CC BY
53
УДК 697.317.22
Анализ методик оценки надежности систем энергоснабжения
И. Р. Байков,
Уфимский государственный нефтяной технический университет, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Промышленная теплоэнергетика»,
профессор, генеральный директор АНО «ЦЭ РБ»
Р. А. Молчанова,
Уфимский государственный нефтяной технический университет, кандидат технических наук, доцент кафедры «Промышленная теплоэнергетика»,
ведущий специалист АНО «ЦЭ РБ»
Э. Р. Ахметов,
Уфимский государственный нефтяной технический университет, техник-лаборант кафедры «Промышленная теплоэнергетика»
Ш. З. Файрушин,
Уфимский государственный нефтяной технический университет, ассистент кафедры «Промышленная теплоэнергетика»
В статье проведён анализ существующих методов расчёта эффективного радиуса теплоснабжения, нормативов расчёта тепловых нагрузок проектируемых зданий, а также способов оценки надёжности систем теплоснабжения.
Ключевые слова: схема теплоснабжения, тепловая нагрузка, надёжность, вероятность безотказной работы.
В соответствии с Федеральным законом Российской Федерации № 190 «О теплоснабжении» для всех поселений и городских округов Российской Федерации является обязательной разработка схем теплоснабжения. Разработанные схемы теплоснабжения должны быть опубликованы.
Результаты анализа опубликованных схем и опыт разработки схемы теплоснабжения локального микрорайона выявили ряд сложностей. Существует проблема выбора формулы для расчёта эффективного радиуса теплоснабжения, так как разработчиками использовались самые разные формулы с различными целевыми функциями оптимизации. При перспективном планировании развития системы теплоснабжения необходимо достоверно определять тепловые нагрузки проектируемых зданий, однако нормативные удельные нагрузки постоянно изменяются и в этих условиях сложно прогнозировать перспективное развитие системы теплоснабжения. Существующие методики определения вероятности безотказной работы тепловых сетей дают самые разнообразные результаты, что также затрудняет прогнозирование надёжности работы сетей.
Определение эффективного радиуса теплоснабжения
Радиус эффективного теплоснабжения позволяет оценивать техническую возможность и экономическую эффективность подключения объекта к существующим тепловым сетям по сравнению со строительством нового источника или с переходом на авто-
номное теплоснабжение. По эффективному радиусу теплоснабжения предполагается определять зону действия существующих источников и целесообразность размещения новых.
Федеральный закон № 190-ФЗ определяет радиус эффективного теплоснабжения как максимальное расстояние от теплопотребляющей установки до ближайшего источника тепловой энергии в системе теплоснабжения, при превышении которого подключение теплопотребляющей установки к данной системе теплоснабжения нецелесообразно по причине увеличения совокупных расходов в системе теплоснабжения.
При разработке схем теплоснабжения используются различные формулы для расчёта радиуса эффективного теплоснабжения.
В СП 41-110-2005 «Проектирование тепловых сетей» содержится Приложение П, в котором описывается определение оптимального радиуса теплоснабжения, но данные СП официально не утверждены, и разработчик ОАО «ВНИПИэнергопром» не публикует и не реализует их.
В работе [1] приводятся формулы:
(1) (2)
где Кпред - предельный радиус действия тепловой сети, км;
p - разница себестоимости тепла, выработанного на ТЭЦ и в индивидуальных котельных абонентов, руб./Гкал;
C - переменная часть удельных эксплуатационных расходов на транспорт тепла, руб./Гкал;
K - постоянная часть удельных эксплуатационных расходов на транспорт тепла при радиусе действия тепловой сети, равном 1 км, руб./Гкал-км;
R - оптимальный радиус действия тепловой сети, км;
s - удельная стоимость материальной характеристики тепловой сети, руб./м2;
B - среднее число абонентов на единицу площади зоны действия источника теплоснабжения, 1/км2;
П - теплоплотность района, Гкал/ч-км2;
Ах - расчётный перепад температур теплоносителя в тепловой сети, °С;
ф - поправочный коэффициент, принимаемый равным 1,3 для ТЭЦ и 1 для котельных.
Автор [1] признаёт, что описанные формулы устарели и требуют пересмотра; данные формулы использовались при создании схем теплоснабжения г. Нягани, г. Пензы, г. Череповца и г. Екатеринбурга. Схема теплоснабжения г. Екатеринбурга разрабатывалась ОАО «ВНИПИэнергопром», но ссылок на использование авторских методик не имеется.
Подобная формула использована в схемах теплоснабжения г. Новосибирска, г. Бирска и г. Архангельска:
где H - потеря напора на трение при транспорте теплоносителя по тепловой магистрали, м вод. ст.;
остальные обозначения аналогичны (1) и (2).
Также существует методика, представленная в [2]. Согласно этой методике эффективный радиус теплоснабжения определяется заданным уровнем потерь теплоты через изоляцию тепловой сети. Недостаток данного способа в том, что эффективный радиус теплоснабжения оценивается без учёта фактической экономической обстановки.
В [3] приведена методика оценки эффективного радиуса теплоснабжения путём оценки суммарных годовых затрат на транспорт теплоты. Наиболее точно расчёт эффективного радиуса теплоснабжения представлен в [4]. Данная методика учитывает экономические последствия реализации проекта, а оптимальный радиус теплоснабжения находится как минимум себестоимости товарного отпуска. В статье отмечается, что радиусы эффективного теплоснабжения целесообразно вычислять только при возникновении задачи реконструкции (или нового строительства) зоны действия конкретного источника тепловой энергии, а для существующей системы тепло-
снабжения рассчитывать радиус эффективного теплоснабжения некорректно.
Учёт экономических последствий при расширении зоны действия источника произведён при разработке схемы теплоснабжения г. Соликамска. В качестве критерия для определения искомой величины эффективного радиуса там используется рост среднегодового чистого дисконтированного дохода от присоединения дополнительных потребителей к действующей системе теплоснабжения.
Таким образом, на сегодняшний день отсутствуют единые общепринятые методики расчёта эффективного радиуса теплоснабжения. Поэтому необходима разработка методики для выбора наиболее оптимального из перспективных вариантов.
Определение перспективной тепловой нагрузки
Увеличение нагрузки приводит к большим затратам на строительство новых и реконструкцию старых котельных, уменьшение же приведёт к дефициту тепловой энергии. Поэтому рекомендуется рассматривать различные варианты, в том числе с возможностью строительства котельных в несколько очередей. Необходимо выполнять расчёты разных вариантов развития ситуации со всеми обоснованиями.
В соответствии с требованиями к схемам теплоснабжения разрабатывается раздел «Перспективные балансы тепловой мощности и тепловой нагрузки». Прогнозирование перспективных нагрузок предполагает использование удельных нагрузок на отопление и вентиляцию, значения которых нормируются разными документами. На примере микрорайона одного из крупных городов с населением около миллиона человек были рассмотрены различия нагрузок, рассчитанные согласно действующим документам.
В новом нормативном документе, регламентирующем расчёт тепловой защиты зданий - СП 50.13330.2012 - удельная нагрузка на отопление заменена на удельную характеристику расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию. Норматив приводится в таблице 9 при расчёте по СНиП 23-022003 и в таблице 14 при расчёте по СП 50.13330.2012. В СП 50.13330.2012 удельный расход приводится на 1 м3 отапливаемого объёма, который больше жилого.
Расчёт произведён для следующих условий:
- средняя высота этажа принимается равной 2,5 м (высота пола и потолка не включена);
- расчётный перепад температур 56 °С (расчётная температура для проектирования отопления равна 35 °С);
- увеличение рассматриваемого объёма 1,5 раза, так как объём отапливаемых этажей измеряется в пределах внутренних поверхностей наружных ограждений и включает помимо площади квартир площадь лестнично-лифтовых узлов и внутренних стен; фактически этот коэффициент составляет 1,2-1,8 [5].
С учётом приведённых условий при расчёте согласно нормативам СП 50.13330.2012 коэффициент перехода от удельной характеристики расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию (численно равного расходу тепловой энергии на 1 м3 отапливае-
мого объёма здания в единицу времени при перепаде температуры в 1 °С) к удельной нагрузке на отопление и вентиляцию составит 2,5-1,5-56 = 210 м-°С.
При расчёте по нормативам СНиП 23-02-2003 коэффициент перехода от удельного расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию (численно равный расходу тепловой энергии на 1 м2 отапливаемой площади квартир за 1 сутки при перепаде температуры в 1 °С) к удельной нагрузке на отопление и вентиляцию равен:
1000 (21-(-35))
(21-(-5,9))-213 где (21 -
= 0,648 ГСОП/с,
213-24-3600 (21 -(-5,9))
5,9))-213 - ГСОП (градусо-сутки отопительного периода);
1000 - переводной коэффициент из кДж в Дж;
количество секунд в отопительном периоде;
35))/(21- (-5,9)) - переход от средних нагрузок к расчётным.
213-24-3600 -
(21
Таблица 4 Постановления Правительства РФ № 306 «Об утверждении Правил установления и определения нормативов потребления коммунальных услуг» содержит значения нормируемого удельного расхода тепловой энергии на отопление многоквартирного дома или жилого дома.
Также стоит отметить, что перспективные нагрузки разрабатываются согласно проектам планировки территории. В проекте планировки микрорайона проектный институт определял перспективные расходы тепла на отопление, вентиляцию и ГВС в соответствии со СНиП 2.04.07-86* «Тепловые сети» по укрупнённым показателям.
Нормируемые расчётные нагрузки на отопление и вентиляцию, рассчитанные согласно СНиП 2.04.0786*, СП 50-13330-2012, СНиП 23-02-2003, требований Постановления Правительства РФ № 306 и Постановления Правительства РФ № 18 «Об утверждении правил установления требований энергетической эффективности для зданий, строений, сооружений и требований к правилам определения класса энергетической эффективности многоквартирных домов», представлены на рис. 1.
В некоторых опубликованных схемах теплоснабжения расчёты перспективной нагрузки жилых зданий велись по местным нормативам (г. Омск, г. Владимир), по требованиям Постановления Правительства РФ № 306 (г. Нижний Новгород), по укрупненным показателям СНиП 2.04.07-86* (г. Бирск).
При разработке схемы теплоснабжения г. Новосибирска и г. Екатеринбурга расчёт перспективной нагрузки представлен с учётом Приказа Минрегиона № 262 и без учёта данного Приказа (Приказ не принят Минюстом РФ, требования по уменьшению нормативных нагрузок соответствуют требованиям Постановления Правительства РФ от 25.01.2011 № 18).
В некоторых схемах теплоснабжения авторы не считают важным указывать способ расчёта.
На рис. 2 наглядно показана разница прогнозируемой нагрузки при расчёте по различным документам с учётом потерь, а также нагрузки общественных и промышленных зданий.
Рис. 1. Нормируемая расчётная нагрузка на отопление и вентиляцию
Рис. 2. Диапазон прогнозируемой величины тепловой нагрузки по микрорайону
При обоснованиях расчёты перспективных тепловых нагрузок необходимо сочетать с проверкой возможности реализации проектов планировки территорий и уточнением реальных сроков строительства. К примеру, при разработке схемы теплоснабжения локального микрорайона одного из городов было установлено, что часть перспективной застройки должна находиться в частном секторе с индивидуальными жилыми домами (в проекте предполагался снос индивидуальной застройки), и первая очередь жилых зданий должна быть сдана в 2013 году, но на сегодняшний день начато строительство только нескольких зданий первой очереди.
Анализ методик определения вероятности безотказной работы тепловых сетей
При разработке схем теплоснабжения необходимо производить оценку их надёжности. В качестве основного критерия оценки, как правило, выступает показатель вероятности безотказной работы.
При анализе вероятности безотказной работы тепловых сетей рассмотрено использование нескольких существующих методик для оценки эффективности их использования:
1. Подключаемая подсистема «Надёжность» к программному обеспечению информационно-графической системы «CityCom-ТеплоГраф».
2. Рекомендации к совместному Приказу Минэнерго России и Минрегиона России № 565/667.
3. РД-7-ВЭП.
В скором времени ожидается появление подсистемы «Надёжность» в информационно-графической системе «Zulu» компании «Политерм».
В некоторых схемах теплоснабжения вероятность безотказной работы не определялась (г. Омск).
Приказ Минэнерго России и Минрегиона России № 565/667 «Об утверждении методических рекомендаций по разработке схем теплоснабжения» был возвращен без регистрации Минюстом. Несмотря на это, в настоящее время множество расчётов надёжности теплоснабжения производится по данной методике (например, для г. Новосибирска).
Определение вероятности безотказной работы тепловых сетей по представленным способам показало существенное различие результатов. В большинстве случаев наиболее высокие результаты расчёта вероятности безотказной работы были получены по Приказу Минэнерго и Минрегиона № 565/667. На примере рассматриваемой территории микрорайона такой расчёт показал, что при нормативном значении вероятности безотказной работы 0,9 лишь один небольшой участок трубопровода тепловых сетей не удовлетворяет требованиям СНиП 41-02-2003 «Тепловые сети».
Результаты расчёта по РД-7-ВЭП имеют более низкие показатели вероятности безотказной работы. Это связано с различием в способе расчёта времени восстановления участка трубопровода, который даёт большие значения в случае расчёта по РД-7-ВЭП.
На рис. 3 представлены результаты расчёта вероятности безотказной работы с накоплением на наиболее протяженном участке микрорайона по рассмотренным методикам расчёта.
Как видно из рис. 3, разница в результатах оценки надёжности систем по различным методикам является существенной, поэтому необходима обоснованная методика, которая позволит получать адекватные результаты.
з
0 5 1(1 15 20 25 30 35 40
Номер учаспса гешювой сш
-•-Приказ МЗ №565 и МРР№Й(>7
-»-Подсистема «Надежность» к ИГС «СйуСот-'ТеплоГраф»
-*-РД-7-ВЭП
Рис. 3. Вероятности безотказной работы при различный способах расчёта
Итак, в связи с несогласованностью существующих способов расчёта необходимо создание единой методики по оценке надёжности тепловых сетей, которая установит единую терминологию в области надёжности тепловых сетей и способы расчёта различных показателей. Единая общепринятая концепция позволит адекватно оценивать состояние тепловых сетей в стране. Для создания методики необходимы разработка единых массивов данных по отказам, проверка достоверности используемых соотношений и корректировка методов.
В продолжение темы читайте Приказ Министерства регионального развития «Об утверждении Методических указаний по анализу показателей, используемых для оценки надежности систем теплоснабжения» на стр. 40
Литература
1. Папушкин В. Н. Радиус теплоснабжения. Хорошо забытое старое / / Новости теплоснабжения. -2010. - № 9. - С. 44-49.
2. Кожарин Ю. В., Волков Д. А. К вопросу определения эффективного радиуса теплоснабжения / / Новости теплоснабжения. - 2012. - № 8. - С. 30-34.
3. Семёнов В. Г., Разоренов Р. Н. Экспресс-анализ зависимости эффективности транспорта тепла от удаленности потребителей / / Новости теплоснабжения. - 2006. - № 6. - С. 36-38.
4. Папушкин В. Н., Григорьев А. С., Щербаков А. П. Задачи перспективных схем теплоснабжения. Изменение зон действия источников тепловой энергии (систем теплоснабжения) [Электронный ресурс]. Код доступа: www.rosteplo.ru/soc/blog/ekonomik/129.html
5. Ливчак В. И. Энергетическая эффективность зданий. К чему приведет СП 50-13330-2012 «Тепловая защита» и как выполнить постановление Правительства России / / Энергосовет. - 2013. - № 2. - С. 32-41.
The analysis of energy supply systems' reliability estimation methods
I. R. Baykov,
Ufa State Petroleum Technological University, Doctor of Science, professor
R. A. Molchanova,
Ufa State Petroleum Technological University, Ph.D., associate professor
E. R. Akhmetov,
Ufa State Petroleum Technological University, lab technician
Sh. Z. Fajrushin,
Ufa State Petroleum Technological University, assistant researcher
This paper is dedicated to the analysis of existing calculation methods for heat supply effective radius, heat load calculation standards for new constructions, and heat supply schemes' reliability estimation methods.
Keywords: heat supply scheme, heat load, reliability, outage-free work probability.
