Введение
После публикации в 2009 году Федерального закона №261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности…» [1] в России коренным образом изменилось отношение к энергосбережению. Появилась обоюдная заинтересованность в повышении энергетической эффективности, как со стороны потребителя, так и со стороны производителя [2, 3].
На сегодняшний день техническое состояние систем теплоснабжения характеризуется следующими особенностями: физическим износом основного и вспомогательного оборудования котельных; низким КПД, в том числе котлов; неудовлетворительным водным режимом, что приводит к выходу из строя котлов и тепловых сетей, снижению КПД производства и транспорта тепла; неудовлетворительным состоянием тепловой изоляции тепловых сетей; наружной коррозией, что приводит к значительным потерям; неэффективным использованием теплоты у потребителей, что вызывает необходимость выработки и поставки завышенных объёмов теплоты, и др. [4, 5].
В результате современного низкого технического уровня систем теплоснабжения и систем учёта именно конечный потребитель оплачивает потери теплоты в котельных установках и на теплотрассах. Энергосберегающие мероприятия при производстве и транспортировке тепловой энергии подразделяются на высокозатратные, среднезатратные и малозатратные. К высокозатратным мероприятиям относятся:
- замена котлов на современные автоматизированные котлы;
- замена паровых котлов на водогрейные, где это возможно по условиям;
- замена запорной арматуры на теплотрассах.
К среднезатратным энергосберегающим мероприятиям относятся:
- оптимизация водоподготовки в котельных;
- замена горелочных устройств в котельных установках;
- оптимизация тяги за счёт дымососов, увеличения высоты дымовой трубы в котельных и т. д.;
- замена изношенных участков тепловых сетей;
- установка регулирующих приводов в системах теплои водоснабжения;
- очистка теплопроводов;
- использование современной изоляции теплопроводов.
К малозатратным энергосберегающим мероприятиям относятся:
- снижение расхода тепловой энергии на собственные нужды в котлах;
- оптимизация и автоматизация процессов горения в котлах;
- снижение температуры уходящих из котлов газов;
- снижение потерь теплоты в окружающую среду котельными установками;
- диагностика состояния тепловых сетей;
- проведение режимно-наладочных работ тепловых сетей;
- устранение утечек теплоносителя в тепловых сетях и арматуре.
В настоящее время критерием экономической эффективности различных энергосберегающих мероприятий является в первую очередь срок их окупаемости. Рыночные отношения выдвигают на первый план внедрение мероприятий, срок окупаемости которых не превышает шести месяцев, что абсурдно, так как радикальное улучшение работы систем теплоснабжения требует в том числе замены устаревшего оборудования (котельных установок, участков теплотрассы), автоматизации и учётов потоков энергоносителей [6, 7]. Реально эта величина должна составлять четыре-восемь лет [8, 9].
Параметры современных систем теплоснабжения
Современные системы теплоснабжения характеризуются общностью технологического процесса — от получения пара или горячей воды в котельной за счёт органического топлива до подачи потребителю теплоты. Оценивать работу этой системы можно в тепловых или стоимостных показателях, считая главными факторами, определяющими величину доставленной потребителю теплоты: расход топлива в котельной установке, затраты на транспортировку теплоты, ремонт оборудования, амортизация и пр. При этом в затратах на производство теплоты существенную, если не основную роль играют потери теплоты при её производстве и транспортировке [6–9]. Потенциал возможного снижения издержек в производстве теплоты, в том числе за счёт энергосбережения, огромен. Его реализация позволила бы удовлетворить растущую потребность в тепле без роста потребления первичного топлива при одновременном повышении надёжности систем теплоснабжения за счёт их реконструкции [9, 10].
Анализ ситуации показывает, что:
- практика приведения экономии условного топлива, при реализации энергосберегающего мероприятия, к величине прибыли не даёт ответа на вопрос, на чём скажется эффект мероприятия — на чистой экономии топлива или на увеличении объёма отпускаемой энергии;
- при единовременном внедрении нескольких мероприятий трудно оценить их влияние друг на друга;
- в качестве критерия отбора мероприятий для очерёдности их внедрения принимается срок их окупаемости, который определяется ценовыми показателями.
Таким образом, задачи выработки критериев определения эффективности мероприятий требуют дифференцированного учёта как технического, так и экономического аспектов.
Высокая стоимость внедрения энергосберегающих мероприятий во многом определяется тем фактором, что в неё зачастую включаются затраты, напрямую не связанные с энергосбережением, но которые необходимы для обеспечения функционирования предприятий и обеспечения жизнедеятельности персонала.
В качестве примера рассмотрим систему «источник — тепловая сеть — потребитель теплоты» (далее — система А).
Рис. 1. Параметры системы «источник — тепловая сеть — потребитель теплоты»
На рис. 1 приведена схема расчёта параметров системы А. Здесь: Qвх — внесённое количество энергии на котельную установку источника в виде натурального топлива, Дж/ч; Qвыр — выработанное количество энергии на котельной установке источника, Дж/ч; Qдост — количество энергии, доставленное потребителю теплоты, Дж/ч; Qполпотр — полезно использованная теплота у потребителя, Дж/ч; Qухист — потери теплоты с уходящими газами на котле источника, Дж/ч; Qпотист — потери теплоты на котле источника, в том числе в окружающую среду, Дж/ч; QпотТС — потери теплоты в тепловой сети, включая утечки теплоносителя, Дж/ч; Qпотпотр — потери теплоты потребителем, включая фильтрацию, Дж/ч.
Общий тепловой баланс системы:
Qвх = BQнр = Qполпотр + Qухист + Qпотист + QпотТС + Qпотпотр, (1)
где B — расход топлива на котельную установку источника теплоты, (кг у.т.)/ч; Qнр — теплота сгорания условного топлива, Дж/кг.
Удельный расход теплоты в «идеальной» системе (при отсутствии потерь) равен:
Удельный расход теплоты в реальной системе 1 будет равен:
Общий КПД системы «источник — тепловая сеть — потребитель» может быть определён следующим образом:
Qвыр = BQнрηист; Qдост = QвырηТС;
Qполпотр = Qдостηпотр;
Qполпотр = BQнрη, откуда:
Qвыр = BQнрηист = QдостηТС = QвырηТСηпотр = BQнрηистηТСηпотр, или η = ηистηТСηпотр.
Так, если, например:
- КПД котла на источнике ηист = 0,85;
- КПД тепловой сети ηТС = 0,82;
- КПД потребителя ηпотр = 0,70,
то общий КПД системы будет равен
η = 0,85×0,82×0,70 = 0,488 (48,8%).
Сопоставление расходов энергии
Следует особо подчеркнуть, что по мере передачи и преобразования энергии [от вошедшей (в виде топлива) до доставленной потребителю (в виде тепловой энергии)] её ценность возрастает, так как на единицу полезной энергии по мере её передачи требуется всё больше суммарной энергии, связанной с её передачей и потерями в процессе передачи, как в виде потерь энергоносителя (утечки), так и в виде потерь теплоты в процессе передачи. То есть в рассматриваемой нами системе «источник — тепловая сеть — потребитель теплоты» имеет место
qист < qист-ТС < qист-ТС-потр, а именно:
или
Последнее неравенство наглядно иллюстрирует это универсальное положение. В преобразованном виде данное неравенство выглядит следующим образом:
Каждый последующий знаменатель дроби меньше на величину соответствующих потерь, а соответствующая дробь больше предыдущей.
В рассмотренном примере выше:
- ηист = 0,85, тогда qист = η0/ηист = 1/0,85 = 1,176 Дж/Дж;
- ηТС = 0,85, тогда qТС = η0/ηТС = 1/0,82 = 1,220 Дж/Дж;
- ηпотр = 0,70, тогда qпотр = η0/ηпотр = 1/0,70 = 0,429 Дж/Дж;
- ηист = 0,85, тогда qист-ТС = η0/ηист-ТС = 1/0,697 = 1,435 Дж/Дж;
- ηист-ТС-потр = 0,85×0,82×0,8 = 0,488, тогда qист-ТС-потр = η0/ηист-ТС-потр = 1/0,488 = 2,050 Дж/Дж.
Очевидно, что qист < qист-ТС < qист-ТС-потр = 1,176 < 1,435 < 2,050.
Выбор последовательности реализации мер по энергосбережению
Очевидно, что полезная энергия (теплота) у потребителя дороже, чем у поставщика (теплотрасса), которая, в свою очередь, дороже энергии (теплоты) у производителя. Так, в нашем примере теплота, потреблённая потребителем при прочих равных условиях, в 1,743 раза дороже выработанной на источнике и в 1,429 раза дороже доставленной теплоты:
На рис. 2 в качестве иллюстрации приведён пример анализа рассмотренной системы А.
Рис. 2. Анализ системы «источник — тепловая сеть — потребитель теплоты»
Как показано на рис. 2, разница между q и q0 представляет собой фактические потери (диссипацию) энергии в системе «источник — тепловая сеть — потребитель теплоты»:
∆q = q — q0 = 2,05–1,0 = 1,05 Дж/Дж,
ведущие к росту стоимости передаваемой энергии.
Разница между трендами η и η0 также представляет собой фактические потери при трансформации (транспортировке) энергии в системе 1. Точка А на рис. 2 соответствует поступившей в систему энергии в виде топлива, условно соответствующей «1″, точка В соответствует энергии, полезно используемой потребителями, а их соотношение является КПД системы:
η = Qполпотр/(BQнр) = 0,488/1,0 = 0,488.
Очевидно, что для получения единицы полезной энергии необходимо ввести в систему количество энергии, равное:
q = (BQнр)/Qполпотр = 1,0/0,488 = 2,05 Дж/Дж.
Потери энергии составят, как указано выше, величину ∆q = 1,05 Дж/Дж.
Более крутая характеристика на рис. 2 у потребителя иллюстрирует, что энергосбережение следует осуществлять в первую очередь у потребителя, где эффект на вложенный рубль будет максимальным, далее на тепловой сети и в последнюю очередь — на источнике (котельных или ТЭЦ).
Такое универсальное положение распространяется на все системы транспорта и преобразования энергии, например, систему «добыча газа — транспортировка — распределение — потребление».