ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОЕ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ -АЛЬТЕРНАТИВА ЦЕНТРАЛИЗОВАННОМУ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 62

Н.А. Бабина

ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОЕ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ -АЛЬТЕРНАТИВА ЦЕНТРАЛИЗОВАННОМУ

Проведено сравнение централизованного и децентрализованного теплоснабжения, экономическое обоснование и преимущества обоих видов теплофикации.

Ключевые слова: теплоснабжение, централизованное, децентрализованное.

До середины 1980-х гг. в нашей стране преимущественно развивались крупные системы теплофикации и централизованного теплоснабжения. Строительство мощных теплофикационных систем позволяло наиболее эффективным способом решать проблему обеспечения электроэнергией и теплотой быстро растущие города и промышленные комплексы.

Концентрация производства тепловой энергии в централизованных системах давала возможность улучшить состояние воздушной среды городов. Кроме того, в крупных установках возможна реализация наиболее эффективных термодинамических циклов для совместного производства электрической и тепловой энергии. Централизация теплоснабжения является необходимой предпосылкой теплофикации городов и промышленных комплексов и открывает широкие возможности также для решения задачи использования вторичных энергетических ресурсов промышленных предприятий.

Однако системы централизованного теплоснабжения, эксплуатируемые в России в настоящее время, имеют ряд недостатков. К числу наиболее существенных можно отнести следующие: тепловые сети в большинстве городов изношены; тепловые потери в них в несколько раз превышают нормативные; высока повреждаемость сетей, что приводит к аварийным ситуациям, а следовательно, к перерывам в теплоснабжении; значительные потери при распределении тепловой энергии по многочисленным потребителям из-за гидравлической разрегулировки систем, а также несоответствия требуемых режимов потребления отдельных зданий режиму централизованного регулирования отпуска теплоты; существенные затраты электроэнергии на транспортировку теплоносителя по тепловым сетям [1-3].

Эксплуатация тепловых сетей сопровождается неизбежными тепловыми потерями: от внешнего охлаждения - в размере 12-20% тепловой мощности (нормируемое значение - 5%); с утечками теплоносителя - от 5 до 20% расхода в сети (при нормируемом значении потерь с утечками - до 0,5% от объема теплоносителя в системе теплоснабжения, с учетом объема местных систем, или 2% от расхода сетевой воды). Эксплуатационные затраты электроэнергии на перекачку теплоносителя составляют 6-10%, а затраты на химводоподготовку - 15-25% стоимости отпускаемой тепловой энергии. Значительное превышение нормативных потерь связано с высокой степенью износа оборудования централизованных систем теплоснабжения и особенно тепловых сетей - до 70% и более. Поэтому именно тепловые сети являются самым ненадежным элементом системы централизованного теплоснабжения, на который приходится более 85% отказов по системе в целом.

Трубопроводы тепловых сетей прокладываются в подземных проходных и непроходных каналах (84%), бесканальная подземная прокладка - 6% и надземная (на эстакадах) - 10%. В среднем по стране свыше 12% тепловых сетей периодически или постоянно затапливаются грунтовыми или поверхностными водами, в отдельных городах эта цифра может достигать 70% теплотрасс. Неудовлетворительное состояние тепловой и гидравлической изоляции трубопроводов, износ и низкое качество монтажа и эксплуатации оборудования тепловых сетей отражаются статистическими данными по аварийности. Так, 90% аварийных отказов приходится на подающие и 10% - на обратные трубопроводы, из них 65% аварий происходит из-за наружной коррозии и 15% - из-за дефектов монтажа (преимущественно разрывов сварных швов).

На этом фоне все увереннее позиции децентрализованного теплоснабжения, к которому следует отнести как поквартирные системы отопления и горячего водоснабжения, так и домовые, включая многоэтажные здания с крышной или пристроенной автономной котельной. Использование децентрализации позволяет лучше адаптировать систему теплоснабжения к условиям потребления теплоты конкретного обслуживаемого ею объекта, а отсутствие внешних распределительных сетей практически исключает непроизводственные потери теплоты при транспорте теплоносителя. При децентрализации возможно достичь

© Бабина Н.А., 2020.

Научный руководитель: Мельников Владимир Михайлович - кандидат технических наук, доцент, Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, Россия.

не только снижения капитальных вложении за счет отсутствия тепловых сетей, но и переложить расходы на стоимость жилья (т. е. на потребителя). Именно этот фактор в последнее время и обусловил повышенный интерес к децентрализованным системам теплоснабжения для объектов нового строительства жилья. Организация автономного теплоснабжения позволяет осуществить реконструкцию объектов в городских районах старой и плотной застройки при отсутствии свободных мощностей в централизованных системах. Децентрализация на современном уровне базируется на высокоэффективных теплогенераторах последних поколений (включая конденсационные котлы), с использованием энергосберегающих систем автоматического управления позволяет в полной мере удовлетворить запросы самого требовательного потребителя.

Сравним на конкретном примере централизованную и децентрализованную системы теплоснабжения. Сравнение вариантов теплоснабжения будем вести в зависимости от величины потерь в тепловых сетях.

Расчет схемы ТЭЦ с централизованной системой теплоснабжения. Нормативные потери в тепловых сетях составляют 5%. Для этого значения произведем расчет тепловых нагрузок строящейся промыш-ленно-отопи-тельной ТЭЦ (основные данные взяты из типового проекта ТЭЦ 24 МВт).

Количество теплоты, отдаваемое тепловому потребителю на теплофикацию из отборов турбин: = 74,3 Гкал/кг

Коэффициент теплофикации

= 0,5.

а.

'тф

Общее количество теплоты, отпускаемое от ТЭЦ на теплофикацию: =2*,/«* = 74-3/0-5 = 148-6 Гкал/ч-

о1?4

Технологическая нагрузка

Определим число жителей, снабжаемых теплотой. Удельный расход теплоты на одного жителя и число часов использования максимума нагрузки составляют [4]:

- для отопления и вентиляции: qОВгод = 131,1 Гкал/год-чел.; hОВmax = 2500 ч;

- для горячего водоснабжения: qГBгoд = 8,1 Гкал/год-чел.; ЫВшах = 3500 ч;

Тогда рассчитаем число жителей

Определим годовую отопительную нагрузку к расчетному периоду:

- отопление и вентиляция: QОВгод • zqОВгод = 19000 • 13,1 = 248900 Гкал/год;

- горячее водоснабжение: QГВгод • zqГВгод = 19000 • 8,1 = 153900 Гкал/год. Тогда суммарный годовой отпуск теплоты от ТЭЦ в расчетном году

аТ = (бГ + СГЛ)— = (248900 + 153900) • -I- = 424000 Гкал/год.

Пгс

Максимальная часовая нагрузка

(уод 0аяи _ ^ив

248900 2500

-99.56 Гкал/ч;

(У* 153900 д™ ¿£±22!-43 97 Гкал/ч.

3500

Суммарная расчетная теплофикационная нагрузка ТЭЦ

О» = (ОТ + 0Г )—■■= (99,56 + 43,97) • -1

Пгс -

= 151,1 Гкал/ч.

0,95

Исходя из теплофикационной нагрузки в номинальном режиме и суммарного номинального отпуска теплоты из теплофикационных отборов турбин, часовой отпуск теплоты от ПВК определяется

Капиталовложения в ТЭЦ с централизованной схемой теплоснабжения

Рассчитаем расход топлива в данную схему. КПД пиковой водогрейной котельной считаем равным 88%. Тогда расход топлива на паровые котлы

Годовой расход топлива на ПВК

Годовой расход топлива на ТЭЦ

Определим издержки и приведенные затраты на ТЭЦ при централизованной схеме теплоснабжения. Для этого принимаем норму амортизации на ТЭЦ равной 4,6%, среднегодовую заработную плату - в размере 6000 дол./год, штатный коэффициент - 2,9 чел./МВт. Цена за 1 т у. т. принимается в размере 180 дол. США.

Постоянные издержки

Переменные издержки

ИЛф = .ВГэцЦГуТ -130637,2-180 - 23,5 млн дол./год.

Издержки в тепловые сети и ЛЭП

Илэп - 0,034КЛЭП - 0,034-8,4 = 0,2856 млн дол./год.

Приведенные затраты на ТЭЦ

Далее произведем аналогичный расчет для варианта централизованного теплоснабжения при потерях в тепловых сетях 10-45%. Для обеспечения расчетной теплофикационной нагрузки необходимо увеличить отпуск теплоты от ТЭЦ.

При этом при потерях в тепловых сетях 20% ТЭЦ не может отдать необходимое количество теплоты на теплофикацию. Необходим ввод дополнительной пиковой водогрейной котельной КВГМ -30. Часовой отпуск теп-лоты от ПВК равен 105,1 Гкал/ч. Это, в свою очередь, ведет к увеличению капитальных затрат на ТЭЦ. Полные капиталовложения возрастут на 0,2 млн дол. и составят 90,63 млн дол.

При потерях в тепловых сетях в 30% необходим ввод пиковой водогрейной котельной КВГМ-50. Часовой отпуск теплоты от ПВК в этом случае равен 130,7 Гкал/ч. Капитальные вложения увеличатся на 0,27 млн дол. и составят 90,7 млн дол.

А при потерях в тепловых сетях более 35% потребуется ввод КВГМ-100. Полные капиталовложения в этом случае составят 90,76 млн дол.

Расчет децентрализованной системы теплоснабжения. Число жителей населенного пункта z =

19000.

Удельный расход теплоты на одного жителя и число часов использования максимума нагрузки составляют [4]:

- для отопления и вентиляции: qОВгод = 13,1 Гкал/год • чел.; hОВmax = 2500 ч;

- для горячего водоснабжения: qГВгод = 8,1 Гкал/год • чел.; ИГВтах = 3500 ч.

Для упрощения расчетов принимаем типовую застройку населенного пункта, т. е. девятиэтажными жилыми домами. Количество подъездов - 2. Число квартир на этаже - 4. Число жителей, проживающих в квартире, равно двум.

В этом случае число жителей в одном доме составит

т = 9 • 2 • 4 • 2 = 144 чел. Количество домов в застройке Д = z / т=19000/144-132. Нагрузка отопления и вентиляции дома

Нагрузка горячего водоснабжения дома

Суммарная потребность дома в теплоте

Максимальная часовая нагрузка отопления и вентиляции дома

Максимальная часовая нагрузка горячего водоснабжения дома Суммарная расчетная часовая нагрузка Технологическая нагрузка

Для покрытия теплофикационной нагрузки дома выбираем крышные водогрейные котлы с рабочим давлением 5 бар. Стандартная максимальная температура на выходе из котла - 110 °С.

Для покрытия технологической нагрузки выбираем паровые котлы с рабочим давлением до 25 бар. Рассчитаем капиталовложения в децентрализованную схему теплоснабжения. Мощность замещающей КЭС - 24 МВт. КПД замещающей КЭС - 38%. Считаем, что электроэнергия производится на замещающей КЭС, поэтому отсутствуют капиталовложения в ТЭЦ. Но следует учесть капитальные вложения в строительство КЭС. Для этого примем удельные капиталовложения в строительство замещающей КЭС на уровне 1,1 млн дол./МВт. Капиталовложения в КЭС

Ккэс - ^эс^сэс =24-1,1 = 26,4 млн дол Удельные капиталовложения в водогрейные котлы - 16500 дол./шт. Капиталовложения в систему из 132 котлов

Удельные капиталовложения в паровые котлы - 200000 дол./шт. Так как для обеспечения технологической нагрузки потребуется два котла, то

Протяженность системы ЛЭП - 110 км. Удельные капиталовложения в ЛЭП - 0,56 млн дол. Таким образом, капиталовложения в ЛЭП

Подсчитаем суммарные капиталовложения в децентрализованную схему теплоснабжения с выработкой электроэнергии на КЭС

Рассчитаем расходы топлива.

Удельный расход топлива на замещающей КЭС

Расход топлива на КЭС

Расход топлива в крышных водогрейных котлах

cr^ti^n I nKR.isnn.n?

= 78039,1 т у. т./шд.

Лпвк

0.92-7

Расход топлива в паровых котлах й^д _ 39,1-5000- 2

Дж="

= 30357,1 ту. т./год,

0,92-7

где hy - число часов использования установочной мощности.

Суммарный расход топлива при децентрализованной схеме теплоснабжения населенного пункта и выработке электроэнергии на КЭС

Далее произведем расчет издержек и приведенных затрат в схему. Переменные издержки Ипцр = -£^о<:ЦТут = 151122,5-180 = 27,2 млн дол./год

Норма амортизации на КЭС равна 4,3%. Штатный коэффициент - 0,7 чел./МВт. Среднегодовая заработная плата - 6000 дол./год.

Постоянные издержки

На домовые и промышленные котельные не насчитывается амортизация, а расходы на обслуживание и текущие ремонты ложатся на собственников оборудования, т. е. на жильцов и промышленное предприятие.

Оценим расходы на эксплуатацию оборудования в размере 10% от первоначальной стоимости. Тогда издержки на эксплуатацию водогрейных и паровых котлов

Найдем приведенные затраты в децентрализованную схему теплоснабжения и выработку электроэнергии на КЭС

Для наглядности результаты расчетов для централизованной и децентрализованной систем теплоснабжения сведены в табл. 1.

Таблица 1

Система теплоснабжения

Централизованная Децентрализован- ная

КПД ТС, % 95 90 85 80 75 70 65 60 55 -

Коэффициент теплофикации атф 0,50 0,478 0,452 0,425 0,40 0,372 0,345 0,319 0,292

Количество теплоты из отборов турбин на теплофикацию, Гкал/ч 74,30 74,300 74,300 74,300 74,30 74,300 74,300 74,300 74,300

Суммарная расчетная ТФ 151,01 159,500 168,900 179,400 191,40 205 220,800 239,200 261 146,80

Нагрузка ПВК/ крышных водогрейных котлов QПВК, Гкал/ч 76,80 85,200 94,600 105,100 117,10 130,700 146,500 164,900 186 146,80

Технологическая нагрузка , Гкал/ч 39,10 39,100 39,100 39,100 39,10 39,100 39,100 39,100 39,100 39,10

Капиталовложения КТЭЦ (ККЭС)*, млн дол. 90,43 90,430 90,430 90,630 90,63 90,700 90,700 90,760 90,760 90,58

Годовой расход топлива ВТЭЦ (ВКЭС), т у. т./год 130637 135406 140737 146733 153529 161296 170258 180713 193069 151122,50

Постоянные издержки Ипост, млн дол./год 6,90 6,900 6,900 6,920 6,92 6,930 6,930 6,930 6,930 6,00

Переменные издержки Ипер, млн дол./год 23,50 24,400 25,300 26,400 27,60 29 30,600 32,500 34,800 27,20

Приведенные затраты Зтэц Зтэс млн дол./год 54,27 55,130 56,080 57,200 58,40 59,800 61,500 63,300 65,600 53,82

* В скобках - показатель для децентрализованной системы теплоснабжения.

На рис. 1 изображена зависимость коэффициента теплофикации от потерь в тепловых сетях. Как видно из графика, значение коэффициента теплофикации снижается с ростом тепловых потерь в тепловых сетях. Оптимальными являются значения от 0,48 до 0,70. Снижение коэффициента теплофикации ведет к уменьшению удельной выработки электроэнергии на тепловом потреблении ТЭЦ, что в свою очередь приводит к увеличению удельного рас расхода топлива на станции и снижению эффекта от теплофикации.

Рис. 1. Зависимость коэффициента теплофикации от КПД тепловых сетей

Зависимость капиталовложений в схемы теплоснабжения от КПД тепловых сетей представлена на рис. 2. Как видно из графика, величина капиталовложений в централизованную схему возрастает вследствие невозможности обеспечения теплофикационной нагрузки проектируемым вари-антом ТЭЦ. Необходим ввод дополнительного оборудования.

КПДТС,

Рис. 2. Зависимость капиталовложений от КПД тепловых сетей:

1 - централизованная; 2 - децентрализованная схемы

На рис. 3 изображена зависимость годового расхода топлива от КПД тепловых сетей. Как видно из графика, значение годового расхода топлива на ТЭЦ при централизованной системе теплоснабжения растет с увеличением потерь в тепловых сетях.

70 65 60 КИЛ'ГС " Ь

Рис. 3. Зависимость годового расхода топлива от КПД тепловых сетей:

1 - централизованная; 2 - децентрализованная схемы

Зависимость приведенных затрат в схемы теплоснабжения от КПД тепловых сетей показана на рис. 4. Как видно из графиков, по приведенным затратам централизованная и децентрализованная системы теплоснабжения равноэкономичны только при нормативных потерях в тепловых сетях.

Из полученных расчетов вытекает, что децентрализованная система теплоснабжения может составить серьезную конкуренцию централизованной. Особенно это заметно при потерях в тепловых сетях более 5%.

Рис. 4. Зависимость приведенных затрат от КПД тепловых сетей:

1 - централизованная; 2 - децентрализованная схемы

Вывод. Из изложенного не следует, что для городов и больших производственных комплексов автономные котельные будут конкурентами крупным ТЭЦ и районным котельным. Они служат их разумным дополнением. Целесообразная доля автономных котельных в городах должна составлять 10-15% потенциального рынка тепловой энергии. Необходимо рассматривать систему теплоснабжения города в целом, проводить баланс источников теплоты и искать наиболее экономичные варианты. Индивидуальное теплоснабжение должно получить распространение в небольших населенных пунктах с малоэтажной застройкой и в некоторых городских районах с объективно дорогим подключением к централизованным тепловым сетям.

Библиографический список

1.Булгаков, С. Н. Централизация или децентрализация систем теплоснабжения: проблемы выбора / С. Н. Булгаков, С. А. Чистович, В. К. Аверьянов // Промышленное и гражданское строительство. - 1998. - № 3. - С. 20-21.

2.Балуев, Е. Д. Перспективы развития централизованного теплоснабжения / Е. Д. Балуев // Теплоэнергетика. - 2001. - № 11. - С. 50-54.

3.Семенов, В. Г. Децентрализованное теплоснабжение на примере г. Смоленска / В. Г. Семенов, Р. Н. Разоренов // Новости теплоснабжения. - 2001. - № 12. - С. 28-31.

4. Теплоэнергетика и теплотехника: справ. серия: кн. 4 / под общ. ред. А. В. Клименко и В. М. Зорина. - 4-е изд. стереот. - М.: МЭИ, 2007.

БАБИНА НАТАЛЬЯ АЛЕКСАНДРОВНА - магистрант, Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, Россия.