Теплоснабжение городов с градообразующими предприятиями

Теплоснабжение городов с градообразующими предприятиями

Н.А. Толдина, аспирант Обеспечение тепловых нужд России выходит далеко за пределы отраслевой энергетической задачи. Неэффективное теплоснабжение привело к огромному перерасходу энергетических, материальных и финансовых ресурсов, сделало неэкономичной теплофикацию. Сбои в обеспечении теплотой регулярно становятся зимой для многих жителей страны физическим и моральным страданием.

В условиях, когда постоянно увеличиваются цены на энергоносители, задача повышения эффективности использования энергетических ресурсов приобретает приоритетное значение. Во многих городах и регионах России начинают реализовываться программы энергосбережения, и г. Магнитогорск не является исключением.

Понятие «энергосбережение города» часто подменяется понятием «энергоэффективные системы или технологии теплоснабжения», ошибочно считая, что решение локальных задач по внедрению высокоэффективных теплогенераторов, автоматизированных тепловых пунктов, средств транспортировки теплоты рано или поздно приведет к эффективному теплоснабжению города, т. е. количество перерастет в качество. Для этого могут понадобиться десятилетия.

Город Магнитогорск, градообразующим предприятием которого является ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ОАО «ММК»), с населением около 430 тыс. чел. расположен в зоне с умеренным, резко-континентальным климатом. Отопительный сезон в среднем продолжается с 1 октября по 5 мая (7 мес.). Среднемесячные температуры воздуха в самый холодный период (декабрь-февраль) в последние три года составляют около -10 °С с 3−5-кратным понижением до 30 °C в течение 5−7 дней. энергоноситель потребитель градообразующий экономия Теплоснабжение города представляет собой цепь распределения тепловой энергии (ТЭ), схема которой представлена на рис. 1.

65% теплоты в сети треста «Теплофикация» г. Магнитогорска поступает от ТЭЦ, ЦЭС и паросилового цеха ОАО «ММК», остальное вырабатывается тремя собственными котельными: пиковой (ПК), центральной (ЦК) и котельной ОАО «Поля орошения» (КПО).

Сколь не устаревает идеология централизованного теплоснабжения городов, для г. Магнитогорска она безальтернативна. Город всегда жил около комбината, как около горячего источника, где в энергоустановках сжигалось раньше ничего не стоящее топливо и возникающей избыточной ТЭ всегда хватало всем, даже при самом расточительном ее использовании. Применялись не только энергорасточительные технологии, но и десятилетиями у граждан, специалистов, экономистов, администрации города формировалась психология жителей рабочего поселка при крупном промышленном предприятии, которое практически бесплатно обеспечивало их жизнедеятельность в условиях холодного уральского климата. Во всех живущих ныне в городе поколениях отсутствует культура экономного, рационального хозяина. ОАО «ММК» стал частным, коммерческим предприятием, цель которого — получение максимальной прибыли, даже из иногда бросовой (летом) теплоты.

Жители города (жилфонд), на которых уходит 80% теплоты, давно отодвинуты устаревшими градостроительными нормами от возможности индивидуального влияния на собственное теплопотребление. Чего не скажешь о коммерческих организациях (5% от общего теплопотребления). Оснастив 80% объектов теплосчетчиками, они учатся рационально использовать очень дорогую теплоту, экономя ежегодно в среднем 35% от расчетной тепловой нагрузки.

Однако, при совместной выработке тепловой и электрической энергии, большой свободной тепловой мощности, которая и используется для теплоснабжения города, при соблюдении баланса экономических интересов связка «город — ОАО «ММК» — весьма энергоэффективная структура. Хотя при этом возникают и определенные проблемы:

• 1. Большая удаленность (3−5 км) потребителей от источников ТЭЦ и ЦЭС приводит к дополнительным потерям теплоты через изоляцию и утечкам при транспортировке.
• 2. Выполняя в первую очередь, свои производственные задачи и обеспечивая максимальную эффективность работы ТЭЦ и ЦЭС, не выдерживаются оптимальные параметры теплоносителя по температурному графику 150/70 °С (срезка при 110 °С). Это приводит к ненадежному теплоснабжению, при температурах наружного воздуха ниже -18 °С. Летом тепловые сети города используются как градирни для охлаждения электрогенерирующих агрегатов ЦЭС. При этом температура прямого теплоносителя достигает 107 °C, что приводит к дополнительным потерям теплоты через изоляцию и критичной работе средств его транспортировки.
• 3. Системы теплоснабжения, как жизнеобеспечивающие, всегда строились с большим коэффициентом надежности за счет как резервирования мощности основных агрегатов, так и агрегатов горячего и холодного резерва. Все эти системы идеологии середины прошлого века, когда энергоресурсы ничего не стояли, модернизировались в 1980;1990 гг. только на уровне физического обновления, без технической модернизации. Причем одно и то же оборудование часто используется в зимнем и летнем режимах, когда тепловая мощность на горячее водоснабжение (ГВС) составляет 10−20% от номинального зимнего режима. Ресурсы сбережения, например, электроэнергии доходят до 50−60% в переходный период (весна, осень) для сетевых насосов, дутьевых вентиляторов и дымососов на котельных.

В настоящее время 99,5% всей ТЭ, поступающей в город с ОАО «ММК», учитывается приборами коммерческого учета, которые установлены на границе балансовой принадлежности. Каждый узел учета смонтирован на крупных тепловых магистралях города. Наличие приборов учета на источниках теплоты сделало возможным определение реально отпускаемой потребителям ТЭ и проведение энергосберегающих мероприятий. Объединив в 1999 г. локальные узлы коммерческого учета и технологического контроля на источниках теплоты и магистралях в две информационные системы (диспетчерская и коммерческая), появилась возможность более активно, оперативно и качественно воздействовать на режимы теплопотребления всех тепловых районов (12 по числу источников и магистралей (отводов), отходящих от них).

Информационная база по параметрам и режимам теплоснабжения (расходы, температуры, давления на прямых и обратных магистральных трубопроводах, ТЭ, утечки и их энергия в мгновенных, среднечасовых, суточных и месячных значениях), созданная за несколько лет, позволяет проводить глубокий анализ с целью оптимизации этих режимов. Разрабатывается автоматизированная система расчетов технико-экономических показателей, позволяющая выполнить их более точно, оперативно и качественно.

Начиная с 2004 г., как никогда остро встала проблема «недогрева». За последние 3 года среднемесячная температура прямого теплоносителя составила 81 °C при температурном графике 150/70 °С. В среднем температура теплоносителя от источников ОАО «ММК» была занижена на 10 °C, что привело к многочисленным жалобам населения. Только за текущий отопительный сезон потребителям было недопоставлено около 12% ТЭ. Для примера рассмотрим ситуацию, создавшуюся в феврале 2004 г. с источником ТЭ — ТЭЦ. При температуре наружного воздуха -18,2 °С согласно температурному графику 150/70 °С температура теплоносителя должна соответствовать 115 °C. Однако по приборам учета средняя температура за февраль составила 92,3 °С, что привело к недопоставке теплоты потребителю на 12,4%. Более наглядно данная проблема представлена на графиках рис. 2.

Аналогичная проблема наблюдается и в других регионах России. Так недостаточный отпуск теплоты в г. Санкт-Петербурге в один из последних отопительных сезонов по отношению к фактическим температурам составил 19,7%, а к расчетным 31,6%.

Имея многолетнюю базу данных с узлов учета на источниках ТЭ, зная температуру наружного воздуха, температуру, давление и расход теплоносителя, перед нами встает необходимость аналитическим путем определить наиболее оптимальные режимы теплопотребления. Особенно остро встает вопрос о выборе необходимых параметров в межсезонье.

Большой технической и экономической проблемой являются перегревы (избыточное тепло) от ЦЭС в летнее время. В июне 2003 г. на магистрали «ЦЭС-Город» на КП-1 была введена в эксплуатацию автоматическая система регулирования потребления ТЭ на тепловых сетях от ЦЭС. Необходимостью разработки системы явилась проблема превышения температуры теплоносителя в летний период времени (95−107 °С при нормативной 80 °С), поступающего в тепловые сети г. Магнитогорска от источника ЦЭС ОАО «ММК», и как следствие, потребление избыточного количества ТЭ. Завышенная температура объясняется технологией производства электрической энергии на ЦЭС ОАО «ММК», при совместной выработке тепловой и электрической энергии.

В связи с этим возникла необходимость установки регулирующего устройства по расходу теплоносителя на магистрали. В период времени, когда водоразбор на ГВС достигает максимального значения, регулирующая заслонка поддерживает перепад давлений между подающим и обратным трубопроводами 0,25 МПа, обеспечивая необходимое потребление теплоносителя. В ночное время с 24 ч. 00 мин. до 06 ч. 00 мин. задание регулятора автоматически меняется в соответствии с режимной картой. Таким образом, расход теплоносителя существенно сокращается. При этом давление в подающем трубопроводе возрастает, что негативно отражается на эксплуатации сетей. Для компенсации «избыточного» давления установлена еще одна регулирующая заслонка, работающая по следующему алгоритму: в 23 ч. 59 мин. регулятор «запоминает» величину давления в подающем трубопроводе и устанавливает задание равным этой величине. После 24 ч. 00 мин. при возрастании давления в подающем трубопроводе заслонка приоткрывается и осуществляет сброс теплоносителя в обратный трубопровод, поддерживая заданное давление. Как следствие, температура в обратном трубопроводе возрастает, что приводит к снижению потребления ТЭ. Автоматическая система управления реализована на базе контроллера КР-300, датчиков давления и температуры, исполнительных устройств.

Автоматическое регулирование параметров теплоносителя на КП позволяет избежать перерасхода ТЭ и поддерживать наиболее экономичные параметры теплоносителя.

В рамках реализации федеральной программы модернизации ЖКХ по распоряжению Губернатора Челябинской области № 314-р от 13.03.03 г. в г. Магнитогорске в 2003 г. были введены в эксплуатацию системы учета и регулирования ТЭ, ГВС и систем подготовки горячей воды. На всех объектах установлены узлы учета ТЭ и горячей воды. На 5 ЦТП и 1 -м жилом доме (ул. Ворошилова, 13) выполнено регулирование параметров теплоносителя по температуре наружного воздуха. Система регулирования выполнена на базе современных средств одной из западных фирм с микропроцессорными контроллерами. На ЦТП № 11 и 5 бойлерных установлены системы подготовки горячей воды с пластинчатыми теплообменниками с регуляторами температуры прямого действия.

В 2004 г. по распоряжению Губернатора Челябинской области и постановлению Магнитогорского Городского Собрания Депутатов реализована программа по внедрению приборов учета ТЭ в организациях бюджетной сферы г. Магнитогорска. В 12 школах были смонтированы узлы учета ТЭ, а в настоящее время создается автоматизированная система контроля и регулирования теплопотребления объектов Народного Образования по температуре наружного воздуха и температуре воздуха внутри помещения. Регулирование осуществляется конроллером ECL-200, который позволяет изменять потребление тепла от максимального в холодное время, до минимального в осенне-весенний период. При этом, расход воды во внутренней системе отопления остается постоянным, обеспечивая тем самым гидравлическую устойчивость ее работы. Для циркуляции в системе отопления используется циркуляционный насос. В случае аварийных ситуаций система отопления переводится на работу через элеватор. Установка узлов учета ТЭ дает экономию средств потребителя по отношению к расчетным нагрузкам за счет проектных коэффициентов запаса мощности. В настоящее время информационная база только формируется. Во многих школах возникают проблемы из-за несоответствия нагрузок, а так же из-за устаревших (порой самовольно переделанных) систем отопления. Уже по имеющимся данным за 2005 г. экономия от установленных в школах узлов ТЭ составляет от 5 до 10%.

Мероприятия по теплоэнергосбережению в г. Магнитогорске дали следующие результаты:

• 1. Установка частотных преобразователей на дымососах и дутьевых вентиляторах в котельных, на сетевых насосах перекачивающих тепловых насосных станций треста дает экономию 40−60%, срок окупаемости около 10 мес.
• 2. На границах балансовой принадлежности, на всех магистральных трубопроводах от ТЭЦ, ЦЭС, ПСЦ ОАО «ММК» установлены узлы коммерческого учета. Они дают экономию по отношению к расчетным тепловым нагрузкам не менее 5% или 10−15 млн руб. в год. Срок окупаемости затрат — меньше 1 мес.
• 3. Установка автоматизированных индивидуальных (центральных) тепловых пунктов с регулированием по температуре наружного воздуха экономит тепло:
  • · в жилфонде: 10−15%, окупаемость 10−15 мес.
  • · в административных зданиях с 5-дневной рабочей неделей: 35−45%, окупаемость 6−10 мес.
• 4. В муниципальном жилфонде города теплосчетчики (кроме некоторых ЦТП) пока не устанавливаются. ЖСК и кондоминиумы достаточно эффективно эксплуатируют их, и экономия в среднем составляет от 15 до 20% тепла.
• 5. В бюджетных организациях города установлено 107 теплосчетчиков и средняя экономия составляет около 26%. В Управлении Народного образования и Здравоохранения приборным учетом охвачено 44 объекта. Многие из них не эксплуатируются или эксплуатируются не эффективно.
• 6. Установка теплосчетчиков, с отслеживанием по ним теплопотребления и ручным регулированием, дает 20−30% экономии теплоты. Средний срок окупаемости составляет от 5 до 15 мес. в зависимости от тепловой мощности объектов. В Магнитогорских коммерческих организациях установлено 216 теплосчетчиков, с помощью которых достигается более 30% экономии тепла.

Финансирование программы энергосбережения г. Магнитогорска осуществляется из двух источников: бюджета Челябинской области и бюджета самих предприятий.

Несмотря на все проводимые мероприятия, проблема энергосбережения в городе не решена полностью. Одной из основных задач на данный момент является создание информационной базы, позволяющей на разных уровнях теплоснабжения создать оптимальные режимы теплоснабжения.