Метаморфозы теплофикации и пути совершенствования систем теплоснабжения городов

Метаморфозы теплофикации и пути совершенствования систем теплоснабжения городов

Д.т.н. А. И. Андрющенко, профессор СГТУ, г. Саратов Теплофикация городов, как их централизованное теплоснабжение от ТЭЦ, вырабатывающих комбинированным способом электрическую и тепловую энергии, находится в нашей стране в критическом состоянии. Идет массовый отказ от централизованного теплоснабжения на базе ТЭЦ и переход на децентрализованное теплоснабжение от домовых котельных и даже квартирных теплогенераторов [1, 2]. В то же самое время в передовых странах западной Европы теплофикация быстро развивается, вытесняя конденсационные электростанции (КЭС). Широко применяются мини-ТЭЦ и микро-ТЭЦ, также осуществляющие комбинированную выработку электроэнергии и теплоты, но уже в условиях децентрализованного теплоснабжения. Чем же объясняется то положение, когда в довоенные тридцатые, и многие послевоенные годы в СССР теплофикация городов на базе крупных ТЭЦ широко применялась и обеспечивала многомиллионную экономию органического топлива, а в последние два десятилетия переродилась в малоэффективную и в ряде случаев убыточную и ненадежную систему теплоснабжения городов.

Многие считают, что такое положение объясняется главным образом изношенностью оборудования ТЭЦ и тепловых сетей, большими тепловыми потерями в сетях и снижением теплового потребления промышленностью. Действительно, все это имеет место и значительно снижает эффективность теплофикации. Однако, нельзя на этом основании полагать, что ликвидация этих причин приведет традиционные теплофикационные системы к прежней их эффективности, как в экономии топлива, так и в низких тарифах на теплоту. Дело в том, что эффективность теплофикации зависит не только от технического состояния ТЭЦ, тепловых сетей и тепловых пунктов, но и от совершенства производства электроэнергии на КЭС, КПД отопительных котельных и ряда других факторов. Сочетание действий всего комплекса этих факторов в различные периоды применения теплофикации либо тормозило, либо форсировало ее развитие. Так, например, после Первой Мировой Войны и в 20-е годы прошлого века в Германии и других западных странах действующие КЭС преобразовывались в ТЭЦ, от которых осуществлялась теплофикация городов. Но уже в 30-х годах теплофикация в этих странах была заторможена. Более широко стало применяться теплоснабжение от центральных котельных.

Вместе с тем, теплофикация городов СССР в трудные довоенные годы активно осуществлялась. Этому способствовали, главным образом, следующие обстоятельства:

• · страна испытывала недостаток топлива, поскольку еще не были открыты мощные источники природного газа и нефти, а главным источником каменного угля был только Донбасс;
• · отопление жилых домов в большинстве случаев было печное с КПД, не достигающим 30%; с низким КПД работали и домовые котельные, загрязняющие города вредными выбросами;
• · для эксплуатации местных котельных требовалось очень много сезонного персонала. Так, по действовавшим в то время нормам в каждой смене в котельной должны были работать не менее 2-х чел., что с учетом должностей слесарей и мастера на одну котельную нужно было содержать 10−12 чел.;
• · теплофикация высвобождала сотни тысяч рабочих, так необходимых в тот период нашей стране;
• · строительство ТЭЦ и тепловых сетей производилось за счет государства, что не включалось в тарифы на тепловую энергию, и было выгодно для потребителей тепла;
• · большое значение имело и стремление создать «социалистические города» с улучшенными условиями проживания трудящихся.

В тот же период времени в капиталистических странах Запада были другие условия, отрицательно влияющие на применение теплофикации.

Главные из них следующие:

• · в городах успешно работали механизированные домовые котельные с относительно высоким КПД, а стоимость топлива была еще невысокой. Соответственно, окупаемость капиталовложений в строительство отопительных ТЭЦ и магистральных сетей была недостаточной;
• · особенное влияние оказывала высокая оплата городской земли, используемой для прокладки тепловых сетей. В Советском Союзе городская земля предоставлялась бесплатно;
• · существование в этот период большой безработицы, не позволяющей уменьшать число рабочих мест.

И вот прошли годы, большинство стран запада перешли в постиндустриальный период, многое изменилось в их экономике, неотложной стала проблема улучшения экологического состояния городов. В этот период были открыты и освоены громадные месторождения природного газа, наличие которого позволило создавать высокоэкономичные теплоэнергетические установки ТЭЦ и КЭС, особенно на парогазовой основе. Создаваемые в последние десятилетия ПГУ-ТЭЦ позволили увеличить удельную выработку электроэнергии на тепловом потреблении в 2 раза, по сравнению с действующими паротурбинными ТЭЦ, что значительно увеличивает экономию топлива от теплофикации. Но она значительно снижается от повышения экономичности раздельной выработки энергии на КЭС и теплоты в индивидуальных автоматизированных теплоисточниках на природном газе. Стало очевидным, что традиционные теплофикационные системы не могут в новых условиях обеспечить необходимую экономию топлива и окупить громадные капитальные затраты в строительство таких систем. Только их модернизация и применение новых способов комбинирования может восстановить прежнюю экономичность теплофикации. Именно так поступают Германия, Дания и другие страны Запада, создавая новые системы с более высокой топливной и общеэкономической эффективностью. Прежде всего, снижены в несколько раз тепловые потери и утечки воды в тепловых сетях, путем применения трубопроводов с внешними и внутренними антикоррозионными покрытиями, увеличивающими их реальный срок службы в 3−5 раз и не требующих канальной прокладки. Применяется новая, высокоэффективная пенополиуретановая изоляция труб, уменьшающая в несколько раз тепловые потери в магистральных сетях. Улучшена тепловая изоляция отапливаемых зданий, что позволило снизить температуру воды в отопительных радиаторах с 95 до 75 ОС. Это позволило в конечном итоге использовать отборный пар более низкого давления и увеличить удельную выработку электроэнергии на тепловом потреблении. Стали широко применяться мини-ТЭЦ на базе ГТУ и двигателей внутреннего сгорания (ДВС), размещаемые непосредственно у тепловых потребителей. Применяя их в комбинации с ТЭЦ большой мощности, можно нагревать сетевую воду на ТЭЦ до 80−90 ОС, а затем догревать на мини-ТЭЦ [3]. Таким путем значительно увеличивается теплофикационная выработка электроэнергии в системе, и уменьшаются тепловые потери в сетях. Снижается и расход электроэнергии на перекачку сетевой воды, поскольку не требуется держать высоким ее давление в сети из-за опасности вскипания в высоких точках города.

Совершенно другие изменения произошли в последние 10−15 лет в нашей стране. Происходящая перестройка плановой системы народного хозяйства в систему с рыночной экономикой, привели к всеобщему экономическому кризису. Промышленное производство уменьшилось более чем в 2 раза, снизился жизненный уровень населения, появилась безработица и неуплата населением подорожавшей электрической энергии и теплоты. Разваливается коммунальное хозяйство городов. Практикуемое «веерное» отключение электроэнергии, производимое за ее неуплату, часто приводит к «размораживанию» отопительных систем и тепловых сетей. Более того, в этих условиях плата за потребляемую теплоту от ТЭЦ стала больше в 2−3 раза, чем ее себестоимость при теплоснабжении от собственных теплоисточников потребителей. Массовому отказу от теплофикации вновь строящихся жилых зданий также способствует потребность громадных инвестиций, для строительства ТЭЦ и тепловых сетей. При децентрализованном теплоснабжении их надо намного меньше. Надо также учитывать, что высокая плата за теплоту от ТЭЦ объясняется и отсутствием у большинства потребителей теплосчетчиков, что позволяет поставщикам теплоты завышать ее расход. Важным фактором, приводящим к значительному увеличению оплаты за теплоту, является и ошибочная система ее тарификации, в которой не соблюдается важный экономический принцип, заключающийся в обязательности получения экономического эффекта всеми участниками общего предприятия и потребителями. Такой ошибки не допускается, например, в Германии [4], где тарифы на тепловую энергию рассчитываются из условия получения теплопотребителями определенной экономии средств, по сравнению с теплоснабжением от собственной котельной. Если при этом тариф на отпускаемую электроэнергию (рассчитанный по остаточному принципу) превышает допустимую величину, такая ТЭЦ не строится, а действующая ликвидируется. Использование такого метода тарификации привлекает тепловых потребителей к теплоснабжению от ТЭЦ и увеличивает суммарный экономический эффект от теплофикации. Действующая же в нашей стране система тарификации уничтожает теплофикацию. При этом массовый переход на децентрализованное теплоснабжение поддерживается многими местными и центральными органами власти, поскольку это позволяет не только уменьшить потребные инвестиции, но и уменьшить количество сжигаемого природного газа в городах. Последнее объясняется тем, что при комбинированной выработке теплоты, несмотря на экономию топлива в системе энергоснабжения, расход топлива в городе значительно увеличивается [5]. Например, при сооружении ПГУ ТЭЦ вместо отопительных котельных количество сжигаемого в черте города топлива увеличивается в 1,5−2 раза. В связи с этим, для улучшения экологического состояния городов отопительные ТЭЦ необходимо выносить далеко за город, т. е. нужно переходить на дальнее низкотемпературное теплоснабжение [5]. В этом случае не только уменьшится расход природного газа в городе, но и появится возможность перевода ТЭЦ на сжигание твердого, в том числе местного топлива. Однако, классическое, дальнее высокотемпературное теплоснабжение, строительство которого в СССР пытались осуществить еще в 50-е годы [6], является нецелесообразным, поскольку в этом случае удельная выработка электроэнергии (определяющая экономию топлива) на таких ТЭЦ оказывается намного меньшей, чем в городских ТЭЦ, а тепловые потери в сетях и расход электроэнергии на перекачку воды намного больше. Если же на загородных ТЭЦ нагревать сетевую воду только для горячего водоснабжения, т. е. до температуры 70−80 ОС круглогодично, экономия топлива оказывается близкой к городским ТЭЦ [7]. Всю отопительную нагрузку города в этой системе нужно покрывать от местных теплоисточников. Таким образом, отопление будет децентрализованным и сезонным, а горячее водоснабжение — централизованное, круглогодичное. Также требуется соответствующая модернизация имеющихся во многих городах относительно крупных районных котельных с паровыми и водогрейными котлами, осуществляющих сейчас централизованное теплоснабжение, без комбинированной выработки электроэнергии. В прежние времена, когда КПД местных котельных был весьма низок, такая централизация теплоснабжения создавала значительную экономию топлива. В настоящее время, когда местные автоматизированные теплогенераторы имеют КПД, близкий к 95%, такая централизация теплоснабжения вызывает обратный эффект. К тому же перерасход топлива, вызываемый тепловыми потерями в сетях и отапливаемых зданиях, здесь оказывается относительно большим, чем при теплоснабжении от ТЭЦ [8]. Последнее объясняется тем, что указанные потери вызывают на ТЭЦ увеличение комбинированной выработки электроэнергии, уменьшают ее конденсационную выработку и потери в конденсаторах. Вместе с тем, эти котельные не следует демонтировать, они могут обеспечить значительную экономию в системе энергоснабжения города, если их надстроить соответствующими паровыми или газовыми турбинами и включить в совместную работу с загородными или с городскими ТЭЦ [9]. Создание таким путем малых ТЭЦ с паровыми турбинами типа Р-6 и Р-12 или базовыми турбинами типа ГТ-12 и ГТ-16 требует на 35−55% меньше капиталовложений [10], чем стандартные паротурбинные ТЭЦ. Котельные установки малой производительности могут также надстраиваться поршневыми ДВС, имеющими при мощностях ниже 500−800 кВт намного больший КПД, чем ГТУ. Однако, целесообразность таких надстроек должна каждый раз определяться с учетом экологических факторов.

В настоящее время, когда многие действующие ТЭЦ выработали свой ресурс, а их устаревшие энергоблоки должны демонтироваться, существует весьма тяжелая проблема: что делать с такими ТЭЦ? Самым распространенным мнением является переоборудование их в парогазовые ТЭЦ, либо путем замены всех блоков на новые бинарные ПГУ, либо надстройкой существующих паровых турбин газовыми, с заменой их котлов на котлы-утилизаторы, или без такой замены. Однако, каждый из этих вариантов имеет свои недостатки. Общий для всех вариантов недостаток заключается в увеличении количества сжигаемого топлива внутри города, при том, что это может вызвать большие затраты на снижение вредных выбросов других объектов города, для уменьшения общего ПДК в городе до установленного предела.

В условиях, когда вложение больших средств на парогазовую реконструкцию городских ТЭЦ оказывается невозможным, требуются более простые решения с малыми капиталовложениями, приводящие к уменьшению количества сжигаемого в городе природного газа. Этого можно достигнуть, если отказаться от покрытия отопительной нагрузки этими ТЭЦ и перевести их только на нагрев воды для горячего водоснабжения. В этом случае отопление зданий нужно перенести на местные котельные, работающие сезонно. Подключая к ТЭЦ новых потребителей горячей воды, можно в 1,5 раза увеличить комбинированную выработку теплоты на ТЭЦ. Учитывая, что в течение года тепловая нагрузка ТЭЦ будет изменяться очень мало, можно ее турбины превратить в противодавленческие с давлением отработавшего пара 20 кПа и отборным 40 кПа. При этом выработка электроэнергии на тепловом потреблении ТЭЦ увеличится в 2 раза. В этом случае, имеющиеся пиковые котлы ТЭЦ можно использовать для отопления близлежащих объектов.

При полном износе основного энергооборудования модернизируемой ТЭЦ весьма целесообразной может быть его замена простейшими газовыми турбинами. Учитывая, что такие ГТУ будут работать почти всегда на полную мощность (с остановкой на ночь), их КПД будет относительно высоким, при активном участии в покрытии графика электрической нагрузки [9]. Наиболее худшим, с точки зрения экономии топлива, однако, требующим наименьших инвестиций, является превращение устаревших ТЭЦ в районные котельные, обеспечивающие теплоснабжение города. Более эффективным является использование этих котельных только для горячего водоснабжения при замене двухтрубной тепловой сети однотрубной сетью с дешевыми пластмассовыми трубами, не подвергающимися коррозии.

В рекомендуемой здесь модернизации, теплофикация в настоящее время и в обозримой перспективе будет оставаться весьма эффективной. Согласно проведенных нами специальных расчетов даже при КПД конденсационной выработки электроэнергии 60% и КПД местных теплогенераторов 95%, комбинированная выработка тепловой и электрической энергии на ТЭЦ может обеспечить свыше 25% экономии топлива при допустимых капиталовложениях. Наибольший экономический эффект можно получить при сочетании последовательного и параллельного нагрева сетевой воды на ТЭЦ, мини-ТЭЦ и в местных котельных.

Большим резервом для экономии органического топлива является возможность использования в системах теплофикации городов теплоты отработавшего и отборного пара загородных КЭС и АЭС, а также тепловые выбросы крупных предприятий. Там, где это экономически выгодно, следует применять тепловые насосы для использования теплоты природных низкотемпературных источников.

Изложенное выше показывает, что применение только централизованной или только децентрализованной системы теплоснабжения, как правило, не целесообразно. Каждая из этих систем имеет свои области применения. Наибольший эффект можно получить в условиях России при оптимальном сочетании этих систем.

Выводы

теплофикация город тарификация теплоснабжение При соответствующей модернизации тепловых сетей, замены устаревшего оборудования ТЭЦ новым с высокой удельной выработкой электроэнергии на тепловом потреблении, теплофикация может обеспечить экономию топлива свыше 25% при допустимых капиталовложениях.

Для достижения максимального экономического эффекта от теплофикации надо находить в каждом случае оптимальное сочетание крупных ТЭЦ, мини-ТЭЦ и местных теплогенераторов, добиваться максимальной комбинированной выработки электроэнергии на загородных ТЭЦ.

Нужно отказаться от действующей в нашей стране системы тарификации тепловой энергии, тормозящей развитие теплофикации и приводящей к перерасходу топлива; использовать в тарификации совместно вырабатываемой электрической и тепловой энергии на ТЭЦ полезный опыт Германии.

Для увеличения экономии топлива (и в первую очередь природного газа) требуется неотложное использование тепловых отходов и выбросов промышленных предприятий в теплоснабжении городов, а также теплоты природных источников с помощью ТНУ.

Устаревшие ТЭЦ, расположенные внутри городов, целесообразно переводить на централизованный подогрев воды для горячего водоснабжения с заменой стальных двухтрубных тепловых сетей на пластмассовые однотрубные сети.

• 1. «100 лет теплофикации и централизованному теплоснабжению в России» /Сб. статей под ред. В. Г. Семенова. Изд-во: Новости теплоснабжения. М.: 2003. — 246 с.
• 2. Зингер Н. М., БелевичА.И. Развитие теплофикации в России // Электрические станции. — 1999. — № 10. -С. 2−8.
• 3. Андрющенко А. И. Комбинированные системы энергоснабжения // Теплоэнергетика. — 1997. — № 5. — С. 2−6.
• 4. Хрилев Л. С., Малофеев В. А., Харламов А. А., Лившиц И. Я. Сравнительная оценка отечественных и зарубежных методов разделения расхода топлива в формировании тарифов на ТЭЦ // Теплоэнергетика. — 2003. -№ 4. — С. 45−54.
• 5. Андрющенко А. И. Пути сокращения расхода природногогаза в системах теплоэнергоснабжения городов // Изв.вузов. Проблемы энергетики. -2001. -№ 9−10. -С. 4−52.
• 6. Пакшвер В. Б. Дальнее теплоснабжение городов // Заэкономию топлива. — 1949. — № 11. — С. 26−30.
• 7. Андрющенко А. И. Возможности повышения эффективности централизованного теплоснабжения городов // Промышленная энергетика. — 2002. — № 6. — С. 15−18.
• 8. Андрющенко А. И., Николаев Ю. Е., Семенов Б. А. ГордеевА.Г. Принципы создания высокоэкономичных системцентрализованного теплоснабжения // Промышленнаяэнергетика. — 2003. — № 5. — С. 8−12.
• 9. Андрющенко А. И. Экономическая эффективность модернизации городских систем теплоснабжения // Промышленная энергетика. — 1998. — № 12. — С. 41−43.
• 10. Ковылянский Я. А. Развитие теплофикации в России всреднесрочной перспективе // Электрические станции.- 1999. -№ 10. -С. 9−12.