Анализ применимости котельной и ТЭЦ при развитии централизованного теплоснабжения

ANALYSIS OF THE APPLICABILITY OF THE BOILER HOUSE AND CHP IN THE DEVELOPMENT OF DISTRICT HEATING

Yaroslav Ponurovsky

Student, Industrial University of Tyumen - IUT, Russia, Tyumen

Evgeniya Kolchanova

Student, Industrial University of Tyumen - IUT, Russia, Tyumen

Larisa Mikhailova

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Industrial University of Tyumen - IUT, Russia, Tyumen

Аннотация. Ежегодно актуализируемым документом, определяющим долгосрочное развитие централизованного теплоснабжения любого города, является – Схема теплоснабжения, в которой поднимаются такие важные аспекты как перспективный прирост тепловой нагрузки новых потребителей. В новой редакции «Энергетической стратегии Российской Федерации на период до 2035 года», утвержденной 9 июня 2020 года, вопросам модернизации источников генерации и развития сетевой инфраструктуры уделено необоснованно мало внимания. В статье проведен анализ применимости всеобъемлющей котельнизации современных мегаполисов, по сравнению с использованием более экологически чистых теплоэлектроцентралей при развитии и совершенствовании централизованного теплоснабжения городов России и актуализации схем теплоснабжения.

Abstract. An annually updated document that determines the long-term development of district heating in any city is the Heat Supply Scheme, in which such important aspects as the prospective increase in the heat load of new consumers are raised. In the new edition of the Energy Strategy of the Russian Federation for the Period up to 2035, approved on June 9, 2020, unreasonably little attention is paid to the issues of modernization of generation sources and the development of network infrastructure. The article analyzes the applicability of a comprehensive boiler house in modern megalopolises, in comparison with the use of more environmentally friendly combined heat and power plants in the development and improvement of centralized heat supply in Russian cities and updating heat supply schemes.

Ключевые слова: теплоснабжение; когенерация; природный газ; оптимизация; комфортная среда.

Keywords: heat supply; cogeneration; natural gas; optimization; comfortable environment.

Потребление тепловой энергии является существенным операционным расходом для органов местного самоуправления (ОМСУ). Для сокращения расходов ОМСУ могут искать децентрализованные решения для производства электроэнергии на основе устойчивой энергетики или традиционных энергетических ресурсов. Основной проблемой в каждом городе Российской Федерации остается вопрос организации относительно того: принять ли когенерационную систему как основной источник тепловой энергии или заменить на котел, работающий на природном газе. 

За 117 лет развития российская система теплоснабжения выросла в промышленных масштабах и заняла лидирующую позицию, закрепив за собой бо́льшую часть мирового производства тепловой энергии. Подобная ведущая роль отрасли в мире по выпуску тепловой энергии нельзя отнести к явным конкурентным преимуществам, так как теплоснабжение в Российской Федерации фактически относится к собственным нуждам экономики: на обогрев зданий затрачивается существенно больше средств по сравнению с другими странами.

Переход на рыночную систему в 90-ые годы прошлого столетия происходил в условиях плохо разработанных правил функционирования многих местных рынков тепла и отсутствия аналогичного зарубежного опыта. Внедрение узкоспециализированного законодательства в разделе теплоснабжения в действительности началось только в 2010 году с принятием Федерального закона №190-ФЗ «О теплоснабжении» и продолжается по настоящее время.

Согласно Госдокладу o состоянии энергосбережения и повышении энергоэффективности в РФ в 2017 году (подготовлен Минэкономразвия РФ) главным положительным результатом модернизации энергетики России является снижение удельным расходов топлива. Однако в сфере теплоснабжения, накопившиеся за последние 20 лет, проблемы не позволяют заявить o существенном улучшении основных технико-экономических показателей. Проведенные наблюдения указывают на негативные тенденции в прекращении развития централизованного теплоснабжения, снижении доли выработки тепловой энергии в режиме когенерации, снижении эффективности топлива, используемого для производства тепловой энергии, хроническом недофинансировании отрасли и старению основных фондов.

Вопреки проделанной работе с этапа принятия ФЗ №190 от 27.07.2010 «О теплоснабжении», утверждение Схем теплоснабжения городов и поселений, а также уровень развития основных фондов в теплоснабжении будет составлять не более 4% в год в ближайшем будущем, a в настоящее время — всего 2,7% в год.

В России в режиме теплофикации вырабатывается лишь треть общей выработки тепловых станций. Теплоэлектроцентрали работают с существенным избытком мощности, со средним коэффициентом использования установленной мощности (КИУМ) не более 30%.

При этом, ядром систем предоставления тепловой энергии в России являются системы централизованного теплоснабжения (ЦТС), доля которых составляет 1300 млн Гкал в год, что превышает 80% от кумулятивного производства тепловой энергии.

Системы ЦТС строились во времена СССР, источниками в которых были ТЭЦ, но в настоящее время почти половина из них приходится на котельные. Доля котельных растет с каждым годом, ведь только за первое десятилетие XXI века общее число отопительных котельных в стране увеличилось с 68 до 74 тыс. Это особенно негативно отражается на финансово-экономических показателях ТЭЦ, являющихся по своим термодинамическим характеристикам наиболее экономичным способом производства электрической и тепловой энергии. В настоящее время преобладающее большинство ТЭЦ вынуждены подстраиваться под изменчивую в течение года отопительную нагрузку и работать по температурному графику в неоптимальном для себя конденсационном режиме.

Однако ТЭЦ охватывает широкий спектр типов установок. Хотя можно найти конкретную ТЭЦ для конкретного вида топлива, но далеко не каждая технология работы теплоэлектроцентралей подходит для каждого вида топлива. Таким образом, уголь можно экономично сжигать только на крупных паротурбинных установках - обычно не менее 30 МВт. Газ можно сжигать практически на любом типе электростанции, от двигателя Стирлинга мощностью 1 кВт до ПГУ мощностью 400 МВт.

Биотопливо и биоотходы обычно сжигают на паротурбинной установке, которая, как правило, имеет меньший размер - около 30 МВт. Тем не менее, биомасса может использоваться совместно с большой угольной электростанцией, в то время как для меньшего размера подходят ОЦР (органические циклы Ранкина) мощностью около 3 МВт.

Недавно были продемонстрированы газомоторные установки, работающие на небольших газификаторах биомассы мощностью около 1 МВт.

В качестве топлива на европейском рынке ТЭЦ доминирует природный газ (около 40% годового потребления топлива), за ним следует твердое ископаемое топливо с 35%. Возобновляемые виды топлива, в основном биомасса, а также горючие отходы, приобретают все большее значение.

Растущее признание важности теплового сектора в энергетической политике из-за его размера и затрат на различные варианты декарбонизации этого сектора придало новый импульс той роли, которую тепловые сети могут играть в этом процессе, в сочетании с другими низкоуглеродными. источники тепла, такие как геотермальные, солнечные тепловые и ТЭЦ, работающие на биомассе.

В другой части рынка, занятой автономными котельными не близка к идеалу. Котельные характеризуются высоким износом оборудования и еще меньшей средней нагрузкой — не более 15% от установленной мощности. Хуже всего используется мощность малых котельных, КИУМ которых не превышает 13%. Более 60% котельных, работающих в стране, работают на природном газе, который является дорогостоящим топливом, поэтому в среднем по России цена на тепловую энергию от котельных на 80% выше цены на тепловую энергию от электростанций.

Один из путей решения этих проблем прописан в Прогнозе научно-технического развития топливно-энергетического комплекса до 2035 года, изданном Минэнерго РФ в 2016 году. Теплоснабжение крупных городов предлагается децентрализовать, переоборудуя существующие котельные в мини-ТЭЦ, за счет чего наличие большого количества тепловых источников можно превратить в фундамент для крупномасштабного развития когенерации. Таким образом, дополнительно можно будет сформировать рынок для большого количества когенерационных установок малой и средней мощности. Но такая перспектива возможна только в тех местах, где не сложилось централизованное теплоснабжение. Либо там, где уже существующие ТЭЦ оказались не эффективны.

Численно показано, что внедрение когенерационной системы может привести к быстрой окупаемости инвестиций и экономии затрат более чем на 25% по сравнению с традиционной системой. Однако низкие тарифы на электроэнергию или высокие эксплуатационные расходы приводят к снижению рентабельности инвестиций, и традиционная модель становится значительно лучше для краткосрочных процессов. Кроме того, низкая неопределенность спроса на пар приводит к прибыльности модели когенерации. 

Рисунок 1. График сравнения положения ЦТС в РФ согласно Прогнозу НТР развития ТЭК до 2035 года

В последние годы набирает силу противоположная тенденция, а именно: закрытие котельных местного значения, с переводом их потребителей на снабжение от крупных ТЭЦ.

Во многих городах актуализируемые схемы теплоснабжения предлагают либо закрывать их полностью, с очисткой площадок и передачей недостающих земель муниципалитетам. Либо выводить в резерв и использовать в качестве пиковых. В ФЗ-190 «О теплоснабжении» отдан приоритет источникам, способным вырабатывать одновременно и тепловую и электрическую энергию. Таким образом, замещение малых котельных помогает и росту доли когенерации.

Кроме повышения тепловой нагрузки ТЭЦ и роста объемов теплофикации рассмотрим наиболее важные преимущества когенерации.

Экологичность:

Поскольку для производства каждой единицы вырабатываемой энергии сжигается меньше топлива, а также потому, что предотвращаются потери при передаче и распределении, ТЭЦ снижает выбросы парниковых газов и других веществ, загрязняющих воздух.

Системы когенерации предлагают значительные экологические преимущества по сравнению с покупной электроэнергией и тепловой энергией, производимой на месте. Улавливая и используя тепло, которое в противном случае было бы потрачено впустую при производстве электроэнергии, системы ТЭЦ требуют меньше топлива для производства того же количества энергии.

Поскольку сжигается меньше топлива, сокращаются выбросы парниковых газов, таких как диоксид углерода (CO2), а также других загрязнителей воздуха, таких как оксиды азота (NOx) и диоксид серы (SO2).

На следующей диаграмме показана величина сокращения выбросов CO2 системой ТЭЦ, работающей на природном газе, мощностью 5 мегаватт (МВт) по сравнению с такой же выработкой энергии из традиционных источников.

Рисунок 2. Выбросы CO₂ от выработки электроэнергии и полезной тепловой энергии для двух систем

На этой диаграмме показаны выбросы CO₂ от выработки электроэнергии и полезной тепловой энергии для двух систем: (1) электростанция, работающая на ископаемом топливе, и котел, работающий на природном газе; и (2) система ТЭЦ с турбиной внутреннего сгорания мощностью 5 мегаватт, работающая на природном газе. Отдельная система теплоэнергетики выбрасывает в общей сложности 45 килотонн CO2 в год (13 килотонн от котла и 32 килотонны от электростанции), в то время как система ТЭЦ с ее более высокой эффективностью выбрасывает 23 килотонны CO₂ в год.

Надежность:

Ненадежное электроснабжение представляет собой для некоторых компаний и организаций риск для бизнеса, безопасности и здоровья. ТЭЦ – локальный генерирующий ресурс, может быть спроектирован для обеспечения непрерывной работы в случае стихийного бедствия или сбоя в работе сети, продолжая обеспечивать надежное электроснабжение.

В дополнение к сокращению эксплуатационных расходов, системы когенерации могут быть спроектированы так, чтобы продолжать работать в случае сбоев в сети, чтобы обеспечить непрерывную подачу электроэнергии для критически важных функций.

И, наконец, что будет дальше?

Данное сравнение является очень полезным примером.

Оценка эффективности двух ключевых технологий имеет жизненно важное значение для определения того, что будет реализовано в будущем.

Но еще нужно провести анализ.

Ниже приведен список конкретных вопросов по которым мы хотели бы провести дополнительные исследования:

1. Как работают тепловые насосы (вместо котлов или в сочетании с ними)?

2. Сколько тепловой нагрузки когенерации тратится впустую? Обычно модели предполагают, что используется все тепло от когенерационной установки, но на самом деле (особенно летом, когда больше тепла не требуется) часть тепловой нагрузки сбрасывается.