Повышение экономической эффективности системы теплоснабжения мегаполиса Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

^ЖаучнО-Технические^ведомости^СПбГПуЗ'^20

3. Егоров, Е.А. Эффективность промышленного виноградарства [Электронный ресурс] / Е.А. Егоров, Ж.А. Шадрина. - Режим доступа: http://journal.kuban-sad.ru/pdf/09/01/16.pdf

4. Fresh Deciduous Fruit Annual Moscow ATO Russian Federation 10-26-2011 [Electronic recourse]. -URL: http://gain.fas.usda.gov/Recent %20GAIN %20Pub-lications/Fresh %20Deciduous %20Fruit %20Annual_Mos-cow %20AT0_Russian %20Federation_10-26-2011.pdf

5. Сайт Федеральной службы государственной статистики [Электронный ресурс]. - Режим доступа:

http://www.gks.rU/wps/wcm/connect/rosstat/rosstatsite/m ain/enterprise/economy/t3m_v_643_1.xls

6. Сайт Федеральной службы государственной статистики [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.gks.ru/wps/wcm/connect/rosstat/rosstatsite /main/enterprise/economy/ t2_m_1_643.xls

7. Сайт Федеральной службы государственной статистики [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.gks.ru/wps/wcm/connect/rosstat/rosstatsite/main/ puЫishing/catalog/statisticcollections/doc_1135075100641

УДК 338.45:697.31

М.С. Кабанов, О.В. Новикова

ПОВЫШЕНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ МЕГАПОЛИСА

Решение задачи устойчивого экономического развития мегаполиса неотделимо от развития энергетического комплекса. Система теплоснабжения имеет существенный потенциал повышения экономичности. Для реализации этого потенциала проведено исследование и разработана модель оптимизации распределения тепловых нагрузок объектов теплоснабжения.

Актуальность данного исследования обусловлена следующими факторами:

- несогласованностью развития системы теплоснабжения - при существующих резервах отпуска тепловой энергии от ТЭЦ продлевается эксплуатация морально и физически устаревшего энергетического оборудования на котельных. Это приводит к повышению тарифов на тепловую энергию для населения и дополнительной финансовой нагрузке на городской бюджет для покрытия разницы между стоимостью тепловой энергии, отпущенной от ТЭЦ и от котельной.

- принятием серии законодательных актов в области энергосбережения и повышения энергоэффективности.

- отсутствием методологической основы комплексного развития системы теплоснабжения мегаполиса, увязанной с требованиями недавно

принятых законодательных актов в области теплоснабжения и энергосбережения и повышения энергоэффективности.

Цель исследования - снижение суммарных расходов энергоресурсов для обеспечения тепловой энергией потребителей путем комплексной оценки эффективности существующей системы теплоснабжения, а также построения модели распределения теплоотпуска от различных источников теплоснабжения.

Объект исследования - система теплоснабжения мегаполиса.

Предмет исследования - эффективность теплоснабжения.

Предлагается решение задачи оптимизации расходов энергоресурсов для обеспечения теплоснабжения на системном уровне, а не на базе отдельно взятого объекта - ТЭЦ или котельной. Наиболее распространенные методы предназначались для отдельных объектов зоны теплоснабжения (ЗТС - территория, ограниченная магистральными и распределительными тепловыми сетями).

Для построения модели распределения тепловых нагрузок разобьем ЗТС на г районов теплоснабжения (РТС).

Окот 1 тр 1

Окот 2 тр 1 1—^

Окот n тр 1

Окот 1 тр2

Окот 2 тр2 1—^

Окот n тр 2

°кот 1 трг

Окот 2 тр г 1—[Г

Окот n тр г

КтЭЦ 1 тр 1 ОтЭЦ 1 КтЭЦ 2 тр 1 ОтЭЦ 2

КтЭЦ m тр 1 ОтЭЦ m

КтЭЦ 1 тр 2 ОтЭЦ 1 КтЭЦ 2 тр 2 ОтЭЦ 2

КтЭЦ m тр 2 ОтЭЦ m

КтЭЦ 1 тр г ОтЭЦ 1 КтЭЦ 2 тр г ОтЭЦ 2

КтЭЦ m

: ОтЭЦ m

Рис. 1. Агрегированная схема ЗтС

В каждый РтС входит совокупность потребителей тепловой энергии с общими магистральными и распределительными сетями, теплоснабжение которых осуществляется от n котельных. Кроме того, теплоснабжение каждого РтС осуществляется или потенциально имеет возможность к осуществлению при условии прокладки новых или реконструкции действующих тепловых сетей от m близлежащих тЭЦ, обеспечивающих тепловой энергией всю ЗтС.

Агрегированная схема ЗтС представлена на рис. 1.

Согласно агрегированной схеме запишем баланс тепловой нагрузки объектов теплоснабжения ЗтС:

п г m г

О3тС = Е X Окот k РтС i + Z Е (КтЭЦ jРтС °тЭЦ j ), k = 1 i = 1 j = 1 i = 1

где 0ТЭЦ у - подключенная тепловая нагрузка у-й ТЭЦ к ЗТС; ^ТЭЦ уРТСI - доля тепловой нагрузки у'-й ТЭЦ, подключенной к г'-му РТС; 0кот к РТС-подключенная тепловая нагрузка к-й котельной г'-го РТС.

Доля топливной составляющей в себестоимости тепловой энергии, отпускаемой от источника тепловой энергии, зависит от состава энергетического оборудования и подключенной-тепловой нагрузки и колеблется в диапазоне 65-80 %. Таким образом, достижение минимизации роста тарифа на тепловую энергию неот-

делимо от решения задачи минимизации удельного расхода топлива на отпуск тепловой энергии (Ьт).

КПД котлоагрегатов современной газовой котельной колеблется в диапазоне 92-95 %, тогда с учетом СН котельной (3 %) Ьт = 160,08155,03 кг у. т./Гкал. Тогда как для паросилового оборудования ТЭЦ с давлением свежего пара 90-130 атм. и температурой 535-550 °С, рассчитанного в соответствии РД 34.08.552-95 [1] и Приказом Минэнерго № 323 [2], Ьт = 120-140 кг у.т./Гкал.

Очевидно, что повышение экономической эффективности теплоснабжения и соответственно минимизация роста тарифа связаны с увеличением доли подключенной тепловой нагрузки к ТЭЦ. Тогда основное условие оптимизации загрузки ЗТС будет следующим:

ЕЕ (к

j = 1 i = 1

тЭЦ jFТС № тЭЦ j

°тэц j ) ^ max.

Отпуск тепловой энергии от ТЭЦ осуществляется от нескольких источников - теплофикационного оборудования, пиковых водогрейных котлов (ПВК), редукционно-охладительных установок (РОУ).

Значения Ьт от ПВК и РОУ сравним с Ьт современных котельных. Таким образом, экономический эффект от дополнительного отпуска тепловой энергии от ПВК и РОУ взамен соответствующих объемов отпуска от котельных

^Научно-технические ведомости СПбГПУ 3' 2012. Экономические науки

10

л 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

Число часов,ч

Рис. 2. Интегральный график продолжительности тепловых нагрузок

) - нагрузка; ) - а 1 ТЭЦ; ) - а 2 ТЭЦ; ) - а 3 ТЭЦ; ) - а 4 ТЭЦ

будет иметь место только при замещении отпуска от физически и морально устаревшего оборудования, не отвечающего современным требованиям к эффективности.

Рассмотрим далее такую ЗТС, в которой функционируют котельные, отвечающие требованиям к энергетической и экономической эффективности основного оборудования. Тогда экономическая эффективность отпуска тепла ЗТС будет зависеть только от отношения мощности теплофикационного оборудования ко всей подключенной тепловой нагрузки к ТЭЦ

(аТЭЦ):

_ Отф

а

ТЭЦ

О

ТЭЦ

где Отф - располагаемая тепловая мощность теплофикационных отборов турбин; Отэц - подключенная тепловая нагрузка ТЭЦ.

Для графического изображения распределения тепловых нагрузок между источниками теп-

ловой энергии ТЭЦ в зависимости от значений аТЭЦ предлагается строить интегральный график продолжительности тепловых нагрузок. В качестве примера представлен интегральный график для паросилового оборудования типа Т: климатические условия Санкт-Петербурга, температурный график 70/150 °С (рис. 2).

Покрытие тепловой нагрузки ТЭЦ равно площади фигуры, ограниченной точками ЛБСБЕРЛ. Тогда:

- площадь ЛМв1-4СВЕРЛ - отпуск тепловой энергии, выработка от теплофикационного оборудования;

- площадь МБв1-4М - отпуск тепловой энергии от ПВК и РОУ;

- площадь фигуры ЛБв1М - отпуск тепловой энергии, который будет покрыт от ПВК и РОУ вне зависимости от значения аТЭЦ при принятых выше условиях.

Для получения зависимости годового отпуска тепловой энергии от теплофикационного

Рис. 3. Интегральный график изменения объемов отпуска тепловой энергии

оборудования аТЭЦ построен интегральный график (рис. 3). При построении графика использовалось математическое моделирование на основе геометрического алгоритма интегрирования методом Монте-Карло.

При условии неизменности состава основного энергетического оборудования на ТЭЦ подключение дополнительной тепловой нагрузки на ТЭЦ аТЭц будет снижаться, что, в свою очередь, приведет к снижению доли отпуска тепловой энергии от теплофикационного оборудования (см. рис. 2 и 3). Однако в абсолютном значении будет наблюдаться рост отпуска тепловой энергии.

Снижение значения аТЭЦ ниже отношения базовой отопительной нагрузки ко всей присоединенной нагрузке (точка N на рис. 2) нецелесообразно, так как дополнительный отпуск тепловой энергии будет производиться только за счет летней тепловой нагрузки ГВС, которую целесообразно осуществлять за счет сезонного переключения нагрузки в межотопительный период.

Экономический эффект от оптимизации тепловых нагрузок между источниками тепловой энергии ЗТС заключается в достижении экономии топлива (ДВ).

Для расчета ДВ необходимо рассчитывать изменения расхода топлива по каждому источнику тепловой энергии ЗТС (параметр с индексом 1 - значение до оптимизации, с индексом 2 -после оптимизации).

Котельные ЗТС:

^кот Е Е (02 котк тр г Т2 кот к тр гЬ2кот к тр г

к = 1 г = 1 - 01

т Ьт )

котк тр I 1 кот к тр I 1 котктр//'

где Т1 кот к тр I , Т2кот к тр I - число часов использования

подключенной тепловой нагрузки для к-й котельной |-го РТС; Ь1ткоТк тр ^ , Ь2ткот к тр , - средневзвешенный удельный расход топлива на отпуск тепловой энергии от к-й котельной 1-го РТС; ЛВ^ - изменение расхода топлива на отпуск тепловой энергии от котельных ЗТС в результате оптимизации. Теплофикационное оборудовании ТЭЦ ЗТС:

лв ттф = ЕЕ( К

у=1=1

: О2

Х а2 тф ТЭЦ уЬт тф ТЭЦ у К1 ТЭЦ у РТС г01 ТЭЦ у РТС г '

Х Т1 ТЭЦ у РТС г а1 тф ТЭЦ у Ь ттф ТЭЦ у Ь

где Тдо1 ТЭЦ у РТС г, Тдо1 ТЭЦ у РТС г, Тдо 2 ТЭЦ у РТС г число часов использования подключенной тепловой нагрузки для у-й котельной 1-го РТС; а1 тфТЭЦ у,

а2 тф ТЭЦ у - доля отпуска тепловой энергии от теплофикационного оборудования для у-й ТЭЦ; Ьттф РЭЦ ), ьт тф ТЭЦ у - средневзвешенный удельный

расход топлива на отпуск тепловой энергии от теплофикационного оборудования у-й ТЭЦ; ЛВттф - изменение расхода топлива на отпуск

тепловой энергии от теплофикационного оборудования ЗТС в результате оптимизации.

ПВК и РОУ ТЭЦ ЗТС: АБ

т г

ПВК, РОУ _ 2 2 (К2 ТЭЦ ] РТС ! ^2 ТЭЦ ] РТС ¡' 1 _ 1 !_ 1

! О2

X X

2 ТЭЦ ] РТС

,. (1 а2

2 тф ТЭЦ р 2 ПВК, РОУ ТЭЦ ]

! (1 _а1 тф ТЭЦ ] ); Х Ь1 ПВК, РОУ ТЭЦ 1 ),

К1 ТЭЦ 1 РТС ! О1 ТЭЦ 1 РТС! Х1 ТЭЦ 1 РТС

ьт

2 ПВК, РОУ ТЭЦ 1

средневзве-

Таблица 1 Структура тепловых мощностей ТЭЦ-7

где Ь1 ПВК, РОУ ТЭЦ 1,

шенный удельный расход топлива на отпуск тепловой энергии от ПВК и РОУ 1-й ТЭЦ.

Тогда суммарную экономию топлива на отпуск тепловой энергии ЗТС можно записать в виде сумм отдельных составляющих:

АБткоТ+АБттФ+АБПВК,РОУ _ АБЕт.

Выбор того или иного решения оптимизации должен быть произведен по условию максимальной разницы суммарного расхода топлива до и после оптимизации тепловой нагрузки источников теплоснабжения.

Результаты исследования апробированы на Василеостровской ЗТС (ВЗТС) Санкт-Петербурга.

Суммарная присоединенная тепловая нагрузка потребителей ВЗТС на 01.01.2011 г. составляет 1092 Гкал/ч. Основным и единственным источником системы централизованного теплоснабжения (СЦТ) является Василеостровская ТЭЦ-7 филиала «Невский» ОАО ТГК-1.

Структура тепловых мощностей ТЭЦ-7 представлена в табл. 1.

Суммарная присоединенная нагрузка составляет 842 Гкал/ч; тогда а1 тэц_7 = 0,4026. Отношение базовой отопительной нагрузки ко всей присоединенной нагрузке ВЗТС составляет 0,3078.

Установ- Распола- Тепловая

Вид ленная гаемая СН, мощность

оборудования мощность, мощность, Гкал/ч нетто,

Гкал/ч Гкал/ч Гкал/ч

Теплофика- 339 339 339

ционное

оборудование 29

ПВК 760 655 635

РОУ 114 114 105

Тогда в соответствии с разработанной моделью экономически целесообразно подключить к ТЭЦ-7 нагрузку всех котельных ВЗТС, равную 250 Гкал/ч (а2 ТЭЦ_7 = 0,3104).

Результаты расчета экономии топлива достигнутые вследствие оптимизации тепловых нагрузок, представлены в табл. 2.

Таблица 2 Результаты расчета экономии топлива ВЗТС

Показатель, тыс. т у. т. Значение

аБ тк0т -122,19

АБттф 18,61

А Б ^^пвк, поу 98,74

аБ^т -4,84

В результате экономия топлива при оптимизации нагрузок источников теплоснабжения ВЗТС составит 4,84 тыс. т у.т. в 2011 г. при принятом значении Ьт от ведомственных котельных и котельных ГУП ТЭЦ, равной 160 кг у. т./Гкал.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. РД 34.08.552-95. Методические указания по со-

ставлению отчета электростанции и акционерного

общества энергетики и электрификации о тепловой

экономичности оборудования [Текст].

2. Инструкция по организации в Минэнерго Рос-

сии работы по расчету и обоснованию нормативов

удельного расхода топлива на отпущенную электри-

ческую и тепловую энергию от тепловых электриче-

ских станций и котельных [Текст] : Приказ Минэнер-

го № 323 от 30.12.2008 г.

3. Соколов, Е.Я. Теплофикация и тепловые сети [Текст]: учебник для вузов / Е.Я. Соколов. - 5-е изд. -М.: Энергоиздат, 1982. - 360 с.

4. Генеральная схема теплоснабжения Санкт-Петербурга на период до 2015 года с учетом перспективы до 2025 года [Текст].

5. Богданов, А.Б. Котелизация России - беда национального масштаба [Текст] / А.Б. Богданов // Энергорынок. - 2006. - № 3. - С. 50-58.