Важнейшим условием создания и функционирования городских теплофикационных систем является надёжное обеспечение потребителей тепловой энергией требуемого качества, в заданном количестве, в течение определённого периода времени и недопущение ситуаций, опасных для людей и окружающей среды.
Особенностью современного состояния теплофикационных систем в большинстве городов России является значительный износ основного и вспомогательного оборудования ТЭЦ, котельных, магистральных и распределительных сетей, достигающий по оценкам специалистов 60-80 %. По этой причине в ряде городов происходят крупные аварии магистральных теплопроводов не только в период зимнего максимума, но и в самом начале отопительного периода уже после гидравлических испытаний, примером может служить авария на тепловых сетях в городе Самаре в октябре 2010 года или несколько аварийных ситуаций в системе теплоснабжения города Санкт- Петербурга осенью 2012 года.
Также статистика утверждает, что, например, в тепловых сетях города Ульяновска за последние шесть лет число повреждений в тепловых сетях выросло в 3,5 раза [1].
Применяемое на ТЭЦ теплофикационное оборудование разработано несколько десятилетий назад и на сегодняшний день в значительной степени устарело и требует модернизации. За прошедшее время многие заложенные в основу проектов теплоисточников и систем транспортировки теплоты концептуальные технические и технологические решения требуют пересмотра или существенной корректировки. Эта необходимость обусловлена как кардинально изменившимися экономическими условиями, так и опытом зарубежных стран, показавшим огромные возможности совершенствования теплофикационных систем [2]. В связи с этим рядом исследователей в различных регионах России ведётся работа по сохранению и развитию преимуществ теплофикации путём создания комбинированных теплофикационных систем [3-5], сочетающих в себе элементы централизованных и децентрализованных систем теплоснабжения.
Применяемое на ТЭЦ теплофикационное оборудование разработано несколько десятилетий назад и на сегодняшний день в значительной степени устарело и требует модернизации. Многие заложенные в основу проектов теплоисточников и систем транспортировки теплоты концептуальные технические и технологические решения требуют пересмотра или существенной корректировки
Рассматриваемые комбинированные теплофикационные системы, предназначенные для производства и подачи тепловой и электрической энергии потребителям, представляют собой сложные по структуре и многофункциональные по сути системы, связанные между собой различными технологическими процессами. Многофункциональность комбинированных теплофикационных систем обусловлена не только комбинированным характером производства энергии, но и теплоснабжением различных типов потребителей, каждый из которых предъявляет специфические требования по надёжности теплоснабжения.
Для повышения надёжности городских теплофикационных систем и развития преимуществ теплофикации, в Научноисследовательской лаборатории «Теплоэнергетические системы и установки (НИЛ ТЭСУ) УлГТУ разработаны технологии комбинированного теплоснабжения [4, 6], которые предусматривают покрытие базовой части тепловой нагрузки системы теплоснабжения за счёт высокоэкономичных отборов пара теплофикационных турбин ТЭЦ и обеспечение пиковой нагрузки с помощью автономных пиковых теплоисточников, установленных непосредственно у абонентов. В качестве автономных пиковых источников использоуются газовые и электрические бытовые отопительные котлы, электрообогреватели и другие агрегаты.
При нарушениях гидравлических и температурных режимов в централизованной системе теплоснабжения обеспечение базовой нагрузки может осуществляться от автономных пиковых источников теплоты, установленных в местной системе теплоснабжения, которые при нормальной работе системы в базовом режиме будут находиться в резерве. Функциональное резервирование предусмотрено в СНиП 41-02-2003 «Тепловые сети» при совместной работе различных источников теплоты.
Одним из возможных подходов к повышению надёжности комбинированных систем теплоснабжения является отключение местных систем теплоснабжения от централизованной системы в случае нарушения в ней гидравлических и температурных режимов и обеспечение тепловой нагрузки местной системы теплоснабжения с помощью децентрализованных источников теплоты.
С этой целью в НИЛ ТЭСУ УлГТУ создан ряд технологий работы комбинированных теплофикационных систем с централизованными основными и автономными пиковыми теплоисточниками, которые позволяют при необходимости гидравлически изолировать местные системы теплоснабжения от централизованной [7-12].
Схемы таких комбинированных теплофикационных систем представлены на рис. 2 и 3. Данная технология может применяться, как в отдельных кварталах систем теплоснабжения, так и непосредственно в домах у потребителей тепловой энергии.
В комбинированной теплофикационной системе, изображённой на рис. 2, базовую нагрузку системы покрывают на основном источнике централизованной системы теплоснабжения — ТЭЦ. Далее нагретую сетевую воду (теплоноситель) по подающему теплопроводу централизованной системы теплоснабжения направляют в местную систему теплоснабжения, где пиковую тепловую нагрузку покрывают в автономном источнике теплоты, подключённом к подающему и обратному теплопроводам местной системы теплоснабжения. Величину нагрева воды в автономном пиковом источнике теплоты регулируют в зависимости от потребности абонента.
При понижении давления (температуры) или уменьшении расхода сетевой воды ниже заданных величин, контролируемых датчиками давления (температуры или расхода), местную систему теплоснабжения потребителя автоматически отключают от подающей и обратной магистралей централизованной системы теплоснабжения с помощью запорных органов, установленных на подающем и обратном сетевых теплопроводах местной системы теплоснабжения. В этом случае автономный источник теплоты используют в качестве базового, и циркуляцию сетевой воды через него и местную систему теплоснабжения осуществляют с помощью циркуляционного насоса, установленного на обратном теплопроводе.
Аналогичным образом может осуществляться автоматическое отключение местной системы теплоснабжения от централизованной, при понижении давления одновременно в подающем и обратном теплопроводе, контролируемого датчиками давления системы теплоснабжения (рис. 3). Циркуляцию в местной системе теплоснабжения поддерживают с помощью циркуляционного насоса, который установлен на подающем теплопроводе за пиковым источником теплоты по ходу движения воды, и соединённый перемычкой, с обратным теплопроводом местной системы теплоснабжения.
Для оценки надёжности систем теплоснабжения нужно использовать показатели надёжности структурных элементов системы теплоснабжения и внешних систем электроснабжения, водоснабжения, топливоснабжения источников тепловой энергии [13]:
Кнад = (1/n)(Kэ + Кв + Кт + Кб + Кр + Кс + Котк + Кнед + Кж), (1)
где Kнад — показатель надёжности конкретной системы теплоснабжения; Kэ — показатель надёжности электроснабжения источников теплоты, характеризуется наличием или отсутствием резервного электропитания; Кв — показатель надёжности водоснабжения источников теплоты, характеризуется наличием или отсутствием резервного водоснабжения; Кт — показатель надёжности топливоснабжения источников теплоты, характеризуется наличием или отсутствием резервного топливоснабжения; Кб — показатель соответствия тепловой мощности источников теплоты и пропускной способности тепловых сетей фактическим тепловым нагрузкам потребителей; Кр — показатель уровня резервирования источников теплоты и элементов тепловой сети, характеризуемый отношением резервируемой фактической тепловой нагрузки к фактической тепловой нагрузке системы теплоснабжения, подлежащей резервированию, %; Kс — показатель технического состояния тепловых сетей, характеризуемый долей ветхих, подлежащих замене теплопроводов, %; Котк — показатель интенсивности отказов тепловых сетей, характеризуемый количеством вынужденных отключений участков тепловой сети с ограничением отпуска тепловой энергии потребителям, вызванным отказом и его устранением за последние три года; Кнед — показатель относительного недоотпуска теплоты в результате аварий и инцидентов; Kж — показатель качества теплоснабжения, характеризуемый количеством жалоб потребителей теплоты на нарушение качества теплоснабжения; n — число показателей, учтённых в числителе.
Представленные в формуле (1) показатели надёжности зависят от рассматриваемых схем теплоснабжения в каждом отдельном случае и изменяются в пределах от 0,2 до 1.
В зависимости от полученных показателей надёжности системы теплоснабжения с точки зрения надёжности могут быть оценены: высоконадёжные — более 0,9; надёжные — 0,75-0,89; малонадёжные — 0,5-0,74; ненадёжные — менее 0,5.
По результатам проведения расчётов показатель надёжности для традиционной схемы теплоснабжения составляет 0,78, что меньше, чем у представленной схемы комбинированной системы теплоснабжения с автономным источником теплоты, расположенный в местной системе теплоснабжения (0,92).
После сравнения этих двух показателей традиционная схема теплоснабжения может перейти от надёжной к высоконадёжной в связи с дополнительным резервированием базового источника теплоты.
По результатам проведения расчётов показатель надёжности для традиционной схемы теплоснабжения составляет 0,78, что меньше, чем у представленной схемы комбинированной системы теплоснабжения с автономным источником теплоты, расположенный в местной системе теплоснабжения (0,92)
Выводы
1. С целью повышения надёжности и энергетической эффективности систем теплоснабжения в НИЛ ТЭСУ УлГТУ создан ряд технологий работы комбинированных теплофикационных систем с централизованными основными и автономными пиковыми теплоисточниками, которые объединяют в себе структурные элементы централизованных и децентрализованных систем теплоснабжения и позволяют при необходимости гидравлически изолировать местные системы теплоснабжения от централизованной [7-12].
2. Разработанные технологии комбинированного теплоснабжения позволяют значительно повысить надёжность и качество теплоснабжения потребителей благодаря отключению местной системы теплоснабжения от централизованной и использовании автономного источника теплоты в качестве базового, например, при понижении давления, температуры или расхода сетевой воды в магистралях централизованной системы.
3. Из двух рассмотренных вариантов работы систем теплоснабжения (традиционной и комбинированной) более надёжная в плане обеспечения потребителей тепловой энергией является комбинированная система, показатель надёжности которой равен 0,92.
