Планирование и оценка преимуществ увеличения нагрузки системы централизованного теплоснабжения

Действующие Федеральные законы об энергосбережении и теплоснабжении, а также Приказы и распоряжения министерств предписывают использование комбинированной выработки теплоты и электроэнергии (когенерацию). Обязательное условие эффективности такой схемы производства – достаточность тепловых нагрузок на ТЭЦ.

Материалы и методы1.    Методология исследования

Тепловая нагрузка системы централизованного теплоснабжения, потребляемая на нужды отопления и ГВС, – это зачастую основной фактор, определяющий спрос на энергоносители в любом населенном пункте средней полосы и севера России. В новых экономических условиях после 1990 г. в развитии систем теплоснабжения все чаще стала проявляться тенденция децентрализации теплоснабжения, выражающаяся в развитии малой энергетики, ориентированной на автономное энергоснабжение районов и отвечающей только их потребностям [1]. Децентрализация усугубляется по ряду причин; в их числе - сложность планирования строительства и обеспечения безаварийной работы тепловых сетей [2, 3].

Повышение эффективности систем теплоснабжения и вопросы регулирования тепловой нагрузки освещаются в [4, 5], однако методики оценки преимуществ увеличения нагрузки системы централизованного теплоснабжения авторами не предлагается.

Современным трендом в области планирования каких бы то ни было территориально распределенных систем является привлечение в качестве основного инструмента геоинфор-мационных средств (ГИС) [6-9]. Такие средства применяются для оценки теплопотребления и оптимизации тепловых сетей [6]; оценки потенциала развития теплоснабжения в целых странах [7, 8] или планирования развития городской инфраструктуры [9], но не для планирования и оценки преимуществ увеличения нагрузки системы централизованного теплоснабжения, что было сделано нами ниже (рис. 1).

Рисунок 1 – Алгоритм оценки перспективного развития системы теплоснабжения

• 2.    Выявление потенциальной отопительной нагрузки

Принимаем, что количество жителей и площадь, занимаемая ими, связаны пропорционально, тогда площадь индивидуального жилья в округе:

F общ о кр                 о б щ , где Fобщ— общая площадь индивидуального жилья, м2; Nобщ — общее количество человек, проживающих в индивидуальных домах, тыс. чел.; No — — количество человек, проживающих в индивидуальных домах в округе, тыс. чел.

Информацию о площади застройки индивидуальным жильем и ориентировочном количестве человек, в нем проживающих, как правило, не составляет труда найти в открытом доступе. Потенциально полезная для создания дополнительной тепловой нагрузки в ближайшем будущем площадь может быть определена из соотношения:

F nom = F общ • m ,                                    (2)

где m — доля площади округа, покрываемая существующими магистральными тепловыми сетями от рассматриваемого источника.

Коэффициент m предлагается определять с помощью любой доступной ГИС при условии наличия информации о пролегании трубопроводов тепловых сетей, которая может быть найдена в Схеме теплоснабжения муниципального образования. Речь идет о документе, который должен быть утвержден на 15-летний период; он проходит ежегодную актуализацию и может вновь перерабатываться, если в регионе произошли существенные изменения в обеспечении топливом, структуре теплопотребления и теплогенерирующих мощностей [10].

Для определения тепловых нагрузок планируемых площадок застроек могут быть использованы нормируемые базовые уровни удельного расхода тепловой энергии на отопление, однако более предпочтительно использование фактических, взятых для конкретного населенного пункта и типа застройки, показателей.

Таким образом, полезная нагрузка (годовое потребление тепла) может быть рассчитана из выражения, Гкал/ч:

Q = F nom • q ,                                            (3)

где q — среднее удельное фактическое теплопотребление частного дома, Гкал/ (ч м²).

• 3.    Оценка преимуществ увеличения нагрузки системы централизованного теплоснабжения

• 4.    Оценка уровня требуемых инвестиций

Эффективность присоединения новых абонентов при отпуске тепла городским потребителям по установленным тарифам (с учетом стоимости технологического подключения к тепловым сетям) может быть рассчитана в денежном выражении по разности затрат двух вариантов: исходного, в котором осуществляется покупка энергии от теплоснабжающей компании, и альтернативного, в котором закупается топливо для сжигания его в домовых котлах (печах). Экономия затрат на приобретение энергоносителей в рассматриваемых вариантах примет вид, руб./год:

Д З = Q l^ — С тэ. I ,                              (4)

V k         )

где Q – полезное годовое потребление тепла, Гкал/год; С _топ – стоимость топлива, руб./Гкал; k – отношение удельных расходов условного топлива (УРУТ) на выработку тепловой энергии в индивидуальном теплогенераторе и паровом котле ТЭЦ; С _т.э. – тариф на тепловую энергию, руб./Гкал.

Для выдачи тепловой энергии от ТЭЦ новым потребителям необходимо строительство распределительных сетей и тепловых вводов диаметром 32-250 мм и монтаж тепловых пунктов.

Капиталовложения в тепловые сети могут быть рассчитаны по выражению, руб.:

m

К „с =А инф ^В^ £ k j l , ,                               (5)

J = 1

где А инф – коэффициент, учитывающий изменение стоимости сетей в текущем году по сравнению с базовым (для 2017 г. - А инф =5,6); В - коэффициент, учитывающий прочие затраты в сооружение сетей (принимается в пределах 1,35-1,65); k j – стоимость одного километра j-го участка трубопровода, руб/км; l j – длина j-го участка, км; m – число участков. Для определения стоимости может быть принята подземная бесканальная прокладка сети с пенополиуретановой изоляцией, так как конструкция теплопроводов тепловых сетей с такой изоляцией выгодно отличается от других тем, что она имеет систему оперативного дистанционного контроля (ОДК), нет необходимости защиты от блуждающих токов [11].

• 5.    Оценка рисков

Значение раздела состоит в оценке опасности того, что поставленные цели могут быть полностью или частично не достигнуты. Оценка производится по стадиям выполнения проекта:

• -    подготовительной;

• -    строительства;

• -    функционирования.

После оценки степени риска разрабатывается перечень мер, позволяющий его уменьшить. Эффективность разрабатываемых мер во многом зависит от правильной классификации рисков, т.е. разделения рисков на конкретные группы по определенным признакам. По характеру воздействия риски делятся на простые и составные. Составные риски являются композицией простых, каждый из которых рассматривается как простой. Простые риски определяются полным перечнем непересекающихся событий, т.е. каждое из них рассматривается как не зависящее от других.

Результаты

В случае г. Омска площадь застройки индивидуальным жильем в Центральном округе можно определить по формуле (1) следующим образом [12]:

2026,4

F OKP =   50—¹³⁰ = ^5268,6 , м2.

После анализа данных по уже присоединенным к сетям централизованного теплоснабжения домам сектора индивидуального жилищного строительства, требуется сделать вывод об их удельном потреблении тепла на 1 м2 отапливаемого пространства. Мы, взяв в рассмотрение 18 построек и проведя простейшую статистическую обработку, получили, что математическое ожидание составило 0,12 ккал/ (ч м2) при среднеквадратическом отклонении 0,05 ккал/(ч м2). Для вычисления границы случайной погрешности при числе степеней свободы k = 18 – 1 = 17 определили критерий Стьюдента для доверительной вероятности p = 0,95. Результат примет вид: q = 0,12 ± 0,03 ккал/ (ч м2).

Проиллюстрировать долю существующих и перспективных потребителей удобно при помощи изображения зоны действия энергоисточников г. Омска (рис. 2).

Черным цветом обведены места сосредоточения индивидуального жилищного строительства в зоне действия Омской ТЭЦ-5 (красным). Обращает на себя внимание, что разработчики ошибочно включили в зону действия источника район, не снабжаемый от него теплом в настоящий момент; такой участок обведен белым.

Как установлено в ходе анализа, самым весомым фактором, влияющим на эффективность, является величина тарифа отпускаемой тепловой энергии, тогда и изменение стоимости энергии в наибольшей степени влияет на экономический эффект. Это обстоятельство обусловливает необходимость особенно тщательного планирования отпуска тепла, качественный анализ рынка сбыта и тарифов в данном регионе. В то же время реализация присоединения новых абонентов в г. Омске не потребует увеличения потребления угля ТЭЦ по причине значительного запаса величины установленной и располагаемых мощностей отборов турбины. Дополнительный сбыт энергии без увеличения потребления топлива даст возможность предприятию снизить топливную составляющую в эксплуатационных затратах при определении себестоимости отпущенной тепловой энергии и обеспечить рентабельность работы предприятия при нормированном темпе роста тарифов (15% в год). Эффект от присоединения дополнительных потребителей приведет к экономии 16…18 тыс. тут/год по сравнению с теплоснабжением по существующей схеме. Необходимо отметить, что полученные результаты достигаются при условии обязательного сбыта тепловой энергии новым потребителям и сохранении существу- ющих.

Рисунок 2 – Потенциально полезная для создания дополнительной тепловой нагрузки в ближайшем будущем площадь (обведено черным)

Начато составление списка типовых рисков при планировании и реализации проекта увеличения нагрузки системы централизованного теплоснабжения, включающего в себя финансово-экономические риски; риски управления; социальные, технические и экологические риски. Исследование показало, что в сфере теплоснабжения в целом или в рамках конкретного населенного пункта возникают специфичные риски, не характерные для других инвестиционных проектов. Во-первых, для функционирования системы централизованного теплоснабжения г. Омска становится нормой фактическое отключение от тепловых сетей без снятия тепловой нагрузки из-за ненадлежащего содержания теплового ввода, находящегося на балансе абонента. Другим фактором, приводящим к такой же ситуации, является частая смена собственника помещения. Во-вторых, с помощью Генерального плана или аналогичных документов должно быть показано, что не планируется снос жилого фонда, за счет которого можно обеспечить рост тепловой нагрузки. В случае г. Омска [12] не только утверждается, что такой меры не планируется, но и декларируется потребность ввода в период до 2025 г. 10,4 млн. м2 жилья, в том числе примерно 1 млн. м2 за счет индивидуального жилищного строительства для выхода на номинальную обеспеченность населения жильем.

Заключение

Разработан алгоритм планирования развития системы теплоснабжения населенного пункта при наращивании теплового потребления, включающий в себя четыре основных подраздела; показаны результаты его применения. Методика оценки преимуществ увеличения нагрузки системы централизованного теплоснабжения, основанная на определении разности затрат двух вариантов: исходного, в котором осуществляется покупка энергии от теплоснабжающей компании, и альтернативного, в котором закупается топливо для сжигания его в домовых печах, позволяет определить положительный эффект от присоединения дополнительных потребителей. Самым весомым фактором, влияющим на эффективность, является величина тарифа отпускаемой тепловой энергии. Дополнительный сбыт энергии без увеличения потребления топлива даст возможность предприятию снизить топливную составляющую в эксплуатационных затратах при определении себестоимости отпущенной тепловой энергии и обеспечить рентабельность работы предприятия при нормированном темпе роста тарифов (15% в год).