81 УДК 621.165 ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОЕ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ – АЛЬТЕРНАТИВА ЦЕНТРАЛИЗОВАННОМУ Кандидаты техн. наук НАЗАРОВ В. И., ТАРАСЕВИЧ Л. А., магистр техн. наук БУРОВ А. Л. Белорусский национальный технический университет 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. 82 Концентрация производства тепловой энергии в централизованных си- стемах давала возможность улучшить состояние воздушной среды городов. Кроме того, в крупных установках возможна реализация наиболее эффек- тивных термодинамических циклов для совместного производства элек- трической и тепловой энергии. Централизация теплоснабжения является необходимой предпосылкой теплофикации городов и промышленных ком- плексов и открывает широкие возможности также для решения задачи использования вторичных энергетических ресурсов промышленных пред- приятий. Однако системы централизованного теплоснабжения, эксплуатируемые в Беларуси 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 потреби- телям из-за гидравлической разрегулировки систем, а также несоответ- ствия требуемых режимов потребления отдельных зданий режиму центра- лизованного регулирования отпуска теплоты; существенные затраты элек- троэнергии на транспортировку теплоносителя по тепловым сетям [1–3]. Эксплуатация тепловых сетей сопровождается неизбежными тепловы- ми потерями: от внешнего охлаждения – в размере 12–20 % тепловой мощ- ности (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). Эксплуатаци- онные затраты электроэнергии на перекачку теплоносителя составляют 6–10 %, а затраты на химводоподготовку – 15–25 % стоимости отпускае- мой тепловой энергии. Значительное превышение нормативных потерь связано с высокой степенью износа оборудования централизованных си- стем теплоснабжения и особенно тепловых сетей – до 70 % и более. По- этому именно тепловые сети являются самым ненадежным элементом си- стемы централизованного теплоснабжения, на который приходится более 85 % отказов по системе в целом. Трубопроводы тепловых сетей прокладываются в подземных проход- ных 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 дости- гать 70 % теплотрасс. Неудовлетворительное состояние тепловой и гид- равлической изоляции трубопроводов, износ и низкое качество монтажа и эксплуатации оборудования тепловых сетей отражаются статистически- ми данными по аварийности. Так, 90 % аварийных отказов приходится на подающие и 10 % – на обратные трубопроводы, из них 65 % аварий проис- ходит из-за наружной коррозии и 15 % – из-за дефектов монтажа (преиму- щественно разрывов сварных швов). На этом фоне все увереннее позиции децентрализованного теплоснаб- жения, к которому следует отнести как поквартирные системы отопления 83 и горячего водоснабжения, так и домовые, включая многоэтажные здания с крышной или пристроенной автономной котельной. Использование де- централизации позволяет лучше адаптировать систему теплоснабжения к условиям потребления теплоты конкретного обслуживаемого ею объекта, а отсутствие внешних распределительных сетей практически исключа- ет непроизводственные потери теплоты при транспорте теплоносителя. При децентрализации возможно достичь не только снижения капитальных вложений 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 объ- ектов 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 использова- нием энергосберегающих систем автоматического управления позволяет в полной мере удовлетворить запросы самого требовательного потребителя. Сравним на конкретном примере централизованную и децентрализо- ванную 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 промышленно-отопи- тельной ТЭЦ (основные данные взяты из типового проекта ТЭЦ 24 МВт). Количество теплоты, отдаваемое тепловому потребителю на теплофи- кацию из отборов турбин: ч тфоQ = 74,3 Гкал/кг. Коэффициент теплофикации тф = 0,5. Общее количество теплоты, отпускаемое от ТЭЦ на теплофикацию: ТЭЦ ч тф тфо тфQ Q  = 74,3/0,5 = 148,6 Гкал/ч. Технологическая нагрузка ТЭЦ тхQ = 39,1 Гкал/ч. Определим число жителей, снабжаемых теплотой. Удельный расход теплоты на одного жителя и число часов использования максимума нагрузки составляют [4]:  для отопления и вентиляции: годовq = 131,1 Гкал/годчел.; max овh = 2500 ч;  для горячего водоснабжения: годгвq = 8,1 Гкал/годчел.; max гвh = 3500 ч; год max год max max ов ов гв гв тф год тф 13,1 2500 8,1 3500 13,1 8,1 q h q h h q        = 2882,1 ч. 84 Тогда рассчитаем число жителей ТЭЦ max тф тс тф год тф 148,6 0,95 2800 19000 жителей. 21,2 Q h z q       Определим годовую отопительную нагрузку к расчетному периоду:  отопление и вентиляция: год годов овQ zq = 19000  13,1 = 248900 Гкал/год;  горячее водоснабжение: год годгв гвQ zq = 19000  8,1 = 153900 Гкал/год. Тогда суммарный годовой отпуск теплоты от ТЭЦ в расчетном году    год год годтф ов гв тс 1 1 248900 153900 424000 Гкал/год. 0,95 Q Q Q       Максимальная часовая нагрузка год max ов ов max ов 248900 99,56 Гкал/ч; 2500 Q Q h    год max гв гв max гв 153900 43,97 Гкал/ч. 3500 Q Q h    Суммарная расчетная теплофикационная нагрузка ТЭЦ    max maxтф ов гв тс 1 1 99,56 43,97 151,1 Гкал/ч. 0,95 Q Q Q       Исходя из теплофикационной нагрузки в номинальном режиме и сум- марного номинального отпуска теплоты из теплофикационных отборов турбин, часовой отпуск теплоты от ПВК определяется ПВК ч тф тфо 151,1 74,3 76,8 Гкал/ч.Q Q Q     Капиталовложения в ТЭЦ с централизованной схемой теплоснабжения ТЭЦК 90,43 млн дол. США. Рассчитаем расход топлива в данную схему. КПД пиковой водогрейной котельной считаем равным 88 %. Тогда расход топлива на паровые котлы КА 87009 т у. т./год.В  Годовой расход топлива на ПВК ПВК 43628,2 т у. т./год.В  Годовой расход топлива на ТЭЦ ТЭЦ КА ПВК 130637,2 т у. т./год.В В В   Определим издержки и приведенные затраты на ТЭЦ при централизо- ванной схеме теплоснабжения. Для этого принимаем норму амортиза- ции на ТЭЦ равной 4,6 %, среднегодовую заработную плату – в размере 85 6000 дол./год, штатный коэффициент – 2,9 чел./МВт. Цена за 1 т у. т. при- нимается в размере 180 дол. США. Постоянные издержки  пост ТЭЦ а шт ТЭЦ сгИ 1,3 1,2К 100 З 6,9 млн дол./год.Р k N    Переменные издержки пер ТЭЦ ТУТИ Ц 130637,2 180 23,5 млн дол./год.В    Издержки в тепловые сети и ЛЭП тс тсИ 0,075К 0,075 60 4,5 млн дол./год;    ЛЭП ЛЭПИ 0,034К 0,034 8,4 0,2856 млн дол./год.    Приведенные затраты на ТЭЦ  ТЭЦ н ТЭЦ пост пер н тс ЛЭП тс ЛЭП З К И И К К И И 54,27 млн дол./год. Е Е         Далее произведем аналогичный расчет для варианта централизованного теплоснабжения при потерях в тепловых сетях 10–45 %. Для обеспечения расчетной теплофикационной нагрузки необходимо увеличить отпуск теп- лоты от ТЭЦ. При этом при потерях в тепловых сетях 20 % ТЭЦ не может отдать не- обходимое количество теплоты на теплофикацию. Необходим ввод допол- нительной 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 водо- грейной котельной КВГМ-50. Часовой отпуск теплоты от ПВК в этом слу- чае 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 жите- лей населенного пункта z = 19000. Удельный расход теплоты на одного жителя и число часов использова- ния максимума нагрузки составляют [4]:  для отопления и вентиляции: годовq = 13,1 Гкал/годчел.; max овh = 2500 ч;  для горячего водоснабжения: годгвq = 8,1 Гкал/годчел.; max гвh = 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 9 2 4 2 144 чел.m      Количество домов в застройке Д 19000 144 132.z m   86 Нагрузка отопления и вентиляции дома дом год ов ов 144 13,1 1886,4 Гкал/год.Q mq    Нагрузка горячего водоснабжения дома дом год гв гв 144 8,1 1166,4 Гкал/год.Q mq    Суммарная потребность дома в теплоте дом дом дом ов гв 1886,4 1166,4 3052,8 Гкал/год.Q Q Q     Максимальная часовая нагрузка отопления и вентиляции дома max дом max ов ов ов 1886,4 2500 0,755 Гкал/ч.Q Q h   Максимальная часовая нагрузка горячего водоснабжения дома max дом max гв гв гв 1166,4 3500 0,333 Гкал/ч.Q Q h   Суммарная расчетная часовая нагрузка max max max дом ов гв 0,755 0,333 1,088 Гкал/ч 1300 кВт.Q Q Q      Технологическая нагрузка ТЭЦ тх 39,1 Гкал/ч.Q  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 ра- бочим давлением до 25 бар. Рассчитаем капиталовложения в децентрализованную схему тепло- снабжения. 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 капиталовло- жения в строительство замещающей КЭС на уровне 1,1 млн дол./МВт. Ка- питаловложения в КЭС КЭС КЭС КЭСК 24 1,1 26,4 млн дол.N k    Удельные капиталовложения в водогрейные котлы – 16500 дол./шт. Ка- питаловложения в систему из 132 котлов 130 130К 132 16500 2,178 млн дол.REX REXпk    Удельные капиталовложения в паровые котлы – 200000 дол./шт. Так как для обеспечения технологической нагрузки потребуется два котла, то max 1 maxК 2 200000 0,4млн дол.Vito Vitoп k    Протяженность системы ЛЭП – 110 км. Удельные капиталовложения в ЛЭП – 0,56 млн дол. Таким образом, капиталовложения в ЛЭП ЛЭП ЛЭПК 110 110 0,56 61,6млн дол.k    87 Подсчитаем суммарные капиталовложения в децентрализованную схе- му теплоснабжения с выработкой электроэнергии на КЭС КЭСК 90,6млн дол. Рассчитаем расходы топлива. Удельный расход топлива на замещающей КЭС зам КЭС0,123 0,123 0,38 0,323 т у. т./МВт.b     Расход топлива на КЭС ВКЭС = NКЭСhустbзам = 24  5500  0,323 = 42726,3 т у. т./год. Расход топлива в крышных водогрейных котлах max maх дом гв квк ПВК 1,088 3500 132 78039,1 т у. т./год. 7 0,92 7 Q h n B         Расход топлива в паровых котлах ТЭЦ тх у 1 пк ПВК 39,1 5000 2 30357,1 т у. т./год, 7 0,92 7 Q h n B         где hу – число часов использования установочной мощности. Суммарный расход топлива при децентрализованной схеме теплоснаб- жения населенного пункта и выработке электроэнергии на КЭС КЭС 151122,5 т у. т./год.B  Далее произведем расчет издержек и приведенных затрат в схему. Переменные издержки пер КЭС ТУТИ Ц 151122,5 180 27,2 млн дол./год.В    Норма амортизации на КЭС равна 4,3 %. Штатный коэффициент – 0,7 чел./МВт. Среднегодовая заработная плата – 6000 дол./год. Постоянные издержки пост КЭС а шт КЭС сгИ 1,3 1,2 /100 З 6,0 млн дол./год.К Р k N    На домовые и промышленные котельные не насчитывается амортиза- ция, а расходы на обслуживание и текущие ремонты ложатся на собствен- ников оборудования, т. е. на жильцов и промышленное предприятие. Оценим расходы на эксплуатацию оборудования в размере 10 % от пер- воначальной стоимости. Тогда издержки на эксплуатацию водогрейных и паровых котлов  пост котл КВК КАИ 10 % К К 257800 дол./год.    Найдем приведенные затраты в децентрализованную схему теплоснаб- жения и выработку электроэнергии на КЭС  КЭС КЭС ЛЭП пост пер ЛЭПЗ 0,12 К К И И И 53,82 млн дол.       Для наглядности результаты расчетов для централизованной и децен- трализованной систем теплоснабжения сведены в табл. 1. 88 Таблица 1 Результаты расчетов сравнения вариантов централизованного и децентрализованного теплоснабжения Система теплоснабжения Централизованная Децент- рализован- ная КПД ТС, % 95 90 85 80 75 70 65 60 55 – Коэффициент теп- лофикации тф 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 ч тфоQ , Гкал/ч 74,30 74,300 74,300 74,300 74,30 74,300 74,300 74,300 74,300 – Суммарная расчет- ная ТФ Qтф 151,01 159,500 168,900 179,400 191,40 205 220,800 239,200 261 146,80 Нагрузка ПВК/ крышных водо- грейных 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 ТЭЦ тхQ , Гкал/ч 39,10 39,100 39,100 39,100 39,10 39,100 39,100 39,100 39,100 39,10 Капиталовло- жения 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 из- держки 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 из- держки Ипер, млн дол./год 23,50 24,400 25,300 26,400 27,60 29 30,600 32,500 34,800 27,20 Приведенные затра- ты ЗТЭЦ (ЗКЭС), 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 теплофика- ции 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 по- треблении ТЭЦ, что в свою очередь приводит к увеличению удельного рас- хода топлива на станции и снижению эффекта от теплофикации. 95 90 85 80 75 70 65 60 55 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 КПД ТС, % К о эф ф и ц и ен т т еп л о ф и ка ц и и  тф Рис. 1. Зависимость коэффициента теплофикации от КПД тепловых сетей 9 9 8 8 6 6 5 КПД ТС, % 0,55 0,50 , 5 0 5 0,30 0,25 К о эф ф и ц и ен т те п л о ф и к ац и и  тф 89 Зависимость капиталовложений в схемы теплоснабжения от КПД теп- ловых сетей представлена на рис. 2. Как видно из графика, величина капи- таловложений в централизованную схему возрастает вследствие невоз- можности обеспечения теплофикационной нагрузки проектируемым вари- антом ТЭЦ. Необходим ввод дополнительного оборудования. 95 90 85 80 75 70 65 60 55 90,40 КПД ТС, % К ап и та л и за ц и я, м л н д о л . 90,45 90,50 90,55 90,60 90,65 90,70 90,75 90,80 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 увеличе- нием потерь в тепловых сетях. 95 90 85 80 75 70 65 60 55 128 КПД ТС, % Р ас хо д т о п л и в а, т ы с. т у . т. 138 148 158 168 178 188 198 Рис. 3. Зависимость годового расхода топлива от КПД тепловых сетей: 1 – централизованная; 2 – децентрализованная схемы Зависимость приведенных затрат в схемы теплоснабжения от КПД теп- ловых сетей показана на рис. 4. Как видно из графиков, по приведенным затратам централизованная и децентрализованная системы теплоснабже- ния равноэкономичны только при нормативных потерях в тепловых сетях. Из полученных расчетов вытекает, что децентрализованная система теплоснабжения может составить серьезную конкуренцию централизован- ной. Особенно это заметно при потерях в тепловых сетях более 5 %. 1 2 1 9 8 7 6 5 КПД ТС, % 90 90,75 90,70 90, 90 90 90 90 90, 0 К ап и та л о в л о ж ен и е, м л н д о л . 95 90 85 80 75 70 65 60 55 КПД ТС, % 98 8 78 68 58 48 38 28 Р ас х о д т о п л и в а, т ы с. т у . т. 90 95 90 85 80 75 70 65 60 55 53 КПД ТС, % 55 57 59 61 63 65 67 П р и в ед ен н ы е за тр ат ы , м л н д о л ./ го д Рис. 4. Зависимость приведенных затрат от КПД тепловых сетей: 1 – централизованная; 2 – децентрализованная схемы В Ы В О Д Из изложенного не следует, что для городов и больших производствен- ных комплексов автономные котельные будут конкурентами крупным ТЭЦ и районным котельным. Они служат их разумным дополнением. Целесооб- разная доля автономных котельных в городах должна составлять 10–15 % потенциального рынка тепловой энергии. Необходимо рассматривать си- стему теплоснабжения города в целом, проводить баланс источников теп- лоты и искать наиболее экономичные варианты. Индивидуальное тепло- снабжение должно получить распространение в небольших населенных пунктах с малоэтажной застройкой и в некоторых городских районах с объективно дорогим подключением к централизованным тепловым сетям. Л И Т Е Р А Т У Р А 1. Б у л г а к о в, 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. Б а л у е в, Е. Д. Перспективы развития централизованного теплоснабжения / Е. Д. Балуев // Теплоэнергетика. – 2001. – № 11. – С. 50–54. 3. С е м е н о в, В. Г. Децентрализованное теплоснабжение на примере г. Смоленска / В. Г. Семенов, Р. Н. Разоренов // Новости теплоснабжения. – 2001. – № 12. – С. 28–31. 4. Т е п л о э н е р г е т и к а и теплотехника: справ. серия: кн. 4 / под общ. ред. А. В. Клименко и В. М. Зорина. – 4-е изд. стереот. – М.: МЭИ, 2007. Представлена кафедрой ТЭС Поступила 10.12.2010 1 2 90 8 8 70 6 6 5 КПД ТС, % 7 5 3 1 9 7 5 3 П р и в ед ен н ы е за тр ат ы , м л н д о л ./ го д