Теплоснабжение жилого района от водогрейной котельной

Введение.

Энергетика является ведущей отраслью современного индустриально развитого народного хозяйства страны. Понятием энергетики охватывается широкий круг установок для производства, транспорта и использования электрической и тепловой энергии, энергии сжатых газов и других энергоносителей.

В нашей стране, основная территория которой расположена в суровой климатической зоне, большое значение имеет также обеспечение потребителей тепловой энергией. Основное потребление тепловой энергии в городском хозяйстве приходится на промышленность (около 70%). К наиболее теплопотребляющим относятся: химическая и нефтехимическая, машиностроительная и металлообрабатывающая, топливная и пищевая отрасли промышленности.

На промышленном предприятии тепловая энергия распределяется на технологические процессы, отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение. В жилищно-коммунальном хозяйстве основными потребителями тепловой энергии являются системы отопления зданий.

Теплоснабжение. Системы теплоснабжения.

Теплоснабжение - снабжение теплом жилых, общественных и промышленных зданий (сооружений) для обеспечения коммунально-бытовых (отопление, вентиляция, горячее водоснабжение) и технологических нужд потребителей.

Различают местное и централизованное теплоснабжение. Система местного теплоснабжения обслуживает одно или несколько зданий, система централизованного - жилой или промышленный район. В СССР наибольшее значение приобрело централизованное теплоснабжение. Его основные преимущества перед местным - значительное снижение расхода топлива и эксплуатационных затрат (например, за счет автоматизации котельных установок и повышения их кпд); возможность использования низкосортного топлива; уменьшение степени загрязнения воздушного бассейна и улучшение санитарного состояния населенных мест.

Система теплоснабжения здания предназначена для обеспечения тепловой энергией (теплотой) его инженерных систем, требующих для своего функционирования подачи нагретого теплоносителя. Помимо традиционных систем (отопление и горячее водоснабжение), в современном гражданском здании могут быть предусмотрены и другие теплопотребляющие системы (вентиляция и кондиционирование воздуха, обогреваемые полы, бассейн).

Система централизованного теплоснабжения включает источник тепла, тепловую сеть и теплопотребляющие установки, присоединяемые к сети через тепловые пункты. Источниками тепла при централизованном теплоснабжении могут быть теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), осуществляющие комбинированную выработку электрической и тепловой энергии; котельные установки большой мощности, вырабатывающие только тепловую энергию; устройства для утилизации тепловых отходов промышленности; установки для использования тепла геотермальных источников. В системах местного теплоснабжения источниками тепла служат печи, водогрейные котлы, водонагреватели (в том числе солнечные) и т.п. Теплоносителями в системах централизованного теплоснабжения обычно являются вода с температурой 150 °С и пар под давлением 0,71,6 МПа (716 ат.). Вода служит в основном для покрытия комунальнобытовых, а пар - технологических нагрузок. Выбор температуры и давления в системах теплоснабжения определяется требованиями потребителей и экономическими соображениями. С увеличением дальности транспортирования тепла возрастает экономически оправданное повышение параметров теплоносителя. Расстояние, на которое транспортируется тепло в современных системах централизованного теплоснабжения, достигает несколько десятков км. Затраты условного топлива на единицу отпущенного потребителю тепла определяются в основном кпд источника теплоснабжения. Развитие систем теплоснабжения характеризуется повышением мощности источника тепла и единичных мощностей установленного оборудования. Тепловые мощности современных ТЭЦ достигают 2-4 Гкал/ч, районных котельных 300 - 500 Гкал/ч. В некоторых системах теплоснабжения осуществляется совместная работа нескольких источников тепла на общие тепловые сети, что повышает надежность, маневренность и экономичность теплоснабжения.

По выбору теплоносителя теплоснабжение бывает водяным и паровым. В качестве теплоносителя в настоящее время, как правило, используется нагретая вода. Водяной пар для целей теплоснабжения в силу многочисленных недостатков применяется крайне редко, в основном, в производственных зданиях, где пар требуется для технологических нужд. Теплоисточником для системы местного или децентрализованного водяного теплоснабжения служит водогрейная котельная, размещаемая непосредственно в здании или близ него. При централизованном водяном теплоснабжении высокотемпературная вода поступает в здание из отдаленного теплоисточника: теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) или районной тепловой станции (РТС).

В зависимости от источника теплоснабжения различают схемы и оборудование котельной или местного теплового пункта здания, откуда осуществляется подача теплоты к инженерным системам, их управление и контроль.

По схемам присоединения установок отопления различают зависимые и независимые системы теплоснабжения. В зависимых системах теплоноситель из тепловой сети поступает непосредственно в отопительные установки потребителей, в независимых - в промежуточный теплообменник, установленный в тепловом пункте, где он нагревает вторичный теплоноситель, циркулирующий в местной установке потребителя. В независимых системах установки потребителей гидравлически изолированы от тепловой сети. Такие системы применяются преимущественно в крупных городах - в целях повышения надежности теплоснабжения, а также в тех случаях, когда режим в тепловой сети недопустим для теплопотребляющих установок по условиям их прочности или же когда статическое давление, создаваемое последними, неприемлемо для тепловой сети (таковы, например, системы отопления высотных зданий).

В зависимости от схемы присоединения установок горячего водоснабжения различают закрытые и открытые системы теплоснабжения. В закрытых системах на горячее водоснабжение поступает вода из водопровода, нагретая до требуемой температуры водой из тепловой сети в теплообменниках установленных в тепловых пунктах. В открытых системах вода подается непосредственно из тепловой сети (непосредственный водоразбор). Утечка воды из-за неплотностей в системе, а также ее расход на водоразбор компенсируются дополнительной подачей соответствующего количества воды в тепловую сеть. Для предотвращения коррозии и образования накипи на внутренней поверхности трубопровода вода, подаваемая в тепловую сеть, проходит водоподготовку и деаэрацию. В открытых системах вода должна также удовлетворять требованиям, предъявляемым к питьевой воде. Выбор системы определяется в основном наличием достаточного количества воды питьевого качества, ее коррозионными и накипеобразующими свойствами. В СССР получили распространение системы обоих типов.

По числу трубопроводов, используемых для переноса теплоносителя, различают одно-, двух - и многотрубные системы теплоснабжения. Однотрубные системы применяют в тех случаях, когда теплоноситель полностью используется потребителями и обратно не возвращается (например, в паровых системах без возврата конденсата и в открытых водяных системах, где вся поступающая от источника вода разбирается на горячее водоснабжение потребителей). В двухтрубных системах теплоноситель полностью или частично возвращается к источнику тепла, где он подогревается и восполняется. Многотрубные системы используют при необходимости выделения отдельных видов тепловой нагрузки (например, горячего водоснабжения), что упрощает регулирование отпуска тепла, режим эксплуатации и способы присоединения потребителей к тепловым сетям. В СССР преимущественное распространение получили двухтрубные системы теплоснабжения.

Регулирование отпуска тепла в системах теплоснабжения (суточное, сезонное) осуществляется как в источнике тепла, так и в теплопотребляющих установках. В водяных системах теплоснабжения обычно проводится так называемое центральное качественное регулирование подачи тепла по основному виду тепловой нагрузки - отопления или горячего водоснабжения. Оно заключается в изменении температуры теплоносителя, подаваемого от источника теплоснабжения в тепловую сеть, в соответствии с принятым температурным графиком (то есть зависимостью требуемой температуры воды в сети от температуры наружного воздуха). Центральное качественное регулирование дополняется местным количественным в тепловых пунктах; последнее наиболее распространено при горячем водоснабжении и обычно осуществляется автоматически. В паровых системах теплоснабжения в основном производится местное количественное регулирование; давление пара в источнике теплоснабжения поддерживается постоянным, расход пара регулируется потребителями.

Достаточно часто схема местного теплового пункта здания при централизованном теплоснабжении может быть комбинированной, когда, например, система водяного отопления подключается к наружным тепловым сетям по независимой схеме, а другие системы, например, вентиляции и кондиционирования воздуха - по зависимой схеме.

Теплофикация - централизованное теплоснабжение на базе комбинированного производства электроэнергии и тепла на теплоэлектроцентралях. Термодинамическая эффективность производства электроэнергии по теплофикационному циклу обусловлена исключением, как правило, отвода тепла в окружающую среду, неизбежного при производстве электроэнергии по конденсационному циклу. Благодаря этому существенно (на 4050%) снижается удельный (в расчете на 1 квт*ч) расход топлива на выработку электроэнергии. По развитию теплофикация Россия занимает ведущее положение в мире. Мощность теплофикационных турбин, установленных на теплоэлектроцентралях составляет около 1/3 мощности паровых турбин всех тепловых электростанций страны. За счет комбинированного производства электроэнергии и тепла в 1974г. в СССР получена экономия топлива условного свыше 30 млн.т.

Некоторые проблемы теплофикации в России.

Развитие теплофикации в России имеет большие традиции. 75 лет назад, в ноябре 1924 г., был введен в эксплуатацию первый теплопровод от Ленинградской государственной электростанции №3 (сегодня это ТЭЦ имени Гинтера АО «Ленэнерго»).

Этот теплопровод впервые в России подал тепло в здание №96 на набережной реки Фонтанки. Эта дата считается началом развития теплофикации в России. Все время своего существования эта отрасль способствовала и до сих пор способствует экономии больших объемов топливно-экономических ресурсов за счет высокой эффективности комбинированного производства электрической и тепловой энергии на ТЭЦ, по сравнению с их раздельным производством.

В настоящее время 70% всех электростанций в России тепловые, из них больше половины - теплоэлектроцентрали. Суммарная мощность ТЭЦ - 60 ГВт, производство электроэнергии - 521 млрд.кВт*ч., тепла - 527 млн. Гкал (по итогам 1997г.). Экономия топлива в результате комбинированного производства электроэнергии и тепла составила 24 млн.т.у.т. Это и экономический, и экологический эффект. В объеме товарной продукции теплоэнергия, которая отпускается ТЭЦ входящими в РАО «ЕЭС России», составляет около 30%.

Теоретически экономия топлива при комбинированном производстве электроэнергии и тепла может быть оценена в 30%. Однако при существующей системе транспортировки тепла, сопровождающейся большими его потерями, затраты на доставку тепла делают его очень дорогим для конечного потребителя. Потери тепла, достигающие 3040%, происходят в основном не в магистралях, а в распределительных сетях - более 90%. Экономия топлива, существующая при комбинированном производстве электроэнергии и тепла, должна быть существенно больше, чем затраты на его транспортировку. Сейчас эта разница невелика - около 1,5 млрд. рублей в целом по стране.

Недооценка этого направления работы (транспорта тепла) привела к тому, что у конечного потребителя цены на тепло от ТЭЦ и котельной оказываются на одном уровне. Поэтому некоторые потребители (промышленные, коммунальные) при наличии системы централизованного теплоснабжения строят автономные котельные. Это может отрицательно повлиять на эффективность работы ТЭЦ и экологическую ситуацию.

Таким образом, возникает вопрос о необходимости корректировки развития системы ЦТ для того, чтобы она была не только более эффективной, по сравнению с автономными источниками тепла, но и более выгодной для конечного потребителя. В частности, продавая теплоэнергию муниципальным службам на грани магистральных и распределительных теплопроводов необходимо создать такие экономические условия, которые обеспечили бы заинтересованность данных служб в том, чтобы улучшать качество своих теплосетей и сокращать потери тепла в них.

Ежегодный ввод в Москве 3 млн. м2 нового жилья требует нового подхода к проблеме энергообеспечения столицы.

Путей решения несколько, из них наиболее рациональный - переход к энергосберегающим технологиям, обеспечивающим экономию энергии первичного топлива - от генерации до потребления и платежей.

Повышение отпускных цен на газовое топливо, перерабатываемое в полезную электрическую и тепловую энергию с низкой эффективностью, приводит к еще большему возрастанию стоимости электричества и тепла.

Представим пиковую мощность сложившейся традиционной энергосистемы, которая должна обеспечить 3 млн. кв. м. новостроек с учетом того, что использование самых современных энергосберегающих технологий в строительстве позволяет добиться снижения суммарного (тепло+электроэнергия) пикового потребления в новых жилых домах до 50 Вт/м2. В этом случае ежегодно требуется ввод дополнительной пиковой мощности по электрической и тепловой энергии в 150 МВт. Из них около 80 МВт тепловой мощности последние годы обеспечивается РТС и крышными котельными, а около 70 МВт электрической мощности обеспечивается существующими ТЭЦ Мосэнерго.

Коэффициент полезного действия (КПД) московской энергосистемы на выработку электрической энергии составляет в среднем 20% (отчет Мосэнерго за 1999 г.). В этом случае для генерации указанной мощности (70 МВт) потребуется сжигание природного газа с эквивалентной мощностью 350 МВт. Оставшиеся необходимые 80 МВт тепловой мощности будут обеспечены РТС, работающими со средним КПД» равным 0,85, и системой теплотрасс с ЦТП (КПД0,6). Суммарный КПД данного способа энергосбережения составляет 0,51 (0,850,6=0,51). Для производства указанных 80 МВт потребуется использование природного газа тепловой мощностью 160 МВт.

Таким образом, для обеспечения необходимой пиковой мощности в 150 МВт необходимо использование 510 МВт (350 МВт +160 МВт) тепловой мощности природного газа. Общий КПД используемой системы энергоснабжения состоит не более 0,294 или около 30% (150 МВт: 510 МВт- 0,294).

В результате обеспечения вновь вводимого жилья только электрической энергией из сетей Мосэнерго, а тепловой энергией от местных РТС с присоединенными к ним теплотрассами и ЦТП, ежегодный расход газа будет возрастать на 307 млн. кубометров, а около 5070% такого ценного топлива, как природный газ, будет сожжено на «ветер».

Использование индивидуальных тепловых пунктов (ИТП) и крышных котельных смягчает ситуацию, однако кардинальным образом не изменяет ее в силу роста потребности в электрической энергии при невостребованной тепловой энергии Мосэнерго.

Децентрализация источников энергоснабжения позволяет снизить пиковый расход топлива примерно в 4 раза по сравнению с вариантом использования возможностей Мосэнерго, а с вариантом крышных котельных - в 2 раза.

По данным специалистов, в России один рубль, вложенный в энергосбережение, дает три рубля отдачи. Экономия бюджетных средств при децентрализованном электро и теплоснабжения обеспечивается за счет:

• отказа от строительства относительно дорогостоящих (капиталоемких) РТС, ДТП, ИТП, ТП, ЛЭП и, зачастую, крышных котельных;

• резкого снижения стоимости инженерных коммуникаций за счет значительного уменьшения их протяженности и исключения теплотрасс с соответственным снижением эксплуатационных и ремонтных издержек;

• уменьшения удельного расхода природного газа для получения электрической и тепловой энергии за счет более высокого КПД агрегатов и КПИ газового топлива и, соответственно, экономии этого вида топлива.

Одним из важных направлений совершенствования теплофикационных систем и обеспечения максимальной экономии топлива является создание систем теплоснабжения на базе мини-ТЭЦ с использованием газопоршневых установок.

При принятии решения о строительстве собственной станции необходимо принимать во внимание преимущества мини-ТЭЦ по сравнению с традиционными паротрубными или газотурбинными станциями:

• меньшая себестоимость выработки тепла и электроэнергии

• высокий КПД (до 94%)

• относительно невысокий объем капиталовложений

• короткий срок планирования и строительства

• восприимчивость к переменным нагрузкам

• меньшая стоимость передачи и распределения тепла и электроэнергии

• низкий уровень вредных выбросов

• простота эксплуатации

• меньшие эксплуатационные затраты

Для уменьшения капитальных затрат на строительство здания для мини-ТЭЦ установку энергоблоков предполагается выполнять в существующих зданиях котельных.

Мини — ТЭЦ. Оценка рентабельности когенерации.

Мини-ТЭЦ - электростанция с комбинированной выработкой электрической энергии и тепла (когенератор), расположенная непосредственной близости от потребителя. В качестве источника энергии в мини-ТЭЦ двигатель внутреннего сгорания (ДВС).

Когенерация - это энергетическая техннко - экономическая независимость и снижение затрат на тепло и электроснабжение в 2,8 раза. Когенерация представляет собой высокоэффективное использование первичного источника энергии - газа, для получения двух форм полезной энергии — тепловой и электрической. Главное преимущество когенератора перед обычными теплоэлектростанциями состоит в том, что преобразование энергии здесь происходит с большей эффективностью. Иными словами, система когенрации позволяет использовать то тепло, которое обычно просто теряется. При этом снижается потребность в покупной энергии на величину вырабатываемых тепловой и электрической энергии, что способствует уменьшению производственных расходов. Применение когенератора сокращает расходы на энергообеспечение приблизительно на 100$/кВт установленной электрической мощности когенератора.

Когенератор состоит из газового двигателя, генератора, системы отбора тепла и системы управления. Тепло отбирается из газовыхлопа, масляного холодильника и охлаждающей жидкости двигателя. При этом в среднем на 100 кВт электрической мощности потребитель получает 150 160 кВт тепловой мощности в виде горячей воды (90°С129°С) для отопления и горячего водоснабжения.

Когенераторы успешно покрывают потребность потребителей в дешевой электрической и тепловой энергии. Независимое электроснабжение влечет за собой целый ряд преимуществ.

Положение когенераторов на российском рынке энергосбережения.

Применение когенераторов в центральной части крупных городов позволяет эффективно дополнять рынок энергосбережения, без реконструкции старых перегруженных сетей. При этом значительно увеличивается качество электрической и тепловой энергий. Автономная работа когенератора позволяет обеспечить потребителей электроэнергией со стабильными параметрами по частоте и по напряжению, тепловой энергией со стабильными параметрами по температуре и качественной горячей водой. В качестве потенциальных объектов для применения когенерации в России выступают промышленные производства, заводы, нефтеперерабатывающие заводы, больницы, объекты жилищной сферы, собственные нужды газоперекачивающих станций, компрессионных станций, котельных и т.д.

В результате внедрения комбинированных источников возможно решение проблемы обеспечения потребителей теплом и электроэнергией без дополнительного строительства мощных линий электропередачи и теплопроводов. Приближенность источников к потребителям позволит значительно снизить потери передачи энергии и улучшить ее качество, а значит, и повысить коэффициент использования энергии природного газа.

Положение когенераторов на рынке электрической энергии.

Когенераторы хорошо вписываются в электрическую схему отдельных потребителей и в электрические сети города при параллельной работе с сетью. Когенераторы покрывают недостаток генерирующих мощностей в центре городов. Появление когенераторов позволяет разгрузить электрические сети центра города, обеспечить стабильное качество электроэнергии и делает возможным подключение новых потребителей соответствующей мощности.

Конкурентный анализ российского рынка энергосбережения.

Условия, выдвигаемые поставщикам электроэнергии и тепловой энергии для подключения к электрическим и тепловым сетям, часто ведут к значительным безвозвратным расходам и даже к пересмотру этих же подключений. Удельная стоимость подключения к энергетическим сетям уже достигла, а на ряде объектов превышает, удельную стоимость когенерационной установки с одинаковыми энергетическими параметрами. Существенная разница между капитальными затратами на энергосбережение от сетей и энергосбережение от собственного источника заключается в том, что капитальные затраты, связанные с приобретением когенератора возмещаются, а капитальные затраты на подключение к сетям безвозвратно теряются при передаче вновь построенных подстанций на баланс энергетических компаний.

Капитальные затраты при применении когенератора компенсируются за счет низкой себестоимости энергии в целом. Обычно полное возмещение капитальных и эксплуатационных затрат происходит после эксплуатации когенератора в течение трех-четырех лет. Более того, энергосбережение от когенератора позволяет снизить ежегодные расходы на электро и теплоснабжение по сравнению с энергоснабжением от энергосистем примерно на 100$ за каждый кВт номинальной электрической мощности когенератора, в том случае, когда когенератор работает в базовом режиме генерации энергии (при 100% нагрузке круглогодично). Такое возможно, когда генератор питает нагрузку в непрерывном цикле работы или, если он работает параллельно с сетью. Последнее решение является выгодным также для электро и тепловых сетей.

Электрическая сеть будет заинтересована в подключении когенераторов к своим сетям, так как при этом она приобретает дополнительную генерирующую мощность без капитальных вложений на строительство электростанции. В таком случае энергосистема закупает дешевую электроэнергию для ее последовательной реализации по более выгодному тарифу. Тепловые сети получают возможность снизить производство тепла и закупают дешевое тепло для его реализации близлежащим потребителям посредством существующих тепловых сетей.

Вывод:

Возможные варианты теплоснабжения:

а) Чисто водогрейная котельная.

Такая котельная с точки зрения обеспечения системной экономичности является неперспективной из-за увеличения потребностей в топливе и необходимости решения экологических проблем. Высокие затраты на обслуживание.

б) Городская ТЭЦ.

Так как в данном проекте рассматривается небольшой населенный пункт (квартал), то такой вид теплоснабжения будет слишком дорогим и невыгодным, из-за больших потерь в трубопроводах. Городская ТЭЦ расположена далеко, тянуть теплотрассу до маленького квартала трудоемко и неэкономично. Оборудование ТЭЦ в большинстве своем морально и физически устарело, качество ремонтов находится на низком уровне, коммуникации транспорта тепла постоянно выходят из строя и требуют замены труб и качественно иной прокладки от источника до потребителя при надежной изоляции сетей. Аварии на протяженных магистральных и распределительных сетях от ТЭЦ резко снижают надежность подачи тепла потребителям всех категорий: жилищно-коммунальным и промышленным предприятиям различного профиля. Возможны случаи длительного отключения потребителей от тепловых и электрических сетей в отопительный период.

в) Когенерационная котельная с маленькими котлами большой мощности.

Такой вид теплоснабжения является очень привлекательным с экономической и экологической точки зрения. Одновременная выработка тепла и электроэнергии имеет ряд преимуществ. Основными из них являются:

• короткие сроки строительства;

• повышение надежности теплоснабжения потребителей;

• снижение инерционности теплового регулирования;

• снижение потерь в тепловых сетях.

Электроэнергия вырабатываться от собственной котельной, появляется возможность продавать электричество близлежащим потребителям, следовательно, тарифы будут ниже. К недостаткам можно отнести трудность их размещения, необходимость решения вопросов отпуска избытка электроэнергии в общую сеть и большие первоначальные расходы на строительство, которые покрываются за короткий срок.

В данном проекте рассматривается теплоснабжение жилого квартала от водогрейной котельной и электроснабжение близлежащего предприятия в г. Туле. Приведено экономическое сравнение двух вариантов теплоснабжения:

1) от классической водогрейной котельной;

2) от котельной с когенерацией.