НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ТЕХНІЧНОЇ ТЕПЛОФІЗИКИ

ПЛАЧКОВ ІВАН ВАСИЛЬОВИЧ

УДК 697.434

ТЕПЛОЕНЕРГЕТИЧНІ ЗАСАДИ МОДЕРНІЗАЦІЇ

СИСТЕМИ ТЕПЛОПОСТАЧАННЯ МЕГАПОЛІСУ

(НА ПРИКЛАДІ М. КИЄВА)

05.14.06 - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ-2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі теплоенергетичних установок теплових та атомних електростанцій Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" (НТУУ “КПІ”) Міністерство освіти та науки України.

Науковий керівник:Кєсова Любов Олександрівна

доктор технічних наук, професор,

завідувач кафедрою теплоенергетичних установок теплових та атомних електростанцій НТУУ “КПІ”

Офіційні опоненти:Носач Вільям Григорович

доктор технічних наук, старший науковий

співробітник, провідний науковий співробітник

Інституту технічної теплофізики НАН України

Дюков Володимир Андрійович

кандидат технічних наук

директор Державного підприємства з науково_технічних робіт по енергозбереженню в електроенергетиці "Укренергоефективність"

Провідна установа: Інститут газу НАН України

Захист дисертації відбудеться “29” червня 2004 р. о 16.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .224.01 в Інституті технічної теплофізики НАН України за адресою: 03057, м. Київ, вул. Желябова, 2-а; тел. .

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресую: 03056, м. Київ, пр. Перемоги 37.

Автореферат розісланий “28” травня 2004 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради, к.т.н. Чайка О.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Стан проблеми. На сьогоднішній день централізовані системи теплопостачання мегаполісів України використовуються не ефективно. Їх обладнання морально та фізично застаріло, впровадження нових рішень та технологій виконується безсистемно і без урахувань принципів взаємодії всіх ланок та елементів комплексу теплопостачання.

З цих причин широкого загалу набула громадська та наукова думка щодо недоцільності подальшого розвитку систем централізованого теплопостачання. Виключним шляхом розвитку визнаються локальні теплоджерела з традиційним або альтернативним виробництвом теплоти.

Проте, європейська практика використання централізованих систем теплопостачання показує, що прихований потенціал таких систем може бути використаний шляхом збалансованого застосування комплексних взаємопов’язаних науково-технічних та передових організаційно-технологічних засобів в галузі енергопостачання. Складність проблеми полягає в тому, що на даний час практично відсутні математичні моделі систем централізованого теплопостачання мегаполісів, які адекватно описують не тільки технічні аспекти взаємодії всіх критичних ланок системи, але й враховують організаційні та оперативні чинники впливу. Вирішення проблеми вдосконалення великих систем теплопостачання набуває принципового значення у період, коли більша частина установленого на них обладнання практично відпрацювало свій парковий ресурс.

В дисертації наведені результати аналітичних розрахунків та експериментальних досліджень і розроблено рекомендації щодо модернізації та вдосконалення систем теплопостачання мегаполісу на прикладі м. Києва.

Актуальність теми. Централізовані системи теплопостачання в Україні найбільш інтенсивно розвивались у 60-70-х роках 20-го сторіччя. Зараз для таких систем характерним є експлуатація застарілого обладнання, дефіцит наявної потужності, неоптимальне завантаження ТЕЦ, відставання організаційної структури управління від динамічних зовнішніх факторів. В результаті значно знижується якість теплопостачання споживачів, аж до перерв опалення та гарячого водопостачання у зимовий період.

Підвищення ефективності роботи централізованих систем теплопостачання, крім забезпечення максимальної надійності, дозволяє одночасно мінімізувати витрати паливних, матеріальних та фінансових ресурсів.

Відпрацювання рішень та впровадження реальних заходів в межах найбільшої в країні Київської системи теплопостачання має значну актуальність для подальшого розповсюдження набутого досвіду в інших крупних містах України. Відповідно до місцевих умов можливе використання інтегрованих або часткових рішень, що дозволить значно скоротити витрату державних коштів на вдосконалення теплопостачання.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась відповідно до "Державної програми соціально-економічного розвитку міста Києва на період до 2010 року", схваленої постановою Кабінету Міністрів України від 15 грудня 1997 р. № , "Комплексної державної програми енергозбереження України", схваленої постановою Кабінету Міністрів України від 5 лютого 1997 р. № , "Програми заходів щодо ефективного використання та скорочення споживання природного газу в житлово_комунальній сфері", затвердженої наказом Держкоменергозбереження України від 17 грудня  р., проекту "Комплексної програми реформування комунального господарства міста Києва на 2003-2005 роки та на період до 2010 року" та проекту "Комплексної державної програми енергозбереження України на 2005-2010 роки".

Мета і задачі роботи. Метою дисертаційної роботи є розробка теплоенергетичних засад модернізації централізованих систем теплопостачання мегаполісів, науково-технологічних та організаційно_технічних рішень щодо розвитку енергоджерел та системи транспортування теплоти, визначення їх відповідності виробничим та фінансовим можливостям енергопостачальних організацій мегаполісу на прикладі м. Києва, виділення оптимальних схемних рішень та їх впровадження на практиці.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі:

- розглянути розвиток системи центрального теплопостачання м. Києва, порівняти її з аналогічними системами Москви, Санкт_Петербургу та столиць північної Європи;

- провести аналітичні дослідження щодо визначення коефіцієнту централізації теплопостачання вказаних систем та оптимального для м. Києва;

- визначити засади оптимального регулювання теплопостачання споживачів в різних режимах роботи централізованої системи теплопостачання;

- провести пошуки та визначити можливості регулювання температурного потенціалу теплоносія ТЕЦ шляхом упереджуючого перерозподілу електричного та теплового навантаження теплофікаційних турбін;

- розробити технічні заходи щодо реновації та модернізації окремо для всіх елементів системи теплопостачання - теплових джерел (ТЕЦ, котелень), теплових мереж, теплових пунктів;

- розглянути та визначити оптимальні режими роботи кінцевих вузлів розподілу теплової енергії споживачам;

- розробити рішення щодо підвищення надійності функціонування системи теплопостачання, зменшення її шкідливого впливу на навколишнє природне середовище та підвищення ефективності використання паливно-енергетичних ресурсів, задіяних в процесах вироблення, передавання та розподілу теплової енергії;

- розробити збалансований перелік організаційно-технічних рішень вдосконалення системи теплопостачання м. Києва та виконати аналіз економічної доцільності їх впровадження;

- визначити основні засади та розробити організаційно-технічні рішення щодо оптимізації обліку та збуту теплової енергії;

- впровадити отримані технічні рішення та нові технології на діючих та нових об’єктах централізованої системи теплопостачання м. Києва.

Наукова новизна отриманих результатів:

- виконано вибір та обґрунтування оптимального коефіцієнту централізації теплопостачання мегаполісу України;

- визначена можливість та організація гнучкого графіку роботи теплових мереж без виділення літнього та зимового режимів роботи;

- чисельно визначені параметри регулювання температурного потенціалу теплоносія на Київських ТЕЦ в залежності від акумулюючої здатності теплопроводів та приєднаних споруд споживачів для отримання додаткової електричної потужності в періоди пікового споживання електроенергії;

- узагальнені технічні, технологічні та організаційні рішення щодо розвитку централізованої системи теплопостачання по визначених критеріях оптимальності;

- виконана оцінка перспектив розвитку традиційних та альтернативних систем теплопостачання з адаптацією до умов інженерної інфраструктури, щільності та розвитку забудови житлових масивів м. Києва;

- виконане термодинамічне обґрунтування впровадження газотурбінних та парогазових установок в циклі комбінованого виробництва теплової та електричної енергії;

- запропоновані та пророблені термодинамічні схеми газотурбінних установок для комбінованого виробництва теплової та електричної енергії.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблений комплекс заходів щодо вдосконалення системи теплопостачання дозволив розпочати роботи по реконструкції та модернізації теплових джерел сумарною потужністю 4604 Гкал/год, розпочати перекладку 78 км теплових мереж та заміну понад 1400 одиниць арматури за ратифікованим Верховною Радою України проектом "Реабілітація та розширення системи централізованого теплопостачання м. Києва". Загальна вартість робіт за проектом складає 250 млн. дол. США. Проведені вишукування дозволили виконати реконструкцію та модернізацію 33 теплових пунктів системи теплопостачання м. Києва, впровадити сучасні заходи оперативно-диспетчерського управління енергетичними потужностями: 1200 МВт електричних та понад 8400 Гкал/год теплових. Очікуваний економічний ефект від впровадження всіх заходів складає 50 тис. грн.

Особистий внесок здобувача:

- Запропонував та розробив більшість теплоенергетичних засад модернізації систем теплопостачання і організаційних та технічних заходів;

- Розробив методику проведення досліджень модулювання температурного графіка теплоносія в залежності від співвідношення теплового та електричного завантаження теплофікаційних турбін ТЕЦ;

- Брав безпосередню участь в проведені експериментів та узагальненні результатів досліджень;

- За участю автора була запропонована критеріальна модель системи теплопостачання м. Києва;

- Розробив та запропонував основні засади гнучкого графіка роботи теплових мереж без виділення літнього та зимового режимів їх роботи;

- Брав безпосередню участь у визначенні обсягів реконструкції та модернізації теплових джерел, магістральних та розподільчих теплопроводів, теплових пунктів системи теплопостачання м. Києва.

Апробація результатів роботи. Про основні положення роботи автор доповідав на регіональному Європейському форумі "Київ-2000" "Ринкові перетворення в енергетиці. Перспективи на початок ІІІ_го тисячоліття" 16_ травня 2000 р., на міжнародній конференції "Залучення міжнародних інвестицій в енергетику України: досвід, розробки і впровадження перспективних проектів", 4-5 грудня 2000 р., на науково-практичній конференції "Київ у ХХІ столітті: стратегія розвитку", 26 січня 2001, на міжнародній конференції "Енергетична безпека Європи. Погляд у ХХІ сторіччя" 22-25 травня 2001 р., на міжнародному енергетичному форумі СНГ-2001 23-30 вересня 2001 р., на конференції "Дни австрийской энергетики в Украине" 15_ жовтня р., на ІІІ Міжнародній конференції "Проблемы промышленной теплотехники" 29 вересня 2003 р.

Публікації. По темі дисертації автором опубліковано дев’ять наукових робіт, в тому числі вісім - у вигляді статей в наукових та спеціалізованих журналах енергетичної тематики переліку ВАК України і одна – у складі збірника праць.

Структура і обсяг роботи. Робота складається із вступу, п’яти розділів, загальних висновків по роботі, переліку використаних джерел. Робота викладена на 213 сторінках основного тексту, має 26 рисунків, 31 таблицю і 140 бібліографічних найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дано характеристику сучасного стану проблеми, обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету та основні завдання дослідження, показано її наукову новизну, практичне значення та зв’язок із науковими програмами. Представлено відомості про особистий внесок автора, апробації та публікації за темою роботи.

У першому розділі виконано огляд розвитку та сучасного стану системи теплопостачання м. Києва, як найбільшого мегаполісу України.

Розвиток системи теплопостачання м. Києва провадився збалансовано з енергетичними потребами міста в основному екстенсивним методом. Спорудження потужних районних котелень виконувалось централізовано, паралельно з будівництвом ТЕЦ таким чином, щоб виключити значне перекриття їх зон теплопостачання. З початку 80-х до другої половини 90_х років розвиток централізованої системи теплопостачання та її ув’язка із спорудженням дрібних локальних теплоджерел проводилася за генеральним планом розвитку м. Києва, а пік розбудови системи теплопостачання припадав на 70-80-ті роки минулого сторіччя.

Для 90-х років – кінця 20-го сторіччя характерна тенденція, коли через недостатність обсягів капітальних вкладень та впровадження великої кількості неузгоджених будівельних програм в мегаполісах України почалося відставання розвитку теплоджерел та мереж від темпів житлового будівництва та нарощування дефіциту теплової потужності.

Аналітичний огляд подальшого розвитку системи теплопостачання Києва показав, що збільшення централізації управління теплопостачанням шляхом прийняття в господарче відання внутрішньоквартальних теплових мереж, теплопунктів, насосних станцій та допоміжного обладнання призводить до вирівнювання згаданого дисбалансу. Подальше зменшення дефіциту приєднаної теплової потужності можливе при об’єднанні управління централізованими потужними теплоджерелами та дрібними локальними котельними за рахунок узгодження їх роботи. На цьому можливості організаційних заходів щодо зниження дефіциту теплової потужності практично вичерпуються.

Для застосування передових науково-технічних та технологічних рішень щодо вдосконалення системи теплопостачання необхідно визначитись з динамікою теплового навантаження за типом споживання. На прикладі м. Києва показано, що в мегаполісах при зростанні загальних обсягів споживання в останні роки має місце тенденція витіснення з подальшою стабілізацією частки промислового теплового навантаження побутовим споживанням.

Відповідно до визначених задач роботи сформульовано п’ять основних критеріїв оптимальності будь-якої системи теплопостачання мегаполісу:

1. Критерій "балансу потужностей" - відповідність наявної (встановленої) потужності теплоджерел приєднаній потужності споживачів.

2. Критерій "централізації теплопостачання" – витримання оптимального співвідношення частки встановленої потужності та відпуску теплової енергії від централізованих та відокремлених теплоджерел в межах системи теплопостачання.

3. Критерій "частки когенерації" – витримання оптимальної частки відпуску теплової енергії ТЕЦ в загальному виробництві теплоти централізованої системи теплопостачання.

4. Критерій "повноти циклу" – повнота охоплення всіх ланок виробництва та розподілу теплової енергії в межах системи теплопостачання.

5. Критерій "розвитку" – збалансованість темпів зростання теплопотреб споживачів нарощуванню встановленої потужності теплоджерел.

Наведені критерії взаємопов’язані та корелюються між собою в залежності від поставлених граничних умов, якими є основні містобудівні фактори.

Проведений аналіз критеріїв оптимальності стосовно Київської системи теплопостачання по балансу теплових потужностей, розподілу зон теплопостачання, встановленій потужності та завантаженню централізованих і відокремлених теплоджерел протягом року показав збалансованість системи по всіх критеріях оптимальності.

На основі узагальненої оцінки умов досягнення оптимальних критеріїв системи зроблено висновок про необхідність аналітичного порівняння Київської системи теплопостачання з аналогами мегаполісів Росії (Москва, Санкт_Петербург) та країн північної Європи.

У другому розділі викладені причини вибору мегаполісів, системи теплопостачання яких порівнюються з системою м. Києва.

Детальний розгляд систем теплопостачання мегаполісів Росії (Москви, Санкт-Петербургу) та порівняльний аналіз показав, що, з урахуванням кліматичних особливостей розташування Москви та Санкт-Петербургу, їх системи теплопостачання працюють з відхиленнями від оптимального значення коефіцієнту теплофікації - для м. Москва він становить близько 64-66% і є дещо завищеним за рахунок зміщення виробництва електроенергії в бік конденсаційної виробітки; для Санкт-Петербургу значення коефіцієнту не перевищує 50% (при оптимумі близько 60%) за рахунок надмірного використання частки теплоти, виробленої відокремленими теплоджерелами. Для цих міст характерно організаційне відокремлення ТЕЦ від районних котелень і їх зон теплопостачання (два крупних оператори різної відомчої належності). Неможливість узгодження технічних політик двох конкуруючих організацій теплопостачання призводить до неоптимального використання наявного теплового обладнання.

Аналіз розвитку централізованого теплопостачання в країнах північної Європи (Скандинавського півострова та близької до них Данії) показав, що на відміну від Росії, ці системи почали широко впроваджуватись після паливної кризи 1973_ років на принципах суспільного управління, найчастіше муніципального.

Обсяги централізованого теплопостачання, організаційні і технічні рішення в кожній з цих країн відмінні в залежності від клімату, географії, економічних і політичних міркувань. Найбільш ефективним централізоване теплопостачання є в регіонах з високим питомим енергоспоживанням на км2.

Характерним представником такої країни є королівство Данія. Прийняті у 1979 та 1990 роках закони про теплопостачання дозволили розробити та впровадити широкий спектр установок комбінованого виробництва теплової та електричної енергії – від традиційних ТЕЦ до ТЕЦ з газотурбінними установками або працюючих на побутових відходах, збільшити виробництво теплової енергії на ТЕЦ з 10 до 38%, а частка централізованого теплопостачання зросла з 28% до 55%.

Показовим в цьому є система теплопостачання Великого Копенгагену, яка поділена на три частини. Кожну магістральну теплосистему обслуговує одна теплопостачальна компанія, яка не має власних теплоджерел, а купує та передає необхідну кількість теплоти від розташованих в зоні її діяльності самостійних теплоджерел – ТЕЦ, сміттєспалювальних заводів, пікових водогрійних котелень до муніципальних або кооперативних розподільчих районних мереж для остаточного розподілу між споживачами. Всі теплоджерела Копенгагена працюють паралельно без виділення окремих зон теплопостачання. Особливістю системи є двоконтурне змішане кількісне та якісне регулювання теплопостачання споживачів. В першому контурі температура води в подавальному трубопроводі змінюється трьома ступенями __ °С, а підрегулювання відпуску теплової енергії виконується за рахунок зміни витрат теплоносія. Подальша трансформація теплоти проводиться на теплообмінних станціях, до яких підключено вторинний розподільчий контур. Регулювання температури теплоносія вторинного контуру виконується за рахунок зміни його витрати та температури.

Для оптимізації роботи всього енергокомплексу Копенгагена між компаніями підписана угода про мінімізацію виробничих витрат всієї системи централізованого теплопостачання, що дає змогу досягти економічного оптимуму при збереженні гнучкого управління теплопотоками.

Близьким аналогом Копенгагену є Хельсінкі. Оскільки Фінляндія значно залежить ввізного палива, ефективності його використання приділяється значна увага. Ступінь централізованого теплопостачання та когенераційного виробництва енергії в Хельсінкі є найбільшою в Західній Європі.

Джерелами генерації теплоти є ТЕЦ та котельні на природному газі, вугіллі та мазуті, ринкова частка теплофікації становить 92%. Для підвищення на ТЕЦ влітку теплофікаційного виробітку енергії в Хельсінкі впроваджена система централізованого холодопостачання потужністю понад 10 МВт. За рахунок цього частка електроенергії, що вироблена по теплофікаційному циклу перевищує 88%. Система теплопостачання Хельсінкі закольцована, теплоджерела працюють паралельно без виділення їх окремих зон, проте на відміну від Копенгагену в системі відсутні теплообмінні станції.

Система теплопостачання Стокгольму організована за тим же принципом, що й Хельсінкі. Потреби міста в тепловій, електричній енергії та природному газі задовольняє муніципальна енергокомпанія. Централізація теплопостачання Стокгольму становить приблизно 60%. Через відсутність газової мережі велика частка відокремлених теплоджерел (мазутних або електроопалювальних котелень) – до 40

На 3-х ТЕЦ міста виробляється до 25% теплової енергії. В літній період для підтримки теплофікаційного завантаження задіяна система централізованого холодопостачання, потужністю близько 60 МВт. Витрати електроенергії на привод теплових насосів та електроопалення дозволяють вирівняти графік електроспоживання протягом доби, досягти максимального завантаження теплофікаційних відборів турбін і коефіцієнту корисної дії близько 86%.

Остання з трьох скандинавських столиць – Осло має незначну частку централізованого теплопостачання - близько 10%, що пояснюється особливостями норвезької енергетики, яка базується на відновлювальних джерелах енергії: 98% виробляється за рахунок гідроресурсів, залишок покривається вітроустановками. Достатня кількість дешевої електроенергії стимулює розвиток електроопалення, частка якого складає по країні 70%.

Основними теплоджерелами є сміттєспалювальні заводи, теплові насоси та малі пікові мазутні котельні. Надлишок теплоти в літній період використовується для централізованого холодопостачання. Прийнятий температурний графік тепломережі – 120/70 °С.

Окрім згаданих столиць північної Європи крупними системами централізованого теплопостачання оснащені такі столиці центральної Європи, як Прага, Варшава, Берлін. Їх улаштування має свої особливості що характерні для місцевих умов розвитку. Проте ці відмінності не носять принципового характеру, а схеми експлуатації та улаштування розвитку теплосистем досить близькі до розглянутих міст. Основні параметри крупних систем теплопостачання наведені в табл.1.

Таблиця 1

Основні показники систем теплопостачання крупних міст європейських держав

Місто | Кільк. жителів в місті,

тис. чол. | Частка централізованої системи в загальному обсязі теплопостачання міста, % | Частка відпуску теплової енергії ТЕЦ в централізованому теплопостачанні міста, % | Частка відпуску теплоти тепловими насосами в централізованому теплопостачанні міста, % | Температурний графік тепломережі, °С | Режим регулювання теплового навантаження | подавальний трубопровід | зворотний трубопровід | кількісний | якісний | Київ | 2597,0 | 84 | 65 | 0 | 120-70* | 70-40 | - | х | Москва** | 15  | 98 | 78 | 0 | 130-70 * | 70-40 | - | x | С. Петербург | 4619,8 | до 90 | 50 | 0 | 100-70 * | 70-40 | - | x | Копенгаген** | 1100 | 92 | 72 | - | 120-100-80 | 50-40 | x | x | Хельсінкі | 574,7 | 93 | 92 | - | 120-70 | 65-40 | x | x | Стокгольм | 1239,1 | 60 | 25 | 21 | 120-70 | 70-40 | x | x | Осло | 787,4 | 10 | - | 1 | 120-70 | 70-40 | x | x | Лондон | 7393,8 | 1 | 50 | 0 | 120-70 | 70-40 | х | х | Прага | 1174,2 | 40 | 20 | - | 130-70 | 70-40 | x | x | Варшава | 1609,8 | 90 | 99 | - | 120-70 * | 70-40 | - | x | Примітки: * розрахункова температура – 150 °С; ** з передмістями

Аналіз виявив такі найважливіші основні закономірності їх улаштування, організації та технічних рішень:

1. Централізація системи теплопостачання прямо залежить від щільності населення і може обмежуватись наявною міською забудовою.

2. Висока частка виробництва електроенергії за теплофікаційним циклом на ТЕЦ, які працюють паралельно з іншими джерелами теплопостачання.

3. Застосування комплексу організаційних та технічних заходів по максимальному використанню теплової потужності турбін ТЕЦ в літній час.

4. Пристосування температурного графіка до природних умов міста.

5. Незначна кількість операторів на ринку теплової енергії, централізація функцій виробництва та розподілу теплової енергії.

6. Внутрішня спеціалізація підрозділів всередині одного оператора: розподіл експлуатаційних, збутових та регуляторних функцій окремо для кожного з них.

Найбільш оптимальними критеріями розвитку діючих систем теплопостачання є їх об’єктивні технічні параметри, що не залежать від економіко-правового поля.

Таким чином, вдосконалення системи теплопостачання мегаполісу на прикладі м. Києва слід розглядати за такими основними напрямами вишукувань:

- розробка гнучкого графіка роботи тепломереж без виділення літнього та зимового режимів роботи;

- реновація та модернізація теплоджерел;

- розвиток теплових мереж із застосуванням прогресивних технологій;

- вдосконалення системи збуту та обліку теплової енергії;

- розробка інтегрованої корпоративної системи управління теплопостачанням;

- зниження екологічного впливу системи теплопостачання на навколишнє природне середовище;

- визначення оптимального коефіцієнту централізації теплопостачання;

- реконструкція теплових пунктів та вибір оптимального режиму їх роботи;

- модулювання температурного графіка тепломереж в опалювальний період;

- ор3анізація кількісного регулювання систем теплопостачання споживачів;

- обґрунтування засад і розгляд перспектив розвитку альтернативних та традиційних теплоджерел;

- термодинамічне обґрунтування та вишукування оптимальних схем впровадження парогазових технологій при комбінованому виробництві теплоти та електроенергії.

У третьому розділі роботи послідовно розглянуті наведені вище напрями вишукувань.

Аналіз графіка коефіцієнта теплофікації бТЕЦ по місяцях року показує, що резервом підвищення ефективності є можливість більш повного завантаження теплофікаційних відборів турбін в літній період за рахунок переведення теплопостачання міста виключно від турбін ТЕЦ.

Оскільки значна частина теплоспоживання є комунально-побутовим, то в літній період теплове навантаження визначається потребами гарячого водопостачання, яке для зони окремого теплоджерела є рівномірним протягом місяця, кварталу і становить від ? до ? розрахункового теплового навантаження.

Наявність двох ТЕЦ Києва на протилежних частинах міста дає можливість перевести на них літнє теплоспоживання розташованих між ними районів та відключити на цей час районні котельні, що влітку працюють не постійно, з мінімальними тепловими навантаженнями.

Для переведення літнього теплового навантаження котелень, крім РК "Микільська Борщагівка", додаткових капітальних вкладень не потрібно. Відпуск теплоти відборами турбін ТЕЦ в літній період збільшиться на 280 тис. Гкал, що надає можливість економії палива до 25 тис. т.у.п. щорічно і дозволить окупити капітальні вкладення по переведенню літнього теплового навантаження котельних від ТЕЦ Київенерго за 10 років.

Подальшим розвитком цього напряму є переведення системи теплопостачання на спільну роботу за гнучким графіком.

Запропоновано введення єдиного гнучкого режиму навантаження в залежності від поточних потреб споживачів. Основною відмінністю є відсутність поняття опалювального сезону, оскільки підключення і відключення опалювальних систем буде визначатися термінами, що встановлюються самими споживачами незалежно від пори року. Очікується, що періоди включення/відключення опалювального навантаження будуть розтягнуті у часі до 1 місяця, в інші періоди тепломережа буде працювати з параметрами, аналогічними існуючим (рис. 2).

Для згладжування і вирівнювання незбалансованих гідравлічних параметрів при роботі тепломережі за гнучким графіком в місцях розрізів суміжних зон теплопостачання районних котелень і ТЕЦ запропонована організація поетапного переходу по відокремлених зонах теплоджерел з подальшою реалізацією режиму роботи об’єднання цих зон в одну та відкриття роз’єднувальних засувок на перемичках між зонами.

Для організації роботи системи в режимі гнучкого графіка запропоновано до впровадження трирівневу автоматизовану систему диспетчерського управління тепловими мережами, яка в режимі реального часу відображає дійсний стан теплоджерел та тепломереж Києва на основі показання датчиків основних параметрів в контрольних точках.

Реновація та модернізація теплоджерел. Практично всі енергосистеми мегаполісів України використовують, як базові, технічні рішення кінця 50_х _ початку 60-х років, мають приблизно однакове напрацювання і рівень зносу обладнання.

Такий стан є характерним і для теплоджерел Київенерго. Проектний ресурс 100 тис. год вичерпано, а деяке обладнання перевищило його в 2-2,5 рази, хоча стан металу цього устаткування залишається задовільним.

Для оцінки обсягів реновації та модернізації обладнання системи теплопостачання Києва складені очікувані баланси теплоти по зонах споживання на 2010 р.. Аналізом визначено три гостродефіцитні зони теплопостачання (таблиця 2).

Таблиця 2

Прогнозний дефіцит теплової енергії по зонах дії джерел теплопостачання

(Гкал/год, округлено)

Зона теплопостачання | Дефіцит теплової потужності у 2010 р. | СТ-1 - ТЕЦ-5 - РК "Молодь" | 535

ТЕЦ-6 - СТ-2 - РК "Виноградар" | 220

РК "Позняки" | 270

РК "Відрадний" - РК "М. Борщагівка" | 50 | РК "Нивки" | 45 | СП "Укр-Кан-Пауер" | 110 | Поза зонами (район "Сирець") | 25 | Всього | 1255

В межах вказаних зон визначено розподіл потужності, стан зносу обладнання теплоджерел, обсяги модернізації.

Технічні розрахунки показали доцільність реконструкції районної котельні СТ-1 та збільшення її теплової потужності до 860 Гкал/год за рахунок модернізації трьох водогрійних котлів, заміни 4-х водогрійних котлів більшої теплової потужності (2 - по 100 Гкал/год, 2 – по Гкал/год) із спорудженням додаткової тепломагістралі Ду 700 мм довжиною 1,1 км.

Покриття дефіциту теплопостачання по зоні ТЕЦ-5 можливо за рахунок встановлення одного водогрійного котла на 180 Гкал/год, збільшення продуктивності системи водопідготовки до 1000 т/год та подовження індивідуального ресурсу теплофікаційного обладнання на 50 тис. год.

Технічний аналіз показує необхідність збільшення встановленої потужності районної котельні СТ-2 на 27,9% (до 780 Гкал/год) за рахунок реконструкції трьох водогрійних котлів, заміни 4-х водогрійних котлів (3 - по 100 Гкал/год та 1 - 180 Гкал/год), монтажу 2-х парових котлів власних потреб та реконструкції системи водопідготовки.

Для покриття дефіциту теплової потужності по зоні ТЕЦ-6 запропоновано встановлення 2-х водогрійних котлів по 180 Гкал/год та теплофікаційний енергоблок електричною потужністю 250 МВт (тепловою - 330 Гкал/год).

В третій дефіцитній зоні необхідно виконати добудову РК "Позняки" із встановленням 2-х водогрійних котлів по 100 Гкал/год і одного на 180 Гкал/год.

Проаналізовано доцільність покриття дефіциту теплової потужності житлових масивів шляхом встановлення індивідуальних дахових котелень. Результати розрахунків показали, що подальший розвиток РК "Позняки" є більш економічно доцільним та технічно грамотним рішенням.

Відповідно до попередніх прорахунків такий обсяг реновації теплоджерел дозволить зменшити існуючий дефіцит теплових потужностей приблизно на 1520 Гкал/год, підвищити ефективність котлів, що підлягають модернізації з 92,6-93,4% до 95% для СТ-1 та СТ-2, а середньозважена ефективність водогрійних котлів ТЕЦ-5 та ТЕЦ-6 збільшиться на 0,7-1%.

Розвиток теплових мереж та застосування прогресивних технологій їх прокладення. Протяжність теплових мереж з терміном експлуатації більше 25 років складає 836 км, що неможливо замінити в короткі терміни. В технологічному ланцюгу теплопостачання теплові мережі є найбільш слабким місцем. В м. Києві 89%теплотрас прокладено застарілим канальним способом, основним недоліком якого є низька корозійна стійкість металу труб, недосконалість будівельних конструкцій, нещільність арматури та сальникових компенсаторів.

Аналіз різних способів прокладки показав, що для підвищення терміну служби трубопроводів, зниження теплових втрат і витоків теплоносія найбільш доцільно використовувати канальну та безканальну прокладку трубопроводів попередньо-ізольованих пінополіуретановою ізоляцією (ПІТ), які використовуються в країнах центральної та північної Європи. Оцінки та попередні розрахунки показали, що застосування цих труб дозволить Київенерго знизити втрати теплової енергії до 570 Гкал/км теплотраси щорічно та подовжити термін служби магістралей до 75 років.

Для застарілих труб гарячого водопостачання техніко-економічні розрахунки показують недоцільним заміну на сталеві труби ПІТ, тому запропоновано застосування пластикових труб на робочі параметри 1,6 МПа та 115 °С. Однак, в зв’язку з відсутністю досвіду експлуатації пластикових труб та уникнення критичних напружень при остиганні, запропонована їх прокладка в трасах з низьким поверхневим навантаженням.

Вдосконалення системи збуту та обліку теплової енергії. Запропонована до впровадження деревовидна система дистанційного знімання показників теплолічильників із застосуванням комп’ютерних інтерфейсів передачі даних. Система має можливості автоматичного зчитування параметрів теплоспоживання, розрахуноку кількості отриманої теплової енергії по споживачах, автоматичного моніторингу стану теплолічильників, параметрів системи теплопостачання, відображення результатів моніторингу на графічній схемі району. Зв’язок з теплолічильниками здійснюється в стандарті комп’ютерного інтерфейсу RS_з використанням прoвідних ліній існуючої системи диспетчерського контролю або оптоволоконною мережею (рис. 3).

Організаційно система будується на двох рівнях взаємодії: оперативне управління виробництвом та розподілом теплоенергії і виробничий облік теплопотоків. На першому рівні взаємодії диспетчерських служб Київенерго, теплових магістральних та розподільчих мереж забезпечується передача інформації для надійного теплопостачання споживачів. Другий рівень взаємодії передбачає комерційний облік відпущеної теплоти споживачам, виставлення рахунків та збирання коштів за отриману теплову енергію.

Організація інтегрованої корпоративної системи керування теплопостачанням. Основою інтегрованої корпоративної системи (ІКС) керування має бути зазначена вище інформаційно-аналітична система, як технічний засіб отримання, передачі та зберігання інформації з трирівневою структурою управління:

1. Диспетчерське – телемеханізований збір та аналіз поточних даних про режим роботи елементів системи, обмін інформацією між диспетчерськими службами.

2. Технологічне і експлуатаційне – оцінка стану та діагностика елементів системи, планування розвитку теплосистеми та організація ремонтів, випробувань теплопроводів, автоматизація завдань адміністративного управління.

3. Корпоративне економічне – формування бюджету теплоенергетичного сектору енергокомпанії, оперативний облік і контроль обсягу виробництва та продажу теплової енергії, автоматичне формування та виписка рахунків споживачам, моніторинг збору банківських коштів за спожиту теплоенергію, формування балансів теплопостачання та розрахунок техніко-економічних показників системи теплопостачання та її елементів, облік паливних ресурсів, формування комерційних звітів та довідок.

Рекомендована ІКС теплопостачання виконує управління та моніторинг стану двох класів об’єктів керування: об’єкти теплопостачання (всі елементи системи теплопостачання) та об’єкти теплоспоживання (всі споживачі теплової енергії). Архітектура ІКС має три рівня керуваннярис. 4).

Зниження екологічного навантаження від системи теплопостачання на природне середовище м. Києва. Складовою частиною заходів по реновації та модернізації теплоджерел є екологічні заходи. Для районних котелень ОСНОВНИМИ природохоронними заходами мають бути впровадження очистки димових газів, встановлення екологічно безпечних пальників, рециркуляції димових газів та контактних теплообмінників (зменшення викидів окисів азоту нижче ГДК, в деяких випадках складає понад 70%).

Для ТЕЦ-5 пропонується впровадження малозатратних технологій - багатоступеневе спалювання природного газу та рециркуляція димових газів, що дає зниження викидів на 1268 т/рік. Для ТЕЦ-6 пропонується використання в схемі котла блока № вихрових пальників з улаштуванням сопел вторинного дуття (зниження викидів на 400-450 т/рік).

Заміна систем хімічної водочистки та підготовки живильної води на безстокову дозволить скоротити скид шкідливих речовин до рівня фонових концентрацій.

Визначення оптимального коефіцієнту централізації теплопостачання для м. Києва. Надано визначення коефіцієнтів централізації теплопостачання:

,

де: Qцт – річний відпуск теплоти централізованими теплоджерелами; QУ – сумарний річний відпуск теплоти всіма теплоджерелами,

та коефіцієнту централізації наявної теплової потужності:

,

де: Pцт – наявна потужність централізованих теплоджерел по відпуску теплоти; PУ _ сумарна наявна потужність всіх теплоджерел по відпуску теплоти.

Визначено, що найбільш доцільним для системи теплопостачання є рівняння коефіцієнтів один одному, тобто Кцт=КРцт. Відповідно до зміни щільності населення с, яку можна описати формулою:

де: с0 та b – параметри, а r – відстань від центра, розглянуто критеріальну модель оптимального співвідношення локальних та централізованих теплоджерел для мегаполісу в залежності від щільності теплового навантаження Гкал/год на 1 км теплової мережі.

Порівняння результатів обрахунку моделі з фактичною величиною щільності теплового навантаження показує, що для м. Києва цей параметр з великим запасом відповідає доцільності розвитку централізованого виробництва теплоти (5,9 Гкал/год проти 4 Гкал/год за розрахунком) - рис.5.

Показано, що Київська система теплопостачання близька до оптимального коефіцієнту централізації теплопостачання (84%) і має дещо занижений коефіцієнт централізації наявної теплової потужності – 72% проти 84%. Це означає, що теплова потужність локальних теплоджерел використовується не досить інтенсивно, а запас потужності є надмірним і сягає до 60%. Для приведення у відповідність згаданих коефіцієнтів запропоновано виведення з експлуатації 85 локальних котелень, які розташовані поблизу централізованих тепломереж.

Реконструкція та вибір оптимального режиму роботи теплових пунктів. Аналіз стану теплопунктів виявив їх моральне та фізичне старіння (64%). Технічний аналіз роботи теплопунктів показав доцільність поетапної заміни кожухотрубних теплообмінників пластинчастими, по можливості встановлення індивідуальних теплопунктів, змішувальних насосів на системах опалення та автоматичних регуляторів перепаду тиску і температури. Для незалежних систем опалення запропоновано прогресивну схему підживлення з замкненою розширювальною посудиною, що дозволяє відмовитись від відкритих розширювальних баків (рис. 6).

Модулювання температурного графіка тепломереж в опалювальний період. Використовуючи добові коливання температури зворотної мережної води (за рахунок нерівномірності споживання ГВП) та акумулюючу здатність споруд, приєднаних до системи споживачів, можливе зменшення теплового навантаження відборів теплофікаційних турбін або отримання максимальної пікової потужності в умовах обмеження газопостачання.

Для цього рекомендовано застосовування модулювання форми та амплітуди вранішнього температурного максимуму зворотної мережної води упередженою зміною температури прямої тепломагістралі (рис. 7).

В результаті аналізу виявлено, що за рахунок акумульованої теплової енергії в мережі на рівні 260-270 Гкал досягається можливість проходження вранішнього максимуму енергоспоживання без включення в роботу ПВК або отримання додаткових 10 МВт електричної потужності при зниженні теплового навантаження відборів турбін на 50 Гкал/год.

Енергозбереження при організації теплопостачання споживачів шляхом застосування кількісного регулювання. В результаті проведеного аналізу роботи опалювальних систем показано, що для двотрубної системи опалення найбільш доцільно застосувати схему з циркуляційними насосами, регулятором перепаду тиску прямої дії, регулюючим електричним клапаном та електронним регулятором температури. Для однотрубної системи опалення рекомендується виконувати приєднання вузла приготування теплоносія по схемі із ступінчастою регенерацією теплоти, а для елеваторних абонентських вводів – по схемі з позиційним регулюючим клапаном. Приклади схем наведені (рис. а, б).

Перспективи розвитку альтернативних та традиційних теплоджерел м. Києва. Проведено аналіз перспектив розвитку теплоджерел різних типів. Показано, що не зважаючи на розвиток нетрадиційних та відновлювальних джерел на період до 2050 р. основним напрямком розвитку теплопостачання буде подальше використання традиційних джерел енергії.

Термодинамічне обґрунтування та вишукування оптимальних схем впровадження парогазових технологій при комбінованому виробництві теплоти та електроенергії. Проведений термодинамічний аналіз показав, що для ТЕЦ доцільно використання газових турбін в якості надбудови над паротурбінною установкою в верхній частині термодинамічного циклу. Подальший порівняльний аналіз можливих технологічних схем ТЕЦ з використанням газотурбінних та парогазових технологій показує, що вибір конкретної схеми залежить від місцевих умов та особливості ТЕЦ, що підлягає модернізації.

При виборі схеми слід керуватися максимальним коефіцієнтом корисної дії ПГУ:

де: ДQкз - теплота палива, спаленого в камері згорян-ня, ДQк - теплота палива, спаленого перед котлом-утиліза-тором, зку - ККД котла-утилізатора.

В якості пілотного проекту розглянуто 5 варіантів газотурбінної надбудови енергоблока ст. № ТЕЦ-5 при поетапному освоєнні газотурбінної технології:

1. Підготовчий етап - надбудова водогрійного котла ПТВМ-180 газовою турбіною ГТУ-25.

2. Первинна реконструкція енергоблоку 100 МВт - монтаж окремо встановленої ПГУ-25, що забезпечує підігрів конденсату турбіни Т-100-130 за рахунок теплоти відпрацьованих газів.

3. Нарощення потужності енергоблоку 100 МВт - заміна котла ТГМ-96А парогазовими модулями і всього енергоблоку № 1 парогазовою установкою потужністю 400 МВт.

4. Послідовна заміна устаткування енергоблоків ТЕЦ-5 і ТЕЦ-6 парогазовими установками.

Окремо була розглянута можливість застосування теплових насосів як елементів системи теплопостачання і показана доцільність їх інтеграції в теплову схему ТЕЦ.

Результати практичного застосування рекомендацій по вдосконаленню системи теплопостачання м. Києва. На основі попередніх проробок та висновків незалежних консультантів Київенерго разом з Київською міською державною адміністрацією розроблено "Проект реабілітації та розширення системи теплопостачання Києва", підтриманий Верховною Радою України.

Проект складається з таких основних компонентів:

- добудова районної котельні "Позняки";

- реновація станцій теплопостачання СТ-1 (три етапи) та СТ-2 (три етапи);

- реновація і розширення ТЕЦ-5 та ТЕЦ-6;

- будівництво силової підстанції 110/10 кВ "Центр" з кабельними лініями;

- заміна 78 км трубопроводів ПІТ трубами і 1400 одиниць арматури та компенсаторів теплових мереж діаметром 100-800 мм.

Реалізація проекту загальною вартістю 250 млн. дол. США, розпочата у 1999 році. Крім того проведено повну модернізацію 33 теплових пунктів системи централізованого теплопостачання на суму 1,37 млн. дол. США. Ефект від модернізації - споживання енергії на опалення скорочено у середньому на 30знижені витрати електроенергії по мережних насосах системи центрального опалення - на 25по підвищувальних насосах холодної води для системи гарячого водопостачання  на 73по циркуляційних насосах системи гарячого водопостачання – на 46 %.

В перспективі заплановано реконструкцію ще 45 теплових пунктів, децентралізацію 27 центральних теплових пунктів з улаштуванням замість них 148 індивідуальних теплопунктів житлових будинків.

В четвертому розділі проведено аналіз методик розподілу витрат палива на теплову і електричну енергію при їх комбінованому виробництві та тарифне регулювання відпуску теплової енергії. Показано, що на поточний час існує досить велика кількість методик розподілу витрат палива, кожна з яких має свої переваги та недоліки.

Ще у 50-ті роки 20-го сторіччя була визначена неможливість термодинамічно обґрунтованого методу розподілу палива між тепловою та електричною енергією в єдиному циклі виробництва, який, крім того, вирішував би економічні питання створення конкурентних переваг відпуску обох видів енергії від ТЕЦ. Це положення підтверджує порівняльний аналіз підходів до розподілу палива на теплову та електричну енергію, прийнятий в Україні, в Росії та запропонований фахівцями Світового Банку.

Зроблено висновок, що всі методи розподілу сукупних витрат комбінованого виробництва базуються на ринковому визначенні ціни продажу продукції, яка формується шляхом співвідношення попиту та пропозиції і зумовлює кінцевий розподіл витрат комбінованого виробництва.

В п’ятому розділі наведена оцінка фінансових джерел та обсягів інвестування проекту “Реабілітація та розширення системи централізованого теплопостачання м. Києва”, що запроваджується на практиці. Показано, що нульова рентабельність виробництва та заборона перехресного субсидіювання теплової енергії і великі обсяги реконструкції теплових джерел та теплопроводів системи централізованого