CC BY
123
УДК 620.9.44.31.01
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ГОРОДОВ КОТЕЛЬНЫМИ РАЗНОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
Т.Г. ПАНКРУШИНА Институт энергетических исследований (ИНЭИ) РАН, г. Москва
Предлагается алгоритм определения наиболее экономичной схемы теплоснабжения ЖКХ городов водогрейными котельными разной мощности для раздельной схемы энергоснабжения при условии сооружения только новых источников тепловой и электрической энергии. Критерий выбора наиболее эффективной схемы теплоснабжения - минимум суммарных дисконтированных затрат на производство и передачу тепла котельными.
Ключевые слова: водогрейные котельные, тепловые сети, общественная эффективность.
Для прогнозирования развития электроэнергетики страны в ИНЭИ РАН разработана методика определения эффективности комбинированной и раздельной схем энергоснабжения на среднесрочную и долгосрочную перспективу [1]. Вследствие отсутствия разработанных типовых проектов и перспективных площадок электростанций, трудности прогнозирования роста тепловых нагрузок и укрупненных технико-экономических показателей источников тепла и электроэнергии, эта методика может использоваться только для оценки целесообразности развития ТЭЦ по основным районам страны.
В рамках работы поставлена задача определения наиболее экономичной схемы теплоснабжения ЖКХ городов водогрейными котельными разной мощности при раздельном энергоснабжении (рис. 1). В используемой методике рассматривается только сооружение новых источников тепловой и электрической энергии, а также тепловых и электрических сетей и тепловых пунктов, т.е. теплоснабжение ЖКХ новых районов, а промышленная нагрузка не учитывается.
На рис. 1 показана принятая идеализированная схема теплоснабжения условного города численностью населения 100 тыс. человек, рассматриваемого как совокупность жилых кварталов площадью 1 км2 с равномерной плотностью населения. Один из возможных источников теплоснабжения - квартальные котельные, расположенные в центрах кварталов. Объединение кварталов в группы позволяет использовать для теплоснабжения более крупные источники -микрорайонные и районные котельные.
Производительность квартальных котельных варьируется в широком диапазоне в зависимости от теплопотребления квартала (при низких значениях плотности населения и удельного теплопотребления оно составляет около 3 Гкал/ч, при высоких - до 70 Гкал/ч). Микрорайонные котельные расположены в центрах совокупности кварталов и по отпуску тепла равноценны малым типовым двухблочным ТЭЦ, оборудованным ГТУ-6, ГТУ-16 и ПГУ-16 и отпускающим 50, 86 или 40 Гкал/ч соответственно. Районные котельные, расположенные в центре совокупности мирокрайонов, эквивалентны по отпуску тепла двухблочным ТЭЦ средней мощности, оборудованным ГТУ-25, ПГУ-46 и ПГУ-70 и отпускающим 135,2, 128,8 или 202,8 Гкал/ч соответственно. В соответствии с такой идеализированной схемой размещения котельных теплоснабжение от микрорайонных котельных осуществляется по одноступенчатой схеме, а от
© Т.Г. Панкрушина
Проблемы энергетики, 2011, № 7-8
районных - по двухступенчатой. Внутриквартальные сети при этом не учитываются, т.к. они одинаковы. В состав одноступенчатой схемы входят квартальные тепловые пункты (КТП) и сети (в соответствии с принятой в работе терминологией КТП - центральный тепловой пункт, аналог квартальной котельной, расположенный в центре квартала, а квартальные тепловые сети - это сети от источника до КТП). В состав двухступенчатой схемы помимо квартальных тепловых сетей и пунктов входят распределительные тепловые сети и пункты -РТП (РТП - это центральные тепловые пункты, расположенные в центрах микрорайонов, аналог микрорайонной котельной, а распределительные тепловые сети - это сети от источника тепла до РТП). Принято, что количество распределительных теплопроводов соответствует числу микрорайонных котельных, а квартальных - числу кварталов.
КТП Квартальная котельная
КТП Квартальная котельная
РТП
Микрорайонная котельная
КТП
Квартальная котельная
/
КТП
Квартальная котельная
\
Г
КТП
Квартальная котельная
Ш
КТП Квартальная котельная
/
А
КТП Квартальная котельная
РТП
Микрорайонная котельная
КТП
Квартальная котельная
к7
А
КТП
Районная котельная
Квартальная котельная
РТП
Микрорайонная котельная
КТП
Квартальная котельная
КТП
Квартальная котельная
\
КТП
Квартальная котельная
КТП
Квартальная котельная
А
КТП
Квартальная котельная
РТП
Микрорайонная котельная
КТП
Квартальная котельная
КТП
Квартальная котельная
Квартальный трубопровод Распределительный трубопровод
Рис. 1. Схема теплоснабжения городов от котельных при раздельной схеме энергоснабжения
При транспорте тепла от микрорайонных котельных учитываются затраты на квартальные теплопроводы; их резервирование не предусматривается. Совокупная тепловая мощность всех КТП города соответствует его суммарной часовой нагрузке с учетом потерь тепла. При теплоснабжении от районных котельных обязательно резервирование распределительных тепловых сетей, а суммарная мощность РТП соответствует часовой тепловой нагрузке города с учетом потерь.
Расчет эффективности сооружения котельных в работе выполняется при следующих допущениях:
- жесткая привязка размещения котельных к центрам потребления -кварталам (рис. 1); рассматривается ограниченное количество типов котельных по их производительности;
- в связи с отсутствием информации об отчетной и перспективной динамике потребности в тепле конкретных городов, теплопотребление и потери тепла при его транспорте оценены укрупненно, с помощью небольшого числа обобщенных показателей: удельного часового теплопотребления, а главным образом - плотности населения (от 1 до 15 тыс. человек на 1 км2), определяющей концентрацию тепловых нагрузок;
- в квартале площадью 1 км2 сооружается одна квартальная котельная и предполагается установка котлов только одного типа;
- в связи с неопределенностью технико-экономических показателей котельных, тепловых сетей и цен на газ, они задаются диапазоном значений; для иллюстрации выбраны сочетания крайних значений (при прочих - результаты находятся в пределах диапазона): благоприятное (низкие капиталовложения в сооружение котельных, тепловых сетей и цены топлива) и неблагоприятное (высокие капиталовложения в котельные, тепловые сети и цены топлива).
Принятые технико-экономические показатели оборудования котельных приведены в табл. 1 [2].
Таблица 1
Технико-экономические показатели отопительных водогрейных котельных на газе)
Тип котла Производительность котла, Гкал/ч Удельные капиталовло жения, тыс. долл./Гкал/ч Удельный расход топлива, кг у.т./Гкал Срок строительства, лет Условно-постоянная часть ежегодных затрат, % Собственные нужды котельной, кВт-ч/Гкал
БМК-3*) 3 150 - 125 155 1 7 5 - 6
БМК-5 5 125 - 105 155 1 7 5 - 6
БМК-10 10 100 - 85 155 1 7 5 - 6
КВГМ-20 20 85 - 65 161 1 7 5 - 6
КВГМ-30 30 80 - 60 157 1 7 5 - 6
КВГМ-50 50 75 - 55 155 1 7 5 - 6
КВГМ-100 100 65 - 50 154 1 7 5 - 6
Примечание - *) Газомазутные блочно-модульные котлы (БМК)
Критерий выбора наиболее эффективной схемы теплоснабжения - минимум суммарных дисконтированных затрат.
Выбор наиболее экономичной схемы осуществляется поэтапно:
- на первом этапе определяются суммарные дисконтированные затраты на все возможные варианты комплектации оборудования котельных, а также их количество для покрытия потребности в тепле условного города;
- на втором этапе, на основе сравнения полученных на первом этапе результатов, выбирается наиболее экономичная схема.
Основные стадии, входящие в состав первого этапа выбора наиболее экономичной схемы теплоснабжения от котельных:
1. Выбор типа оборудования котельной и количества котлов. Первоначально определяется тепловая нагрузка одного квартала, а затем возможные варианты комплектации оборудования котельных.
На основе данных о тепловой нагрузке квартала, для квартальных котельных рассмотрены: БМК-3, БМК-5, БМК-10, КВГМ-20, КВГМ-30 или КВГМ-50. Количество котельных этого типа соответствует количеству кварталов условного города. Для микрорайонных и районных котельных рассмотрены БМК-10, КВГМ-20, КВГМ-30, КВГМ-50 или КВГМ-100. Количество
микрорайонных и районных котельных соответствует частному от деления часовой потребности города (произведение численности населения и удельного теплопотребления) на тепловую мощность котельной, при этом их количество может быть нецелочисленным.
2. Протяженность, пропускная способность и диаметр тепловых сетей для микрорайонных и районных котельных.
Протяженность тепловых сетей каждой ступени определяется исходя из территории (площади) обслуживания котельной, количества квартальных и распределительных теплопроводов и их длины. Наиболее эффективным считается тот вариант, которому соответствует наименьшее значение суммарных дисконтированных затрат. В зависимости от плотности населения и величины удельного теплопотребления рассчитывается необходимая пропускная способность теплопровода, которая определяет его диаметр. Удельные капиталовложения в теплопроводы при подземной бесканальной прокладке с пенополиуретановой (ППУ) изоляцией напрямую зависят от их пропускной способности (рис. 2). Согласно экспертной оценке специалистами ВНИПИЭнергопром (для металлических теплопроводов), скорректированной для труб в ППУ изоляции [3], в работе принято изменение удельных капиталовложений в теплопроводы в диапазоне 3 - 3,5 долл/(м длины)-(мм диаметра).
Удельные К В в двухтрубный теплопровод, долл./м мм
6000 5000 4000 3000 2000 1000
1 6 20 50 90 145 300 450 700 1150 Пропускная способность, Гкал/ч
Рис. 2. Зависимость удельных капиталовложений в 1 м теплопровода с ППУ изоляцией от их
пропускной способности)
3. Капиталовложения в котельные (КВкот), тепловые сети (КВтс) и пункты (КВтп) при выбранном составе оборудования котельных.
Микрорайонные и районные котельные предполагают наличие тепловых сетей (рис. 1) и, как следствие, потерь тепла в них. Поэтому при оценке капиталовложений в котельные и тепловые пункты требуется учитывать увеличение их производительности на величину потерь, в соответствии со ступенчатостью схемы теплоснабжения и плотностью населения, путем введения повышающего коэффициента. Из-за отсутствия проработанных проектов величина удельных капиталовложений в тепловой пункт (вне зависимости от тепловой мощности или уровня - КТП или РТП) условно принята постоянной -25000 долл/Гкал/ч. Капиталовложения в котельные определяются их мощностью, т.е. тепловой нагрузкой города с учетом потерь.
Анализ рассматриваемого множества вариантов комплектации оборудования котельных, при благоприятном и неблагоприятном сочетаниях технико-экономических показателей, показывает, что:
- для всех микрорайонных и районных котельных при всех плотностях населения, как с учетом, так и без учета тепловых сетей, наименее капиталоемко сооружение КВГМ-201, т.к. они обладают оптимальным сочетанием удельных капиталовложений и отпуска тепла;
- для квартальных котельных при самой низкой плотности населения наименее капиталоемкие котлы - БМК-3, для средних значений плотности населения - БМК-5, а при наиболее высокой - БМК-10. Такое разнообразие выбора объясняется размещением квартальных котельных в центре тепловых нагрузок и необходимости обеспечения минимальной резервной мощности.
На рис. 3 показаны суммарные капиталовложения в наименее капиталоемкие варианты обеспечения теплом условного города от квартальных и районных котельных. Графики построены при следующих условиях: население 100 тысяч человек, район Центра, расчетная температура наружного воздуха -25 °С (Брянская область), среднее удельное теплопотребление - 2410 ккал/ч чел. Крупная конденсационная электростанция, выбранная для раздельной схемы, - АЭС.
Капиталов.! ожени я. Капиталовложения,
млн. долл. млн. долл.
I 2 5 10 15 1 2 5 10 15
Плотность населения, тыс. чел./км!
а) б)
■ суммарные капиталовложения в квартальные котельные
--— — суммарные капиталовложения в районные котельные и
тепловые сети
Рис. 3. Капиталовложения в районные и квартальные котельные при разных сочетаниях технико-экономических показателей: а) благоприятном для котельных; б) неблагоприятном для
котельных
Как видно из рис. 3 и табл. 2, при неизменной величине удельного теплопотребления, доля тепловых сетей в капиталовложениях в районную котельную с ростом плотности населения снижается с 70 до 32 % при благоприятных условиях и с 69 до 25 % - при неблагоприятных. Наиболее заметно снижение доли тепловых сетей при плотности населения свыше 5 тыс. человек на
1 В связи с полученными выводами далее в работе понятие районных котельных будет включать в себя также микрорайонные
1 км2 из-за более высоких концентраций тепловых нагрузок в кварталах и сокращения суммарной протяженности тепловых сетей, в особенности квартальных.
Из табл. 2 видно, что суммарные капиталовложения в рассматриваемые типы котельных при благоприятных условиях различаются на величину от 18 % (низкая плотность населения) до 10 % (высокая плотность населения).
Таблица 2
Суммарные капиталовложения в наименее капиталоемкую схему теплоснабжения от районных и квартальных котельных
Плотность населения,
тыс. чел./км2 1 2 5 10 15 1 2 5 10 15
Условия для развития
котельных Благоприятные Неблагоприятные
Суммарные
капиталовложения в
схему теплоснабжения
от районных котельных,
млн долл. 92,0 55,7 41,0 34,0 31,7 106,6 64,2 47,1 41,1 39,0
из них в котельные с
учетом потерь 27,8 26,8 26,2 21,5 21,5 32,7 31,5 29,6 29,4 29,3
в тепловые сети 64,2 28,9 14,8 12,5 10,2 73,9 32,7 16,3 11,8 9,7
Суммарные
капиталовложения в
схему теплоснабжения
от квартальных
котельных, млн долл. 75,4 50,3 40,2 30,2 28,5 90,5 62,8 50,3 37,7 33,5
Соотношение
капитальных затрат
квартальных и
районных котельных 0,82 0,90 0,98 0,89 0,90 0,85 0,98 1,07 0,92 0,86
4. Ежегодные эксплуатационные условно-постоянные затраты (Ипост) оценены экспертным путем и заданы как процент от капиталовложений: в котельные - 7 %, тепловые сети и пункты - 5 %.
5. Затраты на топливо (Итопл) для отпуска тепла потребителю. Для квартальных котельных учитываются только затраты топлива на отпуск тепла, а для районных - его увеличение из-за необходимости восполнения потерь при транспорте. В работе эти потери оценены экспертно и заданы в процентах от годового теплопотребления города в зависимости от ступенчатости схемы теплоснабжения и плотности населения (8 % - для одноступенчатой и 9 % - для двухступенчатой схемы). Цены на газ для района Центра заданы в диапазоне 128 -162 долл./т у.т., для Урала - 91 - 125 долл./т у.т., а для Сибири 98 - 132 долл./т у.т.
6. Затраты на покупку электроэнергии для транспорта теплоносителя (Зэ/э). Покупка электроэнергии при этом осуществляется по удельным дисконтированным затратам на отпуск электроэнергии от крупной замыкающей конденсационной электростанции (в качестве иллюстрации для района Центра выбрана АЭС).
7. Затраты на обеспечение собственных нужд котельной (Зсн кот) определяются покупкой необходимой электроэнергии от крупной замыкающей конденсационной электростанции по ее удельным дисконтированным затратам.
8. Дисконтированные затраты (ДЗ) на сооружение котельных и тепловых сетей определены при норме дисконта 10 % (г=0,1). Суммарные дисконтированные затраты на схему теплоснабжения от котельных определяются по формуле:
ДЗ = г * (КВкот + КВтс + КВтп) + Ипост + Итопл + Зэ / э + Зснкот .
Как показали расчеты, наибольшее влияние на изменение суммарных дисконтированных затрат оказывает плотность населения, т.к. капитальная составляющая является второй по величине в составе дисконтированных затрат, но изменяющейся в большем диапазоне. Такая зависимость прослеживается на рис. 4, где представлены результаты определения суммарных дисконтированных затрат на теплоснабжение условного города для двух оптимальных схем отпуска тепла котельными при выбранных для иллюстрации условиях. Представлены две группы затрат: 1) капитальные и условно-постоянные затраты на котельные и тепловые сети; 2) топливные затраты на отпуск тепла и восполнение его потерь при транспорте, а также затраты на электроэнергию для нужд котельной и на транспорт теплоносителя.
Наибольший вес в структуре суммарных дисконтированных затрат имеет топливная составляющая (рис. 4 и табл. 3), абсолютное значение которой изменяется в небольшом диапазоне (для квартальных котельных абсолютное значение изменяется до 9 %, а для районных - оно постоянно). С увеличением плотности населения доля этой составляющей в суммарных дисконтированных затратах возрастает, т.к. в варианте теплоснабжения города районными котельными значительно сокращается суммарная протяженность тепловых сетей и капиталовложения в них и котельные; а для квартальных котельных -сокращается количество кварталов города, суммарное количество котельных и число размещенных в них котлов, главным образом - резервных.
Рис. 4. Суммарные ДЗ в разные типы котельных при сочетании технико-экономических показателей: а) благоприятном для котельных; б) неблагоприятном для котельных
Из рис. 4 и табл. 3 видно, что практически при всех плотностях населения наиболее эффективно сооружение квартальных котельных, а при низкой плотности - значительное различие в суммарных ДЗ. В работе равноэффективными считаются схемы, если их суммарные дисконтированные затраты различаются не более чем 3 %. При выбранном для иллюстрации сочетании исходных данных равноэффективность вариантов наблюдается только при благоприятных условиях и плотности населения 5 тыс. чел./км2, а при неблагоприятных - в достаточно широком диапазоне плотности населения 2 -10 тыс. чел./км2.
Таблица 3
Суммарные ДЗ в оптимальные схемы теплоснабжения от котельных по составляющим
Плотность населения, тыс. чел./км2 1 2 5 10 15 1 2 5 10 15
Условия для развития котельных Благоприятные Неблагоприятные
Суммарные ДЗ в схему
теплоснабжения от районных
котельных, млн долл.
в т.ч. капитальная и 29,9 23,6 20,9 19,8 19,3 35,8 28,5 25,3 24,2 23,8
условно-постоянная
составляющая 14,3 8,9 6,7 5,5 5,2 16,6 10,3 7,7 6,8 6,4
топливная составляющая и
затраты на электроэнергию 15,6 14,8 14,2 14,3 14,1 19,1 18,2 17,7 17,4 17,3
Суммарные ДЗ в схему
теплоснабжения от
квартальных котельных, млн
долл.
в т.ч. капитальная и 26,3 22,1 20,4 18,6 18,4 32,3 27,6 25,5 23,4 22,7
условно-постоянная
составляющая 12,8 8,5 6,8 5,1 4,8 15,4 10,7 8,5 6,4 5,7
топливная составляющая и
затраты на электроэнергию 13,5 13,5 13,5 13,5 13,5 13,5 17,0 17,0 17,0 17,0
Соотношение ДЗ
квартальных и районных
котельных, % 88 94 98 94 95 94 99 102 97 95
Выявленное в примере преимущество квартальных котельных (табл. 3 и рис. 4) объясняется более низкими затратами на сооружение большого количества котельных малой мощности, по сравнению с затратами на сооружение районных котельных, тепловых сетей и пунктов. Эффективность районных котельных возрастает, если затраты на тепловые сети, а также покупка электроэнергии на перекачку теплоносителя компенсируются затратами на большое количество мелких квартальных котельных. Преимуществу квартальных котельных также способствует неучет платы за землю, которая варьируется в зависимости от формы собственности, субъекта РФ и ценности земли. Полученные результаты расчета и выводы могут измениться в случае включения платы за землю в состав суммарных дисконтированных затрат, т.к. площадь земли для квартальных котельных может превышать землеотводы для районных. В суммарные дисконтированные затраты не включены затраты районных котельных на
приготовление химочищенной воды для восполнения потерь в тепловой системе, что при учете может ухудшить показатели районных котельных.
На полученные результаты также оказывает влияние рассматриваемый тип оборудования - новые БМК для квартальных котельных, а для районных -оборудование на базе отработанных, но устаревших технологий.
Для одно- и двухступенчатых схем (рис. 1) учитываются затраты на покупку электроэнергии, достигающие 5 % от суммарных дисконтированных затрат (на рис. 4 и в табл. 3 входят в состав ежегодных постоянных затрат).
Неопределенность рассмотренных технико-экономических показателей учтена путем рассмотрения крайних величин широкого диапазона значений. Взятые диапазоном цены на газ (по трем основным районам) учитывают неопределенность экономического развития страны. В работе учтены тенденции прироста обеспечения населения жилой площадью, а главным образом - перспективы развития теплофикации. Это осуществлялось путем варьирования значений удельного теплопотребления по трем основным районам страны. На рис. 5 представлены суммарные дисконтированные затраты при разных значениях удельного теплопотребления для района Центра (низкое - 1780 ккал/ч чел, среднее - 2410 ккал/ч чел, высокое -3930 ккал/ч чел).
При проведении работы были проанализированы результаты подобного сравнения для других климатических районов (Урал и Сибирь), отличающихся от Центра продолжительностью отопительного сезона, величинами удельного теплопотребления, расчетными температурами для проектирования отопления и ценами топлива. По результатам проведенных расчетов можно сделать вывод, что характер выявленных зависимостей (практически абсолютная эффективность квартальных котельных - табл.3 и рис. 5) сохраняется и для других районов страны.
Суммарные ДЗ на схему гаглоснабженнн, млн. долл.
Суммарные ДЗ на схему теплоснабжения, млн. долл.
Высокое "теп л опотребл ение
Среднее тепло потреблен не
Низкое теп л опотребл ение
5 10 15 1
Плотность населения, тыс. чел./км
- Суммарные ДЗ в квартальные котельные
— — ■- Суммарные ДЗ в оптимальный вариант районных котельных
Рис. 5. Сравнительная эффективность квартальных и районных котельных (оптимальная схема) при: а) благоприятных условиях; б) неблагоприятных условиях
По результатам проведенной работы можно сделать следующие выводы:
- при большинстве сочетаний исходных данных наиболее эффективными оказываются квартальные котельные с БМК небольшой производительности;
- при неблагоприятных экономических условиях квартальные и районные котельные практически равноэффективны: при высоком теплопотреблении и плотности населения до 2 тыс. чел./км2, при среднем теплопотреблении и плотности населения 2 - 5 тыс. чел./км2 и при низком теплопотреблении для плотности от 5 тыс. чел./км2 и выше.
В дальнейшем при оценке сравнительной эффективности комбинированного и раздельного энергоснабжения в качестве основного источника тепла раздельной схемы допустимо рассматривать только квартальные котельные. Следует отметить, что данные выводы получены при технико-экономических показателях (табл. 1), которые требуют уточнения. В случае существенного изменения их значений, может возникнуть необходимость проведения нового расчета.
Summary
The article deals with the algorithm of estimation the most effective heat supply scheme using water-heating boilers of various capacity under the condition of only new sources construction. As a criterion of the most effective scheme a minimum of total discounted costs for generation and transport of heat was chosen.
Key words: boiler plant, heating grid, efficiency evaluation, discounted costs.
Литература
1. Макарова А.С., Хоршев А.А., Урванцева Л.В., Ерохина И.В. Комплексное исследование эффективности и оценка масштабов развития теплофикации // Электрические станции. 2010. № 8.
2. Волкова Е.А., Панкрушина Т.Г., Шульгина В.С. Эффективность некрупных коммунально-бытовых ТЭЦ и рациональные области их применения // Электрические станции. 2010. № 7.
3. Майзель Н.Л. Трубопроводы с пенополиуретановой изоляцией для тепловых сетей бесканальной прокладки. www.abok.ru.
Поступила в редакцию
Панкрушина Татьяна Георгиевна - аспирант (ИНЭИ РАН). Е-mail: info@eriras.ru.
13 января 2011 г.
Института энергетических исследований РАН
