Радиус теплоснабжения. 
Радиус теплоснабжения

За прошедшее с момента интенсивного развития теплофикации в России время использовано много понятий, в основе которых лежало определение радиуса теплоснабжения. Упомянем лишь три из них, наиболее распространенных: оптимальный радиус теплоснабжения; оптимальный радиус теплофикации; радиус надежного теплоснабжения. С момента введения в действие закона «О теплоснабжении» появилось еще одно определение: радиус эффективного теплоснабжения — максимальное расстояние от теплопотребляющей установки до ближайшего источника тепловой энергии в системе теплоснабжения, при превышении которого подключение теплопотребляющей установки к данной системе теплоснабжения нецелесообразно по причине увеличения совокупных расходов в системе теплоснабжения.

Не очень понятно, зачем разработчики закона ввели это понятие, т.к. за последнее время в практике разработки перспективных схем теплоснабжения используется вполне адекватное представление о зоне действия источника тепловой энергии (мощности), при этом, разумеется, решение задачи о том, нужно или не нужно трансформировать эту зону, является базовой задачей построения эффективных схем теплоснабжения. И также очевидно, что критерием выбора решения о трансформации зоны является не просто увеличение совокупных затрат, а анализ возникающих в связи с этим действием эффектов и необходимых для осуществления этого действия затрат. Но, видимо, ключевым словом в определении закона является упоминание о «совокупных затратах».

Но статья не об этом. Так или иначе, для решения задачи о том, куда присоединять перспективную тепловую нагрузку вновь возникающих потребителей, к какому источнику, к какой магистрали, к какому отводу от магистрали, потребуется некий набор аналитических инструментов. А для того, чтобы не повторять уже сделанное, было бы любопытно вспомнить, а что собственно в этом направлении уже сделано. Так что эта статья скорее исторический экскурс, чем конкретные предложения инструментария (он, кстати, также уже создан и эффективно применяется).

Впервые в 1935 г. для анализа эффективности централизованного теплоснабжения С. Ф. Копьевым были применены два симплекса: удельная материальная характеристика м и удельная длина л тепловой сети в зоне действия источника теплоты. В первом случае удельная материальная характеристика тепловой сети представляла собой отношение материальной характеристики тепловой сети, образующей зону действия источника теплоты, к присоединенной к этой тепловой сети тепловой нагрузке. Во втором случае, это отношение протяженности трассы тепловой сети к присоединенной к этой тепловой сети тепловой нагрузке (так как журнал «Новости теплоснабжения» является специализированным периодическим изданием, мы избавим себя от очевидных определений. — Прим. авт.).

где M — материальная характеристика тепловой сети, м2; Q^mm — суммарная тепловая нагрузка в зоне действия источника теплоты (тепловой мощности), присоединенная к тепловым сетям этого источника, Гкал/ч; L — суммарная длина трубопроводов тепловой сети, образующей зону действия источника теплоты, м.

Связь между удельной материальной характеристикой м и удельной протяженностью теплотрассы л устанавливается при помощи среднего диаметра тепловой сети в зоне действия источника теплоты 0ср (м):

м=л* dср (2)

Эти два параметра довольно информативны, т.к. отражают основное правило построения системы централизованного теплоснабжения — удельная материальная характеристика всегда меньше там, где высока плотность тепловой нагрузки. А если принять во внимание, что сама материальная характеристика — это аналог затрат, а присоединенная тепловая нагрузка — аналог эффектов, то чем меньше удельная материальная характеристика, тем результативней процесс централизованного теплоснабжения. Именно этой аналогией пользовались наши предшественники.

Довольно интересно наблюдать изменения удельной материальной характеристики в процессе жизни (развития) системы теплоснабжения (рис. 1). Ее изменение во времени полностью отражает процесс очередей строительства магистральных тепловых сетей, постепенное наращивание внутриквартальных сетей и прирост тепловой нагрузки, полностью отражающей изменяющиеся темпы застройки. Только к концу 40-летнего периода (в данном примере) система теплоснабжения обретает вид с приемлемой удельной материальной характеристикой.

Из двух систем теплоснабжения всегда более эффективна та, которая обладает меньшей удельной материальной характеристикой (рис. 2). Именно относительная материальная характеристика позволяет нам в настоящее время построить непротиворечивый метод сравнения централизованных систем теплоснабжения.

Или по-другому: бессмысленно сравнивать системы теплоснабжения с разными относительными материальными характеристиками, их сначала нужно привести к сопоставимому виду.

Нелишне также упомянуть, что относительная материальная характеристика дает возможность оценки и потерь тепловой энергии при ее передаче по тепловым сетям. Упрощенные асимптоты могут быть рассмотрены, например следующим образом. Представьте себе тепловую сеть, к которой присоединена тепловая нагрузка равная 1 Гкал/ч, а длина тепловой сети составляет 10 км с диаметром 1000 мм. Относительная материальная характеристика такой тепловой сети равна 10 тыс. м²/Гкал/ч. Нормативные потери тепловой энергии при ее передаче по такой сети (спроектированные после 2004 г) составят около 3000 Гкал за отопительный период, а общее количество полезно использованного тепла около 3600 Гкал. Из этого следует, что только нормативные потери при его передаче по такой тепловой сети составят 83% от полезно отпущенного. Не трудно также посчитать каковы нормативные тепловые потери тепловой сети длиной в 100 м и диаметром в 100 мм с присоединенной тепловой нагрузкой в 1 Гкал/ч. Это, конечно, не асимптоты, но с практической точки зрения близкие к асимптотам величины.

Относительная материальная характеристика тепловых сетей м — это интегральный показатель эффективности тепловой сети в установленной зоне действия источника теплоты. И в основе вычисления этого показателя лежит гипотеза о равномерности теплового потока в зоне его действия (т.е. одинаковой плотности тепловой нагрузки).

Для учета неравномерности тепловой нагрузки, распределенной в зоне действия (уже функционирующей или планируемой), Е. П. Шубиным был в 1951 г. предложен другой показатель, основанный на рассмотрении тепловых нагрузок как сосредоточенных в точках их присоединения к тепловым сетям. Этот показатель был назван Е. П. Шубиным оборотом тепла.

Обосновывая введение этого показателя, автор принял, что с точки зрения транспорта тепловой энергии каждая точечная тепловая нагрузка характеризуется двумя величинами:

¦ расчетной тепловой нагрузкой Q’j';

¦ расстоянием от источника тепла до точки ее присоединения, принятой по трассе тепловой сети (по вектору расстояния от точки до точки) l_i.

Произведение этих величин (Гкал.м/ч) названо моментом тепловой нагрузки относительно источника теплоснабжения. Чем больше величина этого момента, тем, очевидно, больше должна быть и материальная характеристика теплопровода, соединяющего источник теплоснабжения с точкой приложения тепловой нагрузки, причем материальная характеристика растет в зависимости от роста момента не прямо пропорционально, а в соответствии с известным степенным законом. Для тепловых сетей с количеством абонентов больше единицы характерной является величина суммы моментов тепловых нагрузок Z_T (Гкал.м/ч).

Эта величина названа теоретическим оборотом тепла для заданного расположения абонентов относительно источника теплоснабжения.

Так как при расчете этого оборота значения I, измеряются по вектору, соединяющему источник тепла с точкой присоединения i-го абонента, то величина теоретического оборота не зависит от выбранной трассы и конфигурации тепловой сети. Вместе с тем, она отражает ту степень транзита тепла, которая является неизбежной при заданном расположении абонентов относительно источника теплоснабжения.

Связи величины оборота тепла с другими транспортными коэффициентами выражались, как правило, следующими соотношениями:

где R^ - отношение оборота тепла к суммарной расчетной тепловой нагрузке всех абонентов, характеризующее собой среднюю удаленность абонентов от источника теплоснабжения или расстояние от этого источника до центра тяжести тепловых нагрузок всех абонентов сетей. В последующие годы именно это соотношение было названо средним радиусом теплоснабжения, а термины «теоретический оборот тепла» и «оборот тепла», как правило, не употреблялись.

Такое определение радиуса теплоснабжения не совпадает с его утилитарным определением, принятом в большинстве научных и методических документов, где за радиус теплоснабжения принимают длину главной магистрали от источника теплоснабжения до самого удаленного потребителя, присоединенного к этой магистрали.

Пояснение процедур вычисления среднего радиуса теплоснабжения рассмотрим на базе утилитарной радиальной тепловой сети (рис. 3). Радиальная тепловая сеть образована на базе источника тепла 1, расположенного в промышленной зоне 2.

Тепловая энергия транспортируется по тепловой сети с выводами в трех направлениях. Одно направление — это промышленный район, с зонами действия промышленных предприятий 4. Два других направления сформированы на базе подачи тепла в селитебные части города 3, в городские кварталы 5, 6. Тепловая сеть состоит из транзитной части 7, магистральной части 8, распределительной части 9 и внутриквартальной части (не показана на схеме), присоединенной к центральным тепловым пунктам 10.

В зависимости от темпов застройки селитебной и промышленной частей города строительство тепловых сетей могло осуществляться очередями. Такие и другие схемы теплоснабжения любого города определялись в Генеральных схемах теплоснабжения, тесно связанными с генеральным планом развития города (промышленного центра).

На рис. 4 представлена расчетная схема для определения среднего радиуса теплоснабжения. Для этого все представленные на рис. 3 потребители тепла соединены с источником векторами. Каждый вектор имеет некоторую индивидуальную длину I_i и направление от источника к потребителю. Каждый потребитель имеет индивидуальную характеристику тепловой нагрузки Q. тепловой радиальный утилитарный

Данные о присоединенных тепловых нагрузках в рассматриваемой схеме теплоснабжения, расстояниях (векторах) от источника до каждого группового потребителя и моментах, вычисленных по формуле (3), приведены в таблице.

Данные о присоединенных потребителях (для определения среднего радиуса тепловой сети).

Из данных этой таблицы видно, что суммарная присоединенная к тепловым сетям нагрузка составляет Q?_умм=389 Гкал/ч, а суммарный момент (теоретический оборот тепла) при данном расположении тепловых потребителей относительно источника составляет Z_T=1445 Гкал. км/ч. Средний радиус теплоснабжения такой схемы может быть определен как результат деления теоретического оборота тепла на присоединенную нагрузку всех потребителей. В данной конкретной схеме средний радиус теплоснабжения составляет: R_ср=Z_T/Q?_умм= 1445/389=3,71 км. Максимальный фактический радиус теплоснабжения схемы определяется по самому удаленному вектору, т. е. равному 7,89 км (потребитель № 16).

Е.П. Шубиным был введен еще один удельный показатель: удельный оборот тепла на единицу длины тепловых сетей 2_ср (Гкал/ч), он определялся также просто:

По определению, удельный оборот тепла — отношение оборота тепла к суммарной длине всех векторов, соединяющих точки присоединения абонентов с источником системы теплоснабжения.

Все вышеприведенные величины характеризуют систему теплоснабжения без конкретно выбранной трассы тепловой сети и определяют только позицию источника теплоснабжения относительно планирующихся (или действующих абонентов). Если допустить, что выполнен выбор трассы тепловой сети и ее конфигурации, то можно также конкретизировать расчет оборота тепла, приняв в качестве длин, соединяющих источник теплоснабжения с конкретным потребителем, расстояние по трассе. Так как это расстояние всегда больше, чем вектор, то оборот тепла по конкретной трассе 7_с всегда больше теоретического оборота тепла Z_T. Безразмерное отношение этих двух значений оборотов тепла называется коэффициентом конфигурации тепловых сетей ч:

Значение этого коэффициента всегда больше единицы. Эта величина характеризует излишний транзит тепла в тепловых сетях, связанный с выбором трассы. Чем выше значение коэффициента конфигурации тепловой сети ч, тем, в известных пределах, больше материальная характеристика тепловой сети по сравнению с теоретически необходимым минимумом. Таким образом, этот коэффициент, в известной мере, характеризует правильность выбора трассы для радиальной тепловой сети без ее резервирования, и показывает насколько экономно проектировщик (с учетом всех возможных ограничений по геологическим и урбанистическим требованиям) выбрал трассу.

Обработка проектных данных (прежде всего, по схемам теплоснабжения) показала, что значения коэффициента конфигурации ч для реальных проектов небольших нерезервированных сетей колеблется в пределах 1,25+2,3, а значения порядка 1,2+1,25 уже близки к оптимальным, т. е. соответствующим минимальному значению удельной материальной характеристики тепловой сети. С другой стороны (если не считать необходимого резервирования), значения ч=1,4+1,5 свидетельствуют об излишнем транзите тепла в сетях и завышенной материальной характеристике.

Для городских тепловых сетей среднего и малого масштаба величины оборотов тепла Z_с колеблются в пределах 10⁴+ 4.10⁵ Гкал. м/ч, в крупных, например, таких как Москва, до 810⁶ Гкал. м/ч.

При этом радиус теплоснабжения (или отношение оборота тепла к суммарной расчетной тепловой нагрузке всех абонентов) структурируется в рамках следующих диапазонов:

¦ поселковые и внутриквартальные тепловые сети — до 250 м;

¦ сети распределительные межквартальные от 250 до 1000 м;

¦ сети магистральные (без значительного количества транзита) — от 1000 до 2500 м;

¦ сети транзитные (стволы выводов) — от 2,5 до 5 км.

Попытка определить аналитическое выражение для оптимального, предельного и экономического радиуса передачи тепла впервые была сделана в «Нормах по проектированию тепловых сетей», изданных в 1938 г. В разделе этого документа под названием «Технико-экономический расчет тепловых сетей» (автор методики Е.Я. Соколов) приведены основные аналитические соотношения и требования для определения оптимального радиуса действия тепловых сетей. Так было предписано при тепловом районировании крупных городов для определения числа и местоположения теплоэлектроцентралей и крупных котельных: «учитывать оптимальный радиус действия тепловых сетей, при котором удельные затраты на выработку и транспорт тепла от одной теплоэлектроцентрали являются минимальными».

Оптимальный радиус теплоснабжения предлагалось определять из условия минимума выражения для «удельных стоимостей сооружения тепловых сетей и источника»:

S=A+Z ->min (руб./Гкал/ч),(7)

где A — удельная стоимость сооружения тепловой сети, руб./Гкал/ч; Z — удельная стоимость сооружения котельной (ТЭЦ), руб./Гкал/ч Рекомендовалось использовать следующие аналитические выражения для связи себестоимости производства и транспорта теплоты с радиусом теплоснабжения (не средним, а максимальным радиусом):

где R — радиус действия тепловой сети (длина главной тепловой магистрали самого протяженного вывода от источника), км; B — среднее число абонентов на 1 км²; s — удельная стоимость материальной характеристики тепловой сети, руб./м²; П — теплоплотность района, Гкал/ч.км²; H — потеря напора на трение при транспорте теплоносителя по главной тепловой магистрали, м вод. ст.; Дф — расчетный перепад температур теплоносителя в тепловой сети, ^ОС; a — постоянная часть удельной начальной стоимости ТЭЦ, руб./МВт; ц — поправочный коэффициент, зависящий от постоянной части расходов на сооружение ТЭЦ.

Принимая во внимание формулы (7−9) и осуществляя элементарное дифференцирование по R с нахождением его оптимального значения при равенстве нулю его первой производной, автор получил аналитическое выражение для оптимального радиуса теплоснабжения в следующем виде, км:

Rопт=(140/s⁰,⁴).ц⁰,⁴.(1/B⁰,¹)(Дф/П)⁰,¹⁵.(10)

При этом предложено некоторое значение предельного радиуса действия тепловых сетей, которое определяется из соотношения, км:

где Rnp^ - предельный радиус действия тепловой сети, км; p — разница себестоимости тепла, выработанного на ТЭЦ и в индивидуальных котельных абонентов, руб./Гкал; C — переменная часть удельных эксплуатационных расходов на транспорт тепла, руб./Гкал; K — постоянная часть удельных эксплуатационных расходов на транспорт тепла при радиусе действия тепловой сети, равном 1 км, руб./Гкал. км.

При этом переменная часть удельных эксплуатационных расходов на транспорт тепла, руб./Гкал:

где Э — стоимость электроэнергии для перекачки теплоносителя по главной тепловой магистрали, руб./кВт.ч.

Постоянная часть удельных эксплуатационных расходов при радиусе действия сети, равном 1 км, руб./Гкал.км:

где a — доля годовых отчислений от стоимости сооружения тепловой сети на амортизацию, текущий и капитальный ремонты; n₁ — число часов использования максимума тепловой нагрузки, ч/год; о — себестоимость тепла, руб./Гкал.

Последняя величина (переменная часть удельных эксплуатационных расходов) учитывает стоимость сети, стоимость тепловых потерь и переменную часть стоимости обслуживания.

К сожалению, у всех этих формул есть один, но существенный недостаток. В своем большинстве это эмпирические соотношения, построенные не только на базе экономических представлений 1940;х гг., но и использующие для эмпирических соотношений действующие в то время ценовые индикаторы.

Альтернативой описанному полуэмпирическому методу анализа влияния радиуса теплоснабжения на необходимую валовую выручку транспорта теплоты является прямой метод расчета себестоимости, органично встроенный в обязательные в настоящее время для применения компьютерные модели тепловых сетей на базе различных ИГС платформ.