Системы теплоснабжения. Выбор оптимальных направлений развития

Размещено на http://www.allbest.ru/

Системы теплоснабжения. Выбор оптимальных направлений развития

С.И. Пасичко, директор; Е.А.Халецкая, главный инженер, ОПП «Полтаватеплоэнерго»; к.т.н. А.Г. Колиенко, доцент НТУ имени Ю. Кондратюка

Согласно письму Госстроя Украины от 21.03.02 №3/12-72 «...принятие некомпетентных решений при строительстве источников тепла и инженерных сетей еще больше заостряет проблему эффективного использования топливно-энергетических ресурсов, ухудшает условия предоставления коммунальных услуг населению и другим потребителям».

Анализ систем теплоснабжения

Современный уровень производства котлов, систем автоматизации, трубопроводов для тепловых сетей, нормативная база и состояние дел с потреблением энергоносителей дают возможность развития различных систем теплоснабжения.

При использовании традиционных энергоносителей одним из основных параметров систем является величина тепловой мощности источника теплоты и степень децентрализации системы. Выбор системы остается за потребителем тепловой энергии и зависит от многих факторов. Но оптимальность принятой схемы определяется более общими критериями, в том числе, эффективностью работы всей системы, задействованной в коммунально-энергетическом хозяйстве населенного пункта.

В связи с этим выбор систем теплоснабжения необходимо проводить на основании приоритетных направлений развития схем теплового хозяйства населенных пунктов, которые зависят от их инфраструктуры и должны определяться научно-техническим и экономическим обоснованием.

В последнее время автономные и местные системы теплоснабжения приобрели большую популярность. Их внедрению часто придают значение одного из основных средств энергосбережения или даже приоритетного направления развития систем теплоснабжения.

Такой подход, на наш взгляд, не всегда соответствует действительности и требует более внимательного, многостороннего анализа.

Анализ эффективности работы систем теплоснабжения в этой статье выполнен на примере областного производственного предприятия «Полтаватеплоэнерго».

В зависимости от тепловой мощности источника теплоты системы теплоснабжения можно классифицировать по следующим категориям:

централизованные больше 20 Гкал/ч;

умеренно централизованные от 3 до 20 Гкал/ч;

децентрализованные от 1 до 3 Гкал/ч;

автономные от 0,1 до 1 Гкал/ч;

местные (поквартирные) до 0,1 Гкал/ч.

На диаграмме рис. 1 представлена структура существующей системы теплоснабжения г. Полтавы согласно указанной классификации.

Таким образом, значительная часть (до 28 %) существующих систем ОПП «Полтаватеплоэнерго» относится к категории децентрализованных, так как их мощность не превышает 3 Гкал/ч. Приоритетное развитие именно таких систем предполагается государственными программами децентрализации теплоснабжения, нормативными и законодательными документами.

Значительна доля и умеренно централизованных систем (до 58%), для которых известные проблемы больших централизованных систем не являются характерными.

Количество централизованных систем в области не превышает 14%. Они обеспечивают теплотой бытовых потребителей в существующей многоэтажной зоне застройки.

Учитывая приведенную классификацию можно утверждать, что большинство потребителей в городе получают теплоту от децентрализованных и умеренно централизованных систем теплоснабжения.

Главным аргументом приверженцев автономных систем являются повышенные потери теплоты в существующих тепловых сетях и котельных, что оценивается в 40 - 50% от выработанного тепла. При этом потери тепла у потребителя полностью игнорируются и рассматриваются как «полезное тепло».

Расчеты показывают практическую и теоретическую невозможность таких значительных потерь теплоты в тепловой сети. Так, например, 20% потерь теплоты при диаметре трубопроводов 500 мм и их суммарной длине в 4000 м эквивалентно количеству теплоты 7,57 МВт. При значении коэффициента теплоотдачи Ь до 10 Вт/(м2 .ОС) такие потери теплоты возможны только в том случае, если трубы тепловой сети с температурой стенки + 95 ОС на протяжении всего отопительного периода будут находиться без изоляции в наружном воздухе при температуре - 40 ОС.

Учитывая, что тепловые сети имеют канальную прокладку под землей, а средняя температура наружного воздуха отопительного периода составляет только -1,9 ОС, становится очевидной недостоверность указанной цифры потерь.

Если считать, что такие потери теплоты происходят вследствие вытекания воды, то это означает, что с dу = 500 мм тепловой сети длиной 2000 м вытекает за 1 ч Уд часть воды, что составляет 76 т воды с температурой + 95 ОС. За сутки утечка воды составляет 1832 т. Абсурдность такой ситуации также не вызывает сомнений.

Аналогичные выводы сделаны также в материалах энергообследования систем теплоснабжения в Украине специалистами Энергетического центра ЕС [1,2]. Потери теплоты изолированной трубой тепловых сетей оцениваются величиной, которая не превышает 7%. При этом указывается, что «... мнение многих людей о значительных потерях в тепловой сети не соответствует действительности».

Одной из основных причин ошибочных представлений о значительных потерях теплоты в тепловых сетях является перенесение проблем больших централизованных систем теплоснабжения от мощных ТЭЦ с протяженными многокилометровыми тепловыми сетями на преобладающие в современном областном теплоснабжении децентрализованные и умеренно централизованные системы мощностью до 3 - 10 Гкал/ч.

Результаты обследования существующих тепловых сетей показывают, что потери теплоты при длине трассы до 1000 м не превышают 4 %, а при длине до 2500 м - не больше 12,5%.

При использовании предварительно изолированной трубы потери теплоты при длине трассы до 2500 м не превышают 5 - 8%.

Другой составляющей потерь теплоты в существующих системах теплоснабжения называют, как правило, отсутствие систем автоматического отпуска теплоты и невозможность реализации режима отпуска теплоты пропусками в нерабочее время для коммунальных потребителей и государственных учреждений. Но это не совсем соответствует действительности, так как внедрение автоматических систем регулирования и отпуска теплоты одинаково возможно и эффективно как для существующих систем теплоснабжения, так и для автономных систем.

По результатам исследований и опыта работы ОПП «Полтаватеплоэнерго» распределение потерь теплоты имеет следующий вид (табл. 1).

Согласно исследованиям, выполненным рядом авторов [1,2], а также обследованиям существующих систем теплоснабжения с неконденсационными котлами потери теплоты в системе теплоснабжения от котельной до потребителя распределяются согласно графику на рис. 2.

Из рис. 2 видно, что величина потенциала энергосбережения в существующих системах коммунально-бытового теплоснабжения составляет 53 % от уровня вырабатываемой теплоты. Это часть теплоты, которая может быть реально сэкономлена в существующих системах теплоснабжения. Наибольшая ее часть (до 48 %), дающая весомую экономию теплоты и топлива, находится у потребителя. Количество теплоты, которую можно реально сэкономить при ее генерации теплоты, составляет 1,5%, а при транспортировании - 3,5%.

Анализируя вышесказанное, можно сделать следующие выводы:

? при переходе на автономные источники теплоты основная часть расхода теплоты (у потребителя) составляет до 83% от общего теплопотребления в системе теплоснабжения и остается без изменения. Расход определяет эффективность работы источников теплоты как при существующем, так и при автономном теплоснабжении;

? вследствие более длинных тепловых сетей в существующих системах теплоснабжения, по сравнению с автономными, потери теплоты в тепловых сетях существующих систем теплоснабжения будут на 3,5 -5 % больше.

автономизация систем теплоснабжения не исключает необходимость в прокладке тепловых сетей. Это объясняется ограничением тепловой мощности одного теплогенератора величиной 200 кВт, что недостаточно даже для отопления жилого 5-этажного дома на45 квартир (без внедрения мероприятий по повышению теплоустойчивости наружных конструкций здания). В связи с этим возникает необходимость сооружения котельных, которые будут работать на 3 - 4 дома с транспортированием теплоты по тепловым сетям.

Анализ потерь теплоты дает возможность оценить величину потенциала энергосбережения на каждом этапе от источника теплоты до потребителя.

1. Потери теплоты при ее генерации при использовании неконденсационных котлов составляют (минимально возможные), %:

в окружающую среду -1,0 - 1,5;

с отходящими газами - 5,5 - 6,5;

с химическим недожогом - 0,05.

Общие минимально возможные потери - 6,55%.

Таким образом, максимально возможный КПД неконденсационных котлов составляет 93,5%, а минимальная величина расхода условного топлива составляет:

теплоснабжение автономный система потребитель

На сегодняшний день на котельных ОПП «Полтаватеплоэнерго», которые оснащенные 31 котлом серии ВК, получены следующие показатели процесса выработанной теплоты:

коэффициент полезного действия (средний за отопительный период) - 92%;

удельный расход условного топлива на производство тепловой энергии Ву = 154,6 кг у.т./Гкал;

потери теплоты в окружающую среду - 1,0 %;

потери с отходящими газами - 6 - 6,5 %;

потери с химическим недожогом - 0,05 %.

Таким образом, переоснащение существующих централизованных котельных с заменой котлов дает возможность практически полностью выбрать резерв экономии, который возможен при генерации теплоты, и достичь максимально возможных показателей работы котлов.

Потенциал энергосбережения при генерировании теплоты, согласно данным обследования существующих котельных системы теплоснабжения, составляет 1,5%.

Переход же на автономные источники теплоты связан с использованием котлов, степень совершенства которых значительно ниже, чем котлов районных котельных. Это объясняется тем, что котлы автономных источников теплоты, как правило, оснащены несовершенными инжекционными горелками, которые делают невозможным использование современных методов энергосбережения.

В табл. 2 предложен сравнительный анализ котлов.

В связи с несовершенством агрегатов с инжекционными горелками, их производство в странах с развитым уровнем энергосбережения заменено на производство котлов с дутьевыми горелками, даже для бытовых потребителей.

Внедрение же котлов с инжекционными атмосферными горелками на уровне коммунально-бытового теплоснабжения приведет к значительному ухудшению показателей эффективности процесса горения, в особенности при изменении параметров наружного воздуха.

На рис. 3 представлены результаты расчетов потерь теплоты с отходящими газами для котлов с инжекционными и дутьевыми горелками. Температура отходящих газов принята 130 ОС.

Результаты показывают, что коэффициент полезного действия котла с инжекционными горелками будет на 3,2 % меньше.

2. Уменьшение потерь теплоты у потребителя является основным направлением экономии энергоносителей и концепцией развития систем теплоснабжения, так как наибольшая часть потерь энергии приходится на потребителей теплоты. Возвращение этих потерь требует наибольшего внимания энергоаудита и наибольших капиталовложений. Но эффективность таких капиталовложений также будет максимальной.

Расчет теплопотерь5-этажного жилого дома показывает, что лишь за счет использования стен с теплозащитными характеристиками согласно требованиям Госстроя Украины от 1993 г. расход теплоты на отопление уменьшается в 1,45 раз, от 240 кВт до 165 кВт.

Проблемы внедрения автономных систем

Внедрение автономных и местных систем теплоснабжения связано с некоторыми инженерно-техническими проблемами, которые остаются без внимания сегодня, но дадут о себе знать при более широком внедрении автономных систем. Рассмотрим некоторые из таких проблем.

1. О подключении объектов автономного теплоснабжения к газовым сетям.

Существующие внутриквартальные городские инженерные сети рассчитаны на бытовое потребление. Сети газопроводов среднего давления, к которым подключают автономные источники теплоты, в жилых кварталах вообще отсутствуют. В связи с этим остро станет вопрос их реконструкции, увеличения количества ГРП, что потребует значительных средств.

На рис. 4 представлены сравнительные характеристики систем газоснабжения 45-квартирного дома и квартала 5-этажной застройки при переходе на поквартирное отопление и горячее водоснабжение, и на

автономные источники теплоты в виде теплогенераторных и автономных котельных.

Из приведенных данных следует, что внедрение местных и автономных источников теплоты возможно только для новых строящихся домов, с обязательным технико-экономическим обоснованием. При этом необходимо осуществлять проверку пропускной способности существующих сетей низкого давления и проверку возможности трассировки газопровода среднего давления в кварталах жилой застройки, учитывая ограничения на такую прокладку, согласно требованиям ДБН В.2.5-20-2001 «Газоснабжение».

2. Об адаптации автономных источников теплоты в существующей системе теплоснабжения.

Отключение потребителей теплоты от существующей сбалансированной системы теплоснабжения приводит к значительному ухудшению параметров ее работы. В результате незначительный экономический эффект внедрения автономных источников теплоты для отдельного потребителя приводит к перерасходу энергии и экономическим убыткам в масштабах всей системы теплоснабжения города или области.

3. Об увеличении тепловой мощности, расхода газа и капитальных вложений в систему горячего водоснабжения.

Расчетные расходы воды и теплоты на горячее водоснабжение зависят от количества потребителей, которые подключены к источнику теплоты.

Согласно существующей методике расчета при изменении количества потребителей, которые получают горячую воду от одного источника теплоты, расход воды, газа и мощности будут изменяться следующим образом (табл. 3).

Результаты расчетов проиллюстрированы графиками на рис. 5.

Анализ приведенных расчетов показывает, что при увеличении количества потребителей, которые получают теплоту от одного источника теплоты, все показатели удельных затрат на горячее водоснабжение уменьшаются при соблюдении одинаковой комфортности. Это поясняется внедрением более экономных схем приготовления воды в районных котельных.

4. Об экологических последствиях децентрализации.

Переход на котлы с инжекционными горелками в автономных котельных приводит к увеличению концентрации вредных веществ в продуктах сгорания, по сравнению с котлами существующих котельных, оборудованных дутьевыми горелками. В особенности это касается наиболее распространенных и опасных веществ - оксидов азота (рис. 6).

Таким образом, концепция автономизации теплоснабжения означает внедрение экологически несовершенного оборудования, которое, кроме указанного выше, имеет другие недостатки, указанные в табл. 4. Данные таблицы получены по результатам экологических обследований, проведенных ОПП «Полтаватеплоэнерго».

Экологическое влияние выбросов автономных котельных на атмосферу в зоне проживания людей будет большим, чем аналогичные выбросы вредных веществ от существующих котельных. Это связано с тем, что выбросы от теплогенераторных и автономных котельных осуществляются на незначительной высоте (6-8 м), а выбросы от котельных - на высоте 29 - 32 м.

Расчет рассеивания вредных веществ в атмосфере показывает, что при высоте труб ниже 15 - 16 м концентрация вредных веществ в приземном слое атмосферы будет превышать предельно допустимые концентрации.

При этом следует отметить, что проекты оценки влияния выбросов на состояние атмосферы и контроль выбросов в атмосферу для теплогенераторов не выполняется по причине их незначительной тепловой мощности. Таким образом, вопрос загрязнения атмосферы как на этапе проектирования, так и эксплуатации не будет контролироваться.

В табл. 5 представлены результаты сравнения экологических характеристик котлов серии ВК существующей котельной (по средним данным измерений, выполненных на котельных ОПП «Полтаватеплоенерго»), котлов автономных котельных с инжекционными горелками и котлов европейского среднего уровня (по литературным данным).

Таким образом, можно утверждать, что удельные выбросы оксидов азота и концентрация их в приземном слое атмосферы от котлов с инжекционными горелками превышают показатели современных котлов существующих котельных и значительно превышают средние экологические показатели существующих котлов европейского уровня.

5. О возможности использования отопительных агрегатов мощностью до 100 кВт в автономных котельных с мощностью, которая превышает 200 кВт.

Согласно действующим нормам проектирования при устройстве котлов мощностью до 100 кВт в котельных тепловой мощностью более 200 кВт на них распространяются все нормативы, которые необходимо соблюдать при проектировании котельных. Таким образом, либеральные нормативы проектирования и строительства теплогенераторов действуют только при мощности источника теплоты до 200 кВт.

Это делает невозможным вообще использование большинства котлов с инжекционными атмосферными горелками для котельных мощностью более 200 кВт, так как по целому ряду параметров они не удовлетворяют требованиям, которые предъявляются к отопительным котлам и котельным установкам.

В первую очередь это поясняется тем, что бытовые котлы мощностью до 100 кВт и отопительные котлы мощностью от 100 кВт до 3,15 МВт изготовляются согласно требованиям различных ГОСТов и ДСТУ.

В табл. 6 представлены только некоторые из требований нормативной литературы к отопительным котлам и котельным установкам и соответствия таким требованиям бытовых котлов до 100 кВт и отопительных котлов от 100 кВт до 3,15 МВт.

О целесообразности автономизации

Привлекательность автономных и местных систем теплоснабжения для потребителей, которые имеют финансовые возможности для их обустройства, поясняются, на наш взгляд, следующими причинами:

значительной разницей в ценах на природный газ для автономных и существующих в системе «Теплоэнерго» источников теплоты;

отсутствием единого подхода в расчетах стоимости тепловой энергии, которая вырабатывается в автономных и существующих котельных;

желанием не зависеть от неконтролируемых потребителем процессов генерации и получения теплоты;

проблемами горячего водоснабжения в существующих системах, особенно в переходный период.

Анализ проектов и обоснований автономных источников теплоты показывает, что подтверждение целесообразности автономизации достигается, как правило, за счет следующего:

сравнение эффективности работы котлов в автономных источниках теплоты с несовершенными и устаревшими агрегатами, которые снимаются из эксплуатации в существующих котельных;

уменьшение выработки теплоты в автономных источниках, по сравнению с проектными данными, за счет исключения затрат теплоты на вентиляцию, уменьшения затрат теплоты на горячее водоснабжение, ограничения потребления горячей воды, снижения температуры в помещении и других мероприятий, которые уменьшают уровень теплового комфорта.

Для более действенной экономии теплоты без ухудшения санитарно-гигиенических условий необходимо внедрение научно-технических мероприятий, связанных с инвестициями, в том числе:

улучшение теплоизоляционных свойств наружных конструкций зданий;

уменьшение затрат теплоты на инфильтрацию в зданиях;

оптимизация работы систем вентиляции, регулирование воздухообмена в помещениях;

техническое переоснащение котельных и узлов ввода современным топливосжигающим, энергетическим и регулирующим оборудованием;

реконструкция существующих тепловых сетей систем теплоснабжения в направлении использования предварительно изолированных труб и уменьшения потерь теплоты в тепловых сетях;

внедрение абонентских приборов регулирования и учета теплоты с переоборудованием систем отопления для возможности их регулирования.

Выводы

Таким образом, принятие решений по вопросам развития коммунального теплоснабжения, строительства и реконструкции источников теплоты необходимо осуществлять на основе рассмотрения всей инженерной инфраструктуры городов и населенных пунктов. Согласно письму Госстроя Украины от 21.03.02 №3/12-72 «...принятие некомпетентных решений при строительстве источников тепла и инженерных сетей еще больше заостряет проблему эффективного использования топливно-энергетических ресурсов, ухудшает условия предоставления коммунальных услуг населению и другим потребителям». В связи с этим было бы целесообразно вопросы проектирования, строительства и реконструкции источников теплоты подвергать более тщательному согласованию согласно ДБН А2.3-1-99 «Территориальная деятельность. Основные положения».

Основные усилия по совершенствованию систем теплоснабжения и экономии энергоносителей должны быть направлены на эффективное и рациональное использование тепловой энергии. При этом особое внимание необходимо уделять потерям теплоты у потребителей, что составляет большую и основную часть потенциала энергосбережения.

Не допускать необоснованного занижения мощности автономных источников без соответствующих инженерно-технических и организационных мероприятий по уменьшению затрат теплоты у потребителей.

Не допускать снижения уровня комфортности отпускаемой теплоты и санитарно-технических требований у потребителей теплоты за счет необоснованного и не отвечающего проектным данным уменьшения мощности автономных источников теплоты.

Автономные индивидуальные источники теплоты нельзя считать глобальным средством энергосбережения и приоритетным направлением развития систем теплоснабжения при использовании низкоэффективных и маломощных котлов, оборудованных инжекционными горелками низкого давления (атмосферных горелок). Это оборудование характеризуется недостаточно высокими экономическими и экологическими показателями работы, которые делают невозможным использование современных методов регулирования и эксплуатации топочно-горелочных устройств.

Рекомендовать для автономных котельных агрегаты, оборудованные современными дутьевыми горелками и средствами регулирования процессов горения.

Продолжить работы по оснащению потребителей средствами учета и регулирования тепловой энергии. Повысить ответственность потребителей теплоты за несанкционированное вмешательство в работу систем отопления, узлов ввода и учета тепловой энергии. Усилить контроль за «тепловым поведением» физических и юридических лиц - потребителей теплоты.

Отключение потребителей теплоты от существующих систем теплоснабжения с целью их дальнейшего перевода на автономные источники теплоты, проводить только в том случае, если такое отключение не наносит ущерб и не приводит к снижению эффективности работы существующих сетей теплоснабжения, котлов и всей системы теплового хозяйства.

Технико-экономическое обоснование целесообразности использования автономных и местных систем теплоснабжения осуществлять с учетом затрат на реконструкцию инженерных систем газо-, водо- и электроснабжения.

ЛИТЕРАТУРА

Украина. Эффективность малой энергетики. Киев.Энергетический центр ЕС.

Украина. Энергосбережение в зданиях. Киев.Энергетический центр ЕС.

Heizung journal. October2001, №10. Heizen mit nachwach-senden Rohshtoffen: eine Komfortable Alternative.S.20.

Размещено на Allbest.ru