Введение
Одной из важнейших областей энергетики является тепловая энергетика, в частности, теплоснабжение. Теплоснабжение — это важная подотрасль жилищно-коммунального хозяйства России, поэтому надёжности и безопасности объектов теплоснабжения с момента их создания уделяется особое внимание. В основе централизованного теплоснабжения — комбинированная выработка электрической и тепловой энергии [1].
В этой связи, согласно ст. 3 Федерального закона от 27 июля 2010 года №190-ФЗ «О теплоснабжении», установлены общие принципы организации отношений и основы государственной политики в сфере теплоснабжения, например, обеспечение: надёжности теплоснабжения в соответствии с требованиями технических регламентов; энергетической эффективности теплоснабжения и потребления тепловой энергии с учётом требований, установленных федеральными законами; приоритетного использования комбинированной выработки электрической и тепловой энергии для организации теплоснабжения; экологической безопасности теплоснабжения; безопасной эксплуатации объектов теплоснабжения.
По сути, эти принципы соблюдаются с момента создания систем централизованного теплоснабжения в Российской Федерации.
История отечественного централизованного теплоснабжения берет своё начало в 1903 году. В это время в Санкт-Петербурге по проекту профессора В.В. Дмитриева и инженера Л.Л. Гинтера была сооружена первая теплофикационная система, которая использовала отработанный пар турбины местной электростанции для отопления 13 корпусов детской больницы [2].
1. Развитие теплоэнергетики в России
Развитию энергетики послужил Государственный план электрификации России (ГОЭЛРО), который был принят постановлением Советом народных комиссаров РСФСР 21 декабря 1921 года «О плане электрификации России». Одной из задач развития отрасли в период реализации плана ГОЭЛРО было внедрение комбинированной выработки электроэнергии, тепла и централизованного теплоснабжения с источником теплоснабжения — тепловой электростанцией (ТЭЦ).
Самая первая ТЭЦ, построенная по плану ГОЭЛРО в 1922 году, называлась «Уткина заводь». В день пуска участники торжественного митинга переименовали её в ТЭЦ №5 «Красный октябрь», и под этим именем она проработала до 2010 года. Сегодня это «Правобережная ТЭЦ» ОАО «ТГК-1». А в Москве первая ТЭЦ была введена в 1928 году.
В советском правительстве модернизация экономики трактовалась как «…электрификация всей страны, то есть развитие экономики, вооружение нашего народа энергетическими ресурсами с тем, чтобы создать условия, когда бы мы могли производить столько, сколько нужно для нашего общества. А это и есть коммунизм» [3].
В СССР в 1960-е годы энергетика уже развивалась за счёт паровых турбин большой единичной мощности (160–300 МВт) с промежуточным перегревом пара. «Турбина К-160–130 — первый агрегат с промежуточным перегревом пара производства Харьковского турбогенераторного завода (ХТГЗ) им. С.М. Кирова. Десятки тепловых электростанций в Советском Союзе были оборудованы этими турбинами. Ряд турбин находится в эксплуатации на зарубежных установках» [4].
Построенные в СССР электростанции с турбинами мощностью 160–300 МВт продолжают работу в России и в СНГ [4], поэтому разработанные автором научно-технические решения по турбинам К-160–130 Ташкентской ГРЭС, в том числе их перевод в когенерационный режим работы, актуальны и в настоящее время [5, 6]. Имеется аналогичный опыт использования теплоты конденсата паровой турбины Т-100/120–130 для нагрева исходной воды в поверхностном подогревателе на Ульяновской ТЭЦ-1 [7].
2. Когенерация
Когенерация — централизованное теплоснабжение при производстве электроэнергии и тепла в едином технологическом цикле (Приказ Росстата от 15 июля 2020 года №383). Когенерация обеспечивает экономию топлива и надёжность теплоснабжения, поскольку при переводе котельных в когенерационный режим водогрейные котлы становятся резервно-пиковыми источниками тепловой энергии.
Согласно «Энергетической стратегии Российской Федерации на период до 2035 года» (Распоряжение Правительства РФ от 9 июня 2020 года №1523-р): «Задачами теплоснабжения являются: формирование эффективных рынков теплоснабжения с приоритетом когенерации при соблюдении баланса интересов хозяйствующих субъектов и потребителей; повышение надёжности и эффективности теплосетевого комплекса». Указанная стратегия соответствует Федеральному закону РФ от 27 июля 2010 года №190-ФЗ «О теплоснабжении», согласно которому (ст. 3) к общим принципам организации отношений в сфере теплоснабжения, в частности, отнесены: обеспечение энергетической эффективности теплоснабжения; обеспечение приоритетного использования комбинированной выработки электрической и тепловой энергии для организации теплоснабжения; развитие систем централизованного теплоснабжения.
Согласно ч. 3 ст. 23 уполномоченные органы должны осуществлять разработку, утверждение и ежегодную актуализацию схем теплоснабжения, которые должны содержать, в частности, меры по переоборудованию котельных в источники комбинированной выработки электрической и тепловой энергии.
При этом, согласно критериям, установленным «Правилами оценки готовности к отопительному периоду» (Приказ Минэнерго России от 12 марта 2013 года №103), должна обеспечиваться как надёжность теплоснабжения потребителей, так и энергосбережение — повышение коэффициента полезного действия котлоагрегатов, теплофикационных и других установок на основе современных технологий сжигания топлива, когенерационная выработка тепловой и электрической энергии, увеличение коэффициента использования тепловой мощности.
Вопрос когенерации (надстройка отопительных котельных газопоршневыми электростанциями) актуален, например, для энергодефицитной Белгородской области. Из более 7000 газовых котельных в регионе (постановление губернатора Белгородской области от 30 июня 2017 года №49), потребляющих на собственные нужды электроэнергию, значительная их часть функционируют в сфере АПК (свинокомплексы, птицефабрики, молочные комплексы, мясокомбинаты, сахарные заводы, тепличные комплексы).
3. Перевод конденсационных электростанций в теплофикационный режим
Повышение надёжности и энергоэффективности обеспечивается, например, переводом паровых турбин конденсационной электростанции (КЭС) в режим когенерации. На рис. 1 показано сравнение схем энергетических балансов раздельной и комбинированной выработки теплоты и электрической энергии.
При замещении отпускаемой из котельной теплоты Qотп теплотой из отбора турбины ТЭЦ для теплоснабжения потребителей обозначенные на рис. 1б потери 1´ и 2´ (при раздельном способе) уменьшаются, соответственно, до 1 и 2 (при комбинированном способе производства), благодаря чему достигается экономия топлива:
ΔB = BКЭС + Bкот + BТЭЦ,
где BКЭС, Bкот и BТЭЦ — расход топлива соответственно на конденсационной электростанции, котельной и теплоэлектроцентрали при равенстве полезной энергии в сопоставляемых вариантах.
Результаты проводимой на Ташкентской ГРЭС работы по подготовке к переводу в теплофикационный режим экспонировались на ВДНХ СССР, за которую автор был награждён бронзовой медалью (постановление Главного комитета ВДНХ СССР от 29 ноября 1978 года №735).
Разработанные автором технические, технологические и компоновочные решения с соблюдением требований безопасности были реализованы в проекте «Реконструкция Ташкентской ГРЭС в теплофикационный режим работы», утверждённом Приказом Минэнерго СССР от 13 декабря 1984 года №257-пс, и остаются актуальными до настоящего времени.
В соответствии с данным приказом на первом этапе была произведена реконструкция турбин К-160–130 энергоблоков ст. №№6, 9, 11, 12 с организацией регулируемого теплофикационного отбора, две из которых более 40 лет работают в теплофикационном режиме. Показана возможность и целесообразность перевода действующих конденсационных электростанций (КЭС) в режим ТЭЦ.
Разработанные автором решения используются в учебных курсах данной специальности [8].
Продлению срока службы созданных в СССР паровых турбин содействует АО «Калужский завод энергетического машиностроения» (АО «КЗАЭМ») — современное российское предприятие, обладающее внушительным технологическим потенциалом и обширной площадью производственных мощностей (расположенных на территории трёх промышленных городов: Санкт-Петербург, Екатеринбург, Калуга), производящее соответствующие турбины:
- К-180–130 (также для замены К-160–130);
- К-225–130;
- К-330–240 (также для замены К-300–240).
Для поддержания надёжности и эффективности таких турбин в России разработаны соответствующие нормы и правила, например, стандарт организации НП «ИНВЭЛ» СТО 70238424.27.040.012–2009 «Турбина паровая К-160–130 ХТГЗ. Технические условия на капитальный ремонт. Нормы и требования».
4. Газотурбинные и газопоршневые электростанции
В городе Белгороде в 2004–2005 годах по инициативе автора были построены две газотурбинные ТЭЦ электрической мощностью по 60 МВт для централизованного теплоснабжения города [9].
В городе Валуйки на комбинате растительных масел (ВКРМ) в 2005–2006 годах была запроектирована и построена с участием (под руководством) автора электростанция мощностью 2000 кВт с двумя газопоршневыми мотор-генераторами 11ГД100 (рис. 2), конвертированными из дизель-генераторов 7Д100, производимых на Харьковском заводе транспортного машиностроения им. В.А. Малышева (ХЗТМ). На основании этого проекта и положительного опыта их работы в ПАО «Газэнерго» можно рекомендовать воспроизводство в России аналогов мотор-генераторов 11ГД100 на современной технологической основе.
Под руководством и с участием автора по заказу ООО «Пулковская ТЭЦ» был также разработан проект «Реконструкция котельной в тепловую электростанцию мощностью 120 МВт (ПГУ-ТЭЦ 120 МВт)» (рис. 3), получивший положительное заключение государственной экспертизы №112–12/СПЭ-1808/02.
Целесообразность сооружения малых ТЭЦ с газопоршневыми двигателями и газотурбинными установками на природном газе для повышения эффективности систем энергоснабжения небольших городов подтверждается в работе [10]. Многие разработанные автором решения носят универсальный характер и могут быть рекомендованы для внедрения на других тепловых электростанциях и отопительных котельных.
Выводы
1. Начиная с плана ГОЭЛРО и до настоящего времени одной из основных задач в энергетике России является повышение надёжности и эффективности источников энергии в системах теплоснабжения. Эта задача в целом решается, однако имеется одна из нерешённых со дня распада СССР проблем — создание газотурбинных электростанций.
Примером можно назвать Белгород, где были построены две газотурбинных ТЭЦ мощностью по 60 МВт. Под руководством автора был разработан проект реконструкции котельной в ПГУ-ТЭЦ 120 МВт (город Санкт-Петербург), получивший положительное заключение ФАУ «Главгосэкспертиза России».
2. Проблемой остаётся оснащённость водогрейных отопительных котельных газопоршневыми электростанциями для комбинированного производства тепловой и электрической энергии. Проблема заключается в отсутствии в России собственного производства газопоршневых двигателей и электростанций на их основе для обеспечения когенерации на небольших водогрейных котельных. В Белгородской области имеется более 7000 отопительных котельных, многие из которых целесообразно перевести в когенерационный режим.
Предложено организовать на основе современных технологий воспроизводство созданных в СССР газопоршневых двигателей 11ГД100, положительно зарекомендовавших себя на компрессорных станциях ПАО «Газпром».
3. Значительную роль в теплоснабжении играют построенные в СССР паротурбинные электростанции с турбинами единичной мощностью 100 МВт и выше. Дано сравнение эффективности работы раздельной работы КЭС и котельной с теплоэлектроцентралью, позволяющей в режиме когенерации экономить до 45% топлива.
4. Для повышения эффективности систем энергоснабжения небольших городов рекомендуется сооружение малых ТЭЦ — в первую очередь путём технического перевооружения существующих котельных с применением газопоршневых двигателей и газотурбинных установок на природном газе.
