Автор П.В. Ротов, доцент, к. т. н., Ульяновский государственный технический университет

В настоящее время в отечественных системах теплоснабжения практически повсеместно нарушаются принципы качественного регулирования. Анализ показывает, что реальным выходом из сложившей ситуации является перевод систем теплоснабжения на централизованное количественное и качественно- количественное регулирование. Техникоэкономическое сравнение показало, что эти способы обладают рядом преимуществ перед качественным регулированием. Внедрение новых способов регулирования позволит существенно повысить надежность и качество работы систем теплоснабжения.

В настоящее время в отечественном теплоснабжении сложилась ситуация, когда практически повсеместно нарушаются основные принципы центрального качественного регулирования. Происходит существенное снижение качества и экономичности работы централизованных систем теплоснабжения. На этом фоне повышается привлекательность децентрализованных систем теплоснабжения, которые обладают меньшей термодинамической эффективностью по сравнению с централизованными. Так, крупные предприятия строят на своей территории промышленные котельные и миниТЭЦ, автономные теплоисточники широко используются при строительстве жилых и общественных зданий.

Анализ работы крупных систем теплоснабжения многих городов позволяет утверждать, что в будущем возврат к прежним высокотемпературным графикам работы теплосети практически невозможен. С другой стороны, реализация низкотемпературного теплоснабжения при качественном регулировании очень сложна, т.к. подразумевает увеличение расхода сетевой воды в теплосетях, что требует дополнительных капитальных и энергетических затрат в системах теплоснабжения. В первую очередь увеличится стоимость передачи тепловой энергии. Рост тарифов на транспорт тепловой энергии приведет, в свою очередь, к увеличению стоимости коммунальных услуг для потребителей.

Для повышения качества, надежности и экономичности работы теплоисточников, тепловых сетей и абонентских систем необходима корректировка принципов отечественного теплоснабжения, в частности, ее положений, касающихся регулирования тепловой нагрузки, сформулированных в 50-е годы.

При разработке новой концепции отечественного теплоснабжения необходимо в полной мере использовать положительный опыт зарубежных стран по выходу из энергетического кризиса 70-x годов. Существенные результаты по энергосбережению в системах теплоснабжения зарубежных стран были достигнуты, прежде всего, за счет централизации теплоснабжения, применения комбинированной выработки тепловой и электрической энергии на ТЭЦ, технической модернизации всех составляющих системы теплоснабжения, 100%-ной автоматизации абонентских установок [1].

Одним из путей преодоления сложившейся ситуации в отечественной теплоэнергетике является низкотемпературное теплоснабжение при количественном и качественно-количественном регулировании тепловой нагрузки на тепловых источниках.

Анализ показал, что в прошлые годы внедрению качественного способа регулирования способствовали низкие цены на топливноэнергетические ресурсы, и отсутствие в связи с этим острой необходимости энергосбережения в энергетической отрасли. Кроме того, количественное и качественно-количественное регулирование тепловой нагрузки не получило широкого распространения в отечественном теплоснабжении изза несовершенства или отсутствия приборов автоматического регулирования. В настоящее время в связи с радикально изменившимися экономическими условиями и появившимися новыми техническими возможностями внедрение в системах теплоснабжения этих способов регулирования позволяет добиться существенного энергосберегающего эффекта, повысить качество теплоснабжения.

Применяемое на отечественных теплоисточниках качественное регулирование тепловой нагрузки предусматривает последовательное включение основных сетевых подогревателей и пиковых водогрейных котлов.

При последовательном включении теплофикационного оборудования значительно снижается надежность и экономичность работы пиковых котлов, что приводит к понижению эффективности всей системы теплоснабжения в целом [2]. Таким образом, надежность и экономичность работы систем теплоснабжения при качественном регулировании тепловой нагрузки непосредственно связаны с эффективностью работы пиковых источников тепловой мощности — пиковых водогрейных котлов.

Одним из направлений повышения эффективности работы пиковых водогрейных котлов является включение водогрейных котлов в замкнутый контур двухконтурных схем. В таких схемах режим работы водогрейного котла определяет режим работы системы теплоснабжения. Разработанные на кафедре ТГВ УлГТУ технические решения [3, 4] направлены на повышение надежности работы замкнутого контура, что обеспечивается подпиткой замкнутого контура добавочной питательной водой или водой, которую отбирают после деаэратора питательной воды. Разработана методика расчета температурного графика замкнутого контура водогрейных котлов. Параметры этого графика необходимо учитывать при обосновании целесообразности применения двухконтурных схем. В работах [1, 5] показано, что в будущем в отечественных системах теплоснабжения все большее распространение получат способы количественного и качественно-количественного регулирования тепловой нагрузки. Достоинствами количественного и качественно-количественного регулирования тепловой нагрузки являются: увеличение выработки электроэнергии на тепловом потреблении за счет понижения температуры обратной сетевой воды; возможность применения недорогих методов обработки подпиточной воды; значительная экономия электроэнергии на транспорт теплоносителя за счет ограничения времени работы теплосети с максимальным расходом сетевой воды; снижение количества коррозионных повреждений трубопроводов за счет поддержания температуры сетевой воды в подающей магистрали теплосети постоянной; меньшая инерционность регулирования тепловой нагрузки; наилучшие показатели по режиму систем отопления (см. таблицу).

На кафедре ТГВ УлГТУ разработаны технологии количественного и качественно-количественного регулирования тепловой нагрузки [6, 7]. Сущность и новизна предложенных технологий заключается в параллельном включении пиковых водогрейных котлов и сетевых подогревателей, позволяющем снизить затраты на водоподготовку, увеличить выработку электроэнергии на тепловом потреблении (рис. 1).

При количественном регулировании температуру сетевой воды в подающей магистрали 1 поддерживают постоянной. Устанавливают ее исходя из средней температуры насыщения пара верхних отопительных отборов теплофикационных турбин tво с учетом средней величины недогрева воды в верхних сетевых подогревателях:

Расход сетевой воды в базовой части графика регулирования тепловой нагрузки Q = f(tн) регулируют изменением количества включенных сетевых подогревателей, а в пиковой части графика, при включенных сетевых подогревателях всех турбин, расход сетевой воды регулируют изменением количества водогрейных котлов, включенных параллельно сетевым подогревателям [6].

При качественно-количественном регулировании в базовой части графика Q = f(tн) осуществляют центральное качественное регулирование тепловой нагрузки путем изменения температуры сетевой воды, циркулирующей только через сетевые подогреватели, а после полной загрузки сетевых подогревателей, в пиковой части графика Q = f(tн), осуществляют качественно количественное регулирование тепловой нагрузки, для чего увеличивают расход сетевой воды за счет подачи ее в водогрейные котлы, включенные параллельно сетевым подогревателям [7].

Регулирование температуры общего потока сетевой воды, подаваемой потребителям, в обоих случаях производят по пониженному температурному графику теплосети 110/70 °С (вместо традиционно применяемого в известных способах графика 150/70 °С) в первую очередь за счет изменения тепловой нагрузки сетевых подогревателей и во вторую очередь — за счет изменения нагрузки водогрейных котлов. Выбор температурного графика обусловлен тем, что при давлении пара в верхних отопительных отборах 0,15-0,2 МПа с температурой насыщения 115- 120 °С и величине недогрева воды в верхних сетевых подогревателях 5 °С, температура сетевой воды в подающей магистрали тепловой сети будет равна 1 = 110- 115 °С. Утечки воды из теплосети компенсируются подпиточной водой, которая благодаря пониженному температурному графику работы теплосети подвергается противонакипной обработке по упрощенной технологии.

Разработаны методики расчета количественного и качественно-количественного регулирования тепловой нагрузки [1, 5, 9]. В основу методик расчета положено уравнение гидравлики, связывающее потери напора в теплосети с расходами воды на отопление и горячее водоснабжение. Существенной особенностью предложенных методик является учет влияния нагрузки горячего водоснабжения на работу систем отопления.

Построенные зависимости можно использовать в качестве графиков регулирования при осуществлении количественного (рис. 2) и качественно-количественного регулирования нагрузки в открытых системах теплоснабжения.

При количественном и качественно-количественном регулировании организацию переменного расхода воды в теплосети необходимо сопровождать автоматизацией и гидравлической защитой местных отопительных систем. Разработанные в НИЛ ТЭСУ способы автоматизации и защиты с установкой регулятора расхода на обратнойлинии и регулятора давления на подающей линии отопительной системы наиболее точно отвечают принципам количественного и качественно-количественного регулирования, позволяют создать у всех абонентов пропорциональную разрегулировку, устранить влияние отбора воды на горячее водоснабжение на работу системы отопления, осуществить гидравлическую защиту местной системы отопления (рис. 3) [10].

Технико-экономическое исследование основных технических параметров систем теплоснабжения позволило доказать целесообразность перевода систем теплоснабжения на новые технологии регулирования тепловой нагрузки.

Значительная экономия топливно-энергетических ресурсов при количественном и качественно-количественном регулировании достигается за счет увеличения электрической мощности развиваемой, турбинами ТЭЦ на тепловом потреблении, а также за счет снижения расхода электроэнергии на транспорт теплоносителя.

Пониженный температурный график теплосети позволяет подготовку подпиточной воды производить по упрощенной технологии, например, путем дозирования в сетевую воду ингибитора отложения минеральных солей (ИОМС).

При этом максимальное снижение капитальных затрат в водоподготовительное оборудование для подпитки теплосети возможно в 5 раз, а эксплуатационных издержек — в 15 раз. Высокоэкономичным мероприятием является применение преобразователей частоты в системах теплоснабжения, установка которых к значительной экономии электроэнергии (20- 60%), потребляемой насосным оборудованием. Срок окупаемости такого оборудования составляет 1,1- 6,1 года.

Технико-экономические расчеты показывают, что приведенные затраты в системы теплоснабжения при реализации количественного регулирования тепловой нагрузки на 40-50% меньше затрат при качественном регулировании тепловой нагрузки.

Выводы

1. В настоящее время возврат к широко применявшемуся в прошлые годы температурному графику 150/70 °С практически невозможен. Реализация централизованного низкотемпературного теплоснабжения при качественном регулировании тепловой нагрузки потребует значительных капитальных и энергетических затрат в системах теплоснабжения;
2. Предложены усовершенствованные технологии  реализации качественного регулирования тепловой нагрузки, позволяющие существенно повысить эффективность работы систем теплоснабжения за счет повышения надежности и экономичности работы пиковых источников тепловой мощности на ТЭЦ. Разработана методика расчета температурного графика замкнутого контура водогрейных котлов в двухконтурных схемах теплоисточников открытых систем теплоснабжения.
3. На основе анализа современного состояния регулирования тепловой нагрузки, результатов обследования систем теплоснабжения, зарубежного опыта энергосбережения в системах теплоснабжения сделан вывод о целесообразности преимущественного применения в отечественных системах теплоснабжения количественного и качественно количественного регулирования тепловой нагрузки.
4. Для реализации количественного и качественно количественного регулирования предложены новые схемы тепловых электрических станций, основной особенностью которых является параллельное включение пиковых водогрейных котлов и сетевых подогревателей теплофикационных турбин.
5. Разработаны методики расчета количественного и качественно-количественного регулирования открытых систем теплоснабжения, существенной особенностью которых является учет влияния нагрузки горячего водоснабжения на работу систем отопления при переменном расходе воды в теплосети.
6. Разработан ряд технических решений по стабилизации гидравлического режима местных абонентских систем при переменном расходе воды в теплосети. Предложенные схемы автоматизации абонентских систем позволяют одновременно организовать местное количественное регулирование тепловой нагрузки и гидравлическую защиту систем отопления. Полная автоматизация абонентских установок способствует перенесению основной доли регулирования на местные системы. Роль центрального регулирование на ТЭЦ в перспективе будет заключаться в корректировке режимных параметров в зависимости от параметров на абонентских вводах.
7. В результате технико-экономического исследования технологий количественного и качественноколичественного регулирования тепловой нагрузки систем теплоснабжения установлено, что их реализация обеспечивает снижение приведенных затрат на 40-50% по сравнению с качественным регулированием.

Наибольшая экономия при реализации количественного и качественно-количественного регулирования тепловой нагрузки достигается за счет снижения затрат в водо-подготовительное оборудование ТЭЦ, снижения затрат на транспорт теплоносителя и увеличения электрической мощности, развиваемой турбоустановками на тепловом потреблении. ■

Литература
1. Шарапов В.И., Ротов П.В. Технологии регулирования нагрузки систем теплоснабжения. — Ульяновск: УлГ-ТУ, 2003. — С. 160.
2. Шарапов В.И., Орлов М.Е. Пиковые источники теплоты систем централизованного теплоснабжения. — Ульяновск: УлГТУ, 2003. — С. 160.
3. Патент 2159336 (RU). МПК F 01 К 17/02. Тепловая электрическая станция. Шарапов В.И., Орлов М.Е., Ротов П.В. // Бюллетень изобретений. — 2000. — № 32.
4. Патент 2159337 (RU). МПК F 01 К 17/02. Тепловая электрическая станция. Шарапов В.И., Орлов М.Е., Ротов П.В. // Бюллетень изобретений. — 2000. — № 32.
5. Шарапов В.И., Ротов П.В. О регулировании нагрузки открытых систем теплоснабжения // Промышленная энергетика. — 2002. — № 4. — 46-50 с.
6. Патент 2159393 (RU). МПК F 24 D 9/02. Способ работы системы теплоснабжения. Шарапов В.И., Орлов М.Е., Ротов П.В. // Бюллетень изобретений. — 2000. — № 32.
7. Патент 2174610 (RU). МПК F 01 К 17/02. Способ работы тепловой электрической станции. Шарапов В.И., Орлов М.Е., Ротов П.В. // Бюллетень изобретений. — 2001. — № 13.
8. Шарапов В.И., Ротов П.В., Орлов М.Е. Количественное регулирование нагрузки открытых систем теплоснабжения на ТЭЦ // Известия Вузов. Проблемы энергетики. — 2001. — № 7-8. — 31-40 с.
9. Sharapov V.I., Rotov P.V., Orlov M.E. Quantitative regulation of loading of heat supply systems// Russian national symposium on power engineering. — Kazan: Kazan State Power Eng. University. — 2001. — Volum V.
10. Патент 2190164 (RU). МПК F 24 D 19/10, 3/02. Система отопления. Шарапов В.И., Ротов П.В., Ямлеева Э.У. // Бюллетень изобретений. — 2002. — № 27.