Техническое состояние систем теплоснабжения большинства городов РФ является критическим. С каждым годом увеличивается число аварийных отключений из-за изношенности оборудования источников теплоснабжения, построенных 20–30 лет назад, количество разрывов магистральных и распределительных сетей, неудовлетворительного функционирования абонентских вводов и внутренних систем отопления зданий и сооружений из-за технологической отсталости используемых схем и оборудования. Устранение таких аварийных ситуаций связано со значительными капитальными затратами, социальной напряжённостью и нанесением морального и материального ущерба потребителям. Что в большей степени усугубляется суровыми климатическими условиями нашей страны.
На практике встречаются различные проблемные ситуации при эксплуатации тепловых сетей. Перечислим наиболее распространённые:
1. «Недогреваются» концевые потребители. Для прекращения жалоб тепловая сеть завышает температурный график, что приводит к перерасходу газа на выработку тепла по сравнению с нормативными показателями.
2. В четырёхтрубной системе выходят из строя (ржавеют) трубопроводы горячего водоснабжения (ГВС), и систему зачастую переоборудуют в двухтрубную с открытым ГВС.
3. Вместо того, чтобы промыть внутренние системы теплоснабжения, потребители растачивают дроссельные шайбы или демонтируют элеваторы, ставят насосы. Как следствие, теплосеть разбалансируется, нарушается расчётный гидравлический режим, и (или) для компенсации перерасхода тепла она переводится на другой температурный график (с 130/70 на 95/70°C).
4. Многочисленные локальные (на несколько домов) котельные можно заменить одной централизованной системой теплоснабжения. Или заменить или дополнить централизованную систему теплоснабжения локальными квартальными или внутридомовыми котельными.
5. Постепенное подключение к теплосети новых потребителей до тех пор, пока сеть не перестаёт пропускать теплоноситель или котельная не исчерпывает тепловую мощность. Для решения проблемы теплосеть переводят на другой температурный график (с 95/70 на 130/70°C) или делают (понижают) срезку, что приводит к неудовлетворительному теплоснабжению потребителей в холодá.
Выход из создавшегося положения может быть только в принятии безотлагательных мер по модернизации и реконструкции существующих систем теплоснабжения. Действующее российское законодательство в сфере теплоснабжения содержит требования и предпосылки к модернизации систем теплоснабжения, в частности, запрет на использование открытых систем теплоснабжения, установленный Федеральным законом №190-ФЗ «О теплоснабжении» [1].
Прогрессирующий физический и моральный износ основных фондов в сфере теплоснабжения в совокупности с указанными требованиями законодательства формируют необходимость модернизации систем теплоснабжения.
Ключевыми документами, определяющими принципы долгосрочного развития теплоэнергетической отрасли, являются схемы теплоснабжения городов, содержащие предпроектные материалы по обоснованию эффективного и безопасного функционирования систем теплоснабжения, их развития с учётом правового регулирования в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности. Схемы теплоснабжения подлежат ежегодной актуализации и в случае городов с населением 500 тыс. человек и более, а также городов федерального значения утверждаются Минэнерго России [2].
На сегодняшний момент перевод открытой системы теплоснабжения (ОСТ) на закрытую связан со значительным объёмом необходимых инвестиций.
С целью повышения экономической эффективности проектов перевода ОСТ на закрытую схему рассмотрены альтернативные варианты модернизации, основным критерием отбора которых являлось сохранение возможности повышения энергетической эффективности при снижении капитальных затрат. Одним из таких вариантов является автоматизация существующих элеваторных узлов, в частности, устройство автоматического управления потреблением тепловой энергии, изображённое на рис. 1.
Рис. 1. Устройство автоматического управления потреблением тепловой энергии (1 — подающий трубопровод; 2 — водоструйный элеватор; 3 — система отопления; 4 — обратный трубопровод; 5 — циркуляционный насос; 6 — блок управления; 7 — блок измерения температуры наружного воздуха; 8 и 9 — блок измерения температуры теплоносителя; 10, 14 и 16 — запорная арматура; 11 и 15 — обратный клапан; 12 — регулирующий клапан; 13 — электропривод)
Регулирование отпуска тепла в данном устройстве осуществляется блоком управления 6 с помощью регулирующего клапана 12, а стабильную циркуляцию теплоносителя независимо от изменения расхода в тепловой сети обеспечивает циркуляционный насос 5 [3]. Достоинством данного устройства является возможность обеспечения теплоснабжения в резервном режиме работы при нарушении электроснабжения потребителей.
Дополнительным вариантом автоматизации элеваторных узлов является струйный аппарат, представляющий собой водоструйный элеватор с регулируемым соплом. Регулирование теплоотпуска в данном аппарате осуществляется путём возвратно-поступательного перемещения дроссельной иглы.
Достоинством данного устройства является высокая инжекционная способность на всех режимах регулирования, которая обеспечивается за счёт закручивания потока теплоносителя в сопле [4].
Способ автоматического управления теплопотреблением представлен на рис. 2 и осуществляется так: в исходном состоянии теплоноситель от источника тепла 1 через последовательно соединённые теплорегулятор 2, систему отопления здания 3 и блок измерения температуры теплоносителя в обратной магистрали 4 возвращается в источник тепла 1. Предохранительный клапан 8 теплорегулятора 2, помимо своей основной функции устранения гидравлических ударов при закрытии нормально открытого электромагнитного клапана 7, используется также для обеспечения байпасного канала подачи теплоносителя в систему отопления здания 3.
Рис. 2. Способ автоматического управления теплопотреблением (1 — источник тепла; 2 — теплорегулятор; 3 — система отопления; 4 — блок измерения температуры обратной сетевой воды; 5 — блок управления; 6 — блок измерения температуры наружного воздуха; 7 — электромагнитный клапан; 8 — предохранительный клапан)
В результате в системе отопления здания 3 циркуляция теплоносителя не прерывается никогда, а расход теплоносителя изменяется нормально открытым электромагнитным клапаном 7. Блок управления 5 управляет работой теплорегулятора 2 на основе информации о температуре наружного воздуха температуры теплоносителя обратной магистрали [5].
Достоинствами данного способа являются возможность обеспечения теплоснабжения в резервном режиме работы при нарушении электроснабжения потребителей и низкая энергоёмкость.
Одним из эффективных способов повышения эффективности теплоснабжения систем горячего водоснабжения зданий при открытых системах теплоснабжения является схема, предусматривающая подогрев холодной водопроводной воды подаваемой в систему ГВС здания сетевой водой, охлаждённой в теплообменниках системы отопления. В зданиях установлены дополнительные теплообменники для предварительного подогрева водопроводной подогрева воды на 10–15°C. Это мероприятие позволяет снизить расход горячей сетевой воды, подаваемой в здания из прямой линии теплосети теплоносителя, снизить температуру обратной сетевой воды, возвращаемой на ТЭЦ, и увеличить выработку электроэнергии на тепловом потреблении за счёт снижения давления пара в теплофикационных отборах турбин ТЭЦ. Чаще всего в закрытых системах теплоснабжения применяются схемы теплоснабжения жилых зданий с применением зависимой системы с двухступенчатым теплообменником подогрева воды для ГВС и с элеваторной системой отопления, а также закрытая схема с двухступенчатым теплообменником ГВС и независимой системой отопления.
Прототипом этих схем является закрытая зависимая система ГВС с трёхступенчатым теплообменником (рис. 3). Она содержит теплоэлектроцентраль (ТЭЦ) 1, трубопровод прямой линии теплосети 2, трубопровод обратной линии теплосети 3, прямой трубопровод 4 внутридомовой системы теплоснабжения, регулирующий вентиль 5, обратный трубопровод 6 внутридомовой системы теплоснабжения, трубопровод подачи горячей воды 7, подогреватель ГВС 11, состоящий из третьей 8, второй 9 и первой 10 ступеней, трубопровод ГВС 12, водоразборные краны ГВС 13, трубопровод подогретой водопроводной воды 14, задвижку 15, трубопровод обратной воды 16, квартирный тепловой пункт ГВС 17, подогреватели системы отопления 18, запорные задвижки 19, трубопровод ХВС 20 и регулирующий вентиль 21.
Рис. 3. Закрытая зависимая система ГВС с трёхступенчатым теплообменником
В отопительный период работы закрытой системы теплоснабжения сетевую воду от ТЭЦ 1 подают по трубопроводу прямой линии теплосети 2 в прямой 4 трубопровод внутридомовой системы теплоснабжения и через открытые запорные задвижки 19 в подогреватели системы отопления 18. Меньшую часть сетевой воды из прямого трубопровода 4 направляют по трубопроводу подачи горячей воды 7 в трёхступенчатый подогреватель горячего водоснабжения 11, охлаждают в поверхностях теплообмена его ступеней 10, 9 и 8, нагревая в них холодную водопроводную воду. В воду, частично охлаждённую в первой ступени 10 этого подогревателя, подают сетевую воду из обратного трубопровода 6 по трубопроводу обратной воды 16, охлаждённую в подогревателях системы отопления 18. Задвижка 15 открыта. Холодную воду направляют по трубопроводу ХВС 20 в подогреватель ГВС 11, нагревают в ступенях 8, 9 и 10 и по трубопроводу ГВС 12 подают к водоразборным кранам ГВС 13. Часть этой воды нагревают на 10–15°C в ступени 8 подогревателя ГВС 11, используя теплоту сетевой воды, и также направляют к водоразборным кранам ГВС 13. Сетевую воду, охлаждённую в подогревателе ГВС 11 и в подогревателях системы отопления 18, направляют на ТЭЦ 1 через обратный трубопровод 6 внутридомовой системы теплоснабжения и трубопровод обратной линии теплосети 3. Холодную воду по трубопроводу ХВС 20 направляют в подогреватель ГВС 11, нагревают в ступенях 8, 9 и 10 и по трубопроводу ГВС 12 подают к водоразборным кранам ГВС 13. При работе закрытой системы в неотопительный период года с тепловой нагрузкой ГВС закрывают запорные задвижки 19 и отключают подогреватели системы отопления 18. Закрывают задвижку 15 и прекращают подачу обратной сетевой воды в подогреватель ГВС 11. Сетевую воду из прямого трубопровода 4 подают по трубопроводу подачи горячей воды 7 в трёхступенчатый подогреватель ГВС 11, а нагретую в его ступенях водопроводную воду подводят по трубопроводу ГВС 12 к водоразборным кранам ГВС 13. Часть водопроводной воды, подогретой в ступени 8 теплом сетевой воды на 10–15°C, направляют к водоразборным кранам ГВС 13. Запорную задвижку 15 закрывают и прекращают подвод обратной сетевой воды по трубопроводу обратной воды 16.
Преимуществом этой схемы является снижении расхода горячей воды, подаваемой в здание, одновременно со снижением затрат потребителей здания на горячую воду. Расчётный анализ показал, что трёхступенчатая схема подогрева воды, подаваемой в систему ГВС, имеет преимущество перед известными схемами теплоснабжения зданий из закрытых систем теплоснабжения. Так, при температуре горячей сетевой воды 70°C её расход применительно к этой схеме снижается на 20%, что уменьшает расход сетевой воды, забираемой из теплосети, позволяет подключать к ней дополнительные здания, понижать температуру обратной сетевой воды и увеличивать выработку электроэнергии на тепловом потреблении ТЭЦ.
С учётом разнообразия и индивидуальных особенностей вариантов перевода открытых систем теплоснабжения на закрытую схему, выбор приоритетного варианта также целесообразно выполнять на основании технико-экономического обоснования с учётом следующих факторов: способа и графика регулирования отпуска тепла; типа источника теплоснабжения; уровня тепловых нагрузок на отопление, вентиляцию и ГВС; существующих схем присоединения теплопотребляющих установок; наличия места для размещения теплового пункта и пр.
Таким образом, системы теплоснабжения городов, спроектированные и построенные в прошлом веке, нуждаются в модернизации: старение оборудования приводит к росту затрат на его обслуживание и ремонт, увеличивает потери тепловой энергии и расход топлива, ухудшает экологическую обстановку и приводит к увеличению себестоимости производства электроэнергии и тепла.
Выполнение такой масштабной работы, как технико-экономическое обоснование выбора технических решений по переводу открытых систем теплоснабжения на закрытую схему для каждого потребителя, сопряжено с необходимостью сбора и обработки значительного массива исходных данных, оценки влияния мероприятий по модернизации тепловых пунктов на другие элементы системы теплоснабжения, учёта сопутствующих мероприятий и межотраслевой синхронизации работ в сферах теплоснабжения, водоснабжения и водоотведения, электроснабжения. Для решения поставленной задачи в рамках разработки и актуализации схем теплоснабжения предусмотрена разработка отдельного раздела «Предложения по переводу открытых систем теплоснабжения (горячего водоснабжения) в закрытые системы ГВС» в [6]. Комплексная модернизация тепловых пунктов потребителей позволит значительно повысить эффективность потребления тепловой энергии и послужит катализатором дальнейших преобразований в отрасли.
