ТЭС. Техникоэкономическое сравнение различных теплоизоляционных материалов для теплотрасс

• Название: Техникоэкономическое сравнение различных теплоизоляционных материалов для теплотрасс
• Дата: 14.01.2022
• Размер: 309.74 Kb.
• Имя файла: ТЭС.docx
• Тип: Документы; #330930

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ СРАВНЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ТЕПЛОТРАСС
1. Техническое сравнение различных теплоизоляционных материалов для теплотрасс

В ходе предварительного анализа, для задач строительства теплотрасс подтверждена необходимость отказаться от применения теплоизоляционных материалов в виде матов и скорлуп на основе минеральных и базальтовых ват, с защитным покрытием из асбестоцементных составов, оцинкованных лент и листов, полимерных пленок. Простота устройства изоляции трубопровода из указанных материалов не обеспечивает необходимый уровень защиты от тепловых потерь и увлажнения из-за воздействия внешней среды при длительной эксплуатации, когда теплоизолирующий слой непосредственно подвержен механическим воздействиям, в т.ч. вызванными большим весом самого трубопровода. Кроме того, следует отметить необходимость нанесения антикоррозионного покрытия на трубу под теплоизоляционное покрытие, абсолютную невозможность применения для бесканальной прокладки, низкий технический уровень решения задачи.

Возможность получения труб предизолированных в заводских условиях позволяет, несмотря на более высокую цену изделий, добиться существенного снижения издержек при строительно-монтажных работах, а также за счет надежной и долговременной работы самого теплопровода.

Было проведено рассмотрение различных типов теплоизоляционных конструкций, нашедших достаточно широкое применение в России и за рубежом: армопенобетон, битум-перлит, фенольный поропласт, пенополиуретановая изоляция (ППУ), пенополимерминеральная изоляция (ППМ). Кроме того, следует особо отметить возможность применения для нужд ГВС (температура теплоносителя – до 95 °С) выпускаемых отечественным производителем пластиковых труб из сшитого полиэтилена в ППУ изоляции.

Таблица 1 – Сравнительные свойства теплоизоляционных конструкций


2. Экономическое сравнение различных теплоизоляционных материалов для теплотрасс

При проведении технико-экономической оценки определяется стоимость материалов и монтажных работ (транспортные расходы могут не учитываться, так как могут быть примерно одинаковы). Также не учитываются дополнительные приспособления и конструкции (строительные леса и пр.) в соответствии с допущением, что дополнительная теплозащита осуществляется в период строительства или реконструкции зданий. Результаты сведены в табл. 2.

Таблица 2 – Стоимость теплоизоляционных материалов и монтажных работ на 1 погонный м трубопровода



Полученные результаты легко могут быть трансформированы на 1 погонный метр труб другого диаметра, так как длина трубы (1 погонный м) трубопровода остается неизменной, а увеличение площади поверхности будет пропорционально увеличению диаметра. Таким образом, теплоизоляция при использовании гибридной тепловой изоляции (базальтовое супертонкое полотно в комплекте с ТТП) является одним из самых дешевых и высокоэффективных средств тепловой изоляции. Следует отметить, что самый дешевый материал по стоимости и монтажу – минеральная вата. Но она отрицательно зарекомендовала себя в процессе эксплуатации. Покрытие из пенополиуретана является дорогостоящим и применимым ограниченно (при температуре теплоносителя до 120 °С), при более высоких температурах требуется слой дополнительного утеплителя (базальтового или другого минераловатного полотна), снижающего температурные параметры до допустимых пределов.

3. Сравнение ППУ и ППМ как наиболее актуальных

Основу как ППУ изоляции, так и ППМ изоляции составляет пенополиуретан. В той и другой изоляции пена образует 3 слоя: внешний и внутренний корковые с большей плотностью, чем средний – теплоизоляционный. Разница – в количестве пены и разнице слоев по плотности. ППМ изоляция состоит на 90% из пены повышенной плотности и около 10% – наполнителя (по объему).

Основные достоинства ППМ – высокая механическая прочность, хорошие теплоизоляционные свойства (сопоставимый с ППУ коэффициент теплопроводности), паропроницаемость и низкое водопоглощение [Мишин М.Е. Трубы в ППМ изоляции – современный способ строительства тепловых сетей. // Новости теплоснабжения № 3 (март) 2010 г., с. 34-37]. ППМ изоляция, имея более высокую механическую прочность, в то же время менее стойка к повреждениям, чем ППУ в полиэтиленовой (ПЭ) оболочке, что отмечается в статье [3], при этом делается вывод об одинаковой защищенности обоих типов изоляции от повреждений. И как подтверждение этого в технических условиях изготовителей требования к осторожному обращению с трубами ППМ аналогичны требованиям для труб ППУ. В руководящем документе завода «Пенополимер» 012.РД-001.000 этот раздел практически повторяет соответствующие разделы руководств производителей труб в ППУ изоляции.

Сравнение ППУ и ППМ по теплоизоляционным свойствам однозначно не в пользу ППМ. По данным [Новиков И.Е. Особенности прокладки трубопроводов тепловых сетей в России – сегодняшние тенденции в повышении надежности теплоснабжения. // Новости теплоснабжения №6 (июнь) 2011 г., с. 42-45] для ППУ коэффициент теплопроводности составляет 0,024-0,033 Вт/мК, а для ППМ – 0,044 Вт/мК. В ТУ изготовителей указываются величины 0,043-0,047 Вт/мК. В статье [Силаев Д.А. ППУ и ППМ изоляции. Взгляд с другой стороны. // Новости теплоснабжения № 7 (июль) 2009 г., с. 32-36] – 0,041 Вт/мК. Сошлемся на статью [Мишин М.Е. Трубы в ППМ изоляции – современный способ строительства тепловых сетей. // Новости теплоснабжения № 3 (март) 2010 г., с. 34-37], приведя рисунок, описывающий структуру ППМ (рис. 1).



Рисунок 1 – Конструкция ППМ изоляции: 1 – наружный корковый слой; 2 – теплоизоляционный слой; 3 – внутренний антикоррозионный слой

Как мы видим, значение 0,041 относится только к внутреннему теплоизоляционному слою. Но тепловые потери будут определяться также внутренним и внешним корковыми слоями, т.е. суммарной тепловой изоляцией. Для определения коэффициента теплопроводности корковых слоев обратимся к опубликованным данным. В статье [Мишина А.М., Кулешов А.С., Силаев Д.А. Теплоизоляционные свойства пенополимерминеральной изоляции. // Новости теплоснабжения № 6 (июнь) 2008 г., с. 45] приводятся данные о теплоизоляционных свойствах ППМ при различной плотности. Учитывая влияние корковых слоев и используя данные, взятые из статей [Мишина А.М., Кулешов А.С., Силаев Д.А. Теплоизоляционные свойства пенополимерминеральной изоляции. // Новости теплоснабжения № 6 (июнь) 2008 г., с. 45; Мишин М.Е. Трубы в ППМ изоляции – современный способ строительства тепловых сетей. // Новости теплоснабжения № 3 (март) 2010 г., с. 34-37], интегральный коэффициент для изоляции толщиной 45 мм составляет 0,044-0,047 Вт/мК. Это означает, что для одинаковой толщины тепловые потери ППМ изоляции будут как минимум в 1,5 раза больше, чем в ППУ. Как правильно указано в [Силаев Д.А. ППУ и ППМ изоляции. Взгляд с другой стороны. // Новости теплоснабжения № 7 (июль) 2009 г., с. 32-36], тепловые потери определяются не только коэффициентом теплопроводности, но и толщиной изоляции. В случае ППМ для получения одинаковых тепловых потерь необходимо пропорционально увеличивать толщину изоляции. Однако, если посмотреть на толщины изоляции, указанные в ТУ заводов-изготовителей ППМ, то лишь на диаметрах труб, меньших 100 мм, есть превышение толщины ППМ на 15-30% перед толщиной изоляции ППУ по ГОСТ 30732-2006, а начиная с диаметра 273 мм, толщина ППМ меньше толщины ППУ в среднем на 15%. Соответственно и тепловые потери в ППМ на средних и больших диаметрах будут значительно выше.

Следующее важное преимущество ППМ – паропроницаемость и низкое водопоглощение [Силаев Д.А. ППУ и ППМ изоляции. Взгляд с другой стороны. // Новости теплоснабжения № 7 (июль) 2009 г., с. 32-36; Мишин М.Е. Трубы в ППМ изоляции – современный способ строительства тепловых сетей. // Новости теплоснабжения № 3 (март) 2010 г., с. 34-37]. В статье [Силаев Д.А. ППУ и ППМ изоляции. Взгляд с другой стороны. // Новости теплоснабжения № 7 (июль) 2009 г., с. 32-36] отмечается: «Водопоглощение при одних и тех же условиях у ППМ в 20 раз меньше, чем у ППУ. При таких значениях водопоглощения наличие гидроизоляционного слоя не требуется – вся конструкция целиком защищает материал изоляции и наружную поверхность трубы от проникновения влаги». Низкое водопоглощение нормируется в большинстве ТУ на ППМ на уровне не более 1,5% по массе или 0,5% по объему.

К достоинствам ППМ изоляции относят простоту монтажа и ремонтопригодность. Если обратиться к РД завода «Пенополимер», набор работ и условия монтажа практически одинаковые для ППМ и ППУ изоляции за некоторым исключением. Монтаж стыковых соединений представляется более сложным и с большими ограничениями, чем на трубах с ППУ изоляцией – при температуре ниже +15 °С следует прогреть опалубку до 40 °С, смешивание 3-х компонентов ручной дрелью занимает время, большее чем перемешивание двух компонентов ППУ. Удаление ППМ изоляции на торцах труб (как указано в инструкции завода «Пенополимер») представляется трудоемкой задачей ввиду прочности ППМ и не упрощает изоляцию стыковых соединений. При сравнении ППМ и ППУ часто указывается более высокая ремонтопригодность ППМ – замена 0,5 м изоляции ППМ вместо замены целой трубы 10 м в ППУ изоляции. На практике имеющийся опыт строительства тепловых сетей в ППУ изоляции показывает, что ремонт повреждений определяется характером и размерами повреждений и может носить как косметический характер (ремонт малых повреждений оболочки и изоляции), так и предусматривать замену изоляции протяженных участков в случае ее намокания или обширных повреждений. В любом случае ремонта критерий объема – это удаление поврежденной (намокшей) изоляции и восстановление целостности оболочки с обеспечением параметров, требуемых нормативными документами.

К одному из «достоинств» труб в ППМ изоляции его сторонники относят отсутствие системы дистанционного контроля. В статье [Силаев Д.А. ППУ и ППМ изоляции. Взгляд с другой стороны. // Новости теплоснабжения № 7 (июль) 2009 г., с. 32-36] приводится интересная аргументация – «наличие систем контроля – это не достоинство труб ППУ, а необходимость из-за герметичности внешней оболочки». А в трубах с ППМ «влага из изоляции удаляется задолго до разрушения материала и контроль за увлажнением не требуется». Как происходит «высыхание» изоляции, мы уже выше рассматривали – практика подтвердила, что увлажнение ППМ имеет место, но оно происходит бесконтрольно. Влага из грунта, сетевая вода из возможных дефектов в стальных трубах и сварных швах проникают в изоляцию, ухудшают ее теплоизоляционные свойства и могут со временем вызывать коррозию несущей трубы и серьезные утечки. Опыт показал, что именно бесконтрольность работы тепловых сетей при традиционных типах изоляции приводит к многочисленным авариям с тяжелыми последствиями и к серьезным экономическим потерям, в т.ч. и на трубопроводах в армопенобетоне, предыдущем аналоге ППМ изоляции. В трубах в ППУ изоляции появление даже малых утечек из трубы может быть обнаружено и выполнен ремонт на ранней стадии.

Часто к преимуществам труб в ППМ изоляции относят их меньшую стоимость по сравнению с ППУ. При этом не говорится о том, что для получения необходимой плотности требуется в 2 раза больше компонентов пены, чем для ППУ изоляции. Учитывая, что доля ПЭ оболочки в стоимости материалов менее 50%, нетрудно понять, что ППМ изоляция не может быть дешевле ППУ. В [Силаев Д.А. ППУ и ППМ изоляции. Взгляд с другой стороны. // Новости теплоснабжения № 7 (июль) 2009 г., с. 32-36] сделан вывод о практически одинаковой стоимости строительства теплосетей для обоих видов изоляции. Необходимо отметить, что эти оценки сделаны для толщин ППМ изоляции, которые имеют большие тепловые потери по сравнению с ППУ изоляцией и потребуют больших эксплуатационных расходов.

При выборе того или иного типа изоляции теплоснабжающая компания, исходя из целей обеспечения надежности и экономичности теплоснабжения, должна ориентироваться на такие критерии, как теплоизоляционные показатели и их изменение в процессе эксплуатации, появление повреждений трубопровода и изоляции и их своевременное обнаружение и устранение. Вышеприведенный анализ показывает, что с этих точек зрения трубы в ППМ изоляции трудно рассматривать как эффективную и перспективную технологию, которая может обеспечить реальное энергосбережение и надежность эксплуатации тепловых сетей, особенно в случае бесканальной прокладки.

Таблица 3 – Таблица сравнения ППУ и ППМ




Таблица 4 – Отличия при капитальных затратах



4. Наиболее перспективные изоляции на сегодняшний день

Тепловая изоляция на теплотехнических трубопроводах кроме энергосберегающей функции имеет множество других. Вот некоторые из них: позволяет создать комфортные и безопасные условия работы сотрудников на производстве, кроме того, дает возможность прохождения технологических процессов при заданных параметрах, предотвращает замерзание холодной воды в трубопроводах в отопительный период, обеспечивает транспортировку тепла от источника до потребителя, обеспечивает снижение затрат тепловой энергии на отопление и горячее водоснабжение зданий, позволяет хранить сжиженные и природные газы в изотермических хранилищах.

В настоящее время выбор теплоизоляционных материалов в России достаточно широк в связи с присутствием на рынке продукции иностранных компаний, предлагающих выбор среди теплоизоляционных материалов с широкой номенклатурой, многообразными техническими характеристиками. Однако, предлагаемые материалы имеют достаточно высокую стоимость.

Выбор теплоизоляционных материалов, производящихся на российских производствах для теплоизоляции трубопроводов, не столь велик. В основном предлагаются повсеместно использующиеся маты, такие как теплоизоляционные минераловатные плиты на синтетическом связующем, имеющие плотность от 55 до 120 кг/м³, минераловатные прошивные в обкладках из крафт-бумаги, стеклоткани или металлической сетки и без них, минераловатные изделия с гофрированной структурой, изделия из штапельного стеклянного волокна на синтетическом связующем. Также, производятся изделия из базальтового и супертонкого стеклянного волокна, но выпускаются они в гораздо меньшем объеме. Для изоляции трубопроводов с температурой до 130°C применяются скорлупы из трудногорючего фенольно-резольного пенопласта ФРП-1 (ГОСТ 22546-77).

В качестве нижнего слоя многослойной теплоизоляции для трубопроводов с температурой теплоносителя от 450 до 650°C используются перлитоцементные скорлупы и известково-кремнеземистые формованные жесткие изделия (сегменты и скорлупы).

Есть один существенный минус производства теплоизоляционных материалов в России – оно выпускает формованные изделия такие как сегменты, полуцилиндры, цилиндры из стеклянной и минеральной ваты для изоляции трубопроводов в очень малых количествах. В результате этого, вместо формостабильных теплоизоляционных конструкций, обладающих высокими свойтсвами и отменным качеством, строительные организации применяют неиндустриальные конструкции, которые гораздо сложнее монтировать, в которых применяются безобкладочные стекловолокнистые или минераловатные маты, теплоизоляционные шнуры, а также полотна иглопробивного ИПС-Т-1000 или стекловолокнистого холстопрошивного ПСХ-Т.

На данный момент никем не заполненную нишу в производстве начинает занимать ЗАО «Минвата» (Московская область), которое выпускает цилиндры минераловатные для трубопроводов диаметром 20-275 мм с толщиной слоя теплоизоляции 20- 80 мм. Для трубопроводов с температурами теплоносителя ниже нуля и обратного охлажденного теплоносителя из теплоизоляционных материалов, произведенных в России, применяются скорлупы из пенополистирола ПСБ-С и заливочный пенополиуретан, данные материалы относят к группе горючих материалов согласно ГОСТ-30244. Для этих же так называемых, холодных трубопроводов используются также стекловолокнистые и минераловатные материалы со слоем пароизоляции, которые обладают невысокую долговечность и теплотехническую эффективность.

Введение новых величин нормативной плотности теплового потока, после утверждения ставших меньше на 25%, чем принятые до 1997 г. (изм. №1 СНиП 2.04.14-88 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов»), что связано с пристальным вниманием правительства к вопросам энергосбережения, требует использования новейших теплоизоляционных материалов с оптимизировыанными теплотехническими свойствами. (Журнал «Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика». – 2000. – №5. https://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=201)

Основные преимущества данных изделий (низкая теплопроводность, надежность в эксплуатации, индустриальность в монтаже, формостабильность, пожаробезопасность и долговечность), даже с учетом их дороговизны, должны наметить курс на учащение применения данных материалов для изоляции тепловых сетей канальной прокладки, промышленных трубопроводов и трубопроводов горячего водоснабжения. Следует отметить, что если сравнивать сроки монтажных работ для конструкций с использованием рулонных и шнуровых теплоизоляционных материалов и для конструкций с использованием цилиндров, то второй вариант оказывается в разы быстрее, что играет большую роль при выборе материала и может даже компенсировать высокую цену теплоизоляционного материала. Применение высококачественных изделий позволяет обеспечить высокоэффективную тепловую изоляцию без проведения ремонтных работ ранее установленного нормативного срока службы трубопроводов.

Для трубопроводов тепловой сети диаметром 273 мм и более ЗАО «Минвата» изготавливает гидрофобизированные маты из минеральной ваты на синтетическом связующем.

Тепловую изоляцию из штапельного стеклянного волокна, имеющую температуру использования не выше 180°C и низкую плотность, рекомендуется применять для трубопроводов надземной прокладки, в частности для тепловой сети.

Одними из наиболее перспективных материалов для реализации поставленных задач являются теплоизоляционные материалы компании «URSA», их главные выгодные отличия – это высокое качество и умеренная цена. Применение в конструкциях промышленной теплоизоляции данных изделий требует дополнительных исследований в целях определения коэффициента теплопроводности материала в конструкции в зависимости от степени уплотнения и температуры среды и оптимального коэффициента уплотнения. В настоящее время институт «Теплопроект» проводит указанные исследования, что может позволить создать рекомендации по использованию и включению теплоизоляционных изделий компании «URSA» в нормативную документацию по проектированию промышленной тепловой изоляции.

Ежегодно минераловатные теплоизоляционные изделия, изготавливаемые в нашей стране, становятся все более качественными. Введение новых технологических линий на производстве, их модернизация, отказ от использования в производстве доменных шлаков, т.е. использование качественного сырья, все это позволяет повысить уровень производства изделий из минеральной ваты из горных пород с толщиной волокна 5-6 мкм высокого качества. Такие изделия выпускаются ЗАО «Минеральная Вата», Волгоградским заводом теплоизоляционных изделий АО «Термостепс», АООТ «Тизол» (г. Нижняя Тура), Назаровским ЗТИ (Красноярский край). Изделия, выпускаемые на заводе по производству минераловатных изделий – «Изоплит», который является одним из лучших в данной сфере, являются высококачественными материалами.

При проведении испытаний этих материалов на теплофизические свойства полученные результаты показывают, что они имеют более низкие коэффициенты теплопроводности, чем соответствующие им в технических условиях на эти материалы и государственных стандартах. Таким образом, можно повысить конкурентоспособность и эффективность применения данных материалов, произведя пересмотр нормативных документов и отразив в них фактические характеристики материалов.

Традиционно при подземной бесканальной прокладке трубопроводов применяется изоляция из армопенобетона, битумоперлита и битумовермикулита, но в настоящее время ведется широкое внедрение высокоэффективной тепловой изоляции из заливочного пенополиуретана в конструкциях типа «труба в трубе» с прочной оболочкой из полиэтилена. С 1995 г. Тепловые сети ОАО «Мосэнерго» проводят мероприятия по бесканальной прокладке теплотрасс с предизолированными ППУ-изоляцией на заводе трубопроводами. В наши дни ОАО «Мосэнерго» приняло на баланс более 200 таких тепловых магистралей, общая протяженность трубопроводов составляет свыше 110 километров. В перспективе на стадии проектирования и строительства находятся сети примерно такой же протяженности.

Существует три компании, являющихся лидерами в технологиях бесканальной прокладки, осуществляющие проектирование и монтаж: датское отделение компании «ABB IC Muller», совместное американско-российское предприятие «Mosflowline» и немецкая компания «Mannesman-Seyfert».

Для применения в системах трубопроводов с холодным теплоносителем свои метериалы предлагает линия производства изделий «K-FLEX», которая создает изделия из синтетического вспененного каучука с температурой использования до 140°C в связи с преимущественно закрытыми порами, производимые компанией L'Isolante K-Flex.

Бельгийская компания Pittsburgh Corning создает пеностекло «Foamglas», которое представляет из себя формованный материал (сегменты, скорлупы) с закрытыми порами, высокими прочностными свойствами, материал является негорючим, температура его использования составляет -260-485°C. Используется данный материал для изоляции надземных и подземных трубопроводов.

В нормативно-технические документы, регламентирующие нормы проектирования (СНиП, СП, ТСН), действующие на территории РФ, необходимо включать только материалы, соответствующие требованиям российских стандартов и прошедшие сертификационные испытания по отечественным методикам. Данный вывод можно сделать, проведя анализ технических характеристик, поставляемых на отечественный рынок импортных теплоизоляционных материалов. (Материалы и изделия для теплоизоляции промышленных трубопроводов. – http://rustm.net/catalog/article/755.html)