CC BY
32
УДК 697.317
Энергосбережение и экономия средств при обоснованном выборе перспективного источника теплоснабжения
А. Д. Плахута,
ОАО «Объединение ВНИПИэнергопром», Невский филиал, начальник отдела энергетических программ
Представлен новый подход к определению зон эффективного теплоснабжения для существующих источников тепловой энергии с помощью уникальной модели. Применение данного подхода позволяет обосновывать использование того или иного источника тепловой энергии при решении задач инженерного планирования. Оценка зон эффективного теплоснабжения выполнена на практическом примере.
Ключевые слова: система централизованного теплоснабжения, автономная котельная, радиус эффективного теплоснабжения, капитальные затраты.
Переход от централизованного теплоснабжения к автономному или индивидуальному диктуется, прежде всего, значительной удалённостью от существующих источников централизованного теплоснабжения. Существенную роль при выборе перспективного источника теплоснабжения играет плотность тепловой нагрузки. Так для индивидуальной и малоэтажной застройки централизованное теплоснабжение нецелесообразно по следующим причинам:
- необязательная установка приборов учёта тепловой энергии у потребителей с тепловой нагрузкой менее 23,3 кВт (в соответствии с Федеральным законом № 261 «Об энергосбережении...»), в результате чего составление корректных балансов тепловой энергии становится невозможным;
- наличие трубопроводов малого диаметра, но значительной протяжённости, что приводит к дополнительным потерям при транспортировке.
Однако в случае ввода в эксплуатацию многоэтажного дома или района с многоэтажной застройкой при условии нахождения такого объекта в непосредственной близости от зоны (или в зоне) действия существующих источников централизованного теплоснабжения возникает вопрос: от какого источника должно осуществляться теплоснабжение в перспективе - от существующей системы централизованного теплоснабжения, от автономного теплоисточника или от индивидуальной крышной котельной? Ответ на этот вопрос должен формироваться по результатам сопоставительной оценки различных вариантов теплоснабжения.
В последние годы на территории крупных городов всё чаще складывается ситуация, когда в зоне действия существующих систем централизованного теплоснабжения отмечается строительство большого количества автономных котельных. Наблюдается ярко выраженный процесс, обратный теплофикации, - «котельнизация», или переход от комбинированного потребления тепловой и элек-
трической энергии от ТЭЦ на раздельное энергоснабжение: теплоснабжение от индивидуальных, квартальных, крышных котельных и электроснабжение от ГРЭС или ТЭЦ, работающих в конденсационном режиме [1]. Со стороны потребителей этот процесс может считаться эффективной тенденцией обеспечения тепловой энергией с минимизацией капитальных затрат на строительство, максимальной автоматизацией режимов производства и передачи тепловой энергии и т. д. Данное предположение подтверждается при сопоставлении КПД источников энергии: для газовой котельной КПД находится в диапазоне 90-94 %, паротурбинной ТЭЦ - 35-40 %, современных ГРЭС (работающих по парогазовому циклу) - 50-52 %.
Однако эти результаты не отражают истинной энергетической эффективности источника энергоснабжения, так как сравниваются и сопоставляются неравноценные виды энергии. Для определения реальной энергоэффективности теплоисточников в расчёт КПД должны вноситься поправки на ценность вырабатываемого вида энергии. Для экспертной оценки без учёта расхода электрической энергии на собственные нужды показатели энергоэффективности для котельной, ТЭЦ и ГРЭС могут определяться следующим образом [2]:
К
кот _ "цт 'Ъэ
■а
ВТ-&Н '
Лээ
„ГРЭС
Ч ээ
кгп-к.
(1)
(2)
(3)
в ■он
т
где <ЭТ - тепловая энергия, отпущенная от источника потребителю; Nэ - электрическая мощность на клеммах генератора; Bт - расход топлива; QP - низшая теплота сгорания топлива;
□ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □
□ □ □ □ □ □
\
□ □ □ □ □ □
□ □ □
Кцэ и Кцт - коэффициенты, отражающие экономическую составляющую показателей энергоэффективности и определяющиеся выражениями (4) и (5):
(4)
(5)
где Цэ, Цт - региональные тарифы на электрическую и тепловую энергию;
Сэ, Ст - себестоимость электрической и тепловой энергии, выработанной автономным источником.
В зависимости от региональных условий значения, вычисляемые по формулам (1)-(3), могут находиться в различных диапазонах. На примере г. Тюмени рассчитаны следующие значения показателей:
л
«Э
г=1,3;п1ээц=1,9; n™C = 2,4.
потребителя возрастает по нелинейному закону и в определённой точке достигает значения, сопоставимого со значением для автономной котельной (Ьак = 156 кг у. т./Гкал). С высокой степенью точности можно сказать, что подключение перспективных потребителей на расстоянии свыше 9500 м будет неэффективным, т. е. приведёт к совокупному увеличению затрат в системе теплоснабжения и увеличению себестоимости энергии. Себестоимость теп-лоотпуска также возрастает с увеличением удалённости от существующего теплоисточника и в определённой точке достигает значения, сопоставимого со значением себестоимости производства тепла автономной котельной (Сак = 1271 руб./Гкал).
175
£ ? !
170
_
165_Сд_К=_12_71_руб_/Гкал 1 160 Ь_К_156 кг у. т./Гкал
Другим характерным показателем для сравнения экономической целесообразности комбинированной и раздельной выработки энергии является удельный расход условного топлива на производство единицы электрической и тепловой энергии, измеряемый в г у. т./кВт-ч и кг у. т./Гкал соответственно. Расход условного топлива для выработки единицы тепловой энергии у современных высокоэффективных котельных находится в пределах 151п159 кг у. т./Гкал. Для ТЭЦ значение зависит от загрузки теплофикационной части и способа покрытия пиковых нагрузок и может принимать значения 125+150 кг у. т./Гкал.
С учётом значения представленных показателей напрашивается вывод о том, что централизованное теплоснабжение от ТЭЦ всегда будет экономичнее теплоснабжения от автономной котельной. Однако это не соответствует действительности в полной мере. В системах централизованного теплоснабжения имеются затраты на перекачку теплоносителя, компенсацию потерь в тепловых сетях и иные затраты, зависящие от конфигурации системы. Конфигурация, в свою очередь, характеризуется следующими показателями:
- степенью разветвлённости сетей;
- плотностью тепловой нагрузки потребителей;
- протяжённостью и материальной характеристикой сетей;
- фактическим уровнем потерь энергии.
Таким образом, зона эффективного теплоснабжения от ТЭЦ небезгранична. Ключевой задачей для оценки эффективности теплоснабжения потребителей в данном случае является нахождение границы централизованного теплоснабжения на базе ТЭЦ, в зоне которой оно будет эффективнее.
На рис. 1 представлено определение зоны эффективного теплоснабжения на базе ТЭЦ г. Тюмени. Удельный расход топлива на обеспечение конечного
140
2000
6000 8000 Протяженность тепловой сети, м
—Удельный расход топлива на отпуск тепловой энергии конечному потребителю, кг у.т./Гкал Затраты на обеспечение конечного потребителя тепловой энергией от ТЭЦ, руб./Гкал
Рис. 1. Зависимость характерных показателей от протяжённости тепловой сети до конечного потребителя
В обоснованной оценке определения перспективного источника теплоснабжения кроется существенный потенциал энергосбережения, который влечёт за собой экономию финансов для конечных потребителей. В зонах I и III можно однозначно сказать, какой источник будет наиболее эффективным для перспективных потребителей. При удалённости потребителя от теплоисточника менее 8000 м (зона I) целесообразно подключение к существующей сети, при удалённости свыше 9500 м (зона III) - к автономной котельной. Зону II можно охарактеризовать как зону «альтернативного теплоснабжения»: на эффективность теплоснабжения потребителей в данной зоне влияет комплекс сторонних факторов и с учётом прочих условий могут быть эффективны оба варианта теплоснабжения.
Одной из актуальных задач остаётся определение показателей, позволяющих оценивать эффективность централизованного теплоснабжения в зависимости от удалённости потребителей от теплоисточников. В [3] была сформулирована задача определения предельного радиуса теплофикации, а понятия «экономического» и «предельного» радиусов теплофикации впервые рассмотрены в [4]. Исходными данными для расчёта «экономического» радиуса теплофикации являлись конфигурация системы теплоснабжения и теплоплотность района.
ШшЩшСУРСОШщЕШшшш Ц
В последнее время некоторые организации занимались проработкой вопроса эффективности зон действия централизованного теплоснабжения. Методика расчёта ОАО «ВНИПИэнергопром» изложена в Приложении П СП 41 110-2005 «Проектирование тепловых сетей», но данный свод правил официально не был утверждён, а приложение П не опубликовано.
В [5] новаторский экспресс-анализ зависимости эффективности транспорта тепла от удалённости потребителей имеет серьёзное достоинство - определение зон эффективного действия существующих теплоисточников с точки зрения структуры установленных тарифов на тепловую энергию, т. е. максимальную приближенность расчётов к существующему порядку тарифообразования. Однако данный подход имеет ограниченное применение и может использоваться лишь для укрупнённой оценки.
Федеральным законом «О теплоснабжении» [6] было регламентировано следующее определение: «Радиус эффективного теплоснабжения» - максимальное расстояние от теплопотребляющей установки до ближайшего источника тепловой энергии в системе теплоснабжения, при превышении которого подключение (технологическое присоединение) теплопотребляющей установки к данной системе теплоснабжения нецелесообразно по причине увеличения совокупных расходов в системе теплоснабжения». Данное определение не является точным и нуждается в корректировках - уточнении параметра совокупных затрат и отнесении параметра совокупных затрат к единице тепловой энергии.
Работа [7] послужила эталоном для определения радиусов эффективного теплоснабжения для разработки схем теплоснабжения муниципальных образований. Также следует отметить методики, представленные в [8] и [9].
Новая модель системы теплоснабжения
Несмотря на важность критерия «радиус эффективного теплоснабжения», методика его вычисления не утверждена. В связи с неоднородностью распределения тепловой нагрузки нельзя однозначно утверждать, что теплоснабжение потребителей будет целесообразным или нецелесообразным в зависимости от показателя удалённости потребителя от ТЭЦ, т. е. понятие радиуса неприменимо, если выполняется прорисовка окружности с использованием в качестве центра существующего источника тепловой энергии.
На рис. 2 представлена новая, не применявшаяся ранее модель определения зон эффективного теплоснабжения. Предшествующие модели основывались на отсчёте расстояния от источника тепловой энергии либо вычислении радиуса теплоснабжения для районов, но без привязки подключённой нагрузки к каждой точке сброса тепловой нагрузки.
В зависимости от конфигурации и сложности рассматриваемых систем теплоснабжения точками сброса могут являться следующие элементы:
- тепловая камера или узел («глухая» врезка);
- котельная, центральный тепловой пункт или насосная станция (в случае простой схемы).
Искомое расстояние от теплопотребляющей установки до ближайшего источника будет определяться как сумма нескольких составляющих:
- протяжённость магистральной сети (Ьм);
- эффективный радиус квартального теплоснабжения (Ккв).
При известной протяжённости тепломагистрали задача определения радиуса эффективного теплоснабжения сводится к определению Rкв. Этот показатель может находиться в различных диапазонах значений:
- при эффективном (прибыльном) теплоснабжении RкB = (100; +да);
- при альтернативном теплоснабжении, сопоставимом с теплоснабжением от котельной, Rкв = [-100; 100]; кв
- при неэффективном (убыточном) теплоснабжении Rкв = (-да; 100).
-^ Зона эффективного распределения ТЭ
А, В, С, D, E Точки сброса ТЭ
-Магистральный участок ТС
- Квартальный участок ТС
1111 Граница зоны эффективного теплоснабжения Рис. 2. Расчётная модель системы теплоснабжения
Результаты расчёта эффективного радиуса квартального теплоснабжения для рассматриваемой точки сброса тепловой нагрузки представлены на рис. 3 и показывают максимально возможную удалённость перспективного потребителя (от точки
\
сброса тепловой нагрузки) в зависимости от возможной величины подключаемой тепловой нагрузки. Если эффективный радиус квартального теплоснабжения принимает отрицательные значения, то централизованное теплоснабжение неэффективно по сравнению со строительством автономной котельной.
На рис. 3 эффективный радиус квартального теплоснабжения принимает положительные значения, поэтому диаграмма разделена на две характерные зоны, для каждой из которых он определяется разными способами. В зоне I (в диапазоне тепловых нагрузок 0+2 Гкал/ч) предел эффективности ограничен максимальным значением по условиям сопоставимости себестоимости энергии от существующей сети и от котельной. В зоне II (в диапазоне тепловых нагрузок более 2 Гкал/ч) эффективный радиус квартального теплоснабжения ограничивается значениями радиуса эффективного теплоснабжения по условиям сопоставимости капитальных затрат. Однако результирующее значение будет находиться в диапазоне между значениями по условиям приоритетности себестоимости от централизованного теплоснабжения и значения по условиям сопоставимости капитальных затрат. Причиной тому служит следующее обстоятельство: при подключении потребителей к существующей сети удельные совокупные затраты на отпуск тепла будут меньше, чем в варианте с эксплуатацией котельной, т. е. подключение принесёт ощутимую экономию средств потребителя.
з 800
I 700 | 600 I 500»
| 400 *
1 300 Ч #200
1100 " 0'
0
5
10
25
15 20
Тепловая нагрузка, Гкал/ч -*- Максимальный радиус теплоснабжения по условиям сопоставимости себестоимости ТЭ Максимальный радиус теплоснабжения по условиям сопоставимости капитальных затрат "" Результирующий радиус эффективного теплоснабжения
Рис. 3. Оценка радиуса эффективного теплоснабжения для рассматриваемой точки сброса тепловой нагрузки
Пример расчёта
В районе тепловой камеры ТК-100 планируется ввод в эксплуатацию зданий с суммарной тепловой нагрузкой 10 Гкал/ч. Необходимо определить, что будет эффективнее: подключение к существующей сети или строительство котельной. Решение осуществляется при помощи результатов расчёта эффективного радиуса квартального теплоснабжения. Возможно несколько характерных ситуаций.
Ситуация 1. Потребитель находится на расстоянии свыше 460 м от рассматриваемой тепловой камеры. В данном случае при подключении по-
требителя к централизованному теплоснабжению операционные и капитальные затраты будут превышать аналогичные показатели для случая со строительством автономной котельной, которое выгодно для теплоснабжающей организации и потребителя.
Ситуация 2. Потребитель находится на расстоянии 280+460 м от рассматриваемой тепловой камеры. В данном случае операционные расходы при подключении к существующей сети будут ниже аналогичного показателя для котельной. Однако будут иметь место завышенные капитальные затраты на строительство и реконструкцию, что с точки зрения платы за подключение невыгодно. Решение о присоединении в таком случае остаётся за потребителем. Присоединение является выгодным для теплоснабжающей организации.
Ситуация 3. Потребитель находится на расстоянии 190+280 м от рассматриваемой тепловой камеры. В данном случае операционные расходы при подключении к существующей сети будут ниже. Однако будут иметь место завышенные капитальные затраты на строительство и реконструкцию, которые через некоторый промежуток времени окупятся в связи с различием операционных затрат при подключении к существующей сети и при эксплуатации котельной. Решение о присоединении остаётся за потребителем. Присоединение является выгодным для теплоснабжающей организации. Выгода для потребителя будет сформирована через некоторое время.
Ситуация 4. Потребитель находится на расстоянии менее 190 м от тепловой камеры. Операционные и капитальные затраты будут минимизированы. Подключение к системе централизованного теплоснабжения выгодно всем заинтересованным сторонам.
Итак, перед вводом в эксплуатацию зданий и сооружений должна производиться обязательная сопоставительная оценка возможных вариантов обеспечения теплом конечных потребителей. Представленный подход к определению перспективного теплоисточника позволит минимизировать затраты. При данном подходе возможен поиск компромиссных решений, а также решений, которые будут удовлетворять в полной мере все заинтересованные стороны - и потребителей, и теплоснабжающие организации. Кроме того, рассмотрение и принятие федеральными органами исполнительной власти единой методики определения радиусов эффективного теплоснабжения позволило бы упорядочить границы эффективной централизации теплоснабжения, при удалении от которой подключение перспективных потребителей к существующей системе централизованного теплоснабжения было бы запрещено. Внедрение единой методики расчёта существенно упростит разработку схем теплоснабжения муниципальных образований.
Литература III
1. Богданов А. Б. Котельнизация - беда национального масштаба [Электронный ресурс]. Код доступа: III www.exergy.narod.ru. III
2. Гладышев Н. Н., Короткова Т. Ю. Автономные источники тепловой и электрической энергии малой мощ- III ности. - СПб.: СПбГТУРП, 2010. - 323 с. III
3. Якимов Л. К. Предельный радиус действия теплофикации / / Тепло и сила. - 1931. - № 9. - С. 8-10. 111
4. Якуб Б. М. Генеральный план теплофикации Москвы / / Изв. ВТИ. - 1934. - № 8. - С. 24-26. 111
5. Семёнов В. Г., Разоренов Р. Н. Экспресс-анализ зависимости эффективности транспорта тепла от уда- 111 лённости потребителей / / Новости теплоснабжения. - 2006. - № 6. - С. 36-38. III
6. Федеральный закон от 27.07.2010 № 190-ФЗ «О теплоснабжении». 111
7. Папушкин В. Н. Радиус теплоснабжения. Хорошо забытое старое / / Новости теплоснабжения. - ¡Ц 2010. - № 9. - С. 44-49. Ш
8. Кожарин Ю. В., Волков Д. А. К вопросу определения эффективного радиуса теплоснабжения / / 111 Новости теплоснабжения. - 2012. - № 8. - С. 30-34. 111
9. Папушкин В. Н., Григорьев А. С., Щербаков А. П. Задачи перспективных схем теплоснабжения. 111 Изменение зон действия источников тепловой энергии (систем теплоснабжения) [Электронный ресурс]. Код 111 доступа: www.rosteplo.ru/soc/blog/ekonomik/129.html. Ш
Energy and money saving choice of heating supply way
A. D. Plakhuta,
VNIPIenergoprom, Nevsky branch, head of the energy program department
The author of this paper is pleased to present his new approach and the unique model of effective heating supply zoning. This approach allows reasonably using of different heating supply ways during engineering design and calculation steps. Effective heating supply zones are assessed with practical case analysis.
Keywords: district heating, boiler house, effective heating radius, capital expenditure.
