Аннотация. 
Математическая модель оптимизации системы теплоснабжения

В работе дается краткий анализ современного состояния системы централизованного теплоснабжения России, и формулируются основные проблемы, стоящие перед реорганизацией отрасли. С целью выявления преимуществ и недостатков различных решений по оптимизации работы ТЭЦ строится математическая модель, позволяющая анализировать рынок тепла и качество предоставляемых услуг потребителю.

Состояние теплоэнергетики в России

В настоящей работе рассматривается актуальная в настоящее время задача оптимизации теплоснабжения населения и промышленных предприятий в свете реорганизации РАО «ЕЭС России», а также проблема описания рынка тепла, образующегося в процессе создания территориальных генерирующих компаний (ТГК) на базе ТЭЦ. Мы сформулируем модель, на основе которой можно давать рекомендации по отпускным тарифам на тепло для ТЭЦ и проводить анализ рынка тепла в отдельно взятом регионе. Мы будем исследовать именно вопрос об оптимизации теплофикации, т. е. о совместной выработке тепла и электроэнергии на ТЭЦ, оставляя в стороне проблемы котельных, конденсационных электростанций (КЭС) и других энергетических систем (ЭС). Наше исследование мы предварим кратким анализом состояния дел в системе теплоснабжения, чтобы стали ясны как необходимые перемены в отрасли, так и методы решения основных проблем.

Сегодня в России комбинированное производство электроэнергии и тепла осуществляется в основном на крупных ТЭЦ общего пользования и на промышленных ТЭЦ, работающих в составе промышленных предприятий с частичным отпуском тепла в городские тепловые сети. По данным Госкомстата [1] суммарная установленная мощность всех электростанций России составляет 213,3 ГВт. В результате физического износа располагаемая мощность электростанций общего пользования (установленная мощность минус мощности, не способные к несению нагрузки) составляет сегодня 163,5 ГВт, а используемая мощность — только 140,0 ГВт.

В России действуют 163 тепловых электростанции, из которых 124 составляют ТЭЦ с давлением пара 9 МПа и более, суммарная мощность последних — 54,8 ГВт (эл). Эти ТЭЦ имеют следующее распределение по мощностям:

Таблица 1. Распределение ТЭЦ по установленным мощностям.

Крупные теплофикационные системы на базе ТЭЦ общего пользования построены и функционируют в основном в городах с расчетной тепловой нагрузкой более 500 Гкал/ч или 580 МВт (тепловых). Их доля в суммарной тепловой мощности всех источников тепла составляет около 70%. В то же время в связи с ростом тарифов, а также перебоями в поставках тепла увеличивается доля индивидуальных энергоустановок, что приводит к падению спроса на тепло от ТЭЦ и, следовательно, к росту расхода топлива на производство электроэнергии. Подавляющее большинство городов в России (76%) имеет тепловую нагрузку менее 100 Гкал/час, что составляет, однако, только 12% от суммарной тепловой нагрузки. В то же время 50% нагрузки забирают всего 3% городов (это крупнейшие промышленные центры). Это означает, что стратегии реорганизации теплоснабжения должны учитывать эту неоднородность в структуре потребления тепла, т. е. необходимо рассматривать несколько рабочих вариантов стратегий в зависимости от региональной специфики.

В общей сложности крупными ТЭЦ вырабатывается около 1,5 млн. Гкал в год, из них 47,5% на твёрдом топливе, 40,7% на газе и 11,8% на жидком топливе. Около 600млн. Гкал тепла в год производят также 68 тыс. коммунальных котельных. Важно отметить значительную региональную неоднородность в использовании первичных ТЭР. В целом по типу потребляемого топлива можно выделить две различающихся области: Европейскую часть России и Сибирь и Дальний Восток.

Таблица 2. Потребление топлива в электроэнергетике, млн. т у.т. (1 т у.т. = 29ГДж) и в % по региону.

В России эксплуатируются крупнейшие в мире системы транспорта и распределения тепловой энергии. Протяженность магистральных сетей (к ним относятся трубопроводы диаметром от 300 до 1400 мм), подключенных к источникам тепла АО-энерго и АО-ГРЭС, составляют около 23 тысяч км. Протяженность распределительных тепловых сетей составляет около 250 тысяч км, средний диаметр трубопроводов — 150 мм.

Основных потребителей тепла у нас два: это ЖКХ (около 50%) и промышленность (30%). Напротив, потребление электроэнергии на 50% происходит в промышленном секторе, поэтому развитие промышленности было бы наилучшим вариантом и для улучшения положения в сфере теплофикации. Стратегии реорганизации должны предусматривать такую возможность и не являться непроизвольным тормозом развития промышленности. Немаловажным в этой связи является выработка оптимальной тарифной политики.

Главная проблема российской энергетики — это высокая степень износа основных фондов и отсутствие инвестиций на их модернизацию. Кроме того, существуют трудности, специфические для отдельных отраслей ТЭК. В частности, основные проблемы централизованного теплоснабжения на базе ТЭЦ на современном этапе состоят в следующем:

• 1. Комбинированное производство электрической и тепловой энергии внедрялось ранее без учета реальной стоимости тепла для подключаемых потребителей. Для обеспечения спроса на тепло строились ТЭЦ с крупными теплофикационными агрегатами мощностью 50−250 МВт, которые после наступившего промышленного спада потеряли оптимальную тепловую нагрузку и существенно ухудшили свои затратные характеристики.
• 2. Теплосетевая инфраструктура в системах централизованного теплоснабжения городов развита слабо: ТЭЦ АО-энерго и районные котельные работают в основном изолированно друг от друга, что не позволяет минимизировать затраты топлива за счет оптимизации состава источников теплоснабжения, а также снизить экологический ущерб.
• 3. Недостаток инвестиций в теплосетевое строительство привел к развитию политики минимизации затрат, т. е. строились дешевые, но малонадежные теплопроводы. В настоящее время высокий процент износа труб и большие потери тепла сводят на нет возможную оптимизацию расхода топлива на ТЭЦ. Согласно сводным данным по объектам теплоснабжения процент их износа оценивается в 60−70%.
• 4. При строительстве теплопотребляющих объектов также практиковались простейшие, но неэффективные решения: отопительные системы не имеют средств регулирования внутри зданий, которые присоединяются к отопительным сетям без теплообменников; практически отсутствуют средства измерения и автоматического регулирования потребления тепла в индивидуальных тепловых пунктах; в половине городов России теплоснабжение осуществляется по открытой схеме, с отбором сетевой воды для нужд горячего водоснабжения (ГВС).
• 5. Перерасход тепла потребителями как вследствие неудовлетворительного состояния зданий, так и в результате того, что эксплуатация отопительных систем производится не в соответствии с нормативными документами.

Резюмируя эти трудности, приходим к выводу, что экономический кризис и изменение структуры экономики привели к потере тепловой нагрузки у ТЭЦ, что повлекло за собой сокращение доходов от продажи тепла и сделало генерацию электроэнергии местами убыточной в силу роста удельных издержек электроснабжения. В этом случае промышленным предприятиям становится выгодно иметь свой собственный источник теплоснабжения средней мощности, что стимулирует развитие экономичных технологий выработки тепла, хотя удельный расход топлива на этих агрегатах все же несколько выше, чем для ТЭЦ в оптимальном режиме работы. Снижение надежности централизованного теплоснабжения также приводит к росту затрат и снижает эффективность работы ТЭЦ.

С целью повышения привлекательности выработки тепла на ТЭЦ в методике оценки эффективности работы в 1996 г было введено разделение учета затрат топлива на выработку тепла и электроэнергии (т.н. метод ОРГРЭС [2]). Это привело к снижению эффективности комбинированной выработки по физическим критериям, и в то же время не решило проблемы экономичности поставок тепла от ТЭЦ. Принятые меры в части совершенствования распределения затрат топлива на ТЭЦ оказались недостаточными вследствие ряда причин: увеличение тарифов на тепло для предприятий в целях обеспечения льготных тарифов коммунально-бытовым потребителям и значительные потери энергии в тепловых сетях привели к тому, что ожидаемых результатов достигнуто не было. Влияние перечисленных причин оказалось сопоставимым с полученным снижением удельных расходов топлива на отпускаемую от ТЭЦ тепловую энергию.

Проводимая сегодня реорганизация отрасли должна обеспечить создание благоприятных условий для создания единой системообразующей тепловой сети региона, позволяющей оптимизировать нагрузку теплоисточников, закрытие неэффективных котельных и ТЭЦ с передачей их тепловой нагрузки другим ТЭЦ, а также получения эффекта интеграции ТЭЦ в рамках крупных межрегиональных теплофикационных компаний. Основные направления политики экономического регулирования ТЭЦ состоят в следующем:

• 1. Государственная поддержка развития теплофикации путем целенаправленной налоговой, кредитной и тарифной политики с целью повышения экономичности теплоснабжения и снижения экологической нагрузки на окружающую среду.
• 2. Методика разнесения затрат при регулировании тарифов ТЭЦ на тепловую и электроэнергию.
• 3. Применение льготных стимулирующих тарифов для крупных потребителей тепла, удерживающих их от перехода к альтернативному источнику теплоснабжения.
• 4. Переход от перекрестного субсидирования к бюджетному финансированию субсидий.
• 5. Установление нормативного тарифа, в рамках которого ТЭЦ имеют право устанавливать тариф самостоятельно, либо на основе стоимости тепла на наиболее эффективных котельных, либо из оценки рынка электроэнергии, либо исходя из действующих тарифов с поправкой на ликвидацию перекрестного субсидирования.
• 6. Включение инвестиционной составляющей в теплосетевом тарифе на модернизацию тепловых сетей.

Возможны две различных стратегии реструктуризации сферы централизованного теплоснабжения:

• 1. С позиции целесообразности создания рынка теплоснабжения. Для создания конкурентной среды все теплоисточники, присоединенные к одной теплосети, должны принадлежать разным юридическим лицам, а для обеспечения технологической и коммерческой диспетчеризации должен быть создан независимый оператор тепловой сети. Сами теплосети, таким образом, отделяются от производства теплоэнергии.
• 2. С позиции поддержания надежности и снижения рисков. Т.к. для сохранения бизнеса теплоцентралей и их устойчивого развития необходим контроль собственника теплогенерации над бизнесом теплосетевой компании, то теплосети и генерирующие компании должны быть объединены в одно юридическое лицо.

В зависимости от конкретных условий (наличия или отсутствия конкуренции с муниципальными котельными, возможности замещения тепла крупными потребителями за счет создания собственных мини-ТЭЦ и т. д.) возможны следующие варианты реорганизации работы ТЭЦ:

• 1. Создается вертикально-интегрированная теплоснабжающая компания на базе ТЭЦ с полной интеграцией муниципального теплового хозяйства. В ее состав входят собственно ТЭЦ, первичная и вторичная теплосети, электрическая сеть, промышленные паропроводы.
• 2. Совместно с муниципальными органами власти создается вертикально-интегрированная компания (теплосбытовое предприятие), обеспечивающая генерацию, транспорт и сбыт тепла конечному потребителю.
• 3. Муниципализация ТЭЦ, т. е. продажа ТЭЦ и тепловых сетей в муниципальную собственность или передача их в аренду.
• 4. Интеграция теплового бизнеса ТЭЦ с бизнесом стратегического потребителя тепла (например, наиболее крупного промышленного предприятия) и образование совместного предприятия.
• 5. Укрупнение генерирующих мощностей ТЭЦ соседних региональных энергосистем в рамках единой межрегиональной теплофикационной компании. Это приведет к диверсификации спроса на тепловую энергию, экономии общих затрат, повышению инвестиционной привлекательности в силу большего объема обслуживаемого рынка, снижению рисков переходного периода.

Конкретный выбор наиболее рациональной стратегии должен осуществляться на основе анализа дополнительных факторов:

• — величины и плотности тепловой нагрузки;
• — размеров и степени износа тепловой сети;
• — используемой технологии комбинированной выработки энергии;
• — соотношения между тепловой и электрической мощностью станции;
• — наличия резервов мощностей на ТЭЦ;
• — возможности переоборудования и замены агрегатов ТЭЦ.

Критерии отбора стратегий по реформированию и повышению эффективности работы ТЭЦ образуют следующую иерархию (по убыванию значимости):

• 1. Поддержание необходимого режима теплоснабжения в коммунально-бытовом секторе.
• 2. Положительная рентабельность образованной компании.
• 3. Оптимизация расхода топлива с учетом потерь тепла и электроэнергии при передаче их потребителю.