Системы отопления и их возможности

В. Д. Коркин, профессор Государственного института живописи, скульптуры и архитектуры им. И. Е. Репина, член президиума АВОК

Совсем недавно в США опубликован солидный труд по истории техники получения холода и теплоты — Heat & Cold [1]. Россия в нем упоминается только однажды, когда речь идет о типах отопительных печей, так или иначе распространенных в XYIII столетии. При этом, естественно, приоритет отдается Германии, Швеции, Голландии. И это при всем при том, что российские печники всегда славились изобретательностью и мастерством в конструировании и кладке печей, и именно в XYIII веке «Москва и Петербург становятся истинной школой для иностранцев в деле устроения дрова сберегающих отопительных печей».

В «Летописи» Российской академии наук за 1829 г. утверждается, что в «1736 г. начали строить в России кирпичные теперь употребляемые печи, изнутри топимые, которые под названием Русских распространились потом в Германии и Франции. Сии печи, в кои количество дров кладется вдруг, суть для северного климата самые лучшие» [2]. То же подтверждает и известный французский специалист того времени Жоли в своей книге «Трактат по отоплению и вентиляции» [3].

Иначе быть и не могло. Ведь отопительный период в большинстве регионов России составляет 7-8 месяцев, а зимние температуры наружного воздуха существенно ниже, нежели во многих странах Европы.

Заметим, что опыт российских специалистов в части проектирования, конструирования, методов и приемов монтажа отопительных систем всегда отличался передовыми идеями и конструкциями.

Первые примеры применения водяного пара для приготовления пищи и обогрева помещений в России приводятся в книге Н. А. Львова «Русская пиростатика», вышедшей в 1799 г. [4]. С начала XIX столетия пар находит все большее применение как для обогрева теплиц, так и отопления помещений.

Системы водяного отопления появляются в России в первой половине XIX столетия, и первая из них была сконструирована и реализована в 1834 г. горным инженером П.Г.Соболевским [5]. Система эта, в отличие от системы отопления высокого давления, предложенной в 1831 г. в Англии Перкенсом, была гравитационной.

Первая же установка централизованного нагревания воздуха в водо-воздушной системе отопления и вентиляции двух больших залов объемом более 3000 м 3 была применена в здании Петербургской Академии художеств.

Размеры настоящей статьи не позволяют, к сожалению, подробно остановиться на исторических аспектах российской отопительной техники, но, что обязательно необходимо отметить, так это первую реализацию в России насосной системы водяного отопления. Автором проекта этой системы был Н. П. Мельников. Внедрена она была в 1909 г. в здании Михайловского театра в Петербурге. Схема этой системы с учетом интерьеров отапливаемых помещений — двухтрубная с нижней разводкой подающей и обратной магистралей.

Со времен Древнего Рима известна система радиационного обогревания бань — хьюпокауст (гипокауст). Она подробно описана у Витрувия, но редко находила использование в так называемых развитых странах по причинам как сложности устройства, так и понимания процессов, в ней происходящих. В России весьма квалифицированно системы лучистого отопления впервые были использованы в 1907 г. В. А. Яхимовичем в больнице железнодорожной станции Ртищево Саратовской губернии, а затем и в ряде других больничных, школьных и общественных зданий.

В советское время специалисты в области отопления проявили незаурядные качества в отношении соответствия систем типам, назначению и эксплуатационным режимам зданий и сооружений. Многие из них были учениками С. Б. Лукашевича, Н. П. Мельникова, Н. Н. Тетеревникова и др. и проявляли чудеса (и это очень хорошо) приспосабливаемости отопительного оборудования к условиям и практике, формировавшихся в результате любого технического направления, часто, к сожалению, связанного со сменой того или иного правительственного курса.

Если говорить о водяном отоплении, то его развитие и совершенствование всегда соответствовало тем или иным тенденциям строительного производства — от реконструкции существующих (часто старинных и незаурядных) зданий и сооружений до строительства новых, беспощадно ликвидирующих возможности любого отопительного ренессанса.

В 20-ые годы в отопительной практике наиболее распространенными были двухтрубные системы водяного отопления, во многом ориентированные на местные источники теплоты. Тогда системы централизованного теплоснабжения только формировались. В 1927 г. появилась первая установка совмещенной выработки теплоты и электрической энергии применительно к отоплению, так называемых «фонарных», бань в Ленинграде и снабжению электроэнергией близрасположенных зданий. Подобная установка в Москве была реализована в 1929 г. С тех пор определяющим направлением в обеспечении зданий и сооружений тепловой энергией стало централизованное теплоснабжение, и современные системы отопления зданий и сооружений, как правило водяные, в основном, ориентированы на получение теплоты от централизованных источников. На сегодня крупные города России обладают весьма развитыми системами централизованного теплоснабжения. В качестве теплоносителя, как правило, используется перегретая вода с параметрами 159-70 o С.

Наиболее распространенными в жилых и общественных зданиях являются системы водяного отопления. Схемы этих систем могут быть различными и во многом определяются конкретными условиями. Некоторые из них приведены на рис.1. Стояки в системах могут быть как однотрубными (см. рис.1), так и двухтрубными.

Надо отметить, что в нашей стране однотрубные системы отопления получили очень широкое распространение и стали основным типом отопительных систем в многоэтажных зданиях (особенно жилых).

Причин здесь несколько:

— более высокая, по сравнению с двухтрубными системами, гидравлическая и тепловая устойчивость;

— экономия металла при сравнительно невысокой цене на электрическую энергию (в недавнем прошлом), необходимую для циркуляции воды;

— простота монтажа и возможность унификации элементов систем;

— отсутствие индивидуального (поквартирного) учета расходования теплоты.

Первоначально однотрубные системы выполнялись только с верхней разводкой, причем разводящие трубопроводы горячей воды прокладывались, как правило, по чердакам зданий. Когда в массовом строительстве стали сооружаться бесчердачные кровли, ленинградскими специалистами (Д. В. Акопяном, И. Л. Ганесом, И. И. Каганом) были предложены и внедрены однотрубные системы с нижней разводкой (рис. 2). В таких системах стояки состоят из двух частей — восходящей и нисходящей (П-образные), к каждой из которых присоединяются нагревательные приборы. Воздух из системы выпускается через воздуховыпускные краны, установленные в пробках радиаторов или на подводках к приборам верхних этажей. Такая система получила название «ленинградской».

Унификация элементов однотрубных систем связана с принятием переменными перепадов температуры воды в стояках. Этот прием был еще в 1932 г. предложен А.И.Орловым, но широкое распространение получил в 50-60 годы благодаря работам Е. А. Белинкого [6]. Принцип этого расчета заключается в том, что перепады температуры и расходы теплоносителя в стояках не задаются заранее, а определяются гидравлическим расчетом из условия увязки перепадов давления во всех кольцах системы. При этом диаметры стояков принимаются, по-возможности, одинаковыми. Общий расход теплоносителя отвечает заданному перепаду температуры в системе.

Итак, ныне большинство жилых и общественных зданий в России оснащены водяными системами отопления, подавляющая часть которых — однотрубные.

С середины семидесятых годов в расчет отопительных систем, надо сказать, весьма трудоемкий, начинает внедряться вычислительная техника [7], и теперь даже трудно себе представить, как прежде обходились без компьютеров.

Когда речь идет об отоплении, как правило, подразумевается поддержание в помещениях, оснащенных отопительными системами, требуемого значения температуры воздуха. Довольно часто такое толкование отопления можно принять без дополнительных пояснений, хотя, как нам представляется, должно быть ближе определение, в котором температура воздуха t_в является только одним из параметров окружающей среды, характеризующих ее качество. Вторым параметром всегда выступает температура окружающих поверхностей t_r.

В принципе тепловой комфорт формируется не только этими двумя параметрами, но и рядом других факторов. Отопление, в известном смысле, отвечает за названные два параметра. Причем регулирование, то есть поддержание на требуемом уровне температуры t_r методами и средствами отопления возможно далеко не всегда. Чаще всего эта температура, особенно для жилых и общественных зданий, в которых отсутствуют развитые внутренние теплоотдающие поверхности, определяется теплотехническим расчетом ограждающих конструкций.

Известно, что в формулу для определения требуемого термического сопротивления ограждающих конструкций входит температура их внутренней поверхности, минимальное значение которой регламентируется нормами, исходя из гигиенических соображений. Однако, не следует думать, что принятое в расчете значение остается постоянным в течение отопительного периода. Оно переменчиво и определяется многими факторами, учет которых сделал бы задачу определения t_r трудноопределимой. Единственное, что может нас здесь утешить, это некоторая уверенность в том, что t_r не опустится ниже принятого значения в самые холодные дни года. Тут же заметим, что экономическая целесообразность при выборе и расчете ограждающих конструкций, принимаемая в отрыве от общей проблемы экономии тепловой энергии, привела к преобладанию в недавнем прошлом в массовом строительстве легких малоинерционных, зато относительно дешевых, ограждений, теплотехнические недостатки которых легли тяжелым бременем не только на тепловую мощность отопительных систем, но, что не менее важно, на методы и средства регулирования их теплопроизводительности.

После 1995 г. положение с выбором термического сопротивления ограждающих конструкций несколько улучшилось. Теперь его нормативная величина выросла примерно в два раза. Выросли и минимальные нормативные значения температуры внутренних поверхностей.

Выше нами довольно подробно рассмотрены системы водяного отопления. Теперь кратко остановимся на системах панельно-лучистого отопления. Панельными принято называть системы с регулируемой температурой внутренних поверхностей вертикальных ограждений. Лучистыми — системъ с греющими полом или потолком. Преимуществами этих систем являются:

— повышенный уровень комфорта в помещениях и более равномерное распределение температуры воздуха в объеме помещений (рис. 3);

— снижение металлоемкости систем;

— снижение расхода теплоты за счет более низких нормативных значений температуры внутреннего воздуха (на 2-3 o С ниже против принимаемой обычно);

— отсутствие трубопроводов и нагревательных приборов в помещениях;

— более широкие возможности в части перепланировки помещений.

В российской практике, однако, панельно-лучистые системы широкого распространения не получили. Причин здесь много, но выделим только две. Первая, на наш взгляд, связана, с одной стороны, с ограничением температуры греющей поверхности (пол — 24 o С, потолок — 30 o С, стены — 45-60 o С), а с другой — с невысокими значениями нормативного термического сопротивления ограждений. В таком случае размеры греющих поверхностей не всегда могли соответствовать компенсации тепловых потерь. Вторая причина — это невысокое качество трубопроводов и их соединений, выполняемых из материалов, разрешенных ранее к использованию в отопительных системах. Сегодня ограничения в части материалов отсутствуют, и, надо думать, область использования панельно-лучистого отопления расширится.

Системы парового и воздушного отопления не получили распространения в жилых и общественных зданиях, и мы на них останавливаться не будем.

В заключение кратко рассмотрим современные тенденции развития отопительных систем. Представляется, что, в первую очередь, это энергосбережение и индивидуальный учет расходования тепловой энергии. Первое направление связано с индивидуальным регулированием теплоотдачи нагревательных приборов и, таким образом, температуры воздуха в помещениях. Достигается такое регулирование установкой термостатов, конструктивное исполнение которых может быть различным, но всегда дающим возможность поддержания различного значения температуры воздуха в помещениях (ночной, дневной, дежурной и др.). Сюда же следует отнести и рекуперацию теплоты удаляемого воздуха, т.е. ее возврат в помещение. Для этих целей могут служить воздухо-воздушные теплообменники, в которых наружный воздух подогревается уходящим. Такие рекуператоры могут быть центральными или индивидуальными. При этом принятая у нас канальная, естественная, вытяжка должна быть заменена на принудительную приточно-вытяжную вентиляцию.

Индивидуальный (поквартирный) учет расхода теплоты ведет к преимущественному распространению двухтрубных, с поквартирным, присоединением систем с установкой счетчиков на вводе в каждую квартиру. В самой квартире система отопления может выполняться по любой схеме (вертикальной или горизонтальной, попутной или тупиковой, одно- или двухтрубной). Все зависит от конкретных условий: габаритов квартиры, ее этажности, размещения в объемно-планировочной структуре здания.

Литература

1. Barry Donaldson, Bernard Nagengast, Heat & Cold (Mastering the Great Indoor), Atlanta: ASHRAE, 1994.

2. «Летопись открытий и изобретений касательно домашнего и сельского хозяйства, искусства и сохранения здравия и жизни людей и животных», СПб: Имп. академия наук, 1829.

3. V.Ch.Joly, Traite pratique du chauffage, de la ventilation et des laux, Paris, 1869.

4. Н.А.Львов, Русская пиростатика, ч. II, СПб, 1799.

5. А.И.Орлов, Русская отопительно-вентиляционная техника, М.: Стройиздат, 1950.

6. Е.А.Белинкий, Расчет и эксплуатационный режим однотрубных систем водяного отопления, М.: Изд. МКХ РСФСР, 1952.

7. Э.Я.Гинцбург, Расчет отопительно-вентиляционных систем с помощью ЭВМ, М.: Стройиздат, 1979.

Технологические схемы систем теплофикации, теплоснабжения и отопления

С. А. Чистович, академик РААСН, президент Союза энергетиков Северо-Запада России

Академик С. А. Чистович является выдающимся специалистом, одним из создателей отечественной системы теплофикации и теплоснабжения, которая получила всемирное признание. В свой юбилей академик С. А. Чистович ведет активную научную и преподавательскую деятельность, в том числе и завершает работу над монографией «Автоматизированные системы теплофикации, теплоснабжения и отопления», выход в свет которой предполагается в конце года.

1. Централизованные и децентрализованные системы

В настоящее время наряду с системами централизованного теплоснабжения довольно широкое распространение получили децентрализованные системы.

Под децентрализованными автономными системами условно понимаются малые системы с установленной тепловой мощностью не более (20 гкал/г) 23 МВт.

Повышенный интерес к автономным источникам теплоты (и системам) в последние годы в значительной степени был обусловлен инвестиционно-кредитной политикой, т. к. строительство централизованной системы теплоснабжения требует от инвестора значительных единовременных капитальных вложений в источник, тепловые сети и внутренние системы здания, причем с неопределенным сроком окупаемости или практически на безвозвратной основе. 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 объектов в городских районах старой и плотной застройки при отсутствии свободных мощностей в централизованных системах. Децентрализация на базе высокоэффективных теплогенераторов последних поколений (включая конденсационные котлы) с системами автоматического управления позволяет в полной мере удовлетворить запросы самого требовательного потребителя.

Перечисленные факторы в пользу децентрализации теплоснабжения привели к тому, что оно уже стало рассматриваться как безальтернативное техническое решение, лишенное недостатков. Поэтому необходимо подробно рассмотреть те проблемы, которые проявляются при более внимательном подходе к этому вопросу, проанализировать отдельные случаи применения децентрализованных систем, что позволит выбрать рациональное решение в комплексе.

Целесообразность применения таких систем по сравнению с централизованными системами должна оцениваться по ряду показателей:

– коммерческая (финансовая) эффективность, учитывающая финан-совые последствия реализации проекта для его непосредственных участников;

– экономическая эффективность, учитывающая связанные с проектом затраты и результаты, выходящие за пределы прямых финансовых интересов его участников и допускающие стоимостное измерение;

– затраты органического топлива – оценка по этому натуральному показателю должна учитывать как прогнозируемые изменения стоимости топлива, так и стратегию развития топливно-энергетического комплекса региона (страны);

– влияние выбросов в атмосферу на окружающую среду;

– энергетическая безопасность (для населенного пункта, города, региона).

При выборе источника автономного теплоснабжения необходимо учитывать целый ряд факторов. Прежде всего, это зона расположения объекта теплоснабжения, на который надо подать тепло (отдельное здание или группа зданий). Возможные зоны теплоснабжения можно разделить на четыре группы:

• зоны централизованного теплоснабжения от городских (районных) котельных;

• зоны централизованного снабжения от городских ТЭЦ;

• зоны автономного теплоснабжения;

• зоны смешанного теплоснабжения.

Существенное влияние на выбор источника теплоснабжения имеет характер застройки в месте расположения зданий (этажность и плотность застройки: м 2 /га, м 3 /га).

Важным фактором является состояние инженерной инфраструктуры (состояние основного технологического оборудования и тепловых сетей, степени их морального и физического износа и пр.).

Не меньшее значение имеет вид используемого в данном городе или населенном пункте топлива (газ, мазут, уголь, древесные отходы и пр.).

Определение экономической эффективности является обязательным при разработке проекта создания автономных систем для зданий, находящихся в зоне действия централизованного теплоснабжения.

Установка автономных источников в этом случае, будучи финансово привлекательной для инвесторов (непосредственных участников проекта), ухудшает показатели экономической эффективности системы централизованного теплоснабжения города:

– уменьшается подключенная тепловая нагрузка к городской котельной, что приводит к увеличению себестоимости отпускаемой тепловой энергии;

– в теплофикационных системах, кроме того, снижается доля произведенной электроэнергии по комбинированному циклу (на базе теплового потребления), что ухудшает энергетическую эффективность работы станции.

Определение затрат органического топлива позволяет путем непосредственных измерений объективно оценить энергетические потери во всей технологической цепи от источника до конечного потребителя.

Общий коэффициент полезного действия использования топлива в системе рассчитывается путем перемножения коэффициентов, характеризующих потери тепла во всех последовательно включенных элементах системы теплоснабжения. При комбинированном производстве (на ТЭЦ, в когенерационной установке) вводится коэффициент, учитывающий экономию тепла по сравнению с раздельным производством тепловой энергии в котельной, а электрической – на конденсационной электростанции.

Исходные зависимости для определения общего коэффициента полезного использования топлива для различных вариантов систем теплоснабжения приведены в табл. 1.

η₀ – коэффициент, характеризующий размер сверхнормативных потерь через ограждающие конструкции зданий;

η₁ – коэффициент полезного использования топлива теплового источника;

η₂ – коэффициент, характеризующий потери тепла во внутридомовых инженерных системах (отопление и горячее водоснабжение);

η₃ – коэффициент, характеризующий перерасход тепла из-за избыточной подачи тепла и несовершенства его распределения между отапливаемыми помещениями;

η₄ – коэффициент потери тепла во внутриквартальных тепловых сетях;

η₅ – то же в городских распределительных и внутриквартальных тепловых сетях;

η_k – коэффициент, определяемый величиной экономии топлива за счет комбинированного производства топлива и электрической энергии;

μ_э – доля экономии топлива, отнесенная на производство тепловой энергии.

Величина сверхнормативных потерь тепла через наружные ограждения здания (1 – h ₀), знание которой необходимо при расчете теплового баланса, не зависит от типа систем теплоснабжения и поэтому при сопоставлении централизованных и децентрализованных систем может не учитываться.

Современные квартирные теплогенераторы на газовом топливе имеют КПД: h ₁ = 0,92–0,94 %.

Коэффициент полезного использования топлива в городской котельной, отнесенной к конечному потребителю, определяется из выражения (табл. 1):

Значение этого коэффициента по данным многочисленных натурных испытаний составляет не более 50–60 %. Таким образом, с позиции эффективности использования топлива применение квартирных теплогенераторов, работающих на газе, является значительно более выгодным.

Коэффициент полезного использования топлива на ТЭЦ выше, чем в городской котельной, за счет комбинированного производства тепловой и электрической энергии. При отнесении всей экономии на производство тепловой энергии ( h = 1,0) общий коэффициент для ТЭЦ составляет 0,80–0,90 %.

При теплоснабжении от домовой мини-ТЭЦ общий КПД, благодаря отсутствию потерь при транспортировке и распределении теплоносителя и отнесении всей экономии на производство тепловой энергии, может достичь ста и более процентов.

Из изложенного следует, что наиболее высокий коэффициент использования топлива имеют газовые квартирные теплогенераторы, а также когенерационные установки, которые могут работать как на газе, так и на дизельном топливе. Несколько уступают квартирным теплогенераторам автономные котельные (крышные или пристроенные к домам) из-за потерь тепла во внутридомовых коммуникациях. Самую низкую эффективность использования топлива имеют городские котельные, производящие только тепловую энергию.

Сравнение централизованных и децентрализованных систем с позиции их влияния на окружающую среду в зонах проживания людей свидетельствует о бесспорных экологических преимуществах крупных ТЭЦ и котельных, особенно расположенных за пределами городской черты.

Выбросы с уходящими газами (СО₂, NOx) от малых автономных котельных, сооружаемых в местах потребления тепловой энергии, загрязняют окружающую воздушную среду, концентрация вредных веществ в которой в крупных городах из-за насыщенности автомобильным транспортом уже превышает допустимые санитарные нормы.

При сравнительной оценке энергетической безопасности функционирования централизованных и децентрализованных систем необходимо учитывать следующие факторы.

– Крупные тепловые источники могут работать на различных видах топлива (в том числе, местных и низкосортных), могут переводиться на сжигание резервного топлива при сокращении подачи сетевого газа.

– Малые автономные источники (крышные котельные, квартирные теплогенераторы) рассчитаны на сжигание только одного вида топлива – сетевого природного газа, что, естественно, отрицательно сказывается на надежности теплоснабжения.

– Установка квартирных теплогенераторов в многоэтажных домах при нарушении их нормальной работы создает непосредственную угрозу здоровью и жизни людей.

– В закольцованных тепловых сетях централизованного теплоснабжения выход из строя одного из теплоисточников позволяет переключить подачу теплоносителя на другой источник без отключения отопления и горячего водоснабжения зданий.

Необходимо указать, что в государственной стратегии развития теплоснабжения России четко определена рациональная область применения централизованных и децентрализованных систем. В городах с большой плотностью застройки следует развивать и модернизировать системы централизованного теплоснабжения от крупных теплоэлектроцентралей, в том числе, расположенных за пределами городской черты.

С целью повышения надежности функционирования этих систем целесообразно дополнять их источниками распределенной генерации тепловой и электрической энергии, работающих на общие городские сети.

В городах или отдельных районах городов с малой теплоплотностью целесообразно применять децентрализованные системы теплоснабжения с предпочтительным использованием когенерационных установок. Применение автономных систем теплоснабжения является единственно возможным решением в географически удаленных и труднодоступных районах.

2. Когенерационные и тригенерационные установки (микро- и мини-ТЭЦ)

К малым ТЭЦ относятся теплоэнергетические установки с единичной электрической мощностью от 0,1 до 15 МВт и тепловой мощностью до 20 Гкал/ч. Малые ТЭЦ могут поставляться комплектно, в том числе, в контейнерном исполнении либо создаваться путем реконструкции паровых или водогрейных котельных с дооснащением их электрогенерирующими агрегатами.

В качестве привода электрогенераторов малых ТЭЦ используются дизельные, газопоршневые, двухтопливные поршневые двигатели внутреннего сгорания, газовые турбины, паровые турбины с противодавлением либо конденсационного типа с промежуточным отбором пара и использованием подогретой в конденсаторе воды для технологических нужд, роторные или шнековые паровые машины.

В качестве теплогенераторов используются котлы – утилизаторы выхлопных газов, теплообменники охлажденной воды, функционирующие в базовом режиме либо только для покрытия пиковых нагрузок.

Тригенерационные установки кроме комбинированной выработки электрической и тепловой энергии вырабатывают холод.

Для выработки холода могут использоваться парокомпрессионные или абсорбционные холодильные машины. В отопительный период холодильные машины могут переключаться на режим теплового насоса. Привод компрессора парокомпрессионных машин осуществляется от электрогенераторов малых ТЭЦ. Абсорбционные тригенерационные установки работают на тепловой энергии, утилизируемой этими станциями (отработанные газы, горячая вода, пар).

Когенерационные и тригенерационные установки могут создаваться на отработавших свой ресурс двигателях транспортных средств (самолетов, судов, автомобилей).

Установки могут работать на различных видах топлива: природный газ, дизельное топливо, бензин, пропан-бутан и др. В качестве исходного топлива могут использоваться также древесные отходы, торф и другие местные ресурсы.

Основные достоинства малых ТЭЦ:

1. Малые потери при транспортировке тепловой энергии по сравнению с системами централизованного теплоснабжения.

2. Автономность функционирования (независимость от энергосистемы) и возможность продажи в энергосистему излишков вырабатываемой электроэнергии и покрытия дефицита тепловой энергии при расположении малой ТЭЦ в зоне централизованного теплоснабжения.

3. Повышение надежности теплоснабжения:

– перебои с подачей электрической энергии в котельную не приводят к прекращению работы теплоисточника;

– при расположении малой ТЭЦ в зоне централизованного теплоснабжения обеспечивается минимально допустимая подача тепла в здания в случае аварий на тепловых сетях.

4. Возможность тепло- и электроснабжения автономных (не связанных с единой электросистемой) объектов: удаленных, труднодоступных, рассредоточенных на большой территории и др.

5. Обеспечение аварийного тепло- и электроснабжения мобильными энергоустановками.

Особенности малых ТЭЦ разных типов.

Достоинством дизельных установок, как и газомоторных с искровым зажиганием, является высокий коэффициент полезного действия по выработке электроэнергии, практически не зависящей от единичной мощности двигателя. Также установки малочувствительны к изменению тепловой нагрузки. По этой причине они повсеместно применяются в наземном и водном транспорте, где величина нагрузки может изменяться от работы на холостом ходу до использования максимальной мощности.

Возможности утилизации тепла в таких установках уменьшаются при снижении тепловой нагрузки, так как при этом несколько понижается и температура выхлопных газов. Если при полной нагрузке температура выхлопных газов составляет 400–480 °С, то при нагрузке двигателя в размере 50 % от номинальной мощности она снижается до 175–200 °С. Это обуславливает необходимость установки пикового котла либо оснащения котла – утилизатора тепла выхлопных газов огневой топкой. Для обеспечения надежной работы двигателя температура в первичном контуре системы водяного охлаждения поддерживается на уровне 90–95 °С.

Отношение выработки электроэнергии к выработке тепла в рассматриваемых когенерационных установках находится обычно в диапазоне 1:1,2.

Достоинством двухтопливных поршневых установок по сравнению с дизельными и газомоторными является возможность перехода на дизельное топливо при отсутствии природного газа.

По сравнению с поршневыми (дизельными и газомоторными ТЭЦ) газотурбинные ТЭЦ, выполненные по классической схеме (газовая турбина – котел – утилизатор), имеют значительно меньшую удельную массу и габариты (кг/КВт и м 3 /КВт). Именно поэтому в авиации газотурбинные установки заменили поршневые двигатели, и это позволило поднять самолетостроение на качественно новый уровень. Вместе с тем их КПД по выработке электроэнергии заметно снижается с уменьшением нагрузки. Так, при снижении нагрузки до 50 % электрический КПД газовой турбины снижается почти в два раза.

Наивысшее значение КПД (при номинальной нагрузке) составляет у газовых турбин и газопоршневых двигателей около 40 %. Доля электрической нагрузки по отношению к тепловой в газотурбинных ТЭЦ комплектной поставки составляет 1:(2–3).

При установке газовых турбин, предвключенных к существующим водогрейным котлам, т. е. с отводом отработанных газов в топку котлов, доля электрической нагрузки и тепловой обычно не превышает 1:7. Увеличение выработки электроэнергии на базе теплового потребления может быть достигнуто только при условии серьезной реконструкции котлоагрегатов.

Оснащение паровых отопительно-производственных котельных паротурбинными установками позволяет полезно использовать перепад давления пара в котле и требуемого перед теплообменными аппаратами для выработки электроэнергии как для покрытия всей потребности на собственные нужды, так и для передачи на сторону.

Паровые турбины для малых ТЭЦ в зависимости от характера присоединенной тепловой нагрузки выпускаются двух типов: с противодавлением и конденсационные с промежуточным отбором пара. Пар из промежуточного отбора с давлением 0,5–0,7 МПа используется для технологических нужд и для нагрева сетевой воды в системе теплоснабжения. Подогретая в конденсаторе вода также может использоваться для технологических нужд и, кроме того, в системах низкопотенциального водяного отопления.

Кроме турбин паровые отопительно-производственные котельные могут оснащаться и другими типами энергетических агрегатов: паровыми роторными или шнековыми винтовыми машинами.

Преимущества этих машин по сравнению с паровыми турбинами – малая чувствительность к качеству пара, простота и надежность в эксплуатации. Недостаток – меньший коэффициент полезного действия.

3. Технологические схемы систем централизованного теплоснабжения и их характеристики как объектов управления

Система централизованного теплоснабжения (СЦТ), как известно, представляет собой комплекс различных сооружений, установок и устройств, технологически связанных между собой общим процессом производства, транспорта, распределения и потребления тепловой энергии.

В общем случае СЦТ состоит из следующих частей:

• источник или источники для выработки тепловой энергии (ТЭЦ, АТЭЦ, котельные, малые когенерационные или тригенерационные установки);

• транзитные магистрали и магистральные тепловые сети с насосными (реже дроссельными) и отсекающими подстанциями для транспортировки тепловой энергии от генерирующих мощностей до крупных жилых массивов, административно-общественных центров, промышленных комплексов и др.;

• распределительные тепловые сети с районными тепловыми пунктами (РТП), центральными тепловыми пунктами (ЦТП) для распределения и подачи теплоты до потребителей;

• теплопотребляющие системы с индивидуальными тепловыми пунктами (ИТП) и внутридомовыми инженерными системами (отопление, горячее водоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха), теплораспределяющие установки промышленных предприятий для удовлетворения нужд потребителей в подаваемой энергии.

Режим работы СЦТ диктуется условием функционирования объектов теплопотребления: переменными потерями теплоты в окружающую среду зданий и сооружений, режимами потребления горячей воды населением, условиями работы технологического оборудования и др.

Система состоит из большого числа взаимозависимых последовательно и параллельно включенных элементов, обладающих различными статическими и динамическими характеристиками: установки для генерации энергии (котлы, турбины и пр.), наружные тепловые сети и внутридомовые коммуникации, оборудование тепловых пунктов, отопительные приборы в помещениях и др.

Необходимо иметь в виду, что в отличие от других водопроводных систем (водоснабжение, газоснабжение и теплоснабжение) режим функционирования тепловых сетей характеризуется двумя различными по своей природе параметрами. Количество отпускаемой тепловой энергии определяется температурой теплоносителя и перепадом давлений, а следовательно, расходом воды в тепловой сети. При этом динамические характеристики по трактам: тракту передачи давления (изменения расхода) и тракту передачи температуры – резко отличаются друг от друга.

Помимо внутренних взаимосвязей между элементами СЦТ существуют внешние функциональные связи с другими системами инженерного обеспечения городов и промышленных комплексов: системы топливоснабжения, электроснабжения и водоснабжения.

Анализ существующей технологической структуры построения систем централизованного теплоснабжения, схем тепловых сетей, принципиальных схем абонентских вводов и абонентских систем отопления, конструкций применяемого технологического оборудования показывают, что они не в полной мере отвечают современным требованиям, предъявляемым к объектам автоматизированного управления.

В крупных системах теплоснабжения многочисленные абонентские установки присоединяются к магистральным тепловым сетям, как правило, без промежуточных узлов управления. В результате система оказывается недостаточно маневренной, остается негибкой, по сетям приходится пропускать излишнее количество воды, ориентируясь на абонентов с наихудшими условиями.

Тепловые сети городов проектировались из соображения экономии средств, как правило, тупиковыми. Резервные связи между участками тепловых сетей, позволяющие организовать теплоснабжение части потребителей при повреждении (выводе из работы) участка, отсутствовали. Не предусматривалась в ряде случаев возможность работы тепловых сетей от нескольких источников, объединяющих общие тепловые сети.

Недостаток применяемого метода распределения тепловой энергии по многочисленным тепловым пунктам особенно проявляется в периоды резких похолоданий, когда потребители не получают ее необходимого количества из-за того, что температура воды, подаваемой от теплоисточника, оказывается значительно ниже требуемой по графику регулирования.

Подвальные помещения жилых зданий, отведенные для размещения тепловых пунктов, мало пригодны для монтажа и нормальных условий функционирования систем местного автоматического регулирования.

Для индивидуального автоматического регулирования теплоотдачи отопительных приборов не являются оптимальными вертикальные однотрубные системы водяного отопления, наиболее распространенные в массовом жилом строительстве. Из-за высокой остаточной теплоотдачи отопительных приборов (при закрытии регулирующего органа), существенного взаимного влияния приборов при работе регуляторов и других факторов возможности эффективного индивидуального регулирования в этих системах оказываются весьма низкими.

И, наконец, следует отметить, что типовые технологические схемы районных водогрейных котельных не отвечают требованиям комплексной автоматизации систем теплоснабжения. Эти схемы ориентированы на качественный график отпуска тепловой энергии, т. е. на поддержание постоянного расхода воды в подающем трубопроводе (или постоянного напора на коллекторах котельной).

В автоматизированных системах теплоснабжения при местном автоматическом регулировании у потребителей, а также в условиях совместной работы нескольких источников на общие тепловые сети гидравлический режим в сети на выходе из котельной должен быть переменным.

Из изложенного следует, что все звенья теплоснабжения (источник, тепловые сети, тепловые пункты, абонентские системы отопления) проектировались без учета требований автоматизации режима их работы. Поэтому создание автоматизированных систем управления теплоснабжением должно сопровождаться модернизацией этих систем по всей технологической цепочке: производство – транспортировка – распределение и потребление тепловой энергии.

Примерные технологические схемы управления в системах теплофикации и централизованного теплоснабжения городов приведены в табл. 2.

Таблица 1 Исходные зависимости для определения суммарного коэффициента полезного действия различных вариантов систем теплоснабжения

№ п/п Вариант системы теплоснабжения Суммарный КПД системы 1. Индивидуальная от газового теплогенератора η1 (1 – η0) 2. Автономная от домовой котельной η1η2 (1 – η0) 3. Централизованная от квартальных котельных η1η2η3η4 (1 – η0) 4. Централизованная от районных котельных η1η2η3η4η5 (1 – η0) 5. Автономная от домовой микро-ТЭЦ (μэ/ηk) η1η2 (1 – η0) 6. Децентрализованная от квартальной мини-ТЭЦ (μэ/ηk) η1η2η3η4 (1 – η0) 7. Централизованная от городской ТЭЦ (μэ/ηk) η1η2η3η4η5 (1 – η0)

Таблица 2 Технологические схемы управления в системах теплофикации и централизованного теплоснабжения

Уровень управления Источник или узел управления Объект управления Задачи управления I Загородная ТЭЦ, насосные повышающие станции Система теплоснабжения города, транзитные магистрали Отпуск тепловой энергии по заданному закону, управление температурным и гидравлическим режи-мами, регулирование тепловых нагрузок Городские (промышленные) ТЭЦ, котельные, насосные подстанции, узлы распределения нагрузок Системы теплоснабжения города (района), магистральные и распределительные сети II Пиковые котельные, теплообменные станции, насосные подстанции, узлы распределения нагрузок Система теплоснабжения района, распределительные сети Догрев теплоносителя при пиковых нагрузках, гидравлическое разделение сетей I и II контуров управления, распределение нагрузок III Центральные тепловые пункты, пиковые котельные, когенерационные установки Теплоснабжение группы зданий, внутривертикальные сети Догрев теплоносителя при пиковых нагрузках, разделение теплоносителя по видам нагрузок, корректировка температурного режима IV Индивидуальный тепловой пункт Система теплоснабжения одного здания или блок секции здания Отпуск тепловой энергии зданию на цели отопления, вентиляции и горячего водоснабжения, программное регулирование отпуска тепла Система отопления по фасадам или по зонам здания Дифференцированный отпуск тепла на отопление по фасадам или по зонам здания, программное регули-рование отпуска тепла V Квартира в здании, отопительный прибор Отопление квартиры или отдельного помещения Регулирование температурного режима помещений в соответствии с индивидуальными потребностями

4. Пути совершенствования управления технологическими режимами систем теплоснабжения с распределенной генерацией тепловой и электрической энергии

Значительный физический износ трубопроводов и оборудования, морально устаревшая структура построения систем централизованного теплоснабжения выдвигают, наряду с задачей скорейшей замены изношенного оборудования, неотложную задачу оптимизации схемно-технических решений и режимов функционирования этих систем.

Учитывая крайне запущенное состояние систем теплоснабжения в России, полная их модернизация с целью обеспечения возможности работы в расчетном режиме с температурой теплоносителя 150 °С (с верхней срезкой графика при 130 °С) в течение ближайших 20–30 лет в большинстве городов практически неосуществима. Она потребует перекладки сотен тысяч километров тепловых сетей, замены изношенного оборудования на десятках тысяч тепловых источников и на сотнях тысяч абонентских теплопотребляющих установок.

На основании выполненного анализа состояния теплоснабжения в различных регионах страны предложения по оптимизации схем, технических решений и режимов работы систем централизованного теплоснабжения сводятся к следующему:

• ориентация систем централизованного теплоснабжения на покрытие базовой тепловой нагрузки с максимальной температурой теплоносителя на выходе из ТЭЦ (городской котельной) 100–110 °С;

• применение при реконструкции систем теплоснабжения энергосберегающих технологий, схемных решений, материалов и оборудования;

• строительство локальных пиковых источников тепла, максимально приближенных к системам теплопотребления;

• переоборудование районных городских котельных (в некоторых случаях и квартальных) в мини- и микро-ТЭЦ;

• применение бинарных (паро-газовых) термодинамических циклов для повышения эффективности работы городских ТЭЦ;

• создание АСУ теплоснабжением, включающих автоматизацию процессов производства, транспортировки, распределения и потребления тепловой энергии.

При ориентации систем теплоснабжения на покрытие базовой тепловой нагрузки значительно сокращаются капитальные затраты на реконструкцию тепловых сетей (за счет меньшего количества компенсаторов, возможности применения более дешевых и не подверженных коррозии труб из полимерных материалов и др.). На выделенные средства оказывается возможным реконструировать значительно больший объем тепловых сетей с повышением их надежности и уменьшением потерь при транспортировке теплоносителя.

Применение энергосберегающих технологий, материалов и оборудования дает возможность снизить удельное теплопотребление на 40–50 %, а именно:

– утепление ограждающих конструкций зданий;

– переход от вертикальных однотрубных систем отопления к горизонтальным с поквартирным учетом тепла;

– установка квартирных водосчетчиков в системах холодного и горячего водоснабжения, монтаж автоматизированных тепловых пунктов и др.

Таким образом, будет компенсировано влияние недополучения тепла от внешней сети в наиболее холодный период отопительного сезона.

Энергосбережение позволяет сэкономить не только значительное количество топливно-энергетических ресурсов, но и обеспечить условия теплового комфорта при «базовой» подаче тепла из тепловой сети.

Строительство пиковых (локальных) источников тепла, максимально приближенных к системам теплопотребления, позволит при низких значениях температур наружного воздуха повышать температуру теплоносителя, поступающего из тепловой сети, до требуемых для отапливаемых помещений параметров.

Дооснащение системы централизованного теплоснабжения пиковым источником резко повышает надежность ее работы. При аварии во внешней сети пиковый источник переводится в автономный режим работы с целью предотвращения замораживания системы отопления и продолжения функционирования объекта теплопотребления, расположенного на отключенном от тепловой сети участке. При профилактических отключениях теплоснабжения в летнее время здания, подключенные к пиковому источнику, также будут снабжаться теплом.

Строительство пиковых источников по существу будет означать переход от сложившейся в течение многих десятилетий в нашей стране централизованной системы теплоснабжения к «централизованно-локальной», обладающей более высокой надежностью и рядом других преимуществ.

В отличие от автономных и индивидуальных источников теплоснабжения (установленных в плотно застроенных кварталах северных городов), работающих круглогодично и наносящих вред окружающей среде (даже при работе на газе), суммарные выбросы в атмосферу от пиковых источников, которые вырабатывают в течение года только 5–10 % от всего годового отпуска тепла, будут ничтожно малы.

При современном уровне газовой отопительной техники централизация выработки собственной тепловой энергии экономического смысла, как правило, не имеет. КПД современных газовых теплогенераторов высок (92–94 %) и практически не зависит от их единичной мощности. Вместе с тем увеличение уровня централизации приводит к росту тепловых потерь при транспортировке теплоносителя. Поэтому крупные районные котельные оказываются неконкурентоспособными по сравнению с автономными источниками.

Резкое повышение эффективности районных котельных может быть достигнуто путем их реконструкции в мини-ТЭЦ, другими словами – путем дооснащения их электрогенерирующими агрегатами, переводом работы котельных в режим когенерации.

Известно, что эффективность работы когенерационных установок тем выше, чем большее число часов в году электроэнергия вырабатывается на базе теплового потребления. Круглогодичной тепловой нагрузкой в городах (без учета технологической нагрузки промышленных предприятий) является горячее водоснабжение. В связи с этим расчет мощности когенерационной установки (в системах централизованного теплоснабжения от котельных) на покрытие нагрузки горячего водоснабжения обеспечивает ее круглогодичную работу и, следовательно, наиболее эффективное использование. С другой стороны, удельные капитальные затраты на создание электрогенерирующих установок снижаются с увеличением их единичной мощности.

Поэтому для реконструкции котельных в мини-ТЭЦ в первую очередь целесообразно выбирать наиболее крупные из них с развитой нагрузкой горячего водоснабжения.

Существенное повышение эффективности работы городских ТЭЦ может быть достигнуто путем установки перед паротурбинной частью станции газовой турбины. Перевод работы паротурбинной ТЭЦ на парогазовый (бинарный) цикл повышает КПД по выработке электроэнергии с 35–40 до 50–52 %.

Устойчивая и эффективная работа системы централизованного теплоснабжения от городских ТЭЦ и районных котельных, преобразованных в мини-ТЭЦ, с пиковыми, работающими в автоматическом режиме теплоисточниками и автоматизированными тепловыми пунктами, невозможна без автоматизированной системы управления теплоснабжением. Поэтому создание АСУ является обязательным условием при реконструкции системы теплоcнабжения.