Энергетика крупных городов

Cовременное состояние и развитие

С. В. Селянкин, заместитель главного инженера по электротехнической части «Московской объединенной энергетической компании» (МОЭК)

Решая стратегические задачи энергоснабжения, энергетика развитых стран прогрессирует в следующих основных направлениях:

- создание высокоэкономичных энергоблоков со сверхкритическими параметрами пара для работы по определенному графику нагрузки с возможностью более полной автоматизации технологических процессов;

- повышение экономичности и совершенствование структуры топливно-энергетического хозяйства электрической и тепловой энергии;

- повышение надежности защиты окружающей среды от вредного воздействия электростанций.

Наша страна, ее города находятся в зоне суровых климатических условий. Для поддержания жизнедеятельности требуются значительные расходы электроэнергии и тепла. Поэтому основой энергоснабжения городов является теплофикация, т. е. энергоснабжение на базе комбинированной или совместной выработки и тепловой, и электрической энергии в одной установке. Длительный отопительный период, преобладание в жилищном строительстве компактных многоквартирных домов и наличие большого теплопотребления в промышленности создали благоприятные условия для выработки электроэнергии на тепловом потреблении. Почти все крупные города России имеют систему центрального теплоснабжения. В 2005 году электротеплоснабжение Москвы в основном осуществлялось от 14 ТЭЦ, суммарная электрическая мощность которых составляла около 11 тыс. МВт и тепловая – 304 тыс. Гкал/ч, и от 41 крупной районной тепловой станции с суммарной тепловой мощностью 14,5 тыс. Гкал. Основную нагрузку на теплоэлектроцентралях несут мощные теплофикационные блоки с турбинами Т-250 и Т-110.

Однако применение паротурбинных ТЭЦ характеризуется высокой капиталоемкостью, длительностью строительства, значительным объемом строительных и монтажных работ, неэффективным использованием больших участков дорогой городской территории, а также приводит к необходимости передавать тепло на значительные расстояния и снижает надежность теплоснабжения городов. Выход из строя даже одной тепловой магистрали большого диаметра может лишить отопления и горячей воды район примерно в 200–300 тыс. чел. Ужесточающиеся нормативы по поддержанию чистоты воздуха в городах приводят к требованию вынесения новых ТЭЦ за пределы городов. Однако это лишь частично решает проблему и ведет к появлению сверхмощных тепловых магистралей длиной до 20–30 км, что дополнительно увеличивает капиталовложения и снижает надежность теплоснабжения. Летом, когда тепловая нагрузка снижается, остается только горячее водоснабжение, примерно до 20 % от максимального теплоснабжения, турбины ТЭЦ вырабатывают электроэнергию в конденсационных нерасчетных для них режимах, т. е. при удельном расходе топлива существенно худшем, чем на конденсационных электростанциях. В результате, значительная часть экономии от принципа теплофикации уменьшена из-за перерасходов топлива вследствие нерациональной загрузки электрических мощностей и размещения ТЭЦ.

К этому добавилось и то, что начальные параметры паротурбин 130 и 240 атм за последние 40 лет не менялись, а происходил только рост единичной мощности установок. В результате, рост эффективности за счет повышения параметров пара практически прекратился. Для повышения эффективности комбинированного производства необходим пересмотр основных положений стратегии и развития энергетики страны и рационализация теплофикации. Появление новых технологий производства электроэнергии, таких как газотурбинные и парогазовые установки, дает возможность расширить пределы использования теплофикации, применять комбинированные установки на базе газотурбинных установок для реконструкции котельных и превращения их в мини-ТЭЦ. Наряду с прямой экономией топлива, установка в котельных электрогенерирующего оборудования позволяет значительно повысить надежность теплоснабжения, т. к. в этом случае производимая электроэнергия используется и для собственных нужд котельных. Кроме этого, производство электроэнергии непосредственно на месте потребления значительно сократит ее потери в сетях, что является дополнительным положительным эффектом установки электрогенерирующего оборудования в котельных. Газотурбинные, газопоршневые и парогазовые ТЭЦ, ориентированные на обслуживание потребителей с типовыми нагрузками малой и средней концентрации до 10–50 Гкал/ч, осуществляющие комбинированную выработку тепловой и электрической энергии, но работающие по тепловому графику, когенерация, могут обеспечивать, в первую очередь, децентрализованный сектор теплоснабжения. Возможна реконструкция части районных отопительных и промышленных котельных, где это возможно и экономически оправдано, в ТЭЦ малой мощности. В результате, в процессе развития теплофикации и когенерации будет возрастать доля независимых ОАО-производителей электроэнергии тепла, увеличится конкуренция производителей электрической и тепловой нагрузки. Необходимо переходить на новую концепцию теплоснабжения, когда природный газ должен направляться в первую очередь на цели теплоснабжения с использованием его для выработки электроэнергии на первой стадии в газотурбинных установках, а затем с утилизацией отходящего от турбин тепла в котлах-утилизаторах. Такие надстройки ГТУ над любыми более или менее крупными теплогенераторами воды и пара являются высокоэкономичными даже в регионах с дешевым газом. Конечно, конкретные решения будут зависеть от местных условий. Но как показали исследования, любая система теплоснабжения, имеющая максимальную расчетную тепловую нагрузку более 10–20 Гкал/ч, при графике тепла потребления, типичном для климатических условий Москвы, будет рентабельна для надстройки ГТУ. Основанный на вышеприведенных критериях масштаб внедрения энергетических надстроек на котельных должен привести к росту высокоэкономичной выработки электроэнергии на тепловом потреблении. Если надстроить ГТУ хотя бы в 40 % котельных средней мощности и 80 % крупных котельных в европейской части страны, то это обеспечило бы дополнительную выработку электроэнергии порядка 150 млрд кВт•ч/год.

К сожалению, страна, находящаяся на первом месте по добыче природного газа, развитию магистральных газопроводов и располагающая самыми крупными ресурсами газа, занимает одно их последних мест по применению газотурбинных установок в энергетике. В последние годы произошли существенные сдвиги в развитии ГТУ. Были усовершенствованы методы расчета тепловых схем и эле-менты газотурбинных установок и парогазовых с применением математического моделирования и компьютерной техники. В настоящее время значительное внимание уделяется прогрессивным технологиям сжигания топлива в камерах сгорания ГТУ и улучшения экологических показателей установок. При создании газовых турбин используются новые материалы, улучшающие системы охлаждения их элементов, применяются конструктивные схемы с повышенным значением давления воздуха после компрессора, с его промежуточным охлаждением, промежуточным перегревом в газовых турбинах, используются регенеративные циклы и схемы вспрыска пара и воды в ГТУ. Все большее внимание привлекают вопросы рационального использования вторичных энергетических ресурсов, в том числе и сжатого природного газа, подаваемого из магистральных газопроводов ОАО «Газпром». В случае использования специальных турбоагрегатов на базе газорасширительных турбин энергию газа можно использовать и для выработки электроэнергии. При этом сжигание газа не требуется. По оценке специалистов различных организаций, в результате использования таких установок можно получить прирост мощности конкретных ТЭЦ на 1–2 %. Анализ показал, что только на ТЭЦ Мосэнерго суммарная мощность детандер-генераторного агрегата может достигнуть 120–140 МВт, что составит 1 % суммарной мощности вырабатываемой ТЭЦ Мосэнерго.

Москва является стремительно развивающимся мегаполисом. Правительством Москвы реализуется ряд программ, направленных на социально-экономическое и градостроительное развитие города, в соответствии с которыми решается одна из острейших социальных проблем, связанных со сносом ветхого пятиэтажного жилого фонда. Возводятся высотные многофункциональные комплексы вдоль третьего транспортного кольца столицы. И благодаря этому будет создана система новых общественных центров города на месте его бывших промышленных окраин и микрорайонов массовой застройки периода 1950–1960 годов.

Развитие энергетического хозяйства зачастую отстает от темпов роста строительства жилья. Так, в последнее время уровень прироста энергетических нагрузок в Москве и Московской области составляет около 4 %. Для покрытия этих нагрузок и создания благоприятных условий сбалансированного развития города Правительством Москвы осуществляется программа ввода новых мощностей. Согласно этой программе в городе до 2010 года предполагается ввести дополнительно около 3 млн кВт на объектах городского хозяйства и 1,5 млн кВт в ОАО «Мосэнерго» на основе внедрения парогазовых и газотурбинных установок.

За период с января 2004 по июнь 2005 годов в Москве введены в работу газотурбинные установки суммарной электрической мощностью 36 МВт и тепловой – 72 Гкал/ч на РТС «Курьяново», «Люблино», «Пенягино». Ведется строительство парогазовых установок на РТС в Строгино суммарной электрической мощностью 260 МВт. Начато строительство ГТУ на РТС в г. Зеленограде и Солнцево. Вместе с развитием генерации, учитывая высокую плотность застройки города и повышение энергоемкости вновь вводимых объектов, целесообразно осуществить перевод схем электроснабжения на напряжение 20 и 220 кВ. Это решение уже реализовано на застройке Ходынского поля и Московского международного делового центра.

Таким образом, основными направлениями в развитии энергетики крупных городов на сегодняшний день является внедрение экономичных, эффективных технологий электро- и теплогенерации, повышение надежности электротеплоснабжения города, внедрение энергосберегающих технологий, применение материалов и оборудования, обеспечивающих повышенные сроки их эксплуатации.