Современные пути и методы повышения надежности и экономичности систем теплоснабжения

Размещено на http://allbest.ru

УДК 620.9.662.92

Современные пути и методы повышения надежности и экономичности систем теплоснабжения

В.С. Казаков, Е.А. Глушак

В условиях перехода к рыночной экономике системы теплоснабжения находятся в поле экономических интересов практически всех сфер производства и слоев общества. Коммунальная энергетика потребляет более 20 % электрической и до 45 % тепловой энергии, производимой в России.

Степень изношенности оборудования, используемого на ее объектах, приближается к 70 %, число аварий в год на 100 км магистральных тепловых сетей возросло до 200. Почти 100 % теплотрасс и линий абонентской разводки выполнено из коррозионно-нестойких углеродистых труб, несмотря на то, что большинство входящих в эти системы источников теплоты (котельных) эксплуатируются без водоподготовки и деаэрации воды. Эксплуатация тепловых сетей сопровождается тепловыми потерями от внешнего охлаждения, составляющими 12-20 % тепловой мощности (нормируемое значение 5 %), и утечками теплоносителя (5-20 % от расхода сети при норме 0,5 %) [1, 2].

Преобладающая последние десятилетия в инженерных проектах и технических решениях система централизованного теплоснабжения (ЦТ) позволила достичь:

- максимальной эффективности выработки тепловой энергии мощными источниками теплоты, эксплуатируемыми специализированным персоналом;

- рационального использования централизации на базе крупных энергетических установок;

- максимального социального эффекта с полным освобождением населения от трудозатрат на обслуживание системы теплоснабжения.

Однако при централизованном снабжении из-за несовершенства местных энергетических систем распределения и управления, наличия технологически обусловленных режимов «перетопа» значительно увеличились потери тепла у потребителей.

Большая протяженность тепловых сетей, значительный износ оборудования и низкое качество эксплуатации привели к снижению надежности функционирования как центральных источников тепла, так и распределительных сетей, что предопределило их высокий уровень аварийности и низкие эксплуатационные показатели.

В связи со сложившимся положением в сфере энергообеспечения в современных теплоэнергетических системах одновременно с использованием ЦТ происходит увеличение в общем балансе доли выработки тепла и электроэнергии автономными источниками энергии коммунального и промышленного назначения на базе мини-ТЭЦ и мобильных котельных: квартирными системами отопления и горячего водоснабжения; крышными или пристроенными к многоэтажным зданиям (блочными) котельными; когенерационными установками с комбинированной выработкой тепловой и электрической энергии.

Функционально и экономически должны быть обоснованы оптимальное соотношение централизованных, децентрализованных и индивидуальных производителей энергии и условия ее транспортировки потребителям. Децентрализация на современном уровне, базирующаяся на высокоэффективных теплогенераторах последних поколений с использованием энергосберегающих систем автоматического управления, позволяет в полной мере удовлетворить потребности практически любого проекта.

Организация автономного децентрализованного теплоснабжения (ДЦТ) позволяет осуществить реконструкцию объектов, развитие инфраструктуры в городских районах старой и плотной застройки при отсутствии свободных энергетических мощностей в централизованных системах. При выборе источника автономного теплоэнергоснабжения необходимо учитывать характер зоны расположения объекта-потребителя (отдельное здание или их группа).

Зоны расположения можно разделить на четыре вида: зоны ЦТ от городских (районных) котельных, зоны ЦТ от городских ТЭЦ, зоны автономного теплоснабжения, зоны смешанного теплоснабжения.

Немаловажным фактором является оценка в каждом конкретном случае эффективности использования топлива и капиталовложений, а также воздействия работы источника на состояние окружающей среды.

Если объект находится в зоне ЦТ от ТЭЦ , а загрузка станции и пропускная способность тепловых сетей позволяют подключить его к теплофикационной системе, предпочтение отдается централизованному варианту, поскольку потребление газа на нужды теплоснабжения без выработки электроэнергии по комбинированному циклу приводит к перерасходу топлива.

Для того чтобы сохранить существующую инфраструктуру и не допустить сокращения выработки электроэнергии на базе теплового потребления, целесообразно, если реконструкция объекта связана с увеличением тепловой нагрузки, установить автономный теплоисточник, рассчитанный не на покрытие отопительной нагрузки всего реконструированного объекта, а только на ее прирост. При этом следует оценить степень морального и физического износа оборудования ТЭЦ и тепловых сетей, а также перспективы сохранения теплофикационной системы в данной зоне.

Работы по модернизации и перевооружению теплоэнергетического хозяйства потребуют в ближайшее время применения в новых и реконструируемых системах эффективного и надежного оборудования, пригодного к сложным условиям и режимам эксплуатации.

Использование децентрализации позволяет лучше адаптировать систему теплоснабжения к условиям потребления тепла объектом. Повышенный интерес к автономным источникам в последние годы обусловлен также финансовым состоянием и инвестиционно-кредитной политикой в отрасли.

Строительство централизованной системы требует от инвестора значительных единовременных затрат на источник, тепловые сети и внутренние системы с неопределенным сроком окупаемости или практически на безвозвратной основе. При децентрализации имеется возможность не только снизить капитальные затраты благодаря отсутствию инженерных сетей, но и переложить строительные расходы на стоимость жилья, объекта (т.е. потребителя).

Местное регулирование потребления тепла, исключающее «перетопы», характерные для теплого периода отопительного сезона в централизованных системах, контроль потребления горячей воды, а значит и затрат на отопление и горячее водоснабжение (ГВС), наряду с исключением потерь теплоносителя и теплоты во внешних сетях, позволяют существенно сократить потребление топлива децентрализованными системами по сравнению с эквивалентной по мощности централизованной системой теплоснабжения. коммунальный энергетика теплотрасса

Анализ коммунального энергопотребления за последние 10-15 лет показал, что вместе с тепловой существенно увеличивается электрическая нагрузка. Так, при реконструкции жилых кварталов с увеличением плотности застройки электропотребление может возрасти в 3-5 раз. Технически обоснованным решением в этом случае является сооружение мини-ТЭЦ единичной мощностью 0,03…30 МВт [3].

Возможность применения различных схем автономной теплоэлектроцентрали - мини-ТЭЦ - повышает надежность теплоэлектроснабжения, сокращает до минимума потери при транспортировке энергии и, как правило, снижает затраты на производство тепла и электричества в целом.

Установки отличаются простотой управления, высокой надежностью, низкой себестоимостью вырабатываемой электрической и тепловой энергии, позволяют исключить потери тепла при транспортировке горячей воды. Их основу составляют серийно выпускаемые и работающие в когенерационном режиме электроагрегаты с приводом от паровой или газовой турбины, двигателя внутреннего сгорания.

В установках используются следующие теплоисточники: котлы - утилизаторы выхлопных газов; теплообменники, работающие на охлаждающей двигатель воде; водогрейные или паровые котлы, а также устройства подключения к электрическим и тепловым сетям.

Преимуществами автономных мини-ТЭЦ в сравнении с системой ЦТ являются:

- снижение себестоимости производимой электроэнергии в 2 - 4 раза;

- отсутствие затрат на транспортировку энергии;

- повышение надежности энергоснабжения как следствие независимости от внешних условий (возможные перебои с подачей электроэнергии не приводят к прекращению работы теплоисточника);

- улучшение экономических показателей существующих котельных вследствие выработки в них электроэнергии;

- возможность продажи в энергосистему излишков вырабатываемой электроэнергии;

- более низкие затраты на приобретение оборудования и монтаж мини-ТЭЦ в случае нового строительства по сравнению с затратами на сооружение питающих линий и подключение к централизованным системам.

Важным достоинством мини-ТЭЦ является их экологическая безопасность: при сжигании газа или жидкого топлива их эксплуатационные характеристики соответствуют самым жестким европейским стандартам по допустимым выбросам в атмосферу.

Необходимо отметить и присущие мини-ТЭЦ недостатки:

- высокую стоимость оборудования, строительства и эксплуатации;

- невысокий КПД по первичному энергоносителю (особенно летом);

- зависимость электрической нагрузки от тепловой, что для северных районов обусловливает недостаток тепловой мощности (51-58 %), а при подборе установки по тепловой мощности - избыток электрической (42-49 %), для сброса которой приходится использовать электронагреватели [2].

В котельных тепловой мощностью до 10 МВт при низких параметрах пара могут применяться паровые машины объемного типа ПРОМ и ПВМ, при тепловой мощности более 10 МВт - паровые противодавленческие турбоагрегаты блочного типа и противодавленческие турбины для низких и средних параметров пара.

У паровых машин объемного типа внутренний КПД составляет около 50-55 %, блочных турбоагрегатов - 65-75 %, противодавленческих турбин - 70-80 %.

В [4] рассмотрены схемы мини-ТЭЦ с противодавленческими турбинами (рис. 1а, б), которые могут быть реализованы на базе существующих паровых котельных. Для решения задач реконструкции коммунальной энергетики представляет интерес их сравнение с точки зрения выработки максимально возможной электрической мощности при одинаковых тепловых нагрузках.

При этом определяющими являются следующие факторы: общая тепловая нагрузка котельной, соотношение электрической и тепловой нагрузок, параметры пара на входе в турбину, противодавление паровой турбины, вид тепловой схемы мини-ТЭЦ .

Для открытых систем теплоснабжения (рис. 1а) с выработкой электроэнергии на базе нагрузки ГВС в котельных с атмосферными деаэраторами при вводе в работу паровой турбоустановки пар в пароводяные теплообменники (ТО) и деаэраторы поступает с выхлопа турбины.

В результате тепловая мощность пароводяных ТО котельной при противодавлении турбины 0,12 МПа уменьшается примерно в 1,9 раза, нагрев воды в них снижается с 28 до 14 ^оС, соответственно нагрев воды в деаэраторах возрастает с 34 до 48 ^оС.

В этом случае возможна реконструкция теплообменной группы аппаратов котельной с увеличением поверхности теплообмена при сохранении величины подогрева подпиточной воды в пароводяных ТО на уровне 28 ^оС и деаэраторах - 34 ^оС.

При этом максимальное увеличение поверхности теплообмена независимо от начальных параметров пара при противодавлении турбины 0,12 МПа может составлять 2,2 раза.

Повышение температуры подпиточной воды на выходе из теплообменной группы до 95 ^оС приводит к перераспределению потоков пара между деаэратором и подогревателями и слабо изменяет расход свежего пара через турбину и электрическую мощность мини-ТЭЦ , поэтому при реконструкции теплообменной группы целесообразно сохранить подогрев подпиточной воды на уровне 28 ^оС.

Приведенные рекомендации справедливы также для варианта установки пароводяных ТО в машзале при выводе из работы подогревателей котельной и подаче пара с выхлопа турбины на ТО машзала и деаэраторы.

Рис. 1. Тепловые схемы мини-ТЭЦ: а - открытая система теплоснабжения; б - закрытая система теплоснабжения; 1 - паровой котел; 2 - противодавленческая турбина; 3 - электрогенератор; 4 - РОУ котельной; 5 - деаэратор подпиточной воды; 6 - деаэратор питательной воды; 7 - охладитель деаэрированной воды; 8 - аккумулятор горячей воды; 9 - подогреватель подпиточной воды; 10 - насос; 11 - подогреватель подпиточной воды машзала; 12 - пароводяной сетевой подогреватель (водогрейный котел); ТС - тепловая сеть; ПС - прямая сетевая вода; ОС - обратная сетевая вода

В схеме мини-ТЭЦ закрытой системы теплоснабжения (рис. 1б) с выработкой электроэнергии на базе общей тепловой нагрузки при последовательном подключении пароводяных подогревателей машзала 11 и подогревателей сетевой воды котельной 12 (пароводяных сетевых подогревателей, водогрейных котлов) электрическая мощность зависит от температурного графика регулирования отопительной нагрузки.

На рис. 2 представлены графики изменения соотношения электрической (N_Э) и тепловой (N_Т) нагрузок мини-ТЭЦ в зависимости от величины противодавления Р_пр. при различных температурных режимах отопительной нагрузки.

В расчетах принимались: внутренний КПД турбины - 75 %, КПД электрогенератора с механическим приводом - 95 %, доля тепловой нагрузки ГВС в общей нагрузке котельной - 25 %, параметры пара - 3,4 МПа и 435 °С. Нижний предел противодавления определялся значением 15 % влажности водяного пара на выходе из турбины.

Рис. 2. Зависимости соотношения разных видов нагрузки мини-ТЭЦ от величины противодавления при различных температурных режимах отопления: 1 - 150-70 ^оС; 2 - 130-70 ^оС; 3 - 115-70 ^оС; 4 - 95-70 ^оС

Как видно из рис. 2, с увеличением температуры в системе отопления возрастет и удельная электрическая мощность. На каждом температурном графике наблюдается максимум электрической мощности, величина которого тем больше, чем меньше расчетная температура в подающей линии сети.

Для рассмотренных температурных графиков, кроме графика 1, оптимальное противодавление достаточно точно определяется давлением насыщения, соответствующим температуре в подающей линии сети, с учетом минимального температурного напора, который был принят в расчетах равным 5 ^оС.

Оптимальные значения противодавления увеличиваются с повышением температуры в подающей линии сети. Наибольшее значение электрической мощности достигается для температурного графика 4 при противодавлении 0,1 МПа.

Электрическая мощность, выработанная на базе общей тепловой нагрузки открытой системы теплоснабжения, зависит от доли нагрузки ГВС и с ее увеличением возрастает.

В водогрейных котельных, имеющих паровую часть, электрическая мощность мини-ТЭЦ ограничивается паровой производительностью котельной.

В общем случае величина устанавливаемой электрической мощности для выбранной схемы мини-ТЭЦ зависит от тепловой нагрузки котельной, желательной степени загрузки турбоагрегатов в течение года и определяется технико-экономическими расчетами с учетом цен на топливо и тарифов на энергоносители.

При анализе и выборе тепловых схем энергетических установок, выполнении оптимизационных расчетов режимов и параметров их работы эффективно могут быть использованы современные программные информационные технологии и методы исследования, в том числе основанные на компьютерном имитационном моделировании [5].

В современной коммунальной энергетике и системах ДЦТ все большее применение находят автономные (индивидуальные) котельные, которые используются для теплоснабжения одного здания или сооружения. Они могут быть отдельно стоящими (блочными), встроенными (независимо от этажа размещения), пристроенными или крышными.

Реконструкция котельных, расположенных в подвальных помещениях жилых домов, затруднена из-за ряда их особенностей: невозможности закрытия котельных на продолжительный период и сложности производства работ в стесненных условиях.

Поэтому при их реконструкции и модернизации рекомендуются такие инженерные методы, как оснащение котельных высокоэффективной автоматикой с сохранением существующих чугунных секционных котлов и заменой газогорелочных устройств на более качественные газовые горелки, установка современных водотрубных водогрейных котлов малых размеров, монтаж дополнительных автономных котлоагрегатов.

Блочные котельные целесообразно применять при дефиците мощностей на централизованном источнике теплоты, перегруженности существующих тепловых сетей и невозможности их реконструкции, отсутствии свободных территорий для расширения источника ЦТ, а также как пиковые в сочетании с ЦТ в том случае, когда имеется дефицит теплоты в виде недогрева теплоносителя на расчетных режимах, и для снятия нагрузок ГВС с источника ЦТ.

Крышные котельные рекомендуется устанавливать при невозможности другого технического и архитектурного решения. При их установке особое внимание необходимо уделять шумовым и вибрационным показателям оборудования и способам его монтажа.

Рекомендуется применять оборудование с минимальными шумовыми характеристиками (котлы с атмосферными горелками, малошумные насосы и т.п.), а также исключать использование твердого или жидкого топлива.

Для уменьшения нагрузки на несущие конструкции здания, уменьшения шума и вибраций предпочтительно расположение в двух уровнях: котлы с обвязкой и газоходами - на крыше, а вспомогательное оборудование - на низшей отметке здания.

При проектировании крышных котельных необходимо учитывать возможные осложнения в случае выхода из строя основного оборудования. Так, при капитальном ремонте может потребоваться спецтехника для снятия котельной с крыши многоэтажного здания и ее последующего монтажа на подготовленной площадке.

Сооружение автономных котельных оправдано на отдельных удаленных участках застройки, оно должно быть сопоставлено по технико-экономическим показателям со строительством мини-ТЭЦ, использующих компактные турбинные установки или газопоршневые двигатели для одновременной выработки тепловой и электрической энергии.

Систему теплоснабжения - централизованную или децентрализованную - следует выбирать на основе технико-экономического обоснования с учетом инвестирования строительства и в зависимости от величины и плотности тепловых нагрузок, совокупности технических, экономических, экологических, градостроительных, социальных, санитарно-гигиенических и эксплуатационных факторов.

Система теплоснабжения может рассматриваться как инвестиционный проект, позволяющий реализовать заданное количество теплоты потребителям по рыночным ценам.

При этом ее технико-экономическая эффективность должна оцениваться также исходя из реалий складывающейся рыночной экономики с использованием современных специализированных методик. Возможны следующие принципы экономического обоснования и выбора вида теплоснабжающей системы для конкретных условий инженерного проекта.

Наряду с разделением систем централизованного и децентрализованного теплоснабжения по указанным формальным и организационным признакам, объективно существует три зоны их экономического соотношения по затратам З в покрытии прироста тепловой нагрузки .

Для исследования качественной обобщенной картины зависимости соотношения экономических характеристик и взаимовлияния зон ЦТ и ДЦТ при различных тепловых нагрузках могут быть использованы графики [6] , схематично представленные на рис. 3.

Рис. 3. Зависимости соотношения экономических характеристик и зон ЦТ и ДЦТ от тепловой нагрузки: 1 - экономическая характеристика ЦТ (З_ЦТ); 2 - характеристика цены за теплоту в системе ЦТ (Ц_Т); 3 - экономическая характеристика ДЦТ (З_ДЦТ); 4 - фактическая экономическая характеристика существующей системы ЦТ при переносе ее нагрузки на ДЦТ

Как показывает анализ кривых, на рис.3 можно выделить:

* I зону - зону явных экономических преимуществ ЦТ (З_ЦТ <Ц_Т <З_ДЦТ);

* II зону - зону взаимной экономической конкуренции ЦТ и ДЦТ (З_ЦТ < З_ДЦТ <Ц_Т);

* III зону - зону явных экономических преимуществ ДЦТ (З_ДЦТ <З_ЦТ).

В соответствии с таким подходом зоны ДЦТ можно разделить на две категории: зоны ДЦТ, существование которых обусловлено техническими и технологическими условиями, и зоны ДЦТ, существование которых вызвано экономическими взаимоотношениями энергосистемы с потребителями теплоты и установленными ценами на энергоносители.

Когда нет экономической конкуренции между теплоснабжающими системами, критерием выбора схемы теплоснабжения могут быть суммарные затраты за расчетный период с дисконтированием их к базовому году, обусловленные лишь их техническими, технологическими и экологическими преимуществами.

При этом реализуется основное требование рыночной экономики: учет упущенной выгоды, величину которой при альтернативном использовании средств следует не вычитать, а прибавлять к суммарным затратам.

При наличии экономической конкуренции, когда выбор систем теплоснабжения зависит от цен и тарифов на отпускаемую теплоту, в качестве критерия в экономических обоснованиях принимается чистая прибыль с учетом действующей системы налогообложения, дисконтированная к расчетному году, - чистая текущая стоимость (ЧТС).

В этом случае на результаты расчета оказывает дополнительное влияние конъюнктура цен на реализуемую тепловую энергию. ЧТС определяется как стоимость, получаемая путем дисконтирования отдельно на каждый год разности всех оттоков и притоков наличности, накапливающейся за период функционирования проекта, при заранее определенной норме процента на капитал.

Экономически оправданными для последующей практической реализации среди рассматриваемых систем теплоснабжения являются те проекты, у которых получается положительной расчетная величина ЧТС. Из них наиболее эффективным будет вариант с наибольшим значением чистой текущей стоимости (ЧТС)_max.

Общим экономическим критерием эффективности использования инвестиций является удельная прибыль, приходящаяся на единицу средств капиталовложений (К).

Для каждой теплоснабжающей системы по ее технико-экономическим, нагрузочным и стоимостным показателям можно вычислить соответствующие отношения приростов покрываемых тепловых нагрузок к приростам капитальных вложений за принятые периоды времени.

Выстроив эти отношения в порядке их убывания, можно получить функциональную зависимость /=, которая является характеристикой эффективности использования капитальных вложений при строительстве или реконструкции теплоэнергетической установки и позволяет сделать в инвестиционном проекте обоснованный выбор принципиальной схемы теплоснабжения.

Существующие подходы и оценочные методы инженерных решений при проектировании и эксплуатации систем теплоснабжения дают возможность прогнозировать оптимизированные режимы работы любых теплоэнергетических хозяйств, в том числе коммунальные, с достаточно высокими технико-экономическими показателями.

Список литературы

1. Хаванов, П.А. Коммунальная энергетика - текущий момент / П.А. Хаванов, Н.А.Харламова // Энергосбережение. - 2003. - №5. - С. 18-21.

2. Хаванов, П.А. Автономная система теплоснабжения - альтернатива или шаг назад? / П.А. Хаванов // АВОК. - 2004. - №1. - С. 34.

3. Энергосберегающие системы теплоснабжения зданий на основе современных технологий и материалов: альбом / Госстрой России, Филиал Федерального центра энергоресурсосбережения Госстроя России по Северо-Западному федеральному округу, Академический центр теплоэнергоэффективных технологий; под общ. ред. С.А. Чистовича. - СПб.: АЦТЭЭТ, 2003. - 147 с.

4. Петрушенков, В.А. Сравнительные характеристики противодавленческих паровых турбин / В.А. Петрушенков, В.В. Васькин // Новости теплоснабжения. - 2005. - №2. - С.32-37.

5. Мирошников, В.В. Компьютерное имитационное моделирование при оптимизации теплоэнергетических установок / В.В. Мирошников, В.С. Казаков, П.В.Казаков // Интенсификация работы теплоэнергетических установок: сб. науч. тр. - Брянск: БГТУ, 2000. - С. 107-112.

6. Яковлев, Б.В. Технико-экономическое обоснование выбора вида систем теплоснабжения в современных условиях / Б.В. Яковлев // Новости теплоснабжения. - 2005. - №2. - С.2-6.

Аннотация

УДК 620.9.662.92

Современные пути и методы повышения надежности и экономичности систем теплоснабжения. Казаков Валерий Сергеевич, к.т.н., доцент кафедры «Турбины и теплоэнергетика» БГТУ., Глушак Екатерина Александровна, студентка V курса специальности «Промышленная теплоэнергетика» БГТУ.

Анализируются перспективные направления и современные методы повышения технико-экономических показателей и надежности работы систем централизованного и децентрализованного теплоснабжения применительно к существующим схемам котельных установок.

Annotation

Modern ways and methods of increase of reliability and profitability of systems of a heat supply . Kazakov V.S., Glushak E.A.

Perspective directions and modern methods of increase of technical and economic parameters and reliability of work of systems of the centralized and decentralized heat supply with reference to existing schemes of boiler installations are analyzed.

Размещено на Allbest.ru