10

Размещено на http://www.allbest.ru/

100-летняя история и будущее теплофикации и централизованного теплоснабжения России

Экскурс в историю

Специалисты, стоявшие у истоков отечественной теплофикации, знают, что первая в России система централизованного теплоснабжения (ЦТ), в которой тепловая энергия отработавшего пара использовалась для теплоснабжения 13 корпусов детской больницы им. Раухфуса была создана в 1903 году в Санкт-Петербурге под руководством инж.А.К. Павловского и проф.В. В. Дмитриева.

По такой же схеме в 1908 г. было осуществлено теплоснабжение 37 корпусов больницы им. Петра Великого, а также создана теплофикационная система, использовавшая пар, отработавший в турбинах, для теплоснабжения зданий №№ 26-28 по Каменно-островскому проспекту. Причем турбина, установленная в подвальном помещении одного из указанных зданий, была демонтирована только в 60-х годах XX столетия.

Ранее датой рождения отечественной теплофикации считался 1924 г., когда от ГЭС-3 (ныне ТЭЦ им. Гинтера Ленэнерго) было осуществлено теплоснабжение дома № 96 на набережной реки Фонтанка и позднее - Казачьих бань и др. зданий.

Теплофикация и централизованное теплоснабжение на современном этапе

К настоящему времени теплофикация занимает весомое место в энергетическом комплексе страны. Более половины электрической мощности всех тепловых электростанций приходится на ТЭЦ общего пользования. Эти ТЭЦ производят свыше 30% всей электроэнергии в стране и покрывают треть спроса на тепловую энергию. 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.

Энергетическая стратегия 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 в жилищно-коммунальной сфере, доля децентрализованного теплоснабжения неизбежно возрастет. Особенно это касается городов и населенных пунктов с малой плотностью застройки, а также теплоэлектроснабжения зданий и предприятий малого и среднего бизнеса, коттеджной застройки, промышленных цехов, использующих для отопления газовое топливо.

Сохранение доминирующей роли теплофикации и централизованного теплоснабжения в обеспечении теплом 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 централизованного теплоснабжения во многих развитых странах мира.

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

На крупных теплоэнергетических установках (ТЭЦ, котельные) возможно организовать экологически чистое сжигание низкосортных видов топлива (например, 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.

Вместе с тем 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 этой области 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 тысяч км (в пересчете на двухтрубную прокладку). Неудовлетворительное состояние тепловых сетей приводит не только к высоким потерям при транспортировке теплоносителя, но и к их высокой повреждаемости. 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 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 пиковом режиме совместно с ТЭЦ, фактически работают круглогодично 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), а также связано с большими затратами на ремонт и восстановление оборудования, не рассчитанного на круглогодичное 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 наружных температур. Так при расчетной температуре теплоносителя 150°С, фактическая его температура на выходе из теплоисточника не превышает 95-110°С, и фактический отпуск тепла составляет всего 50-70% от требуемого.

Низка эффективность работы сотен тысяч мелких котельных, особенно на твердом топливе, разбросанных по всей стране. Коэффициент полезного действия таких котельных, 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 аварий на этих системах.

Велики сверхнормативные теплопотери зданий через наружные ограждающие конструкции. Обследования показали, что в некоторых недавно построенных домах коэффициенты теплопередачи через стены в 3 раза превышают нормативные.

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

Так как в периоды резких похолоданий системы централизованного теплоснабжения не в состоянии подать в отапливаемые помещения здания теплоноситель с требуемыми температурными параметрами, температура в них начинает снижаться, и при длительном сохранении низких температур, 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°С.

С целью стабилизации внутренней температуры при недостаточной подаче тепла из тепловой сети проживающими в здании людьми и персоналом, обслуживающим здание, проводится ряд мер, в результате которых происходят серьезные нарушения гидравлического режима тепловой сети, увеличивается нагрузка на системы электро-, газо- и водоснабжения, которые могут привести (и часто приводят) к аварийным ситуациям во всей инженерной инфраструктуре города.

Снижение кратности воздухообмена при герметизации оконных проемов, вредные газовыделения при работе газовых плит и др. ухудшают состояние воздушной сферы в помещениях, наносят вред здоровью людей.

Нельзя не отметить, что на ликвидацию последствий аварий государство затрачивает средства, размер которых во много раз превышает размеры муниципальных бюджетов на оплату услуг жилищно-коммунального хозяйства и бюджетной сферы. Но даже эти огромные затраты несопоставимы с тяжелыми социальными последствиями аварий в системах теплоснабжения.

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

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

Оптимизация централизованного теплоснабжения

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

резервирование тепловых сетей;

применение при реконструкции систем теплоснабжения энергосберегающих технологий, схемных решений, материалов и оборудования;

ориентация систем централизованного теплоснабжения на покрытие базовой тепловой нагрузки с максимальной температурой теплоносителя 100-110°С;

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 процессов производства, транспортировки, распределения и потребления тепловой энергии.

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

Применение энергосберегающих технологий, материалов и оборудования (утепление ограждающих конструкций зданий, переход от вертикальных однотрубных систем отопления к горизонтальным с поквартирным учетом тепла, установка квартирных водосчетиков 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.

При ориентации систем теплоснабжения на покрытие базовой тепловой нагрузки значительно сокращаются капитальные затраты на 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.

Строительство пиковых (локальных) источников тепла, максимально приближенных к системам теплопотребления, позволит при низких значениях температур наружного воздуха повышать температуру теплоносителя, поступающего из тепловой сети, до требуемых для отапливаемых помещений параметров. Дооснащение системы централизованного теплоснабжения пиковыми источниками резко повышает надежность (и это не менее 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. При профилактических отключениях теплоснабжения в летнее время здания, подключенные к пиковому источнику, будут стабильно снабжаться горячей водой.

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

теплофикация теплоснабжение электрическая энергия

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 5-10% от всего годового отпуска тепла, будут ничтожно малы (см. рис.).

Оптимизация теплофикации

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 неконкурентоспособными 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 работы котельных в режим когенерации.

Известно, что эффективность работы когенерационных установок тем выше, чем большее число часов в году электроэнергия

вырабатывается на базе теплового потребления. Круглогодичной тепловой нагрузкой в городах (без учета технологической нагрузки промышленных предприятий) является горячее водоснабжение. В связи с этим расчет мощности когенерационной установки на покрытие нагрузки горячего водоснабжения обеспечивает ее круглогодичную работу и, следовательно, наиболее эффективное 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 33-40 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 централизованным теплоснабжением. Поэтому создание АСУ является обязательным условием реконструкции системы теплоснабжения.

Об эффективности использования топлива