В настоящее время 99,5 % всей тепловой энергии, поступающей в город с ОАО «ММК», учитывается приборами коммерческого учета, которые установлены на границе балансовой принадлежности. Каждый узел учета смонтирован на крупных тепловых магистралях города. Наличие приборов учета на источниках теплоты сделало возможным определение реально отпускаемой потребителям тепловой энергии и проведение энергосберегающих мероприятий.
Объединив локальные узлы коммерческого учета и технологического контроля на источниках теплоты и магистралях в две информационные системы (диспетчерская и коммерческая), появилась возможность более активно, оперативно и качественно воздействовать на режимы теплопотребления всех тепловых районов. Информационная база по параметрам и режимам теплоснабжения, созданная за несколько лет, позволяет проводить глубокий анализ с целью оптимизации этих режимов.
Разрабатывается автоматизированная система расчетов технико-экономических показателей, позволяющая выполнить их более точно, оперативно и качественно. Обеспечение тепловых нужд России выходит далеко за пределы отраслевой энергетической задачи. Неэффективное теплоснабжение привело к огромному перерасходу энергетических, материальных и финансовых ресурсов, сделало неэкономичной теплофикацию. Сбои в обеспечении теплотой регулярно становятся зимой для многих жителей страны физическим и моральным страданием.
В условиях, когда постоянно увеличиваются цены на энергоносители, задача повышения эффективности использования энергетических ресурсов приобретает приоритетное значение. Во многих городах и регионах России начинают реализовываться программы энергосбережения, и Магнитогорск не является исключением. Понятие «энергосбережения города» часто подменяется понятием «энергоэффективные системы или технологии теплоснабжения», ошибочно считая, что решение локальных задач по внедрению высокоэффективных теплогенераторов, автоматизированных тепловых пунктов, средств транспортировки теплоты рано или поздно приведет к эффективному теплоснабжению города, т.е. количество перерастет в качество.
Для этого могут понадобиться десятилетия. Город Магнитогорск с населением около 430 тыс. человек, градообразующим предприятием которого является Магнитогорский металлургический комбинат (ОАО «ММК»), расположен в зоне с типичным для средней полосы России умеренным резко-континентальным климатом. Отопительный сезон в среднем продолжается с первого октября по пятое мая (семь месяцев). Среднемесячная температура воздуха в самый холодный период (декабрь-февраль) в последние три года составляют около –10 °C с трех-пятикратным понижением до –30 °C в течении пяти-семи дней.
Теплоснабжение города представляет собой цепь распределения тепловой энергии, схема которой представлена на рис. 1. 65 % теплоты в сети треста «Теплофикация» города Магнитогорска поступает от ТЭЦ, ЦЭС и паросилового цеха (ПСЦ) ОАО «ММК», остальное вырабатывается тремя собственными котельными: пиковой (ПК), центральной (ЦК) и котельной ОАО «Поля орошения» (КПО). Сколь не устаревает идеология централизованного теплоснабжения городов, для Магнитогорска она безальтернативна.
Город всегда жил около комбината как около горячего источника, где в энергоустановках сжигалось раньше ничего не стоящее топливо и возникающей избыточной тепловой энергии всегда хватало всем, даже при самом расточительном ее использовании. Применялись не только энергорасточительные технологии, но и десятилетиями у граждан, специалистов, экономистов, администрации города формировалась психология жителей рабочего поселка при крупном промышленном предприятии, которое практически бесплатно обеспечивало их жизнедеятельность в условиях холодного уральского климата. Во всех живущих ныне в городе поколениях отсутствует культура экономного, рационального хозяина.
ОАО «ММК» стал частным, коммерческим предприятием, цель которого получение максимальной прибыли, даже из иногда бросовой (летом) теплоты. Жители города (жилфонд), на которых уходит 80 % теплоты, давно отодвинуты устаревшими градостроительными нормами от возможности индивидуального влияния на собственное теплопотребление. Чего не скажешь о коммерческих организациях (5 % от общего теплопотребления).
Оснастив 80 % объектов теплосчетчиками, они учатся рационально использовать очень дорогую тепловую энергию, экономя ежегодно в среднем 35 % от расчетной тепловой нагрузки. Однако, при совместной выработке тепловой и электрической энергии, большой свободной тепловой мощности, которая и используется для теплоснабжения города, при соблюдении баланса экономических интересов связка «город – ОАО «ММК» — весьма энергоэффективная структура. Хотя при этом возникают и определенные проблемы.
- Большая удаленность (3–5 км) потребителей от источников ТЭЦ и ЦЭС приводит к дополнительным потерям теплоты через изоляцию и утечкам при транспортировке.
- Выполняя, в первую очередь, свои производственные задачи и обеспечивая максимальную эффективность работы ТЭЦ и ЦЭС, не выдерживаются оптимальные параметры теплоносителя по температурному графику 150/70 °C (срезка при 110 °C). Это приводит к ненадежному теплоснабжению при температуре наружного воздуха ниже 18 °C. Летом тепловые сети города используются как градирни для охлаждения электрогенерирующих агрегатов ЦЭС. При этом температура прямого теплоносителя достигает 107 °C, что приводит к дополнительным потерям теплоты через изоляцию и критичной работе средств его транспортировки.
- Системы теплоснабжения, как жизнеобеспечивающие, всегда строились с большим коэффициентом надежности за счет как резервирования мощности основных агрегатов, так и агрегатов горячего и холодного резерва. Все эти системы идеологии середины прошлого века, когда энергоресурсы ничего не стояли, модернизировались в 1980–1990 годы только на уровне физического обновления, без технической модернизации. Причем одно и то же оборудование часто используется в зимнем и летнем режимах, когда тепловая мощность на горячее водоснабжение составляет 10–20 % от номинального зимнего режима. Ресурсы сбережения, например, электроэнергии доходят до 50–60 % в переходный период (весна, осень) для сетевых насосов, дутьевых вентиляторов и дымососов в котельных.
В настоящее время 99,5 % всей тепловой энергии, поступающей в город с ОАО «ММК», учитывается приборами коммерческого учета, которые установлены на границе балансовой принадлежности. Каждый узел учета смонтирован на крупных тепловых магистралях города. Наличие приборов учета на источниках теплоты сделало возможным определение реально отпускаемой потребителям тепловой энергии и проведение энергосберегающих мероприятий.
Объединив в 1999 году локальные узлы коммерческого учета и технологического контроля на источниках теплоты и магистралях в две информационные системы (диспетчерская и коммерческая), появилась возможность более активно, оперативно и качественно воздействовать на режимы теплопотребления всех тепловых районов (12 по числу источников и магистралей — отводов, отходящих от них).
Информационная база по параметрам и режимам теплоснабжения (расход, температура, давление на прямых и обратных магистральных теплопроводах, тепловая энергия, утечки и их энергия в мгновенных, среднечасовых, суточных и месячных значениях), созданная за несколько лет, позволяет проводить глубокий анализ с целью оптимизации этих режимов. Разрабатывается автоматизированная система расчетов техникоэкономических показателей, позволяющая выполнить их более точно, оперативно и качественно.
В 2004 году как никогда остро встала проблема «недогрева». За последние три года среднемесячная температура прямого теплоносителя составила 81 °C при температурном графике 150/70 °C. В среднем температура теплоносителя от источников ОАО «ММК» была занижена на 10 °C, что привело к многочисленным жалобам населения. За отопительный сезон 2005 года потребителям было недопоставлено около 12 % тепловой энергии.
Для примера рассмотрим февраль 2004 года и источник тепловой энергии ТЭЦ. При температуре наружного воздуха –18,2 °C согласно температурному графику 150/70 °C температура теплоносителя должна соответствовать 115 °C. Однако, по приборам учета средняя температура за февраль составила 92,3 °C, это привело к недопоставке теплоты потребителю на 12,4 %. Проблема наблюдается и в других регионах.
Так, недостаточный отпуск теплоты в СанктПетербурге в отопительный сезон по отношению к фактическим температурам составил 19,7 %, а к расчетным 31,6 %. Имея многолетнюю базу данных с узлов учета на источниках тепловой энергии, зная температуру наружного воздуха, температуру, давление и расход теплоносителя перед нами встает необходимость аналитическим путем определить наиболее оптимальные режимы теплопотребления.
Особенно остро встает вопрос о выборе необходимых параметров в межсезонье. Большой технической и экономической проблемой являются перегревы (избыточная теплота) от ЦЭС в летнее время. В июне 2003 года на магистрали «ЦЭС-Город» на КП-1 была введена в эксплуатацию автоматическая система регулирования потребления тепловой энергии на тепловых сетях от ЦЭС. Необходимостью разработки системы явилась проблема превышения температуры теплоносителя в летний период времени (95–107 °C при нормативной 80 °C), поступающего в сети города Магнитогорска от источника ЦЭС ОАО «ММК», и, как следствие, потребление избыточного количества тепловой энергии.
Завышенная температура объясняется технологией производства электрической энергии на ЦЭС ОАО «ММК» при ее совместной выработке с тепловой энергией. В связи с этим возникла необходимость установки регулирующего устройства по расходу теплоносителя на магистрали. В период времени, когда водоразбор на горячее водоснабжение (ГВС) достигает максимального значения, регулирующая заслонка поддерживает перепад давлений между подающим и обратным теплопроводами 0,25 МПа, обеспечивая необходимое потребление теплоносителя.
В ночное время с 24:00 до 06:00 задание регулятора автоматически меняется в соответствии с режимной картой. Таким образом, расход теплоносителя существенно сокращается. При этом давление в подающем теплопроводе возрастает, что негативно отражается на эксплуатации сетей. Для компенсации «избыточного» давления установлена еще одна регулирующая заслонка, работающая по следующему алгоритму: в 23:59 регулятор «запоминает» величину давления в подающем теплопроводе и устанавливает задание равным этой величине.
После 24:00 при возрастании давления в подающем теплопроводе заслонка приоткрывается и осуществляет сброс теплоносителя в обратный теплопровод, поддерживая заданное давление. Как следствие, температура в обратном теплопроводе возрастает, что приводит к снижению потребления тепловой энергии. Автоматическая система управления реализована на базе контроллера КР-300 (производитель ЗАО «Волмаг», город Чебоксары), датчиков давления и температуры (ЗАО ПГ «Метран», город Челябинск), исполнительных устройств («ЗЭиМ», город Чебоксары).
Автоматическое регулирование параметров теплоносителя на КП позволяет избежать перерасхода тепловой энергии и поддерживать наиболее экономичные параметры теплоносителя. Мероприятия по теплоэнергосбережению в городе Магнитогорске дали следующие результаты.
- Установка частотных преобразователей на дымососах и дутьевых вентиляторах в котельных, на сетевых насосах перекачивающих тепловых насосных станций треста дает экономию 40–60 %, срок окупаемости около 10 месяцев.
- На границах балансовой принадлежности, на всех магистральных теплопроводах от ТЭЦ, ЦЭС, ПСЦ ОАО «ММК» установлены узлы коммерческого учета. Они дают экономию по отношению к расчетным тепловым нагрузкам не менее 5 % или 10–15 млн руб. в год. Срок окупаемости затрат — меньше месяца.
- Установка автоматизированных индивидуальных (центральных) тепловых пунктов с регулированием по температуре наружного воздуха экономит теплоту: в жилфонде 10–15 %, окупаемость 10–15 месяцев; в административных зданиях с пятидневным рабочим днем 35–45 %, окупаемость — 6–10 мес.
- В муниципальном жилфонде города теплосчетчики (не считая некоторых ЦТП) пока не устанавливаются. ЖСК и кондоминиумы достаточно эффективно эксплуатируют их, и экономия в среднем составляет от 15 до 20 % теплоты.
- В бюджетных организациях города установлено 107 теплосчетчиков и средняя экономия составляет около 26 %. В Управлении народного образования и здравоохранения приборным учетом охвачено 44 объекта. Многие из них не эксплуатируются или эксплуатируются неэффективно.
- Установка теплосчетчиков, с отслеживанием по ним теплопотребления и ручным регулированием, дает 20–30 % экономии теплоты. Средний срок окупаемости 5–15 месяцев в зависимости от тепловой мощности объектов. В Магнитогорских коммерческих организациях установлено 216 теплосчетчиков, которые дают более 30 % экономии теплоты.
