Состояние тепловой изоляции на электростанциях РАО «ЕЭС России»

М. Г. Звонарев, канд. техн. наук, руководитель Испытательного центра ОАО «Фирма Энергозащита»

1. Введение

Оценка состояния тепловой изоляции сделана по результатам обследования изоляции и обмуровки 80 энергоблоков, или приблизительно 10 % всех теплоэнергетических мощностей России, обследованных Испытательным центром «Фирма Энергозащита» с 1982-го по 2002 год. В настоящее время Испытательный центр продолжает проводить указанные обследования на других энергоблоках.

2. Нормативная база

Нормативная база энергосбережения в части, связанной с тепловой изоляцией энергетического оборудования и обмуровкой энергетических котлов, следующая.

Исполнение тепловой изоляции производится по проекту, который составлен на базе норм:

- до 1990 года – ведомственных (Правила технической эксплуатации электростанций и сетей, М.: Энергия, 1977); температура поверхности не выше 45 °C для оборудования и трубопроводов с теплоносителем до 500 °C, при более высоких температурах теплоносителя – не выше 48 °C; тепловой поток с поверхности по табличным значениям (для обмуровки – не более 349 Вт/м²);

- с 1990 года – по нормам СНиП 2.04.14-88* «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов»; температура поверхности в любых случаях не более 45 °C; тепловой поток с поверхности по табличным значениям, которые в среднем на 56 % жестче, чем ведомственные, использовавшимся прежде.

При обследовании нормой тепловых потерь энергетического оборудования через изоляцию мы вынуждены считать норму, заложенную в проект при расчете толщины тепловой изоляции.

Блоков, введенных в России по проекту, выполненному после первого пересмотра норм в 1988 году, всего несколько. Следовательно, заключение о состоянии изоляции и обмуровки при обследовании мы вынуждены делать по нормам, первое упоминание которых встречается в «Правилах технической эксплуатации» 1957 года, хотя и приводим справочные данные о сверхнормативных потерях по СНиП.

Соблюдение норм тепловых потерь

На 80 обследованных блоках тепловые потери с поверхности изоляции соответствовали нормативам полувековой давности только у двух блоков – Березовской ГРЭС и ТЭЦ-27 «Мосэнерго» через 3–6 месяцев после пуска.

Структура и общая величина тепловых потерь через изоляцию и обмуровку

Тепловой паспорт любого блока показывает, что от 70 до 95 % сверхнормативных потерь приходится на трубопроводы с температурой теплоносителя 400 °C и выше. Самые неблагополучные на станциях, как правило, – трубопроводы острого пара и горячего промперегрева, чьи сверхнормативные потери в зависимости от мощности блока (т. е. общей площади изоляции) составляют от 1 до 8 тыс. Гкал/год. Встречаются блоки с потерями до 20–25 тыс. Гкал/год.

Потери тепла с поверхности тепловой изоляции – это чистые деньги. Общую сумму можно подсчитать, разделив величину потерь на теплотворную способность угля, газа или мазута и умножив на цену. Полученные усредненные величины сверхнормативных потерь по действующим нормам СНиП на 1 МВт мощности дали возможность произвести расчет сверхнормативных потерь на 140 млн КВт действующих мощностей тепловых электростанций России через структуру потребления газа, мазута и угля. При ценах 2003 года на эти энергоносители потери через изоляцию и обмуровку мы оцениваем в 3 млрд руб. в год.

Существуют и другие негативные следствия плохой тепловой защиты: снижение маневренности блоков, надежности оборудования, дополнительные расходы на поддержание более высоких начальных параметров, например острого пара, и пр.

3. Организация контроля за состоянием и ремонтом изоляции и обмуровки на тепловых электростанциях

В 1990 году было принято решение перейти с ведомственных норм тепловых потерь на нормы СНиП, и в апреле 1994 года первым вице-президентом РАО «ЕЭС России» был утвержден эксплуатационный циркуляр Ц-01-94 (Т) «Организация контроля за состоянием и ремонтом тепловой изоляции оборудования тепловых электростанций в целях снижения потерь тепла и температур поверхности изоляции до нормативных значений» – обязательный к исполнению технический приказ.

Итоги полных десяти лет действия эксплуатационного циркуляра показывают, что его основные положения выполняются частично или не выполняются совсем:

П. 1. Требование паспортизировать изоляцию.

Выполняется частично. За 10 лет организацией, имеющей аккредитацию Госстандарта России на проведение тепловых измерений, проведена паспортизация 40 блоков, что составило к настоящему времени с учетом ранее выполненных работ 80 блоков.

П. 2. Приоритеты при ремонте тепловой изоляции.

В большинстве случаев ремонт тепловой изоляции производится попутно при необходимости ее вскрытия для ремонта основного оборудования.

П. 3. Особо важная директива циркуляра, которой предписывается в процессе ремонтов перейти на нормы тепловых потерь, указанные в СНиП 2.04.14-88* «Тепловая изоляция промышленного оборудования и трубопроводов». С 1994-го по 2003 год включительно системами и электростанциями единственной специализированной организации по проектированию изоляции и обмуровки был заказан всего один проект ремонта изоляции (Смоленская ГРЭС). Ремонты изоляции практически всегда производятся без теплового расчета или иной официально утвержденной проектной документации. Следовательно, помимо превышения ведомственных норм тепловых потерь в связи с естественной деградацией изоляционных материалов, десять лет продолжается воспроизводство изоляции, которая по проекту имеет тепловые потери в среднем на 56 % больше, чем того требуют официальные нормы.

Вывод: тепловая изоляция на тепловых электростанциях находится в неудовлетворительном состоянии. Требования циркуляра, направленные на исправление ситуации, не выполняются.

4. Материалы

В Приложении № 1 к СНиП 2.04.14-88* «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов», в котором приведены расчетные характеристики теплоизоляционных материалов, из 16 позиций изделий, пригодных к использованию для изоляции энергетического оборудования, 7 позиций (в основном жесткоформованные изделия) в настоящее время отечественной промышленностью либо не выпускаются совсем, либо производятся в количествах столь малых, что их можно исключить из рассмотрения. Следовательно, 44 % изделий по номенклатуре на рынке в настоящее время отсутствуют.

Оставшиеся позиции представляют собой различные виды волокнистых изделий (из волокна базальтового, минерального, стеклянного, муллитокремнеземистого).

Эксплуатация волокнистых изделий в качестве изоляции имеет ряд характерных особенностей:

- стекловолокнистые изделия ограничены по применению температурой горячей поверхности 180 °C;

- изделия из минеральной ваты с модулем кислотности ниже 1,8, область применения которых определена ГОСТом 4640-93 «Вата минеральная» и составляет 600 °C, из-за рекристаллизации волокна в сочетании в вибрационным воздействием саморазрушаются в прилегающем к горячей поверхности слое, в результате чего конструкция сохраняет расчетные характеристики не более 3–6 месяцев на температурах 400 °C и выше. Результат – повышение тепловых потерь в 2,5 раза через год. При меньших температурах горячей поверхности повышение теплопроводности за этот срок составляет до 30 %. Соответственно, согласно п. 2.12. СНиП их не следует использовать для оборудования и трубопроводов, подвергающихся ударным воздействиям и вибрации, к которым относится практически все энергетическое оборудование;

- изделия из базальтового супертонкого волокна и изделия из минеральной ваты энергетической с модулем кислотности 1,9–2,2 определены НИКИМТ (Научно-исследовательский и конструкторский институт монтажной технологии) как вибростойкие и рекомендованы к использованию на вибрирующем оборудовании. Область применения этих изделий определена в 700 °C. Однако и этим изделиям свойственны те же процессы деградации (плюс железистый распад волокна у БСТВ), что и минеральной вате с модулем кислотности ниже 1,8. В результате повышение теплопроводности конструкций из этих изделий составляет до 25 % через два-три года и продолжает возрастать при дальнейшей эксплуатации. Кроме того, отмечены многократные случаи укладки БСТВ на трубопроводы с объемной массой 60 кг/м³ при обязательном минимуме в 80 кг/м³ в связи с исключительной трудоемкостью уплотнения этого упругого материала, в результате чего сразу после установки теплопроводность конструкции оказывается на 20 % выше той, что заложена в проекте;

- изделия из муллитокремнеземистого волокна служат на энергетическом оборудовании неопределенно долго, поскольку их температуростойкость равна 1 150 °C, но имеют повышенное вибрационное уплотнение в процессе эксплуатации.

Вывод: материалы, имеющиеся на рынке, не в состоянии обеспечить норматив тепловых потерь в соответствии со СНиП 2.04.14-88* «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов» на нормативный срок службы в 10–15 лет, за исключением комбинированной конструкции: муллитокремнеземистое изделие плюс прошивной мат из ваты минеральной энергетической базальтовой или плюс холст из базальтового супертонкого волокна.

 На основании сделанного вывода и:

- учитывая то обстоятельство, что в структуре сверхнормативных потерь изоляция горячих поверхностей с температурой 400 °C и выше дает 70–95 % сверхнормативных потерь, а изоляция поверхностей с температурами ниже 400 °C – только 5–30 %;

- принимая во внимание отсутствие на рынке каких-либо изоляционных материалов, помимо волокнистых, и фактически сложившуюся практику изоляции горячих поверхностей;

- зная о тяжелом материальном положении большинства АО «Энерго», в новом Циркуляре по тепловой изоляции нами было предложено:

1. Изоляцию поверхностей с температурами ниже 400 °C и впредь производить изделиями из минеральной ваты с модулем кислотности ниже 1,8, увеличив толщину изоляционного слоя для конструкций на поверхностях 100–300 °C до толщины, обеспечивающей норматив потерь по действующему СНиПу. Принять к сведению, но не предпринимать никаких действий в связи с тем обстоятельством, что тепловые потери с поверхности такой конструкции возрастут в процессе эксплуатации за 1–3 года на 30–50 %.

2. Направить все усилия и средства, связанные с тепловой изоляцией, на приведение в порядок изоляции поверхностей с температурами 400 °C и выше (на которую приходится от 70 до 95 % сверхнормативных потерь с поверхности изоляции), для чего широко использовать конструкцию, основанную на комбинированном использовании двух материалов, – на основе муллитокремнеземистого волокна в качестве первого защитного слоя в сочетании с волокнистыми материалами базальтового типа в качестве второго и последующих слоев. Ввести раздел об изоляционных материалах в эксплуатационный циркуляр в качестве обязательного руководства при решении вопроса о замене изоляции при ремонтах.

Эта конструкция была предложена еще в 1980-х годах, но идея была дискредитирована из-за неправильного применения. Был уложен материал МКРР-200 со связующим из полиэтилсилоксановой жидкости, в результате чего из-за химического воздействия жидкости в сочетании с температурой изделие осело и волокно охрупчилось.

Но работа в этом направлении была продолжена, и для проверки был заложен участок в 1990 году на Пермской ГРЭС на трубопроводе 545 °C.

Анализ результатов натурных испытаний

40 % изоляции трубопроводов острого пара и горячего промперегрева (545 °C) Пермской ГРЭС (два блока 800 МВт) выполнено в виде двухслойной изоляции из МКРР-130 и базальтового холста в 1996 году на основе рекомендаций Испытательного центра ОАО «Фирма Энергозащита» и после проверки опытного участка, заложенного в 1990 году. В связи с тем, что участок 1990 года был заложен станцией без протокола, отыскать его не удалось, поэтому для оценки эксплуатационных качеств был вскрыт участок изоляции, смонтированный в 1996 году на трубопроводе горячего промперегрева.

В результате обследования было установлено, что конструкция толщиной 320 мм (два слоя МКРР-130 70 мм в деле, семь слоев холста БСТВ 250 мм в деле) была смонтирована небольшой фирмой, не имеющей опыта теплоизоляционных работ, с грубейшими отклонениями от правил монтажа: мат МКРР не был обтянут по трубопроводу, а холст БСТВ был установлен без уплотнения. Однако, несмотря на это, проверка аналогичных участков на работающем блоке позволила установить, что температура на поверхности изоляции не превышала норм СНиП (45 °C);

За полные семь лет эксплуатации конструкция не претерпела каких-либо изменений структуры, что подтверждается данными лабораторных испытаний вырезанных на обследованном участке образцов. Следовательно, в полном объеме сохранилась теплозащитная функция конструкции. Однако следует отметить, что слой БСТВ, прилегающий к МКРР-130, охрупчился, потеряв до 90 % прочности единичного волока, и при грубом обращении осыпается.

Принимая во внимание все вышеуказанное, учитывая результаты натурных испытаний, нами были проанализированы изоляционные конструкции, пригодные для изоляции поверхностей энергетического оборудования с температурами выше 400 °C до максимальной температуры энергетического оборудования (545 °C).

Анализ конструкций

СПКБ «Фирма Энергозащита» были рассчитаны толщины и определена стоимость на 01.09.2003, а Испытательным центром дан прогноз сроков службы следующих используемых или допустимых к использованию изоляционных конструкций для поверхности с температурой 400 °C и выше на примере трубопровода диаметром 325 мм (острый пар – самый протяженный трубопровод наиболее широко распространенного блока 200 МВт):

1. Конструкция № 1. Изоляция матами БСТВ.

Для обеспечения действующей нормы СНиП требуется четырехслойная изоляция безобкладочными матами БСТВ, уплотненными до объемной массы 80 кг/м³ с общей толщиной изоляционного слоя 320 мм при покрытии из алюминиевого листа. Стоимость такой конструкции (здесь и далее: 1 п. м. в деле без НДС) – 4 396 руб. (здесь и далее: цена на 01.2004).

Конструкция после демонтажа повторному использованию не подлежит (будет получена комовая вата, 25 % по объему которой будут полностью непригодны для дальнейшего использования).

Прогноз изменений эксплуатационных характеристик в процессе службы при строгом соблюдении правил монтажа (нормативное уплотнение): при нормативных потерях в первые дни эксплуатации после трех лет эксплуатации превышение нормативных потерь на 25 % и более при дальнейшей эксплуатации.

2. Конструкция № 2. Изоляция матами БСТВ в обкладке из стеклоткани КТ-11 для обеспечения cъемности конструкции (например, для проверки металла и КИП).

Для обеспечения действующей нормы СНиП требуется четырехслойная изоляция матами БСТВ в обкладке из стеклоткани, уплотненными до объемной массы 80 кг/м³ с общей толщиной изоляционного слоя 320 мм при покрытии из алюминиевого листа. Стоимость такой конструкции – 8 266 руб.

Конструкция может быть демонтирована и вновь смонтирована с потерей при каждой операции монтажа-демонтажа 25 % по объему.

Прогноз изменений эксплуатационных характеристик в процессе службы при строгом соблюдении правил монтажа (нормативное уплотнение): при нормативных потерях в первые дни эксплуатации после трех лет эксплуатации превышение нормативных потерь на 25–30 % и более при дальнейшей эксплуатации.

3. Конструкция № 3. Изоляция из матов прошивных базальтовых энергетических (МБПЭ) Назаровского завода ТИиК (на основе ваты с модулем кислотности 1,8–2,2).

Для обеспечения действующей нормы СНиП требуется трехслойная изоляция матами прошивными базальтовыми энергетическими (МБПЭ) с общей толщиной 180 мм при покрытии из алюминиевого листа. Стоимость такой конструкции – 2 083 руб.

Конструкция после демонтажа повторному использованию не подлежит (33 % материала будут непригодны для дальнейшего использования).

Прогноз изменений эксплуатационных характеристик в процессе службы при строгом соблюдении правил монтажа (нормативное уплотнение): при нормативных потерях в первые дни эксплуатации после трех лет эксплуатации превышение нормативных потерь на 25–30 % и более при дальнейшей эксплуатации.

4. Конструкция № 4. Изоляция из матов прошивных базальтовых энергетических (МБПЭ) Назаровского завода ТИиК (на основе ваты с модулем кислотности 1,8–2,2) в обкладке из стеклоткани КТ-11 для обеспечения съемности конструкции (например, для проверки металла и КИП).

Для обеспечения действующей нормы СНиП требуется трехслойная изоляция матами прошивными базальтовыми энергетическими (МБПЭ) в обкладке из ткани КТ-11 с общей толщиной 180 мм при покрытии из алюминиевого листа. Стоимость такой конструкции – 7 220 руб. Конструкция после демонтажа повторному использованию не подлежит (33 % материала будут непригодны для дальнейшего использования).

Прогноз изменений эксплуатационных характеристик в процессе службы при строгом соблюдении правил монтажа (нормативное уплотнение): при нормативных потерях в первые дни эксплуатации после трех лет эксплуатации превышение нормативных потерь на 25–30 % и более при дальнейшей эксплуатации.

5. Конструкция № 5. Комбинированная безобкладочная конструкция (первый слой МКРР-130; второй слой – холст БСТВ).

Для обеспечения действующей нормы СНиП требуется два слоя изделий МКРР-130 из муллитокремнеземистого волокна общей толщиной 40 мм и 3 слоя холста БСТВ (240 мм) с общей толщиной изоляции 280 мм при покрытии из алюминиевого листа. Стоимость такой конструкции – 4 743 руб.

Демонтаж конструкции нежелателен. После аккуратного демонтажа изделия МКРР-130 будут пригодны для повторного использования. Прилегающий к МКРР-130 холст БСТВ (составляющий 25 % от общего количества БСТВ конструкции) будет для дальнейшего использования непригоден.

Прогноз изменений эксплуатационных характеристик в процессе службы: без изменений в течение 10–15 лет.

6. Конструкция № 6. Комбинированная конструкция в обкладке из стеклоткани (первый слой МКРР-130 в КТ-11; второй слой – холст БСТВ в Т-23).

Для обеспечения действующей нормы СНиП требуется два слоя изделий МКРР-130 из муллитокремнеземистого волокна в обкладке из стеклоткани КТ-11 общей толщиной 40 мм и 3 слоя холста БСТВ (240 мм) в обкладке из стеклоткани Т-23 с общей толщиной изоляции 280 мм при покрытии из алюминиевого листа. Стоимость такой конструкции – 6 733 руб.

Подлежит демонтажу-монтажу неопределенно большое количество раз без учета человеческого фактора. С учетом человеческого фактора количество операций демонтаж-монтаж оценивается до 7–10 раз. После 2–3 операций по демонтажу-монтажу возможно возрастание потерь на 10–15 % из-за частичного разрушения слоя БСТВ, прилегающего к изделиям из МКРР-130.

Прогноз изменений эксплуатационных характеристик в процессе службы: без изменений в течение 10–15 лет.

7. Конструкция № 7. Комбинированная безобкладочная конструкция (первый слой МКРР-130; второй слой – маты прошивные базальтовые энергетические (МБПЭ) Назаровского завода ТИиК (на основе ваты с модулем кислотности 1,8–2,2).

Для обеспечения действующей нормы СНиП требуется два слоя изделий МКРР-130 из муллитокремнеземистого волокна общей толщиной 40 мм и 3 слоя матов прошивных базальтовых энергетических (МБПЭ) Назаровского завода ТИиК (на основе ваты с модулем кислотности 1,8–2,2) (150 мм) с общей толщиной изоляции 190 мм при покрытии из алюминиевого листа. Стоимость такой конструкции – 3 214 руб.

Демонтаж конструкции нежелателен. После аккуратного демонтажа изделия МКРР-130 будут пригодны для повторного использования. Прилегающее к МКРР-130 волокно мата МБПЭ будет частично охрупчено, и для дальнейшего использования этот мат будет пригоден только при чрезвычайно аккуратном обращении.

Прогноз изменений эксплуатационных характеристик в процессе службы: без изменений в течение 10–15 лет.

8. Конструкция № 8. Комбинированная конструкция в обкладке из стеклоткани (первый слой МКРР-130 в КТ-11; второй слой – маты прошивные базальтовые энергетические (МБПЭ) Назаровского завода ТИиК (на основе ваты с модулем кислотности 1,8–2,2) в обкладке из стеклоткани Т-23).

Для обеспечения действующей нормы СНиП требуется два слоя изделий МКРР-130 из муллитокремнеземистого волокна общей толщиной 40 мм в обкладке из ткани КТ-11 и 3 слоя матов прошивных базальтовых энергетических (МБПЭ) Назаровского завода ТИиК (на основе ваты с модулем кислотности 1,8–2,2) (150 мм) в обкладке из ткани Т-23 с общей толщиной изоляции 190 мм при покрытии из алюминиевого листа. Стоимость такой конструкции – 4 269 руб. Подлежит демонтажу-монтажу неопределенно большое количество раз без учета человеческого фактора. С учетом человеческого фактора количество операций демонтаж-монтаж оценивается до 7–10 раз. После 2–3 операций по демонтажу-монтажу возможно возрастание потерь на 10–15 % из-за частичного охрупчивания волокна матов в слое, прилегающем к изделиям из МКРР-130.

Прогноз изменений эксплуатационных характеристик в процессе службы: без изменений в течение 10–15 лет.

Рекомендуется:

- участки трубопроводов, не подлежащие ремонту, изолировать конструкцией № 7 со сроком службы 15 лет без каких-либо изменений теплозащитной функции вследствие наилучшего соотношения цена-качество – 3 214 руб./п. м.;

- участки трубопроводов, подлежащие вскрытию для контроля и/или ремонта металла, изолировать конструкцией № 8 со сроком службы 15 лет (после 5–10 случаев демонтажа-монтажа возможно снижение теплозащитной функции до 10 %) вследствие возможности неоднократного монтажа-демонтажа и наилучшего соотношения цена-качество – 4 259 руб./п. м.

Общий вывод

В целом состояние тепловой изоляции в энергетике следует признать неудовлетворительным, хотя положение может быть исправлено долгой постоянной работой в соответствии с новым Циркуляром Ц-01-2004 (Т) «Организация контроля за состоянием и ремонтом обмуровки и тепловой изоляции в целях снижения потерь тепла и температур до нормативных значений».