Введение. Средний физический износ систем централизованного теплоснабжения в российских городах достигает 70 %, потери во многих тепловых сетях достигают 20 %, расход электроэнергии на выработку и транспорт тепла - 40 кВт. ч/Гкал Об энергетической стратегии РФ на период до 2030 г: Распоряжение Правительства Российской Федерации от 13. 11.2009, что приводит низкому уровню надежности и качества теплоснабжения потребителей, а также к росту издержек. Это вынуждает муниципалитеты и теплоснабжающие организации искать возможности реновации систем теплоснабжения. Одновременно в крупных населенных пунктах активно идут процессы расширения существующих жилых районов и реализуются проекты их комплексной застройки. Но, как в случае модернизации, так и нового строительства возникает вопрос выбора оптимальных технологий, обеспечивающих приемлемый уровень надежности, качества и экологичности систем централизованного теплоснабжения при минимальных издержках.

Практика показывает, что принятие таких решений не всегда выполняется с достаточной степенью обоснованности, поскольку на предпроектной стадии. Как правило, имеются ограничения по объему финансирования и срокам.

Сегодня определение даже предварительных технико-экономических показателей будущей системы централизованного теплоснабжения требует привлечения специализированных организаций, большого объема инженерных расчетов, что связано с достаточно существенными затратами. Трудоемкость расчетных методик приводит к тому, что проектанты сравнивают не более двух конкретных вариантов, что не всегда позволяет найти наиболее оптимальное решение поставленной задачи.

Реализация неоптимальных технологических решений ведет как к неэффективному расходованию денежных средств на обеспечение потребителей тепловой энергией, так и к нежелательным последствиям в плане экологичности, промышленной безопасности и надежности систем теплоснабжения. В сложившейся ситуации становится целесообразным создание методик, позволяющих при использовании минимального объема исходной информации, простых инженерных расчетов вести оптимизационные расчеты по определению оптимальных характеристик систем теплоснабжения, в частности мощности теплоисточников в системе теплоснабжения.

В рамках настоящего исследования выведены зависимости для расчета длины, материальной характеристики тепловой сети и других технико-экономических показателей системы теплоснабжения при различной единичной мощности теплоисточников. На основании полученных зависимостей разработана расчетная методика оценки оптимальной мощности теплоисточников реконструируемых систем централизованного теплоснабжения на базе фактических технико-экономических показателей существующей системы теплоснабжения. Методика апробирована на системе теплоснабжения города Волгограда.

Вопросы выбора оптимальной мощности источников теплоснабжения в СЦТ подробно рассматривались в отечественной научно-технической литературе на протяжении всей истории развития централизованного теплоснабжения [1]. Технико-экономические расчеты, выполненные большинством исследователей, показали, что на протяжении многих десятилетий для большинства городов и поселков наиболее эффективным решением оказывалось укрупнение источников теплоснабжения. При существовавшем техническом уровне агрегатов централизация позволяла также решить проблемы надежности. В настоящее время, в связи со сменой экономической ситуации и существенным повышением технического уровня инженерных систем вопрос оптимальной степени централизации может иметь различные решения. Широко внедряются индивидуальные и автономные когенерационные и некогенерационные системы теплоснабжения, а также групповые котельные небольшой мощности. Выполнены расчеты, подтверждающие в ряде случаев целесообразность децентрализации.

Для определения оптимальной мощности теплоисточников используются различные методики. Наиболее простой способ состоит в расчете целесообразности подключения к существующему источнику дополнительной нагрузки [1]. Но этот вариант позволяет решить только локальные задачи по подключению, отключению отдельных потребителей и не позволяет провести комплексную оптимизацию системы теплоснабжения. Более прогрессивным инструментом планирования развития систем теплоснабжения являются компьютерные информационные геосистемы. Наиболее популярные отечественные информационные продукты, используемые разработчиками, - ИГС "CityCom-ТеплоГраф", ZuluHydro. Эти продукты позволяют реализовать вышеописанный алгоритм расчетов целесообразности подключения тепловой нагрузки для каждого объекта системы теплоснабжения. Учитывая возможности современной вычислительной техники, расчеты могут вестись не только для отдельных потребителей, но и для районов комплексной застройки.

Исследователями были предложены эмпирические зависимости, позволяющие рассчитать длину и материальную характеристику тепловых сетей в зоне действия теплового источника как функцию плотности тепловых нагрузок [1]. Информация о плотности тепловых нагрузок может быть получена из градостроительной документации. Поэтому этот вариант расчетов позволяет выполнить оценки на предварительном этапе проработки схемы теплоснабжения, не требует существенных трудозатрат и большого объема исходных данных. На базе этого метода предложены также и эмпирические формулы, позволяющие рассчитать радиус эффективного теплоснабжения [2, 3, 4].

Недостаток данной методики состоит в низкой точности расчетов, связанных с допущениями о равномерности территориального распределения тепловых нагрузок. В зону действия тепловых сетей могут попадать шоссейные и железные дороги, рекреационные зоны, водоемы, промышленные зоны. Плотность тепловых нагрузок может существенно варьироваться в пределах района теплоснабжения. Это вносит довольно существенные погрешности в расчеты.

Предложенные соотношения были положены в основу расчетов предельного радиуса теплоснабжения [4], однако было сделано замечание, что данные уравнения носят полуэмпирический характер, и правильный расчет технико-экономических параметров может быть выполнен только при использовании современных электронных моделей на базе геоинформационных систем.

Итак, существующие методики и программные продукты не позволяют решить вопрос выбора оптимальной мощности теплоисточников в системе теплоснабжения на предпроектной стадии наиболее рациональным путем. Поэтому остается актуальным вопрос разработки методики, позволяющей при использовании минимального объема исходной информации, простых инженерных вычислений провести соответствующий оптимизационный расчет.

Методы исследования. В соответствии с [5], целевыми критериями, которые необходимо оптимизировать при определении мощности теплоисточника являются плановые затраты на строительство КЗ, тыс. руб., издержки на эксплуатацию системы теплоснабжения ЭЗ, тыс. руб. /год, а также приведенные затраты , тыс. руб. /год.

где CRF - (capital return factor) - безразмерный коэффициент возмещения капитала [9].

где d - коэффициент дисконтирования, %; n - горизонт расчета проекта, лет.

В минимальных капитальных затратах может быть заинтересован инвестор-застройщик, в сокращении эксплуатационных затрат - теплоснабжающая организация, а потребителя, как правило, интересует сокращение совокупных приведенных затрат, поскольку они, в конечном итоге, определяют уровень тарифа на тепловую энергию.

Для расчета приведенных критериев предлагается технико-экономическая модель, основанная на использовании показателей существующей системы при различной степени централизации источников теплоснабжения. Данная модель применима в рамках проектов комплексной реконструкции существующих систем теплоснабжения, в которых планируется замена существующих источников и тепловых сетей.

Оптимизация ведется по ключевому параметру - единичной тепловой мощности котельных. Предполагается, что общая мощность рассматриваемого района теплоснабжения делится между несколькими теплоисточниками в равной пропорции. Вопрос уточнения мощности каждого из теплоисточников, а также их размещение на местности относится к стадии подготовки детальной схемы теплоснабжения района. Для принятой плотности тепловых нагрузок, технологической схемы и прочих инженерных решений, удельные капитальные вложения в реконструкцию источника и сетей, а также эксплуатационные затраты могут быть выражены функцией тепловой мощности.

Характеристики тепловых сетей

В рамках предпроектных расчетов не рассматриваются вопросы конфигурации и детальной трассировки тепловых сетей, а рассчитываются два обобщающих показателя - материальная характеристика M, м², и длина тепловых сетей L, м, в целом по СЦТ, а также относительные показатели в расчете на единицу подключенной тепловой нагрузки, - , м². ч/Гкал и , м. ч/Гкал. Данные параметры позволяют с достаточной точностью определить необходимые технико-экономические показатели, относящиеся к строительству и эксплуатации тепловых сетей.

Материальная характеристика тепловых сетей определяется как сумма произведения длин , м, и диаметров , м, всех участков тепловой сети [11]:

Удельная материальная характеристика определяется отношением материальной характеристики системы теплоснабжения к подключенной тепловой мощности:

где - нагрузка потребителей, Гкал/ч.

Имея фактические данные по удельной материальной характеристике тепловых сетей от существующего источника теплоснабжения, можно оценить значение этого показателя для случая, когда вместо этого источника в процессе реконструкции будет построено несколько источников меньшей мощности. Аналогично можно оценить укрупнение действующих источников.

Для расчета материальной характеристики и длины тепловых сетей используются эмпирические соотношения, в том числе полученные по результатам анализа типовых проектов.

Удельная материальная характеристика тепловой сети при некоторой постоянной плотности тепловых нагрузок , м. ч/Гкал, имеет степенную зависимость от единичной мощности теплового источника Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети: учебник для вузов. - М.: МЭИ, 2001. - 472 с. :

(1)

где - фактическая удельная материальная характеристика тепловых сетей от i-теплоисточника, м². ч/Гкал; - подключенная мощность к i-существующему теплоисточнику, Гкал/ч; N - подключенная мощность к i-теплоисточнику после реконструкции, Гкал/ч.

Удельная длина трубопроводов , м. ч/Гкал, также с достаточной степенью точности аппроксимируется степенной функцией:

(2);

где - фактическая удельная длина тепловых сетей от i-теплоисточника, м. ч/Гкал.

Капитальные затраты

Капитальные затраты на реконструкцию системы теплоснабжения состоят из затрат на реконструкцию теплоисточников, тепловых сетей и ЦТП. Стоимость реконструкции теплоисточников и сетей может быть определена путем аппроксимации данных о рыночных ценах на реконструкцию систем теплоснабжения, таких как данные тендерных торгов, публикаций и справочников укрупненных расценок [7] и с корректировкой на текущий уровень цен.

где - стоимость реконструкции котельной, тыс. руб. /Гкал/ч, - установленная мощность котельной, тыс. руб. /Гкал/ч.

где - стоимость реконструкции тепловой сети, тыс. руб.

Для ЦТП может быть применена зависимость:

где - стоимость реконструкции ЦТП, тыс. руб.; - установленная мощность ЦТП, тыс. руб. /Гкал/ч.

Баланс выработки и потребления тепловой энергии

Количество тепловой энергии, вырабатываемой теплоисточниками после реконструкции, , Гкал/год, определяется отпуском тепла потребителям, потерями в тепловых сетях и расходом на собственные нужды котельных:

где - полезный отпуск тепла потребителям, Гкал/год; - расход тепла на собственные нужды котельных, Гкал/год; - потери в сетях, Гкал/год.

Отпуск тепла потребителям источником может быть принят на уровне фактических значений предыдущего периода:

где - фактический полезный отпуск тепла потребителям за предыдущий период, Гкал/год.

Расход тепла на собственные нужды теплоисточника для водогрейной котельной может быть принят в соответствии с нормативом , %:

Тепловые потери в сетях пот Q состоят из потерь через изоляционные конструкции трубопроводов и с утечками теплоносителя.

Годовые потери тепла в сетях могут быть приближенно рассчитаны по формуле Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети: учебник для вузов. - М.: МЭИ, 2001. - 472 с. :

где - условная материальная характеристика тепловой сети, м²; q - удельные годовые потери, отнесенные к условной материальной характеристике тепловой сети, Гкал/м².

где - коэффициент теплопередачи с учетом толщины и материала изоляции, - средняя температура воды в трубопроводе, єС; - среднегодовая температура грунта, єС; - коэффициент местных тепловых потерь; n - время работы тепловой сети в год, ч.

Это позволяет сделать вывод о том, что тепловые потери через изоляционные конструкции трубопроводов для определенного теплового графика и климатических условий пропорциональны их условной материальной характеристике, и вычислить тепловые потери после реконструкции на основании фактических данных существующей системы централизованного теплоснабжения:

где - усредненный коэффициент энергоэффективности современных трубопроводных систем по отношению к теплотрассам традиционной конструкции, %, принимается равным 65 % Об организации в министерстве энергетики Российской Федерации работы по утверждению нормативов технологических потерь при передаче тепловой энергии: Приказ Мин. энергетики Рос. Федерации от 30. 12.2008 №325.

Нормативы расхода ресурсов на выработку и передачу тепловой энергии

Потребность в топливе в расчетном периоде на выработку тепловой энергии , т. у. т. /год, определяется по нормам удельного расхода топлива , кг. у. т. /Гкал, на весь объем выработки тепловой энергии: ' .

В свою очередь, удельный расход топлива определяется такими параметрами, как тип и мощность котлоагрегата, вид и качество сжигаемого топлива, режимы работы котлоагрегатов и т.п. Но учитывая принятые условия функционирования проектируемой системы централизованного теплоснабжения - современное энергоэффективное оборудование, газообразное топливо, полная автоматизация, удельный расход топлива для теплоисточников любой мощности может быть принят на уровне 158 кг. у. т. /Гкал (соответствует КПД котлоагрегатов 90%). Это подтверждает анализ эффективности современного теплогенерирующего оборудования в различных режимах эксплуатации.

Расход воды на выработку и передачу тепловой энергии , м³/год, складывается из количества воды, необходимого для разового наполнения трубопроводов тепловых сетей и систем теплопотребления, затрат воды на подпитку системы теплоснабжения, а также на собственные нужды источников теплоснабжения.

Основной объем потребления воды приходится на первые две позиции - наполнение трубопроводов и подпитку, и пропорционален объему системы теплоснабжения V, м³.

Затраты воды на собственные нужды источников теплоснабжения применительно к водогрейным котельным относительно не велики и ими в предварительных расчетах можно пренебречь.

Поэтому, имея фактический объем потребления воды в существующей системе можно оценить расход воды в проектируемой системе , м³/год, используя данные о фактическом и проектном объемах воды в системе (V, м³, и , м³, соответственно):

(3)

Обобщая (1), (2) и (3) можно записать формулу для объема трубопроводов:

следовательно:

Удельный расход воды в целом по системе , м³/Гкал, составит:

Норматив расхода электроэнергии для выработки и передачи тепловой энергии

Удельный объем электрической энергии, расходуемый на отпуск тепла в i-системе теплоснабжения , кВт. ч/Гкал, складывается из потребления электроэнергии на выработку , кВт. ч/Гкал, и транспорт тепловой энергии , кВт. ч/Гкал:

Удельный расход электроэнергии на выработку тепловой энергии применительно к газовой котельной при работе на закрытую систему теплоснабжения составляет 5-6 кВт. ч/Гкал Методические указания по определению расходов топлива, электроэнергии и воды на выработку теплоты отопительными котельными коммунальных теплоэнергетических предприятий. ГУП Академия коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова. М.: 2002.

Затраты на транспорт тепла связаны преимущественно с работой сетевых насосов.

Расход электроэнергии на привод сетевого насоса определяется исходя из гидравлического сопротивления, преодолеваемого насосом и массового расхода теплоносителя Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети: учебник для вузов. - М.: МЭИ, 2001. - 472 с. :

; (4)

где G - массовый расход теплоносителя, м³/ч; - перепад давлений, развиваемый насосами, Па; n - число часов работы насосов в год, ч; - плотность воды, кг/м³; - КПД насосной установки, %.

При изменении мощности теплоисточника в формуле (4) существенно изменяется параметр , массовый расход теплоносителя G меняется пропорционально мощности, прочие параметры можно с определенной степенью точности можно принять постоянными.

Таким образом, удельный расход электроэнергии на единицу теплоты зависит только от перепада давления, развиваемого насосом.

Потеря давления в сети может быть рассчитана из выражения:

(5)

где - удельное линейное падение давления в главной магистрали; L - длина главной магистрали, м; - коэффициент местных потерь.

В формуле (5) значения и при масштабировании системы теплоснабжения не претерпевают существенных изменений. Длина главной магиcтрали L пропорциональна квадратному корню из площади района теплоснабжения (при принятом допущении о правильной, квадратной форме района теплоснабжения). При равной плотности тепловых нагрузок существует пропорциональная зависимость между мощностью теплоисточника и площадью района теплоснабжения.

Таким образом, удельный расход электроэнергии на транспорт тепла в проектируемой системе может быть рассчитан на основе данных о среднем фактическом удельном расходе электроэнергии и средней тепловой нагрузке:

(6)

Общий расход электроэнергии на выработку и транспорт тепла составляет:

Удельная численность производственного персонала

Численность персонала Нормативы численности рабочих котельных установок и тепловых сетей. Всесоюзный центр производительности министерства труда и социальных вопросов СССР. М: 1991 котельных с автоматизированными котлами может быть принята в соответствии с действующими нормативами:

Операторы котельных установок:

Персонал, занятый техническим обслуживанием котельных установок:

Численность персонала тепловых сетей:

Эксплуатационные затраты

Затраты на ремонт оборудования могут быть рассчитаны в соответствии с нормативами отчислений на текущий и капитальный ремонт Ионин А.А., Хлыбов Б.М., Братенков В.Н. Теплоснабжение. Учебник для вузов. - М.: Стройиздат, 1982. - 336 с. от первоначальной стоимости оборудования:

Затраты на текущий ремонт котельных , тыс. руб. /год и сетей сеть тыс. руб. /год:

;

Аналогично рассчитываются затраты на капитальный ремонт котельных , тыс. руб. /годи сетей сети , тыс. руб. /год:

Оптимизационные расчеты на примере системы теплоснабжения г. Волгограда

Для апробирования методики выбора оптимальной мощности источников теплоснабжения и определения основных факторов, влияющих на целевые показатели, были проведены расчеты по 22 системам теплоснабжения города Волгограда. В процессе расчетов оптимизировалась мощность теплоисточников по критериям приведенных, эксплуатационных и капитальных затрат.

В Табл.1 приведены исходные данные, использованные в расчетах. Также в расчетах были использованы фактические данные о потреблении ресурсов и затрат на их оплату, предоставленные эксплуатирующей организацией - МУП ВКХ.

Выполненные расчеты показали, что оптимальные уровни мощности теплоисточников, рассчитанные для различных субъектов системы теплоснабжения - муниципалитета (критерий минимальных приведенных затрат), инвестора-застройщика (критерий минимальных капитальных затрат) и теплоснабжающей организации (критерий минимальных эксплуатационных затрат) значительно отличаются.

Для инвестора-застройщика будут выгодны проекты строительства квартальных котельных средней мощности - около 30 Гкал/час, которые позволяют обеспечить районы комплексной застройки. И именно тенденция строительства теплоисточников малой и средней мощности наблюдается в большинстве современных девелоперских проектов, реализуемых в российских городах.

Теплоснабжающая организация, как правило, заинтересована в эксплуатации районных котельных мощностью 80 Гкал/час и выше. Этот вывод подтверждает анализ хозяйственной деятельности теплоснабжающих организаций в различных российских регионах. Крупные районные котельные в большинстве случаев являются наиболее рентабельными объектами в системах теплоснабжения российских городов, доходы от которых направляются на покрытие убытков, образующихся при эксплуатации котельных малой мощности.

Приведенные затраты являются средневзвешенной величиной капитальных и эксплуатационных затрат, при этом в качестве коэффициента взвешивания используется коэффициент CRF, зависящий от экономической ситуации в стране, уровня процентной ставки по банковским кредитам. При процентной ставке 15 %, оптимальная мощность теплоисточников по данному критерию составляет 46 Гкал/час. Данный уровень мощности является приемлемым для муниципалитета и потребителей.

Приведенные выводы справедливы для рассматриваемых систем централизованного теплоснабжения города Волгограда. Для других систем, расположенных в других климатических зонах, использующих другое топливо и имеющих иные особенности, расчетные показатели могут отличаться.

Основные факторы, влияющие на уровень оптимальной мощности

Оптимальный уровень мощности теплоисточников, определяемый по критерию минимальных капитальных затрат, в значительной степени зависит от материальной характеристики и протяженности тепловых сетей в зоне теплоснабжения.

Табл.1 - Характеристики систем теплоснабжения

Результаты расчетов и обсуждение. Результаты расчетов по оптимизации мощности теплоисточников, выполненные по рассматриваемой методике, приведены в Табл.2.

Табл.2 - Результаты расчетов

Как видно из рис.1 оптимальный уровень мощности теплоисточников показывает определенную чувствительность к удельной материальной характеристике тепловых сетей. Это соответствует выводам ряда исследователей [7, 1].

В целом, при увеличении удельной материальной характеристики снижается оптимальный уровень мощности теплоисточников, рассчитанный по критерию капитальных затрат. Однако следует обратить внимание, что по ряду позиций разброс оптимальных мощностей достигает двукратного значения. Очевидно, что разброс значений возникает из-за различной удельной протяженности тепловых сетей (или, что то же самое, из-за различного среднего диаметра), поскольку от этого показателя напрямую зависят капитальные затраты на реконструкцию системы теплоснабжения.

Рис.1. - Зависимость оптимальной мощности теплоисточников от удельной материальной характеристики. Критерий - капитальные затраты.

Таким образом, можно сделать вывод, что оптимальная мощность теплоисточников по критерию минимальных капитальных затрат должна определяться с использованием как минимум двух показателей - удельной материальной характеристики тепловой сети и ее удельной протяженности.

Как видно из Рис.2 показатель удельной материальной характеристики в диапазоне до 200 м²/Гкал/ч оказывает незначительное влияние на оптимальный уровень мощности по критерию эксплуатационных затрат. В этом диапазоне удельной материальной характеристики оптимальная мощность теплоисточников находится на уровне 50 - 250 Гкал/ч. При большем значении удельной материальной характеристики оптимальные значения мощности находятся в пределах 50 Гкал/ч.

Рис.2 - Зависимость оптимальной мощности теплоисточников от удельной материальной характеристики. Критерий - эксплуатационные затраты.

Соответственно, оптимумы мощности по показателю приведенных затрат показывают определенную чувствительность к удельной материальной характеристике тепловой сети, но менее выраженную по сравнению с зависимостью от капитальных затрат (Рис.3). Среднеквадратичное отклонение выборки оптимумов мощности по критерию приведенных затрат находится на уровне 0,44 против 0,71 по критерию капитальных затрат.

Рис.3 - Зависимость оптимальной мощности теплоисточников от удельной материальной характеристики. Критерий - приведенные затраты.

Таким образом, можно сделать вывод, что уровень мощности теплоисточников, позволяющий эксплуатировать систему теплоснабжения с минимальными приведенными затратами, зависит от целого набора технико-экономических показателей, таких как материальная характеристика, протяженность тепловых сетей, нормы потребления энергоресурсов, а также ценовых факторов.

Стоимость капитала

Анализ чувствительности, проведенный по уровню процентной ставки на банковское финансирование (Рис.4), показывает, что уровень оптимальной мощности теплоисточников снижается при нестабильной ситуации на финансовых рынках и росте процентных ставок. Таким образом, при текущей ситуации в российской экономике, в которой характерна высокая стоимость заемных денег, целесообразно снижать единичную мощность теплоисточников. И наоборот, в стабильной ситуации, например, в европейских условиях, создание теплоисточников значительной мощности является более выгодным.

Рис.4 - Зависимость оптимальной мощности теплоисточников от процентной ставки по банковским кредитам.

Удельные капитальные вложения

Анализ чувствительности по показателю удельных капитальных затрат в реконструкцию СЦТ в диапазоне от 50 % до 200 % к расчетному уровню выявил, что оптимальная мощность теплоисточников растет при увеличении удельных капитальных вложений (Рис.5). Такие выводы были сделаны при условии равномерного увеличения стоимостных показателей по всем элементам системы теплоснабжения (источники и сети). Причем следует отметить, что эта зависимость является сильно выраженной. При снижении затрат до уровня 50 % от текущего уровня, оптимальная мощность снижается до 27 Гкал/ч, при повышении до 200 % увеличивается до уровня 85 Гкал/ч. Настолько существенное варьирование оптимального уровня теплоисточников при изменении уровня цен на объекты строительства обозначает возможность кардинальной смены стратегий развития СЦТ с переходом от строительства квартальных котельных к районным источникам, что может внести существенные коррективы в существующие схемы теплоснабжения городов.

Рис.5 - Зависимость оптимальной мощности теплоисточников от уровня капитальных затрат.

Представленные расчет демонстрируют функциональность разработанной модели, позволяющей не только определить оптимальную мощность теплоисточника, но и структуру затрат на выработку и транспорт тепла, а также выполнить анализ чувствительности. Расчеты показали, что наибольшее влияние на оптимальную мощность теплоисточников в СЦТ оказывает плотность тепловых нагрузок, что подтверждает выводы, сделанные другими исследователями. В тоже время выявлено существенное влияние и других факторов, таких как стоимость капитала, а также общего уровня удельных капитальных затрат.

Выводы