Системы комбинированной выработки теплоты и электроэнергии, объединенные с системами централизованного теплоснабжения

Сравнение систем большой и малой мощности

J. Overgaard, P. Woods, O. Riley, Великобритания

Один из проектов – исследование под названием «Сравнение рас-пределенных децентрализованных и крупных систем комбинированной выработки теплоты и электроэнергии и систем централизованного тепло-снабжения».

Оно проводилось специалистами Великобритании, Дании, Нидерландов, Финляндии, Канады.

В исследовании анализировались две схемы теплоэлектроцентралей, объединенные с системой централизованного теплоснабжения:

1. Первая схема основана на использовании крупной теплоцентрали, подключенной к сети централизованного теплоснабжения. Эта схема применяется в Cкандинавских странах, в странах Восточной Европы и в Южной Корее.

2. Во второй схеме используются распределенные децентрализованные системы комбинированной выработки теплоты и электроэнергии и системы централизованного теплоснабжения с большим числом установок малой мощности. Такая схема применяется в Нидерландах, Великобритании и даже в небольших населенных пунктах Дании, где все-таки в основном используется первая схема. Обе эти схемы анализируются с позиции экономичес-ких преимуществ, экологической безопасности и других значимых параметров.

Рисунок 1 (подробнее)   График потребления теплоты модельным городом (по месяцам и по дням)

Модельный город

Для анализа всего спектра систем комбинированной выработки теплоты и электроэнергии – от индивидуальных местных установок до общегородских схем систем комбинированной выработки теплоты и электроэнергии, объединенных с системами централизованного теплоснабжения – в данном исследовании были рассмотрены четыре варианта компоновки систем (четыре различных уровня).

Системы каждого из этих четырех вариантов предназначены для снабжения потребителей теплотой и электричеством. На начальном этапе задачей исследователей было определение города, который мог бы быть принят в качестве объекта для дальнейшего моделирования (далее – модельный город).

Масштаб города, определяемый количеством проживающих в нем жителей, устанавливался по данным 500 самых крупных городов Европы. Для модельного города были взяты усредненные данные по трем городам Великобритании, в которых проживает от 250 до 500 тысяч жителей.

Проектная группа исследователей обладала информацией о типе и общей площади зданий для каждого округа (в км²), что позволило оценить потребность в теплоте и электрической энергии.

Эта информация также дала возможность определить разброс в потреблении энергии, обусловленный, например, тем, что центральная часть города имеет большую плотность теплопотребления, чем остальные рай-оны.

Учитывались неравномерность потребления теплоты в течение года и в течение суток (на 24-часовом интервале времени), в результате чего были построены используемые в модели графики потребления теплоты и электрической энергии. Предполагалось, что модельный город имеет подключение к сети газоснабжения и к государственной сети электроснабжения.

На рис. 1 показан теоретичес-кий график потребления теплоты модельным городом.

Четыре модели комбинированных систем тепло- и энергоснабжения

Как уже упоминалось выше, в рамках двух схем обеспечения модельного города теплотой и электрической энергией рассматривались четыре варианта компоновки систем тепло- и энерго-снабжения.

Каждый из этих вариантов характеризовался выбранной технологией комбинированной выработки теплоты и электроэнергии и, следовательно, масштабом и схемой системы централизованного теплоснабжения, а в одном из вариантов предполагалось полное отсутствие сети централизованного теплоснабжения.

Таким образом, рассматривались следующие четыре варианта компоновки:

– компоновка А – общегородская;

– компоновка В – районная;

– компоновка С – локальная;

– компоновка D – индивидуальная для каждого здания или небольшого комплекса зданий.

Во всех четырех вариантах компоновки в качестве топлива предполагалось использование природного газа.

Компоновка А (общегородская) – это схема с единственной крупной газотурбинной станцией с комбинированным контуром мощностью порядка 600 МВт.

Система централизованного теплоснабжения охватывает весь город и снабжает теплотой несколько распределительных сетей на уровне района. Эти распределительные сети, в свою очередь, снабжают локальные сети комплексов зданий.

Компоновка В (районная) – это схема с ограниченным числом относительно небольших газотурбинных станций с комбинированным контуром, по одной станции на каждый городской район. Мощность этих станций варьируется в диапазоне от 30 до 100 МВт.

Единая система централизованного теплоснабжения отсутствует, и теплота из каждой станции по отдельной распределительной сети подается в локальные районные сети.

Компоновка С (локальная) – это схема, основанная на большом количестве установок комбинированной выработки теплоты и электроэнергии малой мощности c газовыми двигателями и искровым зажиганием; каждая из установок снабжает теплотой локальную сеть. Мощность установок варьируется от 1 до 30 МВт.

Компоновка D (индивидуальная) – это схема, в которой каждое здание или небольшой комплекс зданий имеет собственную установку комбинированной выработки теплоты и электроэнергии (обычно с искровым зажиганием) или микротурбину. Эта схема не предполагает наличие централизованного тепло-снабжения. Мощность установок находится в диапазоне от 750 Вт до 1 МВт.

В качестве альтернативного (базового) варианта использовался вариант без установок комбинированной выработки теплоты и электроснабжения, в котором для теплоснабжения используются индивидуальные газовые котлы. В этой модели предполагается, что электрическая энергия для города вырабатывается на крупной газотурбинной станции с комбинированным контуром и подается по государственной сети электроснабжения.

Рисунок 2 (подробнее)   Схема сети централизованного теплоснабжения (компоновка А – общегородская)

Сеть централизованного теплоснабжения

Оптимальное проектирование сети централизованного теплоснабжения – важная задача, и не в последнюю очередь из-за необходимости возможно более точного прогнозирования капитальных вложений.

Пристальное внимание, которое было уделено проектной группой исследователей обоснованию схемы сети централизованного тепло-снабжения, было обусловлено особой значимостью устройства такой сети в реальной обстановке, предопределяющей в конечном итоге успех или неудачу проекта.

Моделирование схем трубопроводов сети теплоснабжения проводилось в три этапа: для сети магистральных линий передачи теплоты, для распределительных и локальных сетей теплоснабжения соответственно.

Схема общегородской системы распределения показана на рис. 2, однако необходимо отметить, что она показывает только принципиальный подход к моделированию и не является точным представлением моделируемых сетей.

Соответствующие схемы для районных и локальных сетей аналогичны, за исключением магистральных линий, а также магистральных линий и районных сетей соответственно.

Для определения общей стоимости каждой системы был выполнен ряд расчетов. Учитывались факторы, влияющие на стоимость прокладки линий теплоснабжения в данном районе и обуславливающие различия в рабочей температуре и давлении; затраты на содержание существующих служб регулирования и транспортировки; затраты в собственно трубопроводы тепловых сетей, определяющиеся различной их протяженностью; затраты на осуществление мер по удовлетворению пиковых потребностей. При этом предполагалось, что при прокладке всех линий теплоснабжения используются трубы с предварительно нанесенной теплоизоляцией. Качество труб и другие технические параметры систем теплоснабжения должны удовлетворять требованиям стандарта EN 253.

Рисунок 3 (подробнее)   Распределение по времени капитальных затрат

Сравнение вариантов

Сравнение четырех вариантов проводилось с использованием метода дисконтирования денежных потоков за весь срок службы оборудования каждого варианта.

При оценке общих капитальных затрат за весь срок службы учитывались затраты для систем комбинированной выработки теплоты и электроэнергии, сети централизованного теплоснабжения и затраты на подключение потребителей.

Принимались во внимание также эксплуатационные расходы во всех четырех вариантах.

Предполагалось, что все варианты реализовывались в течение семи лет, за время которых работы по сооружению систем комбинированной выработки теплоты и электроэнергии, сети централизованного теплоснабжения и подключению потребителей к системе теплоснабжения выполнялись от нулевого цикла строительства до полной готовности (от 0 до 100 %).

Для варианта D (индивидуального) принимался линейный сетевой график осуществления капитальных затрат и выполнения подключений потребителей к системе теплоснабжения.

Для остальных трех вариантов задавалась различная скорость деятельности, что связано с разной степенью сложности каждой системы по отношению к варианту D.

На рис. 3 и 4 показаны графики капитальных затрат и темпов подключения потребителей к системам теплоснабжения для четырех вариантов соответственно.

Рисунок 4 (подробнее)   Темпы подключения объектов (потребителей) к системам теплоснабжения (по годам)

На диаграмме видно, что в начале 7-летнего периода вариант D характеризуется наиболее интенсивными темпами подключения потребителей к системе теплоснабжения и в то же время самой низкой (по отношению к остальным трем вариантам) интенсивностью капитальных вложений.

Были выполнены расчеты, исходя из принципов:

1. Экономической эффективности – рассчитывались затраты за весь срок службы, необходимые для снабжения города теплотой и электрической энергией.

2. Экологической безопасности – сравнивалось влияние моделируемых объектов выработки теплоты и электроэнергии на окружающую среду; значение поступлений в атмосферу СО2 для всех четырех вариантов оценивалось составлением энергетического баланса. В рамках данных расчетов обсуждалась также возможность использования возобновляемых источников энергии и теплоты с целью снижения отрицательного воздействия на окружающую среду. Приводятся доводы о целесообразности использования биомассы и бытовых отходов только в больших системах комбинированной выработки теплоты и электроэнергии, таких как в рассматриваемых в этой работе вариантах А и В.

Проектная группа исследователей произвела многочисленные оценки и расчеты.

Хотя принятые исходные параметры являются типичными для стран Западной Европы, был выполнен подробный анализ для следующих четырех наиболее важных факторов:

• плотности теплоснабжения (теплопотребления);

• стоимости импортного газа и покупаемой у государства электрической энергии;

• капитальных затрат с определенной учетной ставкой;

• затрат на прокладку сетей централизованного теплоснабжения.

В проектной группе исследователей имеется понимание того, что местные условия могут значительно влиять на параметры системы. Поэтому в отчете рекомендуется, чтобы при проведении подобных исследований в отдельных странах использовались местные цены и энергетичес-кие тарифы. С другой стороны, члены проектной группы убеждены, что тенденции, которые могут быть выявлены на основании полученных результатов, являются универсальными, поэтому сделанные в результате выводы имеют общее значение.

Рисунок 5 (подробнее)   Значения чистой приведенной стоимости для каждого из четырех вариантов и для альтернативного варианта

Результаты экономических расчетов

Результаты экономических расчетов представлены значениями чистой приведенной стоимости сооружения и эксплуатации системы комбинированной выработки теплоты и электрической энергии для модельного города в целом и его районов (центра и окраин).

Значения чистой приведенной стоимости для каждого из четырех вариантов и для альтернативного варианта без установки комбинированной выработки теплоты и электроэнергии приведены на рис. 5 в виде отрицательных величин, т. к. они являются величинами затратного характера.

При расчете чистой приведенной стоимости предполагалось следующее:

– учетная ставка – 3,5 %;

– общий срок службы всей системы – 32 года;

– в результате экономии углерода не обеспечивается никакой финансовой выгоды;

– цены на энергию предполагаются постоянными.

Сравнение показывает, что вариант А (общегородской) является единственной экономически жизнеспособной моделью систем комбинированной выработки теплоты и электроэнергии.

Такой результат может быть объяснен тем фактом, что общегородская модель имеет наибольшую эффективность, и для нее необходимы сравнительно небольшие капитальные затраты на установку газотурбинной станции с комбинированным контуром, что с лихвой компенсирует более высокие расходы на сеть централизованного теплоснабжения.

В отчете обсуждаются последствия возможного варьирования цен на газ в зависимости от величины потребления, приводится также альтернативный анализ для четырех вариантов с постоянными ценами на газ. Результат представ-лен в отчете, но относительная эффективность моделей не изменилась и, соответственно, выводы остались прежними.

Выводы

Были представлены четыре различных варианта результатов исследований, представляющих весь спектр возможностей.

На одном конце спектра была представлена возможность, начинающаяся со следующего заявления: «Новые технологии мини- и микросистем комбинированной выработки теплоты и электроэнергии предоставляют значительные преимущества по сравнению со всеми другими подходами с системами комбинированной выработки теплоты и электроэнергии, объединенными с сетью централизованного теплоснабжения. Стоимость даже небольшой районной сети теплоснабжения столь велика, что она не может быть компенсирована повышением эффективности или снижением расходов на постройку крупных систем комбинированной выработки теплоты и электроэнергии».

На другом конце спектра вывод начинался следующими словами: «Исследования показали, что, не-смотря на потенциал новых технологий, наиболее экономически эффективным способом энергообеспечения города является построение крупной районной системы отопления, снабжаемой теплотой от мощной электростанции... Чем более энергоэффективной будет эта крупная электростанция, работающая на ископаемом топливе, и чем меньших капитальных затрат потребует ее сооружение, тем большие возможности будут для компенсации стоимости широкомасштабной районной сети теплоснабжения».

Последний вывод более всего согласуется с рекомендациями отчета об исследованиях, однозначно дающих предпочтение крупным системам. Однако необходимо проявлять определенную осторожность, т. к. для этих систем необходима высокая степень регулирования.

В отчете содержатся комментарии, касающиеся результатов для всех четырех вариантов, а также указываются преимущества и недостатки каждого из них, представ-ленные критериями экономической эффективности и безопасности для окружающей среды.

В отчете также перечисляется и обсуждается ряд других вопросов применимости каждой модели, таких как применение альтернативных источников теплоты, гибкость в выборе вида топлива и т. д.

Возвращаясь к предмету исследований и к анализу двух основных схем, представленных четырьмя вариантами, основной вывод звучит очень просто: крупные системы комбинированной выработки теплоты и электроэнергии, объединенные с сетью централизованного тепло-снабжения, имеют большие экономические и экологические преимущества, чем распределенные децентрализованные системы.

 

Перепечатано с сокращениями из журнала «Danish Board of District Heating».

Перевод с английского Л. И. Баранова.

Научное редактирование выполнено д-ром техн. наук, проф. О. А. Сотниковой.

Комментарий научного редактора к статье «Системы комбинированной выработки теплоты и электроэнергии, объединенные с системами централизованного теплоснабжения. Сравнение систем большой и малой мощности»

О. А. Сотникова, профессор, доктор техн. наук, Воронежский государственный архитектурно-строительный университет

 

Можно согласиться с точкой зрения, высказанной в данной статье, что тенденции, которые были выявлены на основании полученных результатов, могут являться универсальными, и сделанные выводы имеют общее значение как для стран, принимавших участие в данной программе, так и для других стран, не входящих в данный проект.

Специалистами кафедры теплогазоснабжения Воронежского государственного архитектурно-строительного университета были выполнены подобные расчеты с целью выбора варианта системы теплоснабжения в 1999 году (позднее они были подтверждены в 2003–2005 годах с учетом роста цен на энергоносители и топливо).

В качестве модельного объекта был выбран один из жилых микрорайонов города Воронежа (далее – модельный район).

Модельный район характеризуется относительно равномерной плотностью застройки.

В этом районе-новостройке расположены в основном жилые дома (преимущественно 9-этажные). Отдельные из них имеют встроенные (или пристроенные) магазины. Также имеются детские учреждения и учреждения здравоохранения, кафе, школы. Промышленные объекты или предприятия отсутствуют.

Потребная (расчетная) общая тепловая мощность системы теплоснабжения данного микрорайона на нужды отопления, вентиляции и горячего водоснабжения – 212 МВт. Рельеф местности – ровный. Топливо, на котором работают источники теплоснабжения – газообразное.

К рассмотрению принимались следующие альтернативные варианты систем теплоснабжения модельного района:

– компоновка с одним источником теплоты, расположенным в центре тепловой нагрузки микрорайона;

– компоновка с двумя источниками теплоты примерно равной тепловой мощности, каждый из которых также расположен в центре тепловой нагрузки;

– компоновка с тремя источниками теплоты примерно одинаковой тепловой мощности, каждый из которых расположен в центре своей доли тепловой нагрузки;

– компоновка с 84-мя источниками, котельными единичной тепловой мощностью 1–6 МВт, которые равномерно расположены на территории микрорайона (чаще всего такие источники теплоснабжения обслуживают 1–3 жилых здания).

Расчеты показали, что при возрастании количества источников теплоты увеличиваются единовременные капитальные затраты на их сооружение.

Структура амортизационных отчислений в целом повторяет структуру капитальных затрат. При этом с возрастанием количества источников теплоснабжения растет доля амортизации оборудования, газовых сетей, и снижается доля амортизации тепловых сетей.

Эксплуатационные расходы по 1–3 вариантам компоновки находятся примерно на равном уровне, а для четвертого варианта значительно превосходят их.

При сравнении себестоимости выработки теплоты в рассмотренных четырех вариантах был сделан вывод, аналогичный тому, к которому пришли авторы статьи «Системы комбинированной выработки теплоты и электроэнергии, объединенные с системами централизованного теплоснабжения. Сравнение систем большой и малой мощности» – в целом крупные системы выработки теплоты, объединенные с сетями централизованного теплоснабжения, имеют большие экономические и экологические преимущества, чем распределенные децентрализованные системы.