От ТЭЦ до квартиры: путешествие воды

Откуда берется вода на ТЭЦ? А воду вы нагреваете электричеством? С ТЭЦ вода сразу поступает ко мне домой? Такие вопросы задают участники экскурсий по нашим станциям. Поэтому на примере Новосибирска мы решили подробно рассказать, что происходит с водой на ТЭЦ, а также какая вода попадает к потребителям.

Воду условно можно разделить на два вида. Ту, что работает на ТЭЦ, и ту, что бежит из крана и внутри батарей в квартире.

Новосибирские ТЭЦ берут воду из реки Обь. Напрямую по трубам. На станции она проходит три этапа очистки. И попадает в трубы котла.

Путь воды внутри ТЭЦ. Источник: сайт Мосэнерго
Скачать

В нем она нагревается и превращается в пар. Часть пара участвует в выработке электрической энергии. А другая часть пара нагревает сетевую воду, которая используется для горячего водоснабжения и теплоснабжения потребителей. Ее на ТЭЦ поставляет «Горводоканал».

Сетевая вода высокой температуры поступает в город по магистральным трубопроводам. Диаметр таких труб от 800 до 1000 миллиметров. Они выведены в тепловые камеры.

Новые магистральные сети в строящийся тепловой камере на улице Мира в Новосибирске
Скачать

Устройство тепловой камеры: 3D-модель и реальная камера
Скачать

Из тепловой камеры у горячей воды есть два пути. Первый — короткий: по внутриквартальным трубопроводам через центральный тепловой пункт (ЦТП) к потребителям.

Второй путь более длинный: по магистральным трубам меньшего диаметра через еще одну тепловую камеру. А оттуда по внутриквартальным теплосетям вода поступает в дома.

Путь воды от ТЭЦ до потребителей
Скачать

После того как вода достигла своей конечной цели, она возвращается на ТЭЦ, где нагревается и снова повторяет свой цикл, чтобы доставить новое тепло в квартиры горожан.

ТЭЦ – источник горячей воды для городов

RussiaPost Сделано в России, Статьи 20.02.2019 308

От турбины ТЭЦ до кухонного крана.

Россию не просто так называют самой северной страной в мире. Конечно, есть на планете государства, части территорий которых находятся на таких же широтах, но только в России в приполярных и заполярных областях есть многотысячные и постоянно обитаемые населенные пункты – мы умеем жить в условиях, которые во всем мире принято называть «экстремальными».

Но дальше углубляться в политэкономические вопросы Аналитический онлайн-журнал Геоэнергетика.ru не будет – пусть этим занимаются профессионалы, а нас интересует совершенно практические следствия из сказанного. Из 100% энергии, вырабатываемой электрогенерирующими мощностями нашей страны 70% – это теплоэнергия, без которой наши города перестали бы быть обитаемыми. Следовательно, при всем технологическом совершенстве АЭС, которые в наше время являются высшим достижением мировой энергетики, для России нет ничего важнее ТЭЦ, теплоэнергоцентралей.

Отличия между ТЭС и ТЭЦ – не только буква в аббревиатуре

ТЭЦ – это энергетический объект, осуществляющий совместную генерацию электроэнергии и тепловой энергии за счёт сжигаемого органического топлива (газ или мазут). Тепло и электроэнергия от ТЭЦ поступает в стоящий рядом город. ТЭЦ всегда стоят в городах, а потому сжигают в них наиболее чистое топливо – природный газ. Мазут на ТЭЦ используют только как аварийный запас топлива на случай аварийного отключения газа на короткий период времени. Впрочем, в истории России имелись два исключения из этого правила – было время, когда два наших города обеспечивали теплом атомные реакторы, на которых шла наработка оружейного плутония – речь идет о Северске и Железногорске. Потому старинные анекдоты на тему «Что-то сегодня мороз, подкинь в топку урана» какую-то основу под собой имели, но после подписания международных договоров о прекращении наработки плутония эта экзотика осталась в прошлом. Если и возвращаться к этой удивительной истории, то точно уж не в этой статье.

ТЭС, тепловые электростанции, рядом с городами строят в редчайших случаях – на них сжигают уголь разных сортов, торф, кое-где даже мазут, что для городской экологии представляет слишком большой риск. ТЭС обычно размещают вблизи карьеров с углём или рядом с торфоразработками, что позволяет значительно сократить расходы на доставку огромных объёмов сжигаемого твёрдого топлива. Из-за соображений безопасности не строят рядом с крупными городами и АТЭС, но это, опять же, совсем другая история. ТЭЦ отличается от ТЭС и АЭС только тем, что ТЭС и АЭС генерирует исключительно электроэнергию и не выдают тепловую энергию потребителям, целиком сбрасывая ненужное тепло через градирни или подогревая воду водоема-охладителя, о чем мы уже писали.

Сброс тепла – это следствие термодинамического замкнутого цикла, при котором избавление от излишков тепла является неотвратимым процессом. КПД современных турбин превышает 40%, то есть больше половины тепла ТЭС «вылетает» в систему охлаждения и далее в атмосферу неиспользованной. Мы предлагаем вам, уважаемые читатели, зафиксировать этот факт: в нашей, самой холодной в мире стране, тепло, генерируемое на электростанциях, круглый год сбрасывается в атмосферу, не принося никому никакой пользы. Любая тепловая электростанция, вне зависимости от места ее расположения, без малейшего вреда для своих технологических процессов, способна, к примеру, обеспечивать круглогодичное функционирование тепличных комплексов. Конечно, капитальные затраты на такие проекты потребуются в любом случае, но наличие отопления с нулевой себестоимостью вполне способны их окупить. Но эта статья посвящена ТЭЦ, а в городах свободные площади под такие «приусадебные участки» отсутствуют. Тем более, что КПД ТЭЦ во время отопительного сезона в два раза выше, чем у ТЭС, и причина этого именно в том, что на ТЭЦ одновременно вырабатывается и полезная нашим городам тепловая энергия.

Двойное использование поднимает КПД

Напомним, что в случае использования в качестве топлива ТЭС природного газа температура пара перед турбиной достигает 540 градусов Цельсия при давлении до 240 атмосфер. Цилиндры высокого, среднего и низкого давления выбирают из рабочего пара всю накопленную в нем тепловую энергию – на выходе из цилиндра низкого давления (ЦНД) пар имеет температуру всего 40-50 градусов и давление 5 кПа (кило паскалей) или 5% от атмосферного. Сброс энергии в виде выбросов дыма из труб печей-котлов и пара через градирни составляет около 60% от энергии из сожжённого топлива. Дальнейшая борьба за повышение КПД продолжается, но о сверхкритических и даже ультрасверхкритических (в данном случае использованы технические термины, ничего «литературного») технологиях – в следующих статьях.

ТЭЦ зачастую вынуждены работать при переменных условиях, зависящих не только от времени года, но и от конкретных значений температуры на улице и даже от времени суток. Специальных знаний для понимания такой изменчивости не требуется, достаточно вооружиться здравым смыслом.

Пять режимов работы ТЭЦ

Итак, при работе ТЭЦ возможно несколько вариантов режимов совместной одновременной работы генераторов, градирен и тепловых сетей:

1. В тёплое время года ТЭЦ генерирует много электроэнергии и сбрасывает большую часть тепла на градирни. Градирня интенсивно «дымит»-парит, город потребляет тот минимум тепла, который требуется для горячего водоснабжения. При этом КПД по топливу у ТЭЦ чуть выше, чему ТЭС;
2. В номинальном режиме работы ТЭЦ при температуре до минус 5 градусов Цельсия в отопительный период генерируется некоторое количество электричества (меньше максимальной мощности), а всё тепло передается в тепловую сеть города. Градирня простаивает, и пара над ней нет, при этом КПД использования топлива достигает максимума в 85%. Теплосъём осуществляется при конденсации пара с температурой до +105С на ЦСД, при этом третья ступень – ЦНД, цилиндр низкого давления – простаивает и вклад в выработку электроэнергии не вносит;
3. В переходном режиме в межсезонье электричество генерируется на среднем уровне, а тепло сбрасывается частично в тепловую сеть города и частично на градирни. Градирни «дымят» в полсилы или задействована одна из двух-трёх имеющихся. При этом КПД по топливу у ТЭЦ выше, чему ТЭС;
4. Электроэнергия вырабатывается незначительно, но потребность города в тепловой энергии высокая, что случается в выходные дни морозной ночью. В этом режиме градирни не «дымят» совсем, а недостаток тепла восполняют специальные пиковые котельные, которые не генерируют пар, а работают в режиме водогрейного котла, отправляя выработанное тепло мимо турбин сразу в тепловую сеть города. При этом КПД электрогенерации максимален (сброса тепла в градирни нет), но большая часть ТЭЦ работает как обычная водогрейная котельная;
5. Электроэнергия вырабатывается на максимуме, но потребность города в тепловой энергии высокая, что случается в морозный рабочий день. В этом режиме градирни «дымят» сильно, а недостаток тепла в тепловой сети восполняют пиковые котлы-теплогенераторы, которые не генерируют пар, а работают в режиме водогрейного котла, отправляя тепло мимо турбин сразу в тепловую сеть города. Это максимальный режим работы ТЭЦ , но топливный КПД в этом режиме такой же, как у ТЭС.

Режимы электропотребления и теплопотребления в наших городах зачастую весьма переменные как по году, так и по дням недели и по времени суток, поэтому все пять режимов работы ТЭЦ плавно перетекают один в другой в произвольном порядке, в зависимости от текущей ситуации. Исходя из этого, одна из особенностей конструкции ТЭЦ – ее проектная способность к очень быстрой реакции на изменение нагрузки, или, как говорят энергетики, высокая маневренность.

Тепловые лабиринты городских подземелий

Климатическое распределение температуры в отопительном периоде для средней полосы России (за исключением городов на берегах Балтийского моря, то есть Ленинградской и Калининградской областей) таково, что самые длительные периоды работы ТЭЦ зимой – это режимы при слабом минусе или при оттепелях, то есть режимы 2 и 3. Ради этих длительных и наиболее экономичных режимов и были созданы ТЭЦ, но система горячего водоснабжения и отопления зданий и помещений только ими не ограничивается. Как бы ни старались инженеры и работники коммунальных служб обеспечить теплоизоляцию труб, по которым бежит в наши дома, климат свое берет – вода на пути от ТЭЦ до радиаторов на стенах наших квартир успевает остыть ниже нормативных температурных значений. Да и чисто по-житейски – воду от ТЭЦ на жилой квартал проще передать по магистральным трубам большого диаметра, чтобы в каком-то центральном для квартала (района) месте распределить ее по более тонким трубам, которые и приводят горячую воду в наши квартиры.

Для магистральных трубопроводов, продолжительность которых достигает 10 км и больше, используются стальные трубы диаметром до 1’400 мм, а ЦТП располагают так, чтобы удаление до отапливаемых ими домов не превышало 500 метров, здесь вполне хватает труб диаметром до 150 мм, применяют не только стальные, но и полимерные трубопроводы. Про системы теплоснабжения крупных городов рассказывать можно долго – их разрабатывают так, чтобы многократно перестраховаться от любых аварий или ЧП с магистральными горячими водопроводами, от возможных аварий на самих ТЭЦ. При наличии в городе нескольких ТЭЦ на магистральных водопроводах формируют закольцовки, что позволяет в случае аварии на ТЭЦ одного района распределять нагрузку на ТЭЦ одного или нескольких других районов.

Центральные тепловые пункты

Энергетики – это не химики с их любовью к терминологии на латыни, поэтому название для таких пунктов дали бесхитростное – ЦТП, центральный тепловой пункт. Оборудование ЦТП позволяет выбрать для каждого отдельного обслуживаемого им дома специальные температурные и гидравлические режимы, соответствующие особенностям их систем отопления.

Наиболее распространенные тепловые пункты работают с закрытой системой горячего водоснабжения (ГВС) и независимой схемой присоединения системы отопления. Вот это уже придется «расшифровать». Зависимая схема – это тот случай, когда теплоноситель, то есть горячая вода из магистральной сети поступает непосредственно к потребителям. В таком случае ЦТП – просто распределитель, который разделяет общий поток горячей воды на систему горячего водоснабжения и на систему отопления квартир. Замечательная схема, экономически выгодная для ТЭЦ – постоянный персонал для таких ЦТП вообще не требуется, автоматические системы позволяют дистанционно управлять оборудованием, регулировать температуру и давление воды. Эксплуатационные расходы сводятся к затратам на электроэнергию, необходимую для обеспечения работы насосов. Насосов в ЦТП, кстати, всегда много: кроме основных обязательно присутствуют и резервные, причем подача электрического питания для них независима, чтобы подстраховаться на случай аварий и ЧП в системе электроснабжения.

Недостаток у зависимых ЦТП только один – если в наши краны горячая вода поступает из магистралей, жалобы на ее качество в коммунальные службы идут сплошным потоком. Это ведь та самая вода, которую для использования в недрах ТЭЦ подготавливают, исходя из технических требований – в ней нормированы показатели карбонатной жесткости, содержания кислорода и железа, показателя рН. Если городские власти хотят избежать постоянного напряжения из-за качества горячей воды со стороны своих жителей, приходится использовать независимые ЦТП. В этом случае перегретая вода, идущая от ТЭЦ по первому контуру ЦТП, нагревает воду, проходящему по независимому второму контуру, которая в дальнейшем поступает в систему ГВС и идет к потребителям. Техническая вода ТЭЦ и вода в системе ГВС в этом случае никогда не смешиваются – это и есть закрытая схема ГВС.

Центральный тепловой пункт.

ЦТП с архитектурной точки зрения ничего интересного не представляют – бетонные коробки во дворах домов с глухими стенами, воротами для того, чтобы можно было в случае необходимости сменить оборудование и дверью для обслуживающего персонала. А вот внутри не все так просто – по предыдущему тексту это, наверное, уже понятно.

Внешняя простота порой обманчива

Где-то внизу, под землей, в ЦТП входит магистральная труба с горячей водой, идущей от ТЭЦ – через ввод, который называют тепловым (какая неожиданность!). Горячую воду от ТЭЦ внутри ЦТП разводят на два теплообменника, для системы отопления и для системы ГВС. Вода в контуре отопления, получив свою порцию тепла, уходит в радиаторы наших квартир, в которых остывает и возвращается погреться в ЦТП. Контур отопления замкнут, никаких сложностей. Вода от ТЭЦ, потеряв температуру на этом теплообменнике, отправляется в обратный путь все через тот же тепловой ввод (могли бы и вводом-выводом называть, просто не усложняют). Теплообменник №2 используется для подогрева системы ГВС: в ЦТП через водопроводный ввод приходит водопроводная вода (еще одна неожиданность), насос холодного водоснабжения отправляет одну ее часть в трубы, ведущие к кранам холодной воды в квартирах, а вторую часть – в теплообменник №2, на обогрев от воды, приходящей с ТЭЦ. Исключительно из деликатности на схеме нет линий, изображающих канализационный слив, но о его существовании можно догадаться и без подсказок. Вода, приходящая от ТЭЦ, потеряв температуру в теплообменнике № 2, все через тот же тепловой ввод отправляется в обратный путь. На представленной схеме все достаточно очевидно, некоторые детали в описании опущены.

Схема работы ЦТП.

Кстати, схема наглядно показывает, что химический состав воды, текущей из холодного крана, ничем не отличается от химического состава горячей воды. Данная схема хороша тем, что здесь весьма наглядно показаны полотенцесушители, которые располагаются в ванных комнатах. В полотенцесушителе в ванной комнате круглый год протекает вода от ГВС с температурой в те же 60 градусов Цельсия. Именно по этой причине полотенцесушитель – это единственный всегда горячий отопительный прибор в наших квартирах. Цель устройства полотенцесушителей – непрерывная прокачка воды (циркуляция) по трубам ГВС, чтобы вода там не остывала при застоях в водопотреблении. Если этого не сделать, то при попытке дождаться «горяченькой» из под крана приходилось бы регулярно сливать большие количества чистой воды в канализацию без какого –либо полезного использования. Температура воды в системе ГВС в 60 градусов Цельсия определяется болевым порогом человека, то есть при такой температуре руке человека ещё не больно и ожогов не возникает.

Остается отметить, что температура воды, уходящей из ЦТП в обратный путь к ТЭЦ, после ее использования для обогрева контуров системы отопления и системы ГВС снижается до 50-70 градусов. Холодной ее назвать сложно, воду с такой температурой вполне можно использовать для какой-нибудь полезной работы. Работы, полезной не только для экономики ТЭЦ, но и для нас с вами, жителей городов. Возможен ли такой вариант – ведь, вроде бы, все придумано до нас? Возможно, и Аналитический онлайн-журнал Геоэнергетика.ru обязательно об этом расскажет.