СОЮЗ ЭНЕРГЕТИКОВ. Современные технологии производства, транспортировки и распределения тепловой энергии в России

В настоящее время в России для обеспечения потребности в тепловой энергии производится свыше 2 млрд. Гкал тепла, на что расходуется более 400 млн. т.у.т. или около 43% всех первичных энергоресурсов, используемых внутри страны. Неэффективное расходование топлива на цели теплоснабжения приводит к огромному перерасходу материальных и финансовых резервов.

Более двух третей общего теплопотребления в городах и населенных пунктах покрывается системами теплофикации от городских и промышленных крупных ТЭЦ и системами централизованного теплоснабжения от котельных с единичной мощностью свыше 20 Гкал/ч.

Концепция политики РАО «ЕЭС России» в области теплофикации и централизованного теплоснабжения предусматривает сохранение их доминирующей роли в обеспечении теплом городов и промышленных комплексов. Вместе с тем, с учетом изменения структуры собственности как в производственной, так и жилищно-коммунальной сфере, доля децентрализованного теплоснабжения неизбежно возрастет. Особенно это касается городов и населенных пунктов с малой плотностью застройки, а также зданий и предприятий мелкого и среднего бизнеса, коттеджной застройки, промышленных цехов, использующих для топления газовое топливо.

Сохранение доминирующей роли теплофикации и централизованного теплоснабжения в обеспечении тепловой энергией городов и промышленных комплексов обусловлено рядом факторов.

В городах России созданы уникальные по своим размерам системы централизованного теплоснабжения, охватывающие всю городскую инженерную инфраструктуру и послужившие аналогом для создания систем теплофикации и централизованного теплоснабжения во многих развитых странах мира.

Комбинированное производство тепловой и электрической энергии на городских ТЭЦ позволяет значительно экономичнее использовать органическое топливо по сравнению с их раздельным производством.

Кроме того, на крупных теплоэнергетических установках (ТЭЦ, котельные) возможно экологически чистое сжигание низкосортных местных видов топлива (бурый уголь, торф, твердые бытовые отходы, древесные отходы и др.), что практически неосуществимо в мелких установках. Удаление мощных источников генерации энергии, работающих на органическом топливе, от центров тепловой нагрузки значительно улучшает состояние воздушной среды в городах.

Участившиеся в последнее время аварии в системах централизованного теплоснабжения городов предельно обнажили недостатки инженерной инфраструктуры и показали, насколько велика ее роль в обеспечении условий нормальной жизнедеятельности населения, выдвинули проблему развития и реконструкции систем теплоснабжения в разряд стратегических государственных задач.

Недостаточное в течение многих лет выделение финансовых средств на устранение физического износа основных фондов рассматриваемых систем, отсутствие государственной целенаправленной политики в области теплоэнергетики неизбежно приводят к ускорению деградации систем теплофикации и теплоснабжения, снижению их эффективности.

Наиболее уязвимым звеном в системе централизованного теплоснабжения являются тепловые сети, общая протяженность которых в России составляет более 200 тыс. км (в пересчете на двухтрубную прокладку). Неудовлетворительное состояние тепловых сетей приводит не только к высоким потерям при транспортировке теплоносителя, но и к их частым повреждениям. Оценка физического состояния тепловых сетей, выполненная различными экспертами, показала, что 40 — 50 % теплопроводов уже выработали свой амортизационный ресурс. Поэтому большая часть аварий в системах теплоснабжения связана именно с их повреждением.

Высокая степень физического и морального износа источников тепловой энергии, до 50 — 70 %, также резко снижает эффективность теплоснабжения. На многих теплоэлектроцентралях из-за физического износа уже демонтирована часть паровых турбин, в результате чего резко снижается экономия, заложенная в принцип комбинированной выработки тепловой и электрической энергии. Эффективность работы многих ТЭЦ в последнее десятилетие снизилась из-за уменьшения подключенной тепловой нагрузки, вызванной, с одной стороны, спадом промышленного производства, а с другой, — тем, что многие потребители построили собственные автономные теплоисточники.

Подавляющая часть крупных районных водогрейных котельных, предназначенных для работы в пиковым режиме совместно с ТЭЦ, фактически работает круглосуточно раздельно от ТЭЦ в базовом режиме.

Такое использование районных котельных при работе на газе делает их неконкурентоспособными по сравнению с малыми теплогенерирующими установками (автономные котельные, квартирные теплогенераторы) и связано с большими затратами на ремонт и восстановление оборудования, не рассчитанного на круглосуточное использование.

Несмотря на очевидные преимущества комбинированной выработки тепловой и электрической энергии, доля теплофикации в общей выработке тепловой энергии в России продолжает снижаться.

Низкая надежность систем централизованного теплоснабжения, вызванная рядом объективных факторов, привела к тому, что эти системы не в состоянии подавать потребителю тепло с расчетными параметрами теплоносителя в периоды низких значений температуры наружного воздуха. При расчетной температуре теплоносителя 150 оС, его фактическая температура на выходе из теплоисточника не превышает 95-110 оС, и отпуск тепла составляет всего 50-70 % от требуемого.

Низка эффективность сотен тысяч разбросанных по всей стране мелких котельных, особенно работающих на твердом топливе. Их коэффициент полезного действия, как правило, не превышает 50-60% . Изношенность основного оборудования мелких котельных, находящихся в основном в ведении жилищно-коммунального комплекса, достигла на многих объектах критического уровня и служит причиной многочисленных аварий.

В отличие от ТЭЦ, котельных и тепловых сетей, на которых проводятся (хотя в далеко недостаточных объемах) планово-предупредительные ремонты, на внутридомовых инженерных системах зданий не проводится никакого профилактического обслуживания. Вся работа жилищно-коммунальных служб сводится к ликвидации возникающих аварий.

Велики сверхнормативные теплопотери зданий через наружные ограждающие конструкции. Обследования показали, что во многих недавно построенных домах коэффициент теплопередачи через стены в 3 раза превышает нормативы.

В целом сверхнормативные непроизводительные потери в сфере теплопопотребления (включая потери при распределении теплоносителя по тепловым пунктам и внутридомовым инженерным системам) составляют по разным экспертным данным от 30 до 40 %.

Так как в период резкого похолодания системы централизованного теплоснабжения не в состоянии подать в отапливаемые помещения зданий теплоноситель с требуемыми температурными параметрами, температура в них начинает снижаться, и при длительном сохранении такого положения без вмешательства находящихся в здании людей и соответствующих действий обслуживающего персонала она может понизиться до отрицательных значений.

Однако благодаря тому, что отапливаемое заселенное здание представляет собой биотехническую систему и температурный режим в нем определяется не только поступлением тепла от системы отопления, но и действиями проживающих людей, а также обслуживающего систему отопления персонала, этого не происходит. Фактически температура в отапливаемых помещениях жилого здания в периоды резких и продолжительных похолоданий при работающей системе отопления не опускается ниже 12 — 14 оС.

С целью стабилизации температуры внутри помещений при недостаточной подаче тепла из тепловой сети жильцы и персонал, обслуживающий здание, проводят ряд мер, в результате которых серьезно нарушается гидравлический режим тепловой сети, увеличивается нагрузка на системы электро-, газо- и водоснабжения, что может привести (и часто приводит) к аварийным ситуациям во всей инженерной инфраструктуре города, к веерным отключениям электроэнергии и даже к серьезным авариям в энергосистемах.

Снижение кратности воздухообмена при герметизации оконных проемов, вредные выделения при работе газовых плит и прочее ухудшают состояние воздушной среды в помещениях, наносят вред здоровью людей.

Все изложенное выше подтверждает, что теплоснабжение страны в настоящее время находится в состоянии кризиса. На ликвидацию последствий аварий государство затрачивает средства, размер которых во много раз превышает затраты муниципальных бюджетов на оплату услуг жилищно-коммунального хозяйства и бюджетной сферы. Но даже эти огромные затраты несопоставимы с тяжелыми социальными последствиями аварий в системе теплоснабжения.

Значительный физический износ трубопроводов и оборудования, морально устаревшая структура построения систем централизованного теплоснабжения выдвигают наряду с требованием скорейшей замены изношенного оборудования неотложную задачу оптимизации схемно-технических решений и режимов функционирования этих систем.

Учитывая фактическое крайне запущенное состояние систем теплоснабжения в России, полная их модернизация с целью обеспечения возможности работы в расчетном режиме с температурой теплоносителя 150 оС (с верхней срезкой графика при 130 оС) потребует перекладки сотен тысяч километров тепловых сетей, замены изношенного оборудования на десятках тысяч тепловых источников и на сотнях тысяч абонентских теплопотребляющих установках. Совершенно очевидно, что в течение ближайших 20-30 лет это практически неосуществимо.

На основании выполненного анализа состояния теплоснабжения в различных регионах страны предложения по оптимизации схем, технических решений и режимов работы систем теплоснабжения сводятся к следующему:

• ориентация систем централизованного теплоснабжения на покрытие базовой тепловой нагрузки с максимальной температурой теплоносителя 100 — 110 оС;
• резервирование тепловых сетей;
• применение при реконструкции систем теплоснабжения энергосберегающих технологий, схемных решений, материалов и оборудования;
• строительство локальных пиковых источников тепла, максимально приближенных к системам теплопотребления;
• переоборудование районных городских котельных (а в некоторых случаях и квартальных) в мини и микро ТЭЦ;
• применение бинарных (парогазовых) термодинамических циклов для повышения эффективности работы городских ТЭЦ;
• создание АСУ теплоснабжением, включающих автоматизацию производства, транспортировки, распределения и потребления тепловой энергии.

При ориентации систем теплофикации и централизованного теплоснабжения на покрытие базовой тепловой нагрузки значительно сокращаются базовые капитальные затраты на сооружение ТЭЦ, реконструкцию тепловых сетей (за счет меньшего количества компенсаторов, возможности применения более дешевых и не подверженных коррозии труб из полимерных материалов и др.). На выделенные средства оказывается возможным реконструировать значительно больший объем тепловых сетей с повышением их надежности и уменьшением потерь при транспортировке теплоносителя.

Резервирование (кольцевание) тепловых сетей, являющееся общепризнанным средством повышения системной надежности теплоснабжения и позволяющее на порядок снизить опасность аварийных ситуаций, к сожалению, в основном не реализуется в необходимых размерах.

Применеие энергосберегающих технологий, материалов и оборудования (утепление ограждающих конструкций зданий, переход от вертикальных однотрубных систем отопления к горизонтальным с поквартирным учетом тепла, установка квартирных водосчетчиков в системах холодного и горячего водоснабжения, монтаж автоматизированных тепловых пунктов и др.) дает возможность снизить удельное теплопотребление на 40-50%. Тем самым будет компенсировано влияние недополучения тепла от внешней сети в наиболее холодный период отопительного сезона. Таким образом энергосбережение позволяет не только сэкономить значительное количество топливно-энергетических ресурсов, но и обеспечить условия теплового комфорта при базовой подаче тепла из тепловой сети.

Строительство пиковых (локальных) источников тепла, максимально приближенных к системам теплопотребления, позволит при низких температурах наружного воздуха повышать температуру телоносителя, поступающего из тепловой сети, до требуемых для отапливаемых помещений параметров. Дооснащение системы цетрализованного теплоснабжения пиковыми источниками резко повышает надежность (и это не мене важно) ее работы. При аварии во внешней сети пиковый источник переводится в автономный режим работы с целью предотвращения замораживания системы отопления и продолжения функционирования объекта теплопотребления, расположенного на отключенном от тепловой сети участке. Здания, подключенные к пиковому источнику, будут стабильно снабжаться горячей водой даже во время профилактических отключений теплоснабжения в летнее время.

Строительство пиковых источников, по существу, будет означать переход от сложившейся в течение многих десятилетий в нашей стране централизованной системы теплоснабжения к централизованно-локальной, обладающей значительно более высокой надежностью и рядом других преимуществ.

В отличие от автономных и индивидуальных источников теплоснабжения (установленных в плотно застроенных кварталах северных городов), работающих круглогодично и наносящих вред окружающей среде (даже при работе на газе) суммарные выбросы в атмосферу от пиковых источников, которые вырабатывают в течение года только 10-15% от всего годового отпуска тепла, будут ничтожно малы.

При современном уровне газовой отопительной техники централизация выработки собственно тепловой энергии экономического смысла, как правило, не имеет. КПД современных газовых теплогенераторов высок (92-94%) и практически не зависит от их единичной мощности. Вместе с тем увеличение уровня централизации приводит к росту тепловых потерь при транспортировке теплоносителя. Поэтому крупные районные котельные оказываются конкуретоспособными по сравнению с автономными источниками.

Резкое повышение эффективности районных котельных может быть достигнуто путем их реконструкции в мини ТЭЦ, другими словами, путем дооснащения их электрогенерирующими агрегатами, переводом котельных в режим когенерации.

Известно, что эффективность работы когенерационных установок тем выше, чем больше времени в году электроэнергия вырабатывается на базе теплового потребления. Круглогодичной тепловой нагрузкой в городах (без учета технологической нагрузки промышленных предприятий) является горячее водоснабжение. В вязи с этим расчет мощности когенерационной установки на покрытие нагрузки горячего водоснабжения обеспечивает ее круглогодичную работу и, следовательно, наиболее эффективое использование. С другой стороны, удельные капитальные затраты на создание электрогенерирующих установок снижаются с увеличением их единичной мощности.

Поэтому для реконструкции котельных в мини ТЭЦ, в первую очередь, целесообразно выбирать наиболее крупные из них, с развитой нагрузкой горячего водоснабжения.

Существенное повышение эффективности работы городских ТЭЦ может быть достигнуто путем установки перед паротурбинной частью станции газовой турбины. Перевод работы паротурбинной ТЭЦ на парогазовый (бинарный) цикл повышает КПД по выработке электроэнергии с 33 до 50-52%.

Устойчивая и эффективная работа системы централизованного теплоснабжения от городских ТЭЦ, районных котельных, преобразованных в мини ТЭЦ с пиковыми, работающими в автоматическом режиме теплоисточниками, с автоматизированными тепловыми пунктами, невозможна без использования автоматизированной системы управления. Поэтому создание АСУ является обязательным условием реконструкции системы централизованного теплоснабжения теплоснабжения.

В городах или зонах городов, не охваченных теплофикацией и централизованным теплоснабжением, необходимо как при основном строительстве, так и при реконструкции инженерной инфраструктуры максимально повышать эффективность использования топлива в автономных системах теплоснабжения.

При этом прямое сжигание газа в котельных, учитывая высокие потребительские качества этого вида топлива и в связи с этим значительное повышение его стоимости (по сравнению с углем и мазутом), в ближайшие годы должно быть предельно ограничено.

Установками, в которых сжигание газа эффективно, являются: автономные квартирные теплогенераторы; системы инфракрасного отопления промышленных зданий; мини и микро ТЭЦ.

При работе котельных на твердом топливе следует применять высокоэффективные технологии его сжигания (например, в топках с кипящим слоем).

Для возможного использования в качестве исходного топлива древесных отходов, торфа и других местных ресурсов не только для сжигания в котельных, но и в мини ТЭЦ с газопоршневыми генераторами, целесообразно предварительно топливо направлять в газогенератор, где происходит его газификация.

Перспективным направлением повышения эффективности использования органического топлива является расширение применения гибридных систем теплоснабжения, представляющих собой комбинацию нескольких разнородных источников тепла (котельные и ТЭЦ на органическом топливе и ветро-, гелио-, термальные установки, системы утилизации вторичных энергоресурсов, тепловые насосы), объединенных общим технологическим циклом.

В заключение следует отметить, что теплоснабжение городов, населенных мест, промышленных комплексов должно развиваться на основе разумного, всесторонне обоснованного сочетания централизованных и автономных систем. Выбор перспективных схем теплоснабжения для каждого города следует осуществлять на основе генеральных планов.

Обязательным условием развития и реконструкции рассматриваемых систем является всемерное расширение применения энергосберегающих технологий и материалов при производстве, транспортировке, распределении и потреблении тепловой энергии.

С. А. Чистович,
президент Союза энергетиков Северо-Запада России,
Л. В. Родичев,
генеральный директор ЗАО «Инженерные системы»

Информация о предприятии