CC BY
20
УДК: 658.264
И.В.Иванов, Б.В.Ермоленко
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ГОРОДСКИХ РАЙОНОВ И НЕКОТОРЫЕ ПОДХОДЫ К ПОВЫШЕНИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИХ РЕШЕНИЯ НА СТАДИИ ОБОСНОВАНИЯ ИНВЕСТИЦИЙ
Рассмотрено влияние теплоэнергетического комплекса на глобальное и локальное загрязнение атмосферы. Разработаны экономико-математические модели частично целочисленного линейного программирования, предназначенные для решения задачи оптимального проектирования систем теплоснабжения жилых районов населенных пунктов, ориентированной на энергосбережение и снижение негативного воздействия на окружающую среду. Представлена укрупненная блочная структура математической модели.
Ключевые слова: системы теплоснабжения; оптимизация проектных решений; экономико-математические модели; частично целочисленное линейное программирование.
Тепловая энергетика как основной источник выбросов в атмосферу парниковых газов. К одной из серьезных экологических проблем современности относят влияние на глобальные климатические изменения процессов загрязнения атмосферы парниковыми газами. В качестве наиболее существенных компонентов антропогенного воздействия на тепловой баланс Земли Киотский протокол определил такие газы, как диоксид углерода (углекислый газ) - СО2, метан - СН4, закись азота -N20, гидрофторуглероды - ЫРС8, перфторуглероды -РРСз и гексафторид серы - БРб. Уровень парниковой активности каждого из газов оценивается в условных единицах в пересчете на эквивалентное по воздействию на климат количеству диоксида углерода. Эти единицы, позволяющие оценивать суммарные объемы выбросов парниковых газов, получили название СО2-эквивалента. Так, для углекислого газа величина СО2-эквивалента равна 1, для метана - 21, для закиси азота встречаются значения 298 и 310. Парниковая активность фреонов оценивается в 1300-8500 эквивалентных количеств углекислого газа, а гексафторида серы - в 22000 -24000 единиц СО2.
В прошлом году, по данным Международного энергетического агентства (МЭА),
ТЭК находится на первом месте и по локальному загрязнению атмосферы. При сжигании различных органических топлив кроме углекислого газа образуются такие загрязняющие вещества, как оксид углерода (СО), оксиды серы (Б02 и БОэ), оксиды азота
выбросы парниковых газов в атмосферу остались на прежнем уровне и не возросли. Это произошло впервые за последние 40 лет в условиях отсутствия крупного кризиса в мировой экономике. Уровень выбросов в 2014 году составил 32 гигатонны, то есть не изменился по сравнению с уровнем предшествующего года. Однако МЭА предупреждает, что, хотя этот результат внушает надежду, еще рано праздновать победу. Анализ мировых статистических данных показал, что около 44% всех парниковых газов образовалось при использовании угля, 36% пришлось на нефть и нефтепродукты и 20% - на природный газ.
Основным источником образования парниковых газов является топливно-энергетический комплекс (ТЭК). Доля хозяйственной деятельности в сфере добычи, транспортировки и использования ископаемого топлива в выбросах парниковых газов составляет около 90% от общего объема этих газов, попадающих в атмосферу на территории Российской Федерации. Применяемые в тепловой энергетике виды органического топлива различаются как по своей теплоте сгорания, так и по удельным показателям выбросов углекислого газа в атмосферу. В таблице 1 приведены средние значения этих показателей.
Таблица 1
(N0 и N02), бенз-а-пирен, твердые частицы (летучая зола, шлак).
В нашей стране превалирующим видом топлива является природный газ. Его доля в топливном балансе отечественной теплоэнергетики составляет порядка 65%. Природный газ не только
Вид топлива Теплота сгорания, ГДж/т (*ГДж/тыс.м3) Углекислый газ, т/т (*т/тыс.м3) Углекислый газ, т/т.у.т.
Дизельное топливо 42,50 3,32 2,29
Мазут 42,00 3,28 2,39
Природный газ * 35,00 - 38,00 2,00 - 2,17 1,73 - 1,88
Каменный уголь 15,00 - 25,00 0,90 - 1,50 1,17 - 1,95
Гранулы древесные 17,50 0,00 0,00
Гранулы из соломы 14,50 0,00 0,00
Гранулы торфяные 10,00 0,70 1,17
Щепа древесная 10,00 0,00 0,00
Опилки древесные 10,00 0,00 0,00
самый дешевый вид топлива, но и самый экологически чистый с точки зрения локального загрязнения атмосферы. Однако, сжигание природного газа, состоящего на 65-95% из метана, сопровождается выбросами до 1,9 тонны парниковых газов на 1 тонну условного топлива.
Экономические и экологические проблемы российской теплоэнергетики. К числу главных задач топливно-энергетического комплекса России следует отнести полное, своевременное и надежное удовлетворение потребности населения и различных отраслей народного хозяйства в топливе, тепловой и электрической энергии. Одним из важнейших секторов ТЭК является сектор теплоснабжения, который в силу климатических условий и вида оказываемых им услуг представляет не только экономическую, но и огромную социальную значимость для нашего государства. Для целей отопления жилых помещений в России расходуется от 300 до 400 млн. тонн условного топлива в год, на нужды промышленности приходится от 700 до 800 млн. т.у.т. Специфическими особенностями современной российской теплоэнергетики является низкая эффективность систем теплообеспечения крупных населенных пунктов. Преимущественное использование централизованного теплоснабжения приводит к огромным потерям тепла во внешнюю среду и обеспечивает порядка 30% КПД, в то время, как в развитых странах этот показатель превышает 90%.
Сейчас в России насчитывается около 700 ТЭЦ, 19 тыс. центральных тепловых пунктов и более 40 тысяч котельных, подающих тепло в жилые дома. И хотя общая протяженность теплосетей составляет 183,3 тыс. км, магистральной горячей водой в России пользуются всего около 50 млн. человек, т.е. не более 35% населения. До 70% территории России не охвачено централизованной энергетикой, а на этих территориях проживают около 20 млн. человек. Это большая часть отдаленных регионов, прежде всего Крайнего Севера, Чукотки, некоторых районов Центральной Сибири, Якутии, Дальнего Востока. Там получают тепло и электричество благодаря локальным энергоузлам, в основном на дизельных мини-электростанциях, большинство из которых требуют либо замены оборудования, либо серьезного капитального ремонта. Более 50% основных фондов системы централизованного теплоснабжения, установленных 50-60 лет назад, устарели как физически, так и морально. В системе чаще всего отсутствует автоматика, регулирующая
производство и подачу тепла потребителю в зависимости от температуры внутри отапливаемых помещений.
Уменьшение потерь тепла при эффективной организации теплоснабжения может значительно снизить выбросы таких загрязняющих веществ в атмосферу, как оксиды азота, оксиды серы, парниковые газы и привести к существенной экономии топлива. При существующей системе централизованного теплоснабжения основные потери
тепла происходят в процессе его транспортировки. Теплоснабжение от централизованного источника предполагает наличие разветвленной тепловой сети. В этом случае от источника централизованного теплоснабжения в микрорайон подводится магистральный трубопровод, обслуживающий как центральные, так и индивидуальные тепловые пункты, строящиеся на его территории.
При небольшом количестве источников теплоснабжения и их значительной единичной мощности главной положительной чертой централизованного теплоснабжения является возможность применения достаточно эффективных устройств для снижения концентраций загрязняющих веществ в продуктах сгорания и использование высоких дымовых трубах, улучшающих условия рассеивания этих веществ. К позитивным аспектам можно отнести и возможность вынесения объектов теплоэнергетики за пределы жилого сектора. Однако, с точки зрения сохранения тепла, защиты окружающей среды и эксплуатационных особенностей централизованные системы имеют достаточно серьезные недостатки. Большие потери тепла при транспортировке вынуждают увеличивать объем сжигаемого топлива, что, несомненно, сказывается на количестве выбросов в атмосферу вредных веществ. Прокладка и последующая эксплуатация теплотрасс способствует уничтожению зеленых насаждений в технических зонах. Помимо того, что сам источник тепла занимает достаточно большую площадь, так еще и по нормам не допускается посадка деревьев на расстоянии 2 метров от оси теплотрассы. Сложности возникают и при прокладке теплопровода, требующей большого объема земляных работ и проведения сложных мероприятий по теплоизоляции. Наружная и внутренняя коррозия труб приводит к необходимости их ремонта или замены каждые 5-8 лет. Изготовление новых труб на металлургических заводах также вносит свой вклад в негативное воздействие на окружающую среду. Так на долю предприятий черной металлургии приходится от 20 до 25% выбросов пыли, 25-30% окиси углерода, более половины окислов серы от их общего объема в стране. Эти выбросы содержат сероводород, фториды, углеводороды, соединения марганца, ванадия, хрома и другие загрязняющие вещества (более 60 ингредиентов). Кроме того, металлургические предприятия потребляют до 20-25% воды от общего ее потребления в промышленности и сильно загрязняют поверхностные воды.
Децентрализация теплоснабжения как один путей решения задач ресурсосбережения и снижения загрязнения окружающей среды. В последнее время во всем мире наблюдается взрывной интерес к малой теплоэнергетике. Использование установок малой мощности как дополнение к централизованной системе становится все более массовым и популярным. В области малой теплоэнергетики по сравнению с нашими европейскими партнерами мы остаемся далеко позади. Ее доля в общей выработке
тепла и электричества в России колеблется в районе всего 1% по сравнению, например, 25% в Италии или 60% в Швеции. За рубежом наметился тренд на уменьшение единичной мощности проектируемых энергоблоков. Современные технологии позволяют добиваться максимальной эффективности энергоустановок не за счет увеличения их размеров, а благодаря применению новых конструкторских и научных разработок. Коэффициент использования топлива на современных мини-котельных почти в 1,5 раза выше, чем на крупных действующих районных котельных, особенно тех, где энергия вырабатывается на морально и физически устаревшем оборудовании.
Во многих регионах России, наряду с локальным энергообеспечением небольших поселений, снабжение теплом городских районов многоэтажной застройки и объектов культурно -бытового назначения от децентрализованных индивидуальных источников на практике оказалось достаточно эффективным. При наличии газа для децентрализованной системы теплоснабжения основную транспортную функцию несет не теплопровод, а газопровод, который практически не подвержен коррозии. Стоит отметить, что способность газопровода в подводе энергии к отапливаемым объектам много выше, нежели у теплопровода, поэтому и диаметр самого газопровода в 5-10 раз меньше, что требует значительно меньших затрат на прокладку и дальнейшую эксплуатацию системы транспортировки. В связи с меньшей потребностью в металле и значительными сроками надежной эксплуатации газопроводов снижается и использование ресурсов в металлургической промышленности, сопровождающееся уменьшением воздействия на окружающую среду. Так как потери тепла на транспортировку сводятся к минимуму, а при использовании индивидуальных источников тепла потери можно не учитывать и вовсе (при централизованной системе они достигают 30%), значительно сокращается количество сжигаемого топлива. С применением автономных источников теплоснабжения коэффициент полезного действия котлов можно довести до 90% и выше.
Ограниченность топливных ресурсов, высокий уровень затрат, связанных с добычей, транспортировкой и использованием топлива, огромное влияние ТЭК на состояние окружающей среды, а также крайне невысокая эффективность существующих систем энергоснабжения и энергопотребления, делают особенно актуальной задачу топливо- и энергосбережения. Решение этой задачи наряду с уменьшением использования невозобновляемых природных ресурсов приводит также к снижению негативного воздействия хозяйственной деятельности на окружающую среду, что в комплексе способствует более устойчивому эколого-экономическому развитию народного хозяйства. Средозащитная значимость
энергосберегающих мероприятий обусловлена величиной вклада энергетики в загрязнение окружающей среды. Так доля производителей тепла и электроэнергии в загрязнении атмосферного
воздуха России в настоящее время составляет около 30%, а в крупных городах - не менее 10%, уступая в них лишь бурно развивающемуся автомобильному транспорту.
Существенное уменьшение потерь тепла, повышение эффективности использования топлива и снижение загрязнения окружающей среды может быть в первую очередь достигнуто за счет коренных структурных изменений в системах
теплообеспечения. Комплекс мер по
энергосбережению должен предусматривать внедрение энергосберегающих технологий и любых других эффективных мер, способствующих уменьшению потерь тепла в системах теплоснабжения и теплопотребления на всех стадиях производства, транспортировки и потребления тепловой энергии. Сказанное относится как к уже существующим системам, так и к вновь создаваемым источникам тепла, тепловым сетям и пользователям тепловой энергии.
Неформализованная постановка задачи оптимального проектирования системы теплоснабжения городского района.
Строительство новых жилых районов в городах и крупных населенных пунктах требует создания определенной инфраструктуры. Важным элементом этой инфраструктуры является система теплоснабжения строящегося района. В ней предусматривается возможность организации теплоснабжения с использованием как централизованных, так и местных, и локальных (индивидуальных) источников тепловой энергии. При обеспечении потребителей электрической энергии от энергосистемы в качестве источника централизованного снабжения городского района теплом могут выступать крупные районные котельные. Теплоснабжение обеспечивается подведением от централизованного источника магистрального трубопровода к группе потребителей и сооружением для нее своего центрального теплового пункта (ЦТП) либо путем отвода распределительных теплопроводов потребителям и сооружения индивидуальных тепловых пунктов (ИТП) для каждого из них. Рассматривается также возможность создания систем местного теплоснабжения, в которых источниками тепла являются местные котельные, строящиеся в непосредственной близости от нескольких обслуживаемых зданий, что существенно снижает потери тепла при его передаче потребителям по сравнению с централизованным теплообеспечением. Наименьшими потерями в сетях характеризуются системы теплоснабжения, ориентированные на использование индивидуальных источников энергии. В них при каждом отапливаемом и обеспечиваемом горячей водой здании сооружается своя пристроенная, крышная или другая котельная, исключая необходимость строительства внешней тепловой сети, а, следовательно, и исключая потери тепла в этой части системы.
Создание системы обеспечения теплом
крупного строящегося непромышленного комплекса требует значительных затрат времени, принятия непростых и хорошо обоснованных технических, финансовых, организационных и управленческих решений. Сложность стоящих перед проектировщиками и менеджерами проекта задач не позволяет традиционными методами найти наиболее эффективное решение, характеризующееся
надежным удовлетворением потребителей необходимой энергией с минимальными финансовыми затратами, высоким уровнем ресурсо- и энергосбережения и низкими показателями негативного воздействия на состояние окружающей среды. В качестве эффективного инструмента решение задачи оптимального эколого-экономического проектирования системы
теплоснабжения городского микрорайона предлагается использовать систему экономико-математических моделей и методы частично целочисленного линейного программирования.
В неформализованном виде задача оптимального проектирования системы
теплоснабжения городского микрорайона может быть сформулирована следующим образом: при заданных:
- точках размещения объектов гражданского строительства (потребителей тепла) в строящемся микрорайоне;
- максимальной потребности в тепловой энергии (горячей воде для хозяйственных нужд и отопления) каждого из потребителей;
- точках размещения существующих централизованных источников теплоснабжения и существующих у них резервов по снабжению теплом новых потребителей;
- потенциальных точках подключения к магистральному газопроводу для обеспечения строящихся источников теплоснабжения, а, при необходимости, и газовых плит в домах;
- потенциальных точках размещения новых районных, местных, пристроенных и крышных котельных;
- потенциальных точках размещения новых центральных и индивидуальных тепловых пунктов;
- видах, технических, экономических, экологических и других характеристиках имеющегося на рынке технологического оборудования, необходимого для оснащения строящихся котельных и тепловых пунктов;
- территориальных и других ограничениях на строительство каждой из потенциальных котельных и тепловых пунктов;
- вариантах потенциальных трасс
прокладки теплопроводов и газопроводов и характеристиках участков трассы, влияющих на затраты по укладке труб и уровень вреда, наносимого окружающей среде;
- технических параметрах и стоимостных характеристиках имеющихся на рынке труб и оборудования для оснащения строящихся тепло- и газопроводов;
- потерях в тепловых сетях на километр трассы каждого типа теплопровода;
- ограничениях на поставку газа для обеспечением строящегося микрорайона;
- ограничениях на выбросы загрязняющих веществ в атмосферу в местах строительства котельных с учетом фонового загрязнения;
- ограничениях на финансирование проекта из собственных средств инвестора;
- условиях предоставления заемных средств;
- ограничениях на срок окупаемости инвестиций
выбрать
- схему теплоснабжения микрорайона;
- точки строительства, тип и мощность котельных;
- оборудование для оснащения проектируемых котельных и тепловых пунктов;
- трассы укладки тепло- и газопроводов;
- параметры труб и оборудования тепло- и газопроводов;
- источники и объемы инвестирования средств в систему теплообеспечения строящегося микрорайона,
такие что
обеспечивается максимум интегрального эффекта (чистого дисконтированного дохода) или минимум интегральных затрат при инвестировании средств в проект системы теплообеспечения строящегося микрорайона.
Структура математической модели. Для решения поставленной выше задачи сформирована система моделей, позволяющих выбрать оптимальную стратегию инвестирования средств на этапах обоснования инвестиций и разработки технико-экономического обоснования проекта, а также планирования его реализации во времени. Модели для стадий обоснования инвестиций и технико-экономического проектирования сходны по структуре, но отличаются источниками и степенью детализации исходной информации и получаемых результатов. Укрупненная блочная структура модели представлена на рисунке 1.
Область допустимых решений задачи - Gr( , , )
Блок 1. Баланс производства и потребления тепловой энергии
Блок 2. Выбор технологического оборудования центральных и индивидуальных тепловых пунктов
Блок 3. Выбор трассы, диаметра и других параметров газовых и тепловых трубопроводов
Блок 4. Ограничения на площади земель, отводимых под строительство объектов
Блок 5. Ограничения на возможность поставки топлива
Блок 6. Оценка объемов выбросов в атмосферу парниковых газов
Блок 7. Оценка объемов выбросов нормируемых загрязняющих веществ в атмосферу, сброса в водные объекты и кяняпизяпию пбрязпияния и пязметения отходов
Блок 8. Ограничения на уровень загрязнение атмосферы продуктами сгорания топлив
Блок 9. Ограничения на уровень шумового воздействия на окружающую среду
Блок 10. Ограничения на инвестиции в создание системы теплообеспечения потребителей микрорайона
Блок 11. Оценка затрат, связанных с компенсацией ущерба, наносимого окружающей среде в процессе строительства и эксплуатации системы теплообеспечения потребителей микрорайона
Блок 12. Ограничения на значения показателей эффективности инвестирования средств в систему тепло обеспечения потребителей микрорайона
Блок 13. Ограничения на действительные .\ , целочисленные Л и бинарные X переменные
Функционал задачи - Fr( Л', Л' , .V ) - Интегральный эффект или интегральные затраты
Рис. 1. Укрупненная блочная структура математической модели оптимального проектирования системы
теплоснабжения городского микрорайона
Задача оптимизации может решаться с применением эффективных специализированных программных комплексов, например, программного комплекса Xpress-MP британской фирмы Dash Optimization.
Иванов Илья Вячеславович- старший преподаватель кафедры физического воспитания РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Ермоленко Борис Викторович- к. т.н., доцент кафедры промышленной экологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Ivanov Ilya Viacheslavovich* ,Ermolenko Boris Viktorovich
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
*e-mail: ivanov.ily a1982@m ail.ru
ENVIRONMENTAL AND ECONOMIC PROBLEMS OF HEAT SUPPLY IN URBAN AREAS AND SOME APPROACHES TO IMPROVE THE EFFICIENCY OF THEIR DECISION ON INVESTMENT JUSTIFICATION STUDIES
Abstract
The influence of heat and power complex at the global and local pollution of the atmosphere is considered. A math model of partially integer linear programming was developed to solve the problem of optimal design of heat supply systems of residential areas of settlements focused on saving energy and reducing the negative impact on the environment An integrated block structure of the mathematical model is presented.
Keywords: heat supply systems; optimization of design solutions; mathematical models; partially integer linear programming.
