Нормирование затрат на нагрев дорожных битумов

Введение

Весьма актуальным является вопрос нормирования затрат на подготовку (нагрев) дорожного битума в процессе его технологической обработки на производственных предприятиях (АБЗ, битумные терминалы и др.). Действительно, очень часто производственники задаются вопросом, много ли они тратят в процессе термической обработки битумов?

Отсутствие «ориентиров» для дорожников в рассматриваемом вопросе ограничивает развитие прогресса и появление новых энергосберегающих технологий, сохраняет высокую долю кустарных устройств и нагревательных элементов и не дает развиваться рынку услуг энергетических обследований, сохраняя высокую долю энергозатрат в конечной стоимости продукции (товарном битуме, полимерно-битумных вяжущих, асфальтобетонных смесях и др.).

Состояние вопроса

Нормирование затрат (маркировка энергоэффективности) является важным этапом развития системы энергосбережения. В Федеральном законе от 23.11.2009 года № 261-ФЗ «Об энергосбережении…» устанавливаются требования по энергоэффективности отдельного энергопотребляющего оборудования, изделий и материалов, а также зданий, строений и сооружений. При этом битумное хозяйство представляет собой целый комплекс оборудования объединенного единой технологией (технологические линии), в том числе энергопотребляющее оборудование, генераторы тепла и даже сооружения. По мнению А.Л. Наумова [8] наиболее сложной из поставленных в Федеральном законе № 261-ФЗ об энергосбережении задач представляется маркировка энергоэффективности зданий, строений и сооружений.

Согласно [8], маркировка энергоэффективности оборудования – это способ классификации и идентификации однотипных изделий по характеристикам энергопотребления с присвоением соответствующего маркировочного знака.

Большой задел в этом направлении уже имеется в области жилищно-коммунального хозяйства. Нормирование затрат в ЖКХ Табунщиков Ю.А. [9] относит к «выученным урокам». Среди проблем, отмечаемых им, после проблемы государственной финансовой поддержки работ по энергосбережению, на втором месте стоит отсутствие экономической привлекательности для инвесторов по внедрению современных энергоэффективных технологий. В сфере подготовки (нагрева) битумов на предприятиях дорожной отрасли, в связи со значительной их частью принадлежащей частному бизнесу, таких затруднений быть не должно.

По мнению Немчинова М.В. и др. [10] потенциал экономии энергии в дорожном хозяйстве по различным сценариям составляет от 20 до 33 %, по отдельным видам энергоносителей: до 47-58 % (мазут и газ), до 29-39 % (дизельное топливо), до 22-33 % (бензин).

Маркировка энергоэффективности является основным и наиболее действенным инструментом энергосбережения и экологического оздоровления окружающей среды, движущей силой снижения энергоемкости валового национального продукта [8].

В мировой практике сложились две основные системы маркировки энергоэффективности [8]: «Energy Guide» (США, Канада, Мексика) как почетная марка, присваиваемая 25% однотипных изделий с наименьшим энергопотреблением на основе сравнительного анализа; и маркировка на семь классов от А до G (страны ЕС и Россия).

Нормирование затрат на нагрев битума

В отношении технологических линий подготовки (нагрева) битумов видятся два подхода (рис. 1): разделение по классам энергоэффективности на основе фактических затрат на нагрев единицы объема (массы) битума или по результатам расчета индекса энергоэффективности (EEI) [11], полученного через отношение фактических затрат к нормативным. В данной статье рассматривается первый подход. Разделение битумных цехов по классам на основе индекса EEI будет рассмотрено в следующей статье.

Рис. 1. Возможные схемы назначения классов энергоэффективности

Разделение по классам энергетической эффективности следует вести отдельно для технологий «работы с колес» и технологий, использующих битумохранилища и склады битума (фасованный битум). Количество энергии, соответствующей минимальным затратам (класс А) соответствует условиям, при которых соблюдены технические требования к процессу (время нагрева, потери не более нормируемых и т.д.).

В целом, затраты на подготовку битумов на АБЗ и битумных терминалах в зависимости от технологии включает затраты на плавление Qпл (при технологиях длительного хранения) и нагрев Qнагр, на компенсацию потерь при плавлении, нагреве, хранении и транспортировании Qпот, а также затраты энергии на транспортирование Wтрансп, и могут быть описаны следующими уравнениями:

- при работе с колес

Q^А = Q^min_пот + W^min_трансп = S_1т ⋅ q^норм_м² ⋅ t_норм + l_ср ⋅ q^норм_1пог.м ⋅ t_трансп + W^ср ⋅ t_трансп                                                      (1)

- использовании хранилищ

Q^А = Q_пл + Q_нагр +Q^min_пот + W^min_трансп = (μ + (140 - Т_р) ⋅ с) + S_1т ⋅ q^норм_м² ⋅ t_норм + l_ср ⋅ q^норм_1пог.м ⋅ t_трансп + W^ср ⋅ t_трансп                          (2)

где S_1т – средняя площадь поверхности оборудования (резервуаров), приходящаяся на единицу массы битума (на одну тонну), м²/т;

q^норм_м² – нормы плотности теплового потока с поверхности оборудования, Вт/(м²·час);

t_норм – норма времени на выполнение технологической операции, час;

l_ср – средняя протяженность линий связи (битумопроводов) для обеспечения транспортирования битума внутри предприятия, пог.м;

q^норм_1пог.м – нормы плотности теплового потока с поверхности трубопроводов, Вт/(м·час);

t_трансп – время транспортирования единицы массы битума, час/т;

W^ср – средняя номинальная мощность насоса, Вт/час;

μ – скрытая теплота плавления битума, Вт/т;

Т_р – температура размягчения битума, °С;

140 – рабочая температура битума (для БНД 60/90) по СП 78.13330.2012, °С;

с – теплоемкость битума, Вт/(т·°С).

Для хранения и первичного нагрева битумов используют резервуары горизонтальные и вертикальные, поддержание рабочей температуры – в горизонтальных резервуарах. На рис. 2 представлены данные по площади теплоотдающей поверхности, приходящейся на единицу массы хранимого продукта (S_1т). В среднем для битума в резервуарах вертикальных площадь поверхности, приходящейся на тонну битума – 0,48 м²/тонну, для горизонтальных – 1,73 м²/тонну.

Нормы плотности теплового потока с поверхности оборудования (q^норм_м²) и трубопроводов (q^норм_1пог.м) в соответствии с СП 61.13330.2012 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов» представлены в табл. 1. Средние значения плотности теплового потока с поверхности резервуара в диапазоне температур 20-100 °С – 28 Вт/м², с горизонтальных резервуаров в диапазоне 100-150 °С – 48 Вт/м², при хранении с рабочей температурой – 54 Вт/м², с трубопроводов при температурах транспортирования (150 °С) – 46 Вт/м.

Таблица 1. Нормы плотности теплового потока оборудования и трубопроводов с положительными температурами при расположении на открытом воздухе и числе часов работы более 5000 (выдержка СП 61.13330.2012)

Нормативное время термической обработки битумов (t_норм) согласно СП 78.13330.2012 Автомобильные дороги – не более 5 часов хранение при рабочей температуре и до 12 часов при температурах не выше 80 °С для битумов БНД 60/90.

Средние расстояния внутризаводского транспортирования (l_ср) определялись исходя из требований СП 155.13130.2014 «Склады нефти и нефтепродуктов». Для предприятий, работающих с хранилищами большого объема, среднее расстояние транспортирования битумов составляет – 46 м, при работе с колес длина трубопроводов составляет около 25 м.

Рис. 2. Расчетные значения площади поверхности резервуара, приходящейся на 1 тонну хранимого битума в вертикальных (РВС) и горизонтальных (РГС) стальных резервуарах

С учетом средней производительности битумного насоса (см.табл. 2) и однократного перемещения битума на среднее расстояние, затраты энергии на транспортирование составляют:

для технологических линий с хранилищами большого объема

  W^min_трансп = l_ср ⋅ q^норм_1пог.м ⋅ t_трансп + W^ср ⋅ t_трансп = 46 ⋅ 46 ⋅ 0,03 + 11 000 ⋅ 0,03 = 393,48 Вт/т

для предприятий, работающих «с колес»

W^min_трансп = 25 ⋅ 46 ⋅ 0,03 + 11 000 ⋅ 0,03 = 364,5 Вт/т

Таблица 2. Основные технические характеристики наиболее распространенных насосных станций для транспортирования битумов

Тогда нормативные затраты на подготовку битума, соответствующие классу энергоэффективности «А»:

для предприятий, работающих «с колес»

Q^А = 1,73 ⋅ 54 ⋅ 5 + 364,5 = 831,6 Вт/т

 для технологических линий с хранилищами большого объема

    Q^А = 1 ⋅ (35 000 + (140 - 50) ⋅ 0,5 ⋅ 10³) + 0,48 ⋅ 28 ⋅ 12 + 1,73 ⋅ 48 ⋅

В таблице 3 представлены классы энергоэффективности ряда бытовых приборов (в том числе по индексу EEI). Анализ данных свидетельствует о значительном разбросе отношения наименьшего класса энергоэффективности G (Е) к классу А. Значения данного отношения колеблются от 1,45 до 3,96.

При разбиении на классы энергоэффективности технологических линий подготовки битума «с колес» и с использованием хранилищ отношение G(E)/A принимали равным 3 и 2 соответственно. В таблице 4 представлена разработанная классификация. Для производств, использующих в качестве первичных энергоносителей газ или жидкое топливо, требуется приведение затрат энергии к электрическому эквиваленту.

Таблица 3. Классы энергоэффективности некоторых приборов 

Таблица 4. Классы энергоэффективности технологических линий подготовки битума 

Выводы и рекомендации

В качестве заключения необходимо отметить следующее:

1. Предложенное разделение технологических линий нагрева битумов на классы энергоэффективности должно быть откорректировано с учетом анализа достаточного количества результатов натурных измерений затрат энергии.

2. Классификация должна быть уточнена с учетом затрат энергии на обеспечение слива вяжущего (в том числе из автомобильного и железнодорожного транспорта) и других особенностей технологий подготовки.

3. Необходима разработка классификации для технологических линий подготовки (хранения и нагрева) битумов на основе расчета индекса EEI.

4. Следует также рассмотреть технологические линии подготовки битумов, фасованных в среднетоннажную тару типа кловертейнер.

5. Весьма интересным и перспективным является изучение и оценка влияния избыточной энергии (сверх минимально необходимой для доведения до требуемого физического состояния) на свойства органического вяжущего (битума и продуктов на его основе), известного своей склонностью к старению при воздействии внешних факторов.

Список литературы

1.      Justas Braziunas, Henrikas Sivilevicius. Heat Transfer and Energy Loss in Bitumen Batching System of Asphalt Mixing Plant. The 9th International Conference «ENVIRONMENTAL ENGINEERING», 22-23 May 2014, Vilnius, Lithuania.

2.      Anthony Simons, Henry Otoo. Minimization of Heat Transfer losses at the Shell Bitumen Plant, Takoradi, Ghana. International Journal of Scientific Research and Innovative Technology, Vol. 1 No. 5; December 2014.

3.      Саенко С.С. Проблемы и перспективы энергетических обследований битумных цехов и баз / С.С. Саенко, Ю.Я. Никулин // Автомобильные дороги – февраль 2018 – № 2 (1035) – С.90-93.

4.      Саенко, С.С. Анализ энергозатрат на подготовку битума асфальтобетонного завода невысокой производительности / С.С. Саенко // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. – 2016. – № 3 (18). – С. 93-101. ISSN 2227-2917. DOI: 10.21285/2227-2917-2016-3-93-101

5.      Порадек С.В. Пути совершенствования технологии применения битума на асфальтобетонных заводах / С.В. Порадек // Вестник Харьковского национального института. – 2008. – № 40. – С. 25-27. ISSN: 2219-5548.

6.      Порадек С.В. Как взять битум из хранилища – 2 / С.В. Порадек // Наука и техника в дорожной отрасли. – 2010. – № 1. – С. 38-39.

7.      Баженов А.В. Плавление фасованного битума / А.В. Баженов, В.В. Сорокин // Автомобильные дороги. – январь 2014. – № 1 (986). – С. 64-69.

8.      Наумов А.Л. Маркировка энергоэффективности инженерного оборудования как основной инструмент энергосбережения / А.Л. Наумов // Энергосбережение. – 2010. – № 3. – С. 4-8.

9.      Табунщиков Ю.А. Выученные и невыученные уроки энергосбережения / Ю.А. Табунщиков // Энергосбережение. – 2009. – № 1. – С. 10-13.

10.   Немчинов М.В. Энергосбережение в дорожном хозяйстве и программа его осуществления / М.В. Немчинов, В.И. Микрин, Г.И. Евгеньев // Энергосбережение. – 2001. – № 3. – С. 63-66.

11.   Kornelis Blok, Evert Nieuwlaar. Introduction to Energy Analysis. Second edition, 2017 – 309 p. ISBN: 978-1-138-67114-0, 978-1-138-67115-0, 978-1-315-61721-3.