Введение
В настоящее время в России децентрализация источников теплоснабжения является основным приоритетным вариантом развития сферы теплоснабжения. Наличие конкурентного рынка с большим ассортиментом предлагаемых товаров и оборудования для подготовки воды, а также высокая стоимость энергоресурсов способствуют рассмотрению различных вариантов обеспечения тепловой энергией потребителей.
С одной стороны, широкое распространение получают инновационные варианты совместного производства теплоты: тепловые насосы, когенерация, тригенерация, с другой — «классическим» и наиболее часто встречающимся вариантом остаётся выработка тепловой энергии посредством сжигания природного трубопроводного газа в котельных разной мощности. Исполнение котельных выбирают исходя из факторов компактности, стоимости земельных участков под их расположение, возможности установки на различных категориях земель и степени удалённости от объектов, имеющих собственные охранные зоны.
Застройщики, девелоперы, крупные промышленные предприятия, а также коммунальные предприятия всё чаще выбирают индивидуальные источники теплоснабжения для удовлетворения своих нужд в тепловой энергии на отопление, на горячее водоснабжение (ГВС) и вентиляцию. Следуя пути строительства индивидуальной теплогенерации, потребители рассчитывают на максимальную автоматизацию процессов выработки и отпуска тепла.
Теплогенерация уже не рассматривается как некий обособленный сложный процесс организации производства с большим штатом сотрудников — в первую очередь она нацелена на бесперебойную круглосуточную подачу тепловой энергии с минимальным участием «человеческого фактора» в этом процессе.
С одной стороны, в соответствии с СП 89.13330.2016 «Котельные установки»: «10.6.10. В блочно-модульных котельных, эксплуатируемых без постоянного присутствия обслуживающего персонала, должно быть предусмотрено устройство дистанционной передачи положения и управления запорной и регулирующей арматуры. Объём подключаемой арматуры определяется техническим заданием…», а с другой — процесс подготовки, оценки и наличия подпиточной воды необходимого качества никак не регламентирован с точки зрения возникновения аварийных сигналов.
Перед тем, как начать промышленную эксплуатацию источника тепла, потребитель проходит путь от сбора исходных данных и проектирования (создания документации) до строительства и ввода объекта в эксплуатацию, а также его дальнейшего обслуживания. Стадия создания документации определяет, как и какими средствами автоматизации будет оснащён индивидуальный источник тепла и насколько он будет отвечать современным требованиям в области автоматизации процесса и исключения участия человека в эксплуатации и обслуживании объекта теплогенерации.
Поскольку в подавляющем большинстве котельных мощностью до 100 МВт в качестве теплоносителя используется вода, то её качественный анализ и подготовка для использования в системе теплоснабжения, а также вопросы контроля и оценки (в реальном времени) состояния воды как источника горячего водоснабжения являются наиважнейшими.
В настоящее время, в части применения автоматизированных систем подготовки и очистки воды (для её применения в качестве теплоносителя и тем более источника ГВС) прослеживается подход, который либо не отвечает современному уровню автоматизации котельной, либо является «слепым» повторением приёмов, уже разработанных и внедрённых на действующих котельных.
Рассматривая методы и приёмы подготовки воды [1] для её использования в качестве теплоносителя в системе отопления, выделим следующие:
1. Механические методы, в которых применяются «утилитарные» системы с сетками, отстойниками, осадителями (в том числе циклонными), которые зачастую являются примитивными механическими устройствами. В основном применяются простейшие системы с сетками, выполненными в виде косых фланцевых фильтров, осмотические мембраны. Также чаще всего встречаются установки ионного обмена в качестве химического метода подготовки воды.
2. Для подготовки воды по требованиям нормативных документов (например, [2]) применяемые приёмы и методы подразумевают подготовку подпиточной воды на ионном уровне [3].
Следует отметить, что данные методы являются достаточно эффективными, однако они часто используются с применением ненадлежащей и малоэффективной общей схемы установки, а также без учёта протяжённости трасс, способа подключения потребителей и типов котельного оборудования.
К неоспоримым недостаткам подобных систем подготовки подпиточной воды для нужд теплоснабжения, безусловно, относятся: высокие требования к квалификации сотрудников, осуществляющих эксплуатацию этих систем; большие эксплуатационные расходы; значительные объёмы канализационного сброса воды, непригодной для повторного использования без дополнительной обработки.
При применении модульных или быстровозводимых котельных малой и средней мощности (до 60 МВт) возникает потребность использования воды для подпитки. В соответствии с СП 124.13330.2012 «Тепловые сети» и СП 89.13330.2016 «Котельные установки», подпиточная вода должна проходить необходимую механическую очистку и химическую подготовку для соответствия требуемым параметрам, указанным в нормативных документах.
В настоящее время большинство проектируемых и строящихся котельных и энергоцентров используют ограниченное количество методов и систем обработки теплоносителя. В данной статье рассмотрены критерии выбора различных систем подготовки подпиточной воды в зависимости от схемы подключения котлового оборудования и наличия возможности использования систем подготовки воды со значительным количеством стоков, содержащих вредные химические примеси.
Выбор метода обработки воды
Выбор метода обработки воды весьма важен как для малых котельных [4], так и для котельных мощностью до 100 МВт. Рассмотрим методы подготовки воды на реальных реализованных объектах в зависимости от схемы подключения теплоэнергетического оборудования внутри индивидуального источника теплоснабжения.
Данные схемы в составе проектов по Постановлению Правительства РФ от 16 февраля 2008 года №87 «О составе разделов проектной документации и требованиях к их содержанию» прошли оценку государственной экспертизы в соответствии с Федеральным законом от 29 декабря 2004 года №190-ФЗ «Градостроительный кодекс РФ» (ст. 49) и получили фактическую реализацию в виде построенных блочно-модульных котельных.
В ходе проведения экспертных процедур прослеживается предрасположенность экспертных учреждений к определённым видам подготовки подпиточной воды без оценки всей картины теплоснабжения в целом, возможностей эксплуатирующих организаций и степени автоматизации систем.
Для выбора оптимальной системы подготовки воды рассмотрим несколько вариантов подключения систем теплоснабжения внутри блочно-модульной котельной: зависимая с открытым водоразбором, зависимая закрытая, зависимая с отдельным контуром горячего водоснабжения, независимая с открытым водоразбором, независимая закрытая, независимая с отдельным контуром ГВС.
Рис. 1. Зависимая схема присоединения с открытым водоразбором (1 — котёл; 2 — регулятор; 3 — циркуляционный насос; 4 — подготовка воды; 5 — подпиточный насос; 6 — потребители отопления; 7 — потребители горячей воды из системы ГВС)
1. Зависимая схема с открытым водоразбором (рис. 1)
В связи с использованием воды для нужд горячего теплоснабжения непосредственно из теплосети, качество воды в данной схеме подлежит двойной оценке: как воды для нужд центрального водоснабжения по СанПиН 2.1.4.1074–01 «Питьевая вода», так и воды, соответствующей требованиям СП 124.13330.2012 «Тепловые сети» и СП 89.13330.2016 «Котельные установки».
В этой схеме подключения потребителей предъявляются самые строгие требования к качеству воды в сетях теплоснабжения, вместе с наибольшим расходом воды на подпитку системы для удовлетворения потребностей в ГВС. Системы химической водоочистки (ХВО) должны обеспечивать большие расходы воды на нужды ГВС, а также соответствовать требованиям к питательной воде энергетического оборудования.
Применяемые системы ХВО: дозирование ингибиторов солеотложения (PBTC кислоты [5], ОЭДФК), установки Na-катионирования и обратного осмоса практически не применяются в связи с несопоставимо большими эксплуатационными затратами на их содержание и утилизацию вредных стоков. Именно исходя из этих факторов данная схема была на протяжении десяти лет запрещена к проектированию и реализации.
Возможность применения этой схемы сейчас обусловлена исключительно экономическими факторами и невозможностью повсеместного финансирования строительства новых источников теплоснабжения и модернизации тепловых сетей и тепловых узлов подключения домов и устройством системы ГВС внутри зданий.
Рис. 2. Закрытая зависимая схема (1 — котёл; 2 — регулятор; 3 — циркуляционный насос; 4 — подготовка воды; 5 — подпиточный насос; 6 — потребители отопления)
2. Зависимая закрытая схема (рис. 2)
Данная схема чаще всего применяется при небольшой протяжённости тепловых сетей (до 1000 м) и в основном в новом строительстве зданий промышленного назначения. Преимуществом схемы для потребителей является отсутствие потерь тепла на теплообменном оборудовании, быстрая реакция на регулирование, объединённая гидравлика всей сети теплоснабжения. Эта схема может применяться с последующим зависимым или независимым подключением потребителей.
Применяемые системы химической водоочистки: наиболее часто используются системы ионного обмена, такие как Na-катионирование постоянного действия с несколькими фильтровальными секциями. Для удаления кислорода и коррекции водородного показателя pH подпиточной воды применяются установки дозирования реагентов.
При строительстве новых объектов в большинстве случаев утечки по тепловым сетям и по потребителям в первые 15 лет эксплуатации удаётся сократить практически до нуля. Поэтому в данных схемах допустимо применение установок обратного осмоса с низкой производительностью, но совместно с баками запаса подготовленной воды.
Рис. 3. Зависимая схема присоединения с отдельным контуром (1 — котёл; 2 — регулятор, 3 — циркуляционный насос; 4 — подготовка воды; 5 — подпиточный насос; 6 — потребители отопления; 7 — потребители горячей воды из системы ГВС; 8 — теплообменник системы ГВС)
3. Зависимая схема с отдельным контуром ГВС (рис. 3)
Применение данной схемы в Российской Федерации обусловлено быстрыми темпами жилищного строительства в стране. Девелоперы и застройщики применяют такую схему в пристроенных, встроенных, крышных и отдельно стоящих блочно-модульных котельных. Данная схема присоединения потребителей внутри котельной позволяет не устанавливать индивидуальные тепловые пункты внутри домов, совмещая погодное регулирование внутри котельной с подачей, циркуляцией и регулированием температуры воды на горячее водоснабжение.
Применяемые системы ХВО: для подпитки контура отопления применяются установки Na-катионирования постоянного действия с несколькими фильтровальными секциями. В системах ГВС для защиты теплообменного оборудования широко применяют ультразвуковые противонакипные аппараты, а также гидромагнитные аппараты с постоянными магнитами или с электромагнитными системами, создающими магнитное поле.
4. Независимая схема с открытым водоразбором
Это независимая схема подключения котлового оборудования внутри блочно-модульных котельных. К её преимуществам можно отнести гидравлическое разделение контуров, что позволяет иметь различные пьезометрические графики потребителя и источника.
К безусловным недостаткам таких схем относятся дополнительные потери на теплообменном оборудовании (потери при теплопроводности и гидравлические потери, уменьшающие общий КПД котельной), а также необходимость использования нескольких групп насосов внутреннего и внешнего контуров. Помимо этого, различная настройка по давлению требует установки дополнительных управляющих систем подпитки.
Применяемые системы ХВО: применяются как методы с добавлением ингибиторов солеобразования, так и системы с накоплением запаса обработанной воды, подготовленной в системе Na-катиониро-вания. Подготовка воды для внутреннего контура котельной выполнена также по схеме с Na-катионированием, по требованиям экспертного органа.
5. Независимая закрытая схема
Данная схема повторяет все плюсы и минусы независимых систем подключения. К её дополнительным преимуществам можно отнести полноту регулирования температурного графика в связи с отсутствием линии среза графика по температуре нагрева ГВС.
Системы холодного водоснабжения: применяются как методы с добавлением ингибиторов солеобразования, так и системы с накоплением запаса обработанной воды, подготовленной в системе Na-катионирования.
Рис. 4. Независимая схема присоединения с отдельным контуром ГВС (1 — котёл; 2 — регулятор; 3 — циркуляционный насос; 4 — подготовка воды; 5 — подпиточный насос; 6 — потребители отопления; 7 — потребители ГВС; 8 — теплообменник ГВС; 9 — теплообменник отопления)
6. Независимая схема с отдельным контуром ГВС (рис. 4)
Данная схема полностью гидравлически независима, как по тепловой сети, так и по сети ГВС. Чаще всего такая схема применяется на более мощных котельных, с широким диапазоном мощности, отпускаемой потребителям.
Применяемые системы ХВО: поскольку каждая система обособлена от другой по гидравлике, то могут применяться любые системы подготовки воды, экономически целесообразные и отвечающие техническому заданию.
Заключение
Каждый из проектов был оценён государственной экспертизой и получил положительное решение. После реализации строительства данных котельных, ввода их в эксплуатацию и дальнейшего промышленного использования были выявлены следующие факторы:
1. Нормативный расчётный расход на подпитку систем теплоснабжения, принятый в проектах, более чем в 70% случаев не соответствует фактическим значениям. Это характерно для существующих возрастных систем теплоснабжения.
2. Расход на заполнение и промывку систем теплоснабжения не учтён расчётным методом и не учитывается в проектах.
3. Автоматизация систем Na-катионирования, как безусловного лидера по объёмам применения в системах теплоснабжения, заканчивается на засыпке соли в баки солерастворителя для проведения регенерации фильтров.
4. Уровень эксплуатации котельных до 100 МВт и уровень эксплуатации ТЭЦ несопоставим на порядки. Компетенция сотрудников, осуществляющих эксплуатацию котельных, невысока.
5. Отсутствие в штатах эксплуатирующих компаний подготовленного персонала, способного проводить анализы и выполнять соответствующие корректирующие действия в системах подготовки воды.
С 1 января 2022 года в России отменен запрет на использование централизованных открытых систем теплоснабжения (горячего водоснабжения) для нужд ГВС. Соответствующие изменения в законодательство внесены Федеральным законом от 30 декабря 2021 года №438-ФЗ «О внесении изменений в Федеральный закон «О теплоснабжении«». Запрет на открытые системы теплоснабжения ранее был установлен в 2013 году в ч. 9 ст. 29 Федерального закона от 27 июля 2010 года №190-ФЗ «О теплоснабжении».
В современном мире мы привыкли к механизмам и устройствам, облегчающим, а иногда и полностью заменяющим человеческий труд. При выборе системы подготовки воды часто не учитывается проблема техобслуживания, которую можно решить с помощью автоматизации.
К сожалению, такие простые вещи, как автоматизация процесса замены осмотической мембраны или пополнения бака солерастворителя для систем Na-катионирования, до сих пор не решены, а также по ним отсутствует официальная нормативно-правовая база.
Отсутствие автоматизации и необходимость участия человека с определённый квалификацией в управлении системами подготовки воды ставит под сомнение автономность и безаварийность всего комплекса теплоснабжения.
Применяемые типовые схемы учитывают лишь ограниченное количество вариативности в схемах подключения индивидуальных источников тепла, а некоторых случаях вообще не учитывают реальный опыт эксплуатации.
Для продолжения процесса децентрализации систем теплоснабжения [6] и автоматизации котельных, а также совершенствования технологических процессов необходимо:
1. Дополнить нормативно-правовую базу в части автоматизации систем холодного водоснабжения.
2. Осуществлять подбор типа подготовки подпиточной воды в зависимости от анализа комплекса факторов, не учитываемых ранее (возраст объектов строительства, границы балансовой принадлежности котельных тепловых сетей и тепловых пунктов, количество, вид и схема подключения пластинчатых или кожухотрубных теплообменников, а также их необходимость).
3. Осуществлять подбор котельного оборудования на основании импортозамещения отечественными производителями — с целью оптимизации потерь при использовании теплообменников.
4. Применять оборудование [3], позволяющее, в соответствии с паспортными характеристиками завода-изготовителя, использовать его без водоподготовки.
