,i,b — средняя отапливаемая площадь здания данного типа, м²; Nb — число зданий каждого типа.

Общая тепловая нагрузка зданий каждого типа, определяется простым соотношением:

Pq,b = As,bPA,b, (7)

где PA,b — средняя удельная тепловая нагрузка зданий данного типа, MВт/м².

Общая тепловая нагрузка, подключаемая к системе централизованного теплоснабжения (СЦТ):

Даже при присоединении к СЦТ небольших микрорайонов много внимания уделяют не просто анализу тепловой нагрузки, но её неравномерности потребления различными зданиями, как в работе [13]. Отечественная практика проектирования и нормативная документация предполагает учёт коэффициентов неравномерности только для теплопотребления на нужды ГВС и выбора диаметра трубопроводов наружных тепловых сетей, а также некоторого другого оборудования внутренних инженерных систем здания.

Время прохождения теплоносителя от теплоисточника определяется как

t = L/v, (9)

где L — длина трубопроводов до потребителя, м; v — расчётная скорость теплоносителя, м/с.

Тепловые потери участка тепловой сети [ МВт] определяются по формуле:

где k — теплопроводность стенки трубы, Вт/(м·°C); Ti — среднегодовая температура теплоносителя, °C; T0 — среднегодовая температура окружающей среды: воздуха для надземной прокладки, грунта — для подземной бесканальной, °C; Di — внутренний диаметр трубопровода, м; D0 — наружный диаметр трубопровода, м.

Тогда расчётная мощность теплоисточника для покрытия полезной тепловой нагрузки и потерь составит:

Результаты исследования и их обсуждение

При планировании новой системы централизованного теплоснабжения особенно важен вопрос выбора температурного графика. Графики 85/60 и 65/40°C, активно внедряемые на территории Евросоюза, позволяют эффективно утилизировать низкопотенциальное бросовое тепло [13]. Одновременно снижаются тепловые потери (рис. 1), однако их применение в условиях Крайнего Севера нецелесообразно в связи со значительными тепловыми нагрузками, приводящими к значительным диаметрам трубопроводов.


Рис. 1. Зависимость максимально допустимого удельного теплового потока от принятого графика качественного регулирования отпуска тепловой энергии при идентичных внешних условиях

Вечная мерзлота в регионах Крайнего Севера приводит к нецелесообразности подземной прокладки. При прокладке участков тепловых сетей надземным способом оптимальным и проверенным решением является тепловая изоляция из минераловатных матов и покровного слоя из стеклопластика РСТ-410. При этом устройство основного слоя должно быть выполнено так: сшивка продольных и поперечных швов теплоизоляционных матов выполнена оцинкованной проволокой диаметром не менее 0,8 мм; крепление теплоизоляционных матов к трубопроводу выполнено хомутами из ленты ПЭТ с шагом не более 450 мм (фото 1).


Фото 1. Участок подземной канальной прокладки после крепления тепловой изоляции стрепп-лентой ПЭТ

При невыполнении этих требований покровный слой, выполненный стеклопластиком РСТ-410, теряет целостность, приводит к намоканию и увеличению тепловых потерь из-за освобождения краёв стеклопластика из-под хомутов. Выбранный способ прокладки, так же, как и температурный график, оказывает влияние на величину тепловых потерь [10].

Для того, чтобы фактическая величина тепловых потерь на всех участках была сопоставима с расчётной, необходимо запретить следующее:

  • проводить работы без наличия разработанной и согласованной соответствующим образом проектно-сметной документации;
  • использовать устаревшее оборудование, снимаемое с производства;
  • использовать при подземной прокладке трубопроводы в пенополиуретановой изоляции без системы оперативно-дистанционного контроля увлажнения изоляции (СОДК), а также трубы в других видах тепловой изоляции, конструкцией которых не подразумевается наличие СОДК (за исключением текущего ремонта и других случаев) [8];
  • при подземной прокладке устраивать тепловые камеры из бетонных фундаментных блоков ФБС (фото 2).

Текущий ремонт обычно связан с повреждениями «на шесть-восемь часов» по сечению трубопровода, как правило, происходящих в момент повышения температуры наружного воздуха — например, оттепели зимой.


Фото 2. Вид тепловой камеры в месте смены типа прокладки, устроенной со стенами из бетонных фундаментных блоков ФБС

Что касается самого материала металлической стенки трубы, то применяемые в настоящее время марки 17Г1С и 09Г2С обладают почти одинаковыми характеристиками. При выборе той или иной марки в проектной документации должна приводиться ссылка на технический документ, регламентирующий её применение, например, технические условия (ТУ).

С другой стороны, изготовление некоторого типа металлопроката и фасонных изделий просто не предусматривается: например, изготовление из стали марки 09Г2С трубы диаметром более 400 мм, в связи с чем простая замена стали без замены нормативно-технической документации не имеет смысла.

Для повышения надёжности при составлении технического задания целесообразно: увеличить толщину стенки трубопроводов (Ду150 с 4,5 до 6 мм, Ду50 с 3,5 до 4 мм; Ду32 с 2 до 4 мм); обеспечить 100%-й контроль сварных стыков, например, методом ультразвукового контроля (УЗК).


Рис. 2. Зависимость величины минимально допустимого коэффициента теплопередачи от расчётной разности температур в подающем и обратном трубопроводах и их диаметра

При использовании температурного графика 95/70°C снижается стоимость теплоизоляционного слоя за счёт уменьшения его толщины, определяемой необходимостью обеспечения нормируемой величины тепловых потерь (рис. 2), одновременно возрастают затраты электроэнергии на привод сетевых насосов и перекачку теплоносителя.

С другой стороны, ряд рассматриваемых температурных графиков приводит к высокой интенсивности внутренней коррозии ППУ-трубопроводов с температурами теплоносителя 60–85°C при их работе на протяжении значительной части отопительного периода. Компания-подрядчик, задействованная при прокладке тепловых сетей, должна иметь на месте строительства следующих специалистов, требующихся для качественного монтажа СОДК:

  • инженер пятой группы электробезопасности;
  • электромонтажник — не ниже третьей группы электробезопасности;
  • инженер-наладчик — не ниже четвертой группы электробезопасности.

Персонал должен иметь удостоверения установленной формы о проверке знаний правил работы в электроустановках с отметкой о группе по электробезопасности, присвоенной в установленном действующими нормами порядке [п. 46.2 «Правил по охране труда при эксплуатации электроустановок» (в ред. Приказа Минтруда России от 19 февраля 2016 года №74н)].

Типовыми замечаниями являются:

а) на этапе рассмотрения проектной и рабочей документации:

  • отсутствие плана землеустройства;
  • устройство запорной арматуры на ответвлении на некотором удалении от точки врезки в основной трубопровод — более целесообразно расположить её сразу за первым отводом (фото 3);
  • неверное обозначение категории трубопроводов (например, «IV категория согласно выведенного из использования свода правил безопасности» — правильно указывать «категория трубопроводов 1, группа рабочей среды 2″);
  • неустранение замечаний по локальным расчётам (ЛСР) и сводным сметным расчётам (ССР), в частности, замечаний по расценкам;
  • несвоевременное предоставление откорректированной документации, что задерживает проверку ведомостей объёмов работ (ВОР), что, в свою очередь, задерживает проверку ЛСР и ССР.

б) на этапе рассмотрения исполнительной документации:

  • незначительные ошибки заполнения журналов сварочных, бетонных работ и журнала авторского надзора (например, отсутствие наименования объекта строительства, даты окончания журнала и т. д.);
  • отсутствие актов приёмки, например, системы оперативного дистанционного контроля (ОДК) [9].


Фото 3. Исполнение запорной арматуры на врезке в трубопровод участка магистральной тепловой городской сети

Заключение

Для достижения целевых показателей энергоэффективности на новых объектах систем централизованного теплоснабжения в условиях газификации отдалённых районов России рабочая и проектная документация должна разрабатываться в соответствии с действующей нормативно-технической документацией [17, 18].

В пояснительной записке должны содержаться исходные данные и условия для подготовки проектной документации на объект капитального строительства, а также правильно указываться реквизиты основных и ссылочных документов. Участник закупки должен предоставлять в составе своей заявки справку о кадровых ресурсах, документы, подтверждающие наличие квалификации (дипломы, свидетельства об обучении) и групп по электробезопасности.

При ремонте и модернизации существующих объектов инфраструктуры стоимость определяется протяжённостью участка, подлежащего замене, однако появление дефектов из-за воздействия наружной коррозии, как правило, носит локальный характер. Дефекты могут с равной периодичностью возникать на строго определённом отрезке, например, в месте пересечения с автомобильной дорогой или смежных областях. Особое внимание следует обращать на точки изменения типа прокладки или его способа: например, начала или окончания гильзы или границ разгрузочной плиты. Для обеспечения целевых показателей энергоэффективности задачи требуется решать комплексно: например, выявлять и устранять причину появления повреждений, а не решать проблему текущим ремонтом.

При составлении технического задания необходимо помнить, что всё, что не будет указано в техническом задании, исполнитель имеет право не включать в своё предложение и, как следствие, не выполнять. При реализации нового строительства должно быть запрещено:

  • использовать трубопроводы и фасонные изделия из спирально-шовной трубы;
  • использовать в качестве антикоррозионного покрытия трубопроводов и элементов конструкций тепловых сетей лаки на битумной основе («Кузбасслак», «БТ»).

С другой стороны, современные плёночные покрытия могут быть не только эффективным средством защиты от коррозии, но и способствовать снижению тепловых потерь [8, 10, 11].