автореферат диссертации по энергетике, 05.14.01, диссертация на тему:Повышение эффективности энергоснабжения ЖКХ путем перевода котельных в режим комбинированной выработки тепла и электроэнергии

П-5

1749 ^ с

На правах рукописи

НЕКРАСОВ Сергей Александрович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ЖКХ ПУТЕМ ПЕРЕВОДА КОТЕЛЬНЫХ В РЕЖИМ КОМБИНИРОВАННОЙ ВЫРАБОТКИ ТЕПЛА И ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Специальность: 05.14.01 - Энергетические системы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва —2011

/

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский университет «МЭИ» на кафедре Электроснабжения промышленных предприятий.

Ня\лтнтлй ггокгтопитеп»,:

доктор технических наук. ппоАессоп Кудрин Борис Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Агабабов Владимир Сергеевич

кандидат технических наук Салихов Азат Ахсанович

Ведущая организация:

ОАО «ВНИПИэнергопром»

Защита состоится «15» декабря 2011 г. в 12:00 на заседании Диссертационного совета Д 212.157.14 при Московском энергетическом институте по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, 17, ауд. Б-205.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан «14» ноября 2011 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент ' л Зверьков В.П.

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА 2011

Актуальность работы обусловлена необходимостью принятия неотложных мер повышения надежности и эффективности энергообеспечения экономики Российской Федерации. Энергоэффективность и энергосбережение входят в 5 стратегических направлений приоритетного технологического развития, обозначенных президентом России Д.А. Медведевым на первом заседании Комиссии по модернизации и технологическому развитию экономики России 18.06.2009 г. На энергоснабжение населения в Российской Федерации расходуется более 47 % тепловой и 23 % электрической энергии. Характерной закономерностью последнего десятилетия является рост доли потребления тепловой энергии населением с 43,8 до 47,1 % на фоне практически неизменного суммарного потребления тепла в стране.

Расходы на теплоснабжение в структуре потребления энергии и топлива населением значительно выше в России, чем в других странах (Канада, страны Скандинавского полуострова) даже при условии аналогичного количества градусо-суток отопительного периода. Высокий сегодняшний уровень и дальнейший рост доли затрат населения на оплату ЖКХ требует перехода на технологические решения, позволяющие снизить себестоимость производства тепловой энергии, что определяет актуальность работы.

Комбинированная выработка электрической и тепловой энергии — это наиболее эффективный способ экономии топлива как в жилипдао-коммунальном хозяйстве, так и в промышленности. Но в настоящее время в комбинированном режиме энергия производится практически только на паротурбинных теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) в крупных городах. Значительная часть централизованного производства тепловой энергии (48,9 %) вырабатывается в котельных, которые не только Не производят электроэнергию, но и являются ее крупными потребителями в сфере ЖКХ. Доля тепла, производимая без выработки электроэнергии, составляет 63,4 % (с учетом децентрализованного теплоснабжения от непромышленных изолированных котельных мощностью менее 20 Гкал/ч и тепла, получаемого на индивидуальных теплогенераторах).

С другой стороны, развитие комбинированной выработки тепловой и электрической энергии при использовании существующей инфраструктуры котельных позволит наименее капиталоемким способом в значительной части обеспечить потребности экономики в росте электропотребления.

Объект исследования: теплоснабжение ЖКХ и населения, влияние тарифов на тепловую энергию на внутрирегиональное развитие; технологические решения, обеспечивающие повышение эффективности и надежности теплоснабжения.

в

Предмет исследования: развитие выработки тепловой и электрической энергии в Российской Федерации, влияние системы тарифообразования на развитие населенных пунктов в пределах одного региона, перспективы снижения удельных расходов топлива на выработку электроэнергии за счет создания энергетических комплексов с комбинированной выработкой тепловой и электрической энергии на малых и средних котельных, позволяющих снизить стоимость энергоснабжения.

Целью работы является разработка типовых технологических решений, направленных на повышение надежности энергоснабжения и снижения удельных расходов топлива на производство энергии за счет перевода малых и средних котельных в режим комбинированной выработки тепловой и электрической энергии.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1. Рассмотрены основные закономерности и прогноз производства и потребления тепловой и электрической энергии в Российской Федерации.

2. Определены тенденции в развитии энергоснабжения различных муниципальных образований, в том числе малых городов, поселков городского типа (ПГТ) и сельских поселений.

3. Проведен анализ экономических проблем регионального энергоснабжения и исследованы зависимости стоимости произведенной тепловой энергии от объема отпуска тепла энергоснабжающей организацией и закономерности в распределении величин тарифов.

4. Показаны причины нецелесообразности массового тиражирования в Российской Федерации капиталоемких технологий до реализации менее затратных проектов модернизации системы энергоснабжения ЖКХ, направленных на улучшение технико-экономических показателей работы предприятий, представляющих жилищно-коммунальные услуги (ЖКУ).

5. Обосновано, что перевод котельных в режим комбинированной выработки тепловой и электрической энергии на основе представленных технологических решений позволяет повысить надежность и эффективность энергоснабжения муниципальных образований и получить максимальный объем электроэнергии при круглогодичном использовании тепловой энергии.

6. Исследованы режимы работы надстроек котельных, позволяющие согласовывать электрические и тепловые нагрузки потребления.

7. Разработаны варианты увеличения производства электроэнергии на тепловом потреблении котельных: от производства электроэнергии для нужд

теплоснабжения до обеспечения электропотребления муниципального образования.

Область исследования

Диссертационная работа соответствует пунктам 1,3,5,6 паспорта специальности 05.14.01 - Энергетические системы и комплексы.

Информационная база исследования

В работе использованы следующие материалы и сведения: материалы работы Экспертного совета при Комитете по энергетике Государственной Думы РФ, данные Региональных энергетических комиссий о тарифах на ЖКУ, научные источники, монографии, периодические издания, научные доклады, отчеты, экспертные оценки специалистов.

Методы исследования: системный и ситуационный анализ, метод экспертных оценок, методы математической статистики, балансовые исследования, микро- и макроэкономический анализ, прогнозирование.

Научная новизна работы и вклад автора:

1. Применен ценологический подход к анализу распределения величин тарифов на ЖКУ и выявлена закономерность повышения тарифа при уменьшении населенного пункта.

2. Показано, что потребители оплачивают ЖКУ в среднем по более высокому тарифу в населенных пунктах, где коммунальные службы были переданы с балансов ведомственных организаций на баланс муниципалитетов и стали специализированными теплосетями и водоканалами.

3. Определены положительные обратные связи между распределением тарифов и развитием населенных пунктов в пределах одного региона, показано, что тарифная система является одним из катализаторов депопуляции малых населенных пунктов и стимулирует развитие урбанизации. Показано, что возможно снизить влияние найденных негативных тенденций в результате перехода на новые принципы построения энергетических комплексов малых населенных пунктов на основе комбинированного производства тепла и электроэнергии.

4. Предложен новый подход к реализации надстроек котельных (одна элекгрогенерирующая установка на котельную), обеспечивающий резервирование за счет параллельной работы с сетью нескольких пространственно разделенных энергоблоков в пределах зоны действия понизительной подстанции напряжения 6-10 кВ, что позволяет рассматривать котельные как единую площадку для создания распределенной энергетики.

Прастическая значимость

На основе проведенных исследований показано, что существующая система тарифообразования формирует условия для роста миграции населения из малых поселений в крупные города за счет более высоких тарифов на ЖКУ, ■что требует оценки последствий и вмешательства государства.

Рассмотрены режимы работы надстроек котельных с полной утилизацией тепловой энергии и проведен сравнительный анализ экономической эффективности использования оборудования. Показано, что наиболее инвестиционно привлекательными проектами надстройки котельных являются газопоршневые агрегаты мощностью 1-1,3 МВт.

Переход к системе взаиморезервирования генераторами, установленными "на нескольких котельных, работающими параллельно с сетью, позволит снизить удельные капитальные затраты при строительстве объектов распределенной генерации и повысит надежность энергоснабжения потребителей.

Предложен поэтапный план увеличения выработки электроэнергии на тепловом потреблении котельных: от производства электроэнергии для нужд теплоснабжения до обеспечения электропотребления муниципального образования.

Публикации и апробация результатов исследования

Материалы работы в период 2007-2010 гг. представлены на международных конференциях и опубликованы в 16 работах, в том числе 3 в рекомендованных ВАК РФ научных журналах и изданиях по специальности 05.14.01 - Энергетические системы и комплексы.

Данные о структуре и объеме диссертации

Общий объем работы 177 с. Структура работы включает введение, 4 главы, заключение, список литературы из 132 наименований.

Основное содержание работы

Во введении дана общая характеристика диссертации: актуальность темы, цели, задачи, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе проведен анализ изменения фактического потребления тепловой и электрической энергии, рассмотрены прогнозы потребления тепла и электроэнергии, а также влияние существующих тенденций на экономические характеристики тепловых станций и перспективы развития ТЭЦ. Из рассмотренных материалов следует:

- тенденция преимущественного роста производства электроэнергии по отношению к теплу сохранится в будущем (рис. 1);

- более половины роста (58% для Московской области) потребления электроэнергии до 2030 г. будет происходить за счет сектора ЖКХ;

б

Рис. 1. Динамика производства тепловой и электрической энергии в России 1990-2009 гг.

- отсутствуют предпосылки для суммарного роста потребления тепловой энергии;

- в результате фиксированного объема выработки тепла и роста производства электроэнергии доля электроэнергии, произведенной в комбинированном режиме на ТЭЦ, будет уменьшаться, что будет вести к снижению экономичности и росту удельных расходов топлива на производство электроэнергии;

- доля горячего водоснабжения (ГВС) в структуре потребления тепла жилым фондом увеличится с 25 до 37 % к 2020 г., что создаст предпосылки для роста экономического эффекта от использования круглогодичной тепловой нагрузки при комбинированной выработке тепловой и электрической энергии, а также потребует корректировки подходов по управлению режимами работы существующих энергоисточников. Рост доли ГВС, с одной стороны, вызван ростом доли домов, обеспеченных ГВС, а с другой - лучшей теплоизоляцией и снижением тепловых потерь новых объектов.

Отсутствие роста теплового потребления при увеличении площади отапливаемых помещений обусловлено повышением эффективности использования тепловой энергии и делает маловероятным формирование зон теплоснабжения, необходимых для строительства ТЭЦ с суммарной присоединенной тепловой нагрузкой более 1000 Гкал/ч.

В результате роста электропотребления при неизменном потреблении

тепла на действующих ТЭЦ происходит увеличение доли электроэнергии,

7

произведенной в конденсационном режиме, что ведет к ухудшению удельных показателей существующей теплофикационной системы и росту стоимости энергии. Для оптимизации удельного расхода топлива и снижения издержек необходим новый подход, позволяющий в период жизненного цикла системы энергоснабжения (который в большинстве случаев превышает 50-70 лет), менять соотношение производства электрической и тепловой энергии. Достигнуть гибкости при создании систем энергоснабжения значительно проще при использовании возможностей малой энергетики.

Объем централизованного производства тепловой энергии в Российской Федерации без выработки электроэнергии составляет более 650 млн. Гкал в год и является потенциальным рынком для перехода на комбинированную выработку тепловой и электрической энергии. Например, в Московском регионе в структуре производства тепловой энергии доля централизованного тепла, произведенного без выработки электроэнергии, превышает 50 % (рис. 2).

Рис. 2. Структура производства тепловой энергии Москвы и Московской области (МО)

Во второй главе рассмотрены закономерности развития систем теплоснабжения, проведен анализ распределения величин тарифов на ЖКУ и влияния муниципальных систем жизнеобеспечения на социально-экономическое развитие страны.

Для определения закономерностей в распределении величин тарифов на ЖКУ применена методология рангового ценологического анализа. В графическом виде ранговое распределение представляет собой ряд, где по оси абсцисс откладывается ранг объекта, по оси ординат — величина параметра. Распределение описывается выражением:

Л(г)=Л// , (1)

где г - ранг объекта, А/ — коэффициент (производство тепловой энергии самой крупной энергоснабжающей организации (ЭСО)), (}- характеристический показатель.

В ходе исследования рассмотрено распределение организаций Краснодарского края, представляющих услуги теплоснабжения, водоснабжения и водоотведения, по величине тарифа и по объему предоставленных услуг (рис. 3). Характеристический показатель & и величина достоверной аппроксимации Л2 представлены в табл. 1.

Таблица 1

Показатели параметрических распределений по величине тарифа и по объему предоставляемых услуг предприятий Краснодарского края, оказывающих ЖКУ

Тип организации и вид ЖКУ По вели тарнс чине >а По объему услуг Количество организаций

Р If 0 RJ

Теплосети 0,31 0,94 1,69 0,82 63

Ведомственные ЭСО 0,45 0,73 1,32 0,89 180

Все организации, предоставляющие услуги теплоснабжения 0,50 0,74 1,74 0,92 243

Водоснабжение водоканалов 0,36 0,84 1,49 0,89 195

Ведомственные водопроводы 0,48 0,82 1,39 0,62 185

Все организации водоснабжения 0,47 0,76 1,42 0,74 380

Водоотведение водоканалов 0,42 0,74 2,3 0,9 105

Ведомственное водоотведение 0,75 0,71 1,4 0,76 77

Все организации водоотведения 0,58 0,62 1,96 0,89 182

На рис. 3 жирная линия показывает распределение теплосетей и водоканалов по объему представленной услуги. Для иллюстрации существующих закономерностей в формировании стоимости услуг на рис. 3 нанесен второй ряд в виде пилообразной линии, пропорциональный величине тарифа в соответствующей организации, пунктирной линией изображен тренд изменения тарифа на ЖКУ с уменьшением объема предоставляемой услуги и соответственно населенного пункта. В крупных населенных пунктах, имеющих первые порядковые номера на рис. 3 и наиболее значительные объемы предоставляемых услуг, тарифы имеют значения ниже среднекраевых. С ростом порядкового номера, соответствующего уменьшению объема предоставляемой услуги и уменьшению населенного пункта, величины тарифов увеличиваются.

Из анализа величин тарифов 243 предприятий, оказывающих услуги теплоснабжения, 380 водопроводов и 182 организаций водоотведения в Краснодарском крае, можно сделать следующие выводы:

1. Характер распределения величины тарифа не имеет связи с профилем деятельности коммунальных предприятий и характерен как для услуг теплоснабжения, так водоснабжения и водоотведения.

2. Отношение величины тарифов на различных предприятиях за одинаковую услугу в рамках одного климатического пояса и с относительно одинаковым уровнем экономического развития различается для теплосетей в 6 раз, что соответствует отношению максимальных и минимальных ординат пилообразной линии на рис. 3, а с учетом ведомственных ЭСО - более чем в 25 раз.

3. Величина тарифа никак не связана с величиной платежеспособности населения. Тариф в малых городах и сельских поселениях, как правило, выше среднекраевого, на что указывает тренд пунктирной линии на рис. 3. В Российской Федерации затраты на теплоснабжение в структуре

ю

Параметрическое распределение теплосетей по объему — анергии

Рис. 3. Параметрическое распределение муниципальных сетевых организаций по объему предоставляемой услуги: жирная линия - распределение по объему произведенной услуги; пилообразная -пропорциональна величине тарифа; пунктир -тренд изменения тарифа

Параметрическое распределение по объему реализованной воды водоканалов

50000

21 41 61 81 101 121 141 181 181 номер по порядку

40000 30000 20000 10000 О

1

энергообеспечения населения имеют наиболее высокую долю среди других стран. В связи с этим величина тарифа на услуги теплоснабжения определяет не только комфортность, но и доступность проживания в муниципальных образованиях.

4. Средний тариф на услуги, представляемые специализированными предприятиями, при сопоставимых объемах поставляемых услуг выше тарифов ведомственных предприятий.

5. Теплосети и водоканалы более корректно описываются распределением (1) и имеют более высокую величину достоверной аппроксимации В2 в распределении по величине тарифа, чем ведомственные предприятия.

Проверка полученных закономерностей и определение причин сложившейся ситуации проведена на примере ЖКХ Кировской области. Анализ состояния теплоснабжения Кировской области показал, что в системах теплоснабжения со снижением размера поселения происходит рост удельного расхода топлива; как правило, наблюдается снижение коэффициента загрузки оборудования. Увеличивается процент потерь и утечек, а также численность работающих на предприятиях теплоснабжения на тысячу жителей (табл. 2). Указанные параметры входят в структуру себестоимости при определении тарифов. В итоге создаются условия для экономического обоснования высоких тарифов для населения, проживающего в небольших поселениях с более низкой платежеспособностью.

Таблица 2

Ресурсная эффективность на предприятиях теплоснабжения Кировской области

Показатель Города ПГТ Посёлки и сельские поселепия Норматив-индикатор

крупные малые развивающиеся стагни-рующие

Удельный расход топлива, кг у.т/Гкал 169 182 195 205 212 155-160

Удельный расход электроэнергии, кВтч/Гкал 26 28 29 30 32 19-24

Потери и утечки, % 7 6 12 16 24 12-15

Численность работающих на 1 тыс. обслуживаемых жителей 4 11 15 18 25 3,5-4,5

При производстве любого товара или услуги в пределах населенного пункта с более высокими тарифами полные издержки производства при прочих равных условиях будут выше. Таким образом, товары и услуги, изготовленные в малых населенных пунктах, будут иметь более высокую себестоимость,

проигрывая в конкурентной борьбе аналогичным товарам, изготовленным в крупных городах с более низкими тарифами на коммунальные услуги. Из теории динамических систем известно, что при таких условиях начальное состояние стремится перейти в новое состояние равновесия. В нашем случае состоянием равновесия является стагнация малых городов, поселков городского типа и сельских поселений.

На основании статистически обработанных данных, представленных во второй главе, автор пришел к заключению, что распределение стоимости ЖКУ создает условия для снижения качества жизни в малых городах и сельских поселениях, стимулирует перераспределение населения в крупные города. В результате расчета величины тарифа на основе величины издержек, существующая методика тарифообразования проводит к экономическому обоснованию различия тарифа более чем на порядок для территории с одинаковыми климатическими условиями и уровнем экономического развития.

Так как доходы населения, как правило, снижаются с уменьшением размера поселения, существующее тарифообразование на системном уровне создает механизм для возникновения обострения социального неравенства населения малых городов и сельских поселений по отношению к крупным городам.

В случае расчета тарифа на следующий отчетный период методом индексации текущего значения происходит не только сохранение сформировавшихся диспропорций, но и их рост по закону геометрической прогрессии. При этом текущее значение фактически является первым членом прогрессии, а регулируемый коэффициент индексации - знаменателем геометрической прогрессии.

На основе анализа деятельности систем жизнеобеспечения населенных пунктов Российской Федерации показано, что существующая сегодня система тарифообразования ЖКУ оказывает существенное влияние на долгосрочное развитие страны за счет перераспределения человеческих ресурсов из малых городов, поселков городского типа, сельских поселений в крупные мегаполисы.

Изменения сложившейся ситуации можно достичь в результате технологической модернизации, направленной на снижение издержек производства. Для теплоснабжения таким решением является комбинированное производство тепловой и электрической энергии на существующих котельных.

Из приведенного анализа следует, что отсутствуют механизмы совместного решения проблем, возникающих при развитии крупных энергетических комплексов и энергообеспечении на муниципальном уровне. В связи с этим в третьей главе рассмотрены основные закономерности

построения энергоснабжения и повышения энергоэффективности в странах с сформировавшимися рыночными отношениями.

Например, в стратегии энергоснабжения Лондона в качестве основных направлений повышения эффективности снабжения энергией потребителей отмечено использование комбинированных циклов выработки тепловой и электрической энергии, внедрение централизованного отопления, снижение сетевых потерь на основе развития локальной генерации. При этом развитие сетей должно способствовать развитию распределенной энергетики и происходить с учетом потребностей локальных источников электроэнергии.

Темпы развития когенерации на протяжении более 30 лет превышают темпы роста внутреннего потребления энергии практически во всех развитых странах. При этом развиваются технические решения, обеспечивающие максимальное использование вырабатываемой тепловой энергии. Основным результатом развития распределенной энергетики в мире является снижение издержек на энергоснабжение и повышение эффективности использования энергетических ресурсов. Зона экономической эффективности для комбинированного производства тепла и электроэнергии смесилась до сотен киловатт. На уровне государственной политики происходит содействие развитию малых мощностей. Например, в Дании законодательно запрещено устанавливать системы теплоснабжения мощностью более 1 МВт без комбинированной выработки электроэнергии, в Нью-Йорке средняя мощность устанавливаемых когенерационных установок снизилась в 2000-2006 гг. с 2 до 0,3 МВт.

В программе развития энергетики штата Онтарио (Канада) указывается, что 100 000 энергоисточников мощностью по 5 кВт, установленных рядом с потребителем, на практике являются более надежными и эффективными, чем одна станция на 500 МВт. В программе указывается, что оптимальная тепловая мощность энергетических комплексов по комбинированному производству тепла и электроэнергии составляет 5 МВт. Верхняя граница лимитируется растущими издержками на строительство длинных сетей, нижняя -возможностью повышения использования тепла за счет разнородной тепловой нагрузки несколькими различными потребителями. Отмечается, что за счет ввода в эксплуатацию мини-ТЭЦ достигается снижение нагрузки на распределительные электрические сети.

Перевод в режим когенерации существующих систем теплоснабжения происходил на протяжении длительного времени и в большинстве случаев уже завершен. В связи с этим прирост производства энергии обеспечивается в результате реализации решений более дорогих, чем перевод источников

тепловой энергии в когенерационный режим. Одним из направлений стало развитие возобновляема источников энергии (ВИЭ). Рост ВИЭ в первую очередь начался в развитых странах, где потенциал перехода на комбинированную выработку тепловой и электрической энергии на мощностях в единицы мегаватт в значительной степени израсходован.

Прогнозируется, что доля инвестиций в возобновляемые источники энергии будет составлять 75-80 % от общих капиталовложений в мировую энергетику до 2030 г. и достигнет 450 млрд. долл. в год. Темп роста финансирования проектов ВИЭ превышает 50 % /год и составил в 2007 г. 148 млрд. долл. США. В Китае — более 100 %/год и 13 млрд. долл. США.

В 2007 г. было введено в эксплуатацию установок распределенной генерации на основе ВИЭ суммарной мощностью 31 ГВт, ввод новых мощностей увеличивается на 21 %/год. На увеличение ввода ВИЭ не оказал влияния экономический кризис. Объем ввода только ветровой энергетики увеличился с 20 до 31,2 ГВт/год в 2007-2009 гг. В 2009 г. США увеличили установленную мощность ветроэнергетики с 12 до 22 ГВт.

Развитие распределенной генерации выдвигает новые требования к распределительным сетям по созданию устойчивой активной системы для динамичной балансировки между приемом мощности от малых и нерегулярно работающих генераторов и обеспечением переменной на1рузки потребления. Наблюдается повышенный интерес к разработке систем аккумулирования энергии.

В четвертой главе показано, что введение в Российской Федерации мер по стимулированию ВИЭ за счет других производителей энергии приведет к дополнительному росту стоимости электроэнергии, что не будет способствовать увеличению темпов роста экономического развития.

В условиях значительного производства тепловой энергии без выработки электроэнергии более перспективным является развитие объектов распределенной генерации (ОРГ), которые могут участвовать в регулировании нагрузки энергосистемы, являются менее капиталоемкими и при реализации которых используются отечественные технические решения.

Проведенный совокупный анализ по следующим параметрам:

1. Эффективности энергосберегающих технологий в ЖКХ;

2. Эффективности работы оборудования для комбинированной выработки тепловой и электрической энергии;

3. Капитальным затратам на установку единичной мощности;

4. Эксплуатационным расходам;

5. Доле заработной платы в стоимости произведенной электроэнергии;

6. Статистическим данным об объемах продаж электрогенерирующих установок в Российской Федерации,

позволяет сделать вывод, что среди рассмотренных проектов по энергосбережению комбинированная выработка тепловой и электрической энергии имеет максимальную эффективность.

Проведение энергетических обследований ЖКХ указывает на более значимый вклад в повышение энергоэффективности от надстроек котельных электрогенерирующим оборудованием в сравнении с другими мероприятиями по энергосбережению (частотным регулированием электроприводов, системами управления отоплением зданий, восстановлением от отложений теплообменных поверхностей энергетического оборудования).

Удельные расходы топлива на производство энергии при комбинированном производстве тепловой и электрической энергии более чем в два раза меньше, чем на лучших газотурбинных (ГТУ) и паротурбинных установках ив 1,5 раза меньше, чем на самых современных парогазовых установках. Прирост потребления первичного топлива на котельных за счет установки ОРГ по комбинированному производству тепловой и электрической энергии с эффективностью до 80-85 % преобразуется в электрическую энергию.

На основе сравнения экономической эффективности показано, что при единичных электрических мощностях до 5 МВт среди различных технологических решений преимущества имеют ГПА.

В работе проведен сравнительный анализ эффективности проектов перевода котельных в режим комбинированного производства тепловой и электрической энергии на основе газопоршневых агрегатов мощности от 105 до 3385 кВт и показано, что наиболее инвестиционно привлекательными являются проекты по установке ГПА номинальной электрической мощностью 1000-1300 кВт (рис. 4). В этих проектах полное возмещение капитальных затрат происходит в течение 4-4,5 лет, чистый дисконтированный доход на инвестиции в целом превышает объем общих капитальных вложений не менее чем в 2,4 раза, внутренняя норма доходности для инвестиций составляет 23-25 %, что существенно превышает максимальную расчетную ставку дисконтирования. При сравнении ГПА производства фирмы Caterpillar с отечественными аналогами, показано преимущество ГПА 6ГМГ (1300 кВт) производства ОАО «Коломенский завод».

При установке надстроек котельных наименее капиталоемкой является выработка электроэнергии для собственных нужд системы теплоснабжения. Мощность установки для производства электроэнергии собственных нужд подбирается для каждой котельной индивидуально и составляет 2-3,2 % от

установленной тепловой мощности котельной (удельный расход электроэнергии при производстве тепла составляет от 23 до 37 кВтч/Гкал).

Рис. 4. Удельные капитальные затраты мини-ТЭЦ в зависимости от мощности

(кВт, долл/кВт)

В работе рассмотрен поэтапный подход к вопросу увеличения производства тепловой и электрической энергии на существующем тепловом потреблении. Рассматривается увеличение доли электроэнергии, произведенной в комбинированном режиме — от производства электроэнергии для функционирования системы теплоснабжения до обеспечения электропотребления муниципального образования. Проведена оценка требуемой электрической мощности для реализации различных этапов с учетом того, что полученные значения будут варьироваться не только в регионах Российской Федерации, но и в разных муниципальных образованиях. Поэтому сделана оценка максимального и минимального значения для центрального региона России в условиях централизованного теплоснабжения городской застройки. В табл. 3 представлены оценки верхней и нижней границ электропотребления потребителями, расположенными в зоне действия котельной установленной мощности 100 МВт (86 Гкал/ч).

Выполнение каждого этапа приводит к увеличению перечня объектов, энергоснабжение которых можно обеспечить за счет генерации на тепловом потреблении. При установке на котельной генерирующих мощностей, обеспечивающих собственное потребление котельной, для уменьшения капитальных затрат предлагается установка по одному генератору мощностью не менее собственного потребления котельной, что полностью обеспечит резервное электрообеспечение котельной. В случае тиражирования подобного решения на котельных в пределах зоны действия одной понизительной

подстанции высокого напряжения будет сформирован энергетический комплекс, состоящий из нескольких пространственно разнесенных электрогенераторов, работающих параллельно с сетью. Резервирование обеспечивается сетью и генераторами, установленными на других котельных в пределах зоны энергоснабжения понизительной подстанции.

Таблица 3

Оценки потребления электроэнергии в зоне действия котельной производительностью 100 Мы 1 (Нб 1 кал/ч) в центральном регионе России (МВт)

№ этапа Перечень потребителей электроэнергии Нижняя оценка Верхняя оценка

1. Собственные нужды объектов теплоснабжения 2 3,2

2. Собственные нужды инфраструктуры жизнеобеспечения муниципального образования (теплоснабжение, водоснабжение и водоотведеыие, уличное освещение и т.д.) 3,5 б

3. Система жизнеобеспечения и объекты, финансируемые из муниципального бюджета (объекты здравоохранения, образования и т.п.) 4,5 15

4. Объекты, финансируемые из муниципального бюджета, и прочие муниципальные предприятия (муниципальная торговая сеть, прачечные, бани, парикмахерские и т.п.) 7 20

5. Муниципальные объекты и жилой фонд 11 25 (*)

6. Реализация электроэнергии на среднем напряжении для потребителей в зоне действия понизительной подстанции 110/10 КВ Более 14 *

7. Выход на оптовый рынок электроэнергии в Случае недостатка потребителей, подключенных к распределительным сетям среднего напряжения. » »

* Недостаток электроэнергии, произведенной в комбинированном режиме при использовании теплового потребления котельной, для полного обеспечения потребности и необходимость получения электроэнергии из других источпиков.

Когда надстройками по производству электроэнергии будет оборудована значительная доля котельных, регулирование производства электроэнергии будет производиться включением необходимого количества генераторов по графику, заданным системным оператором. Технологически оптимальная зона действия понизительной подстанции 110/10 кВ составляет 10-15 км. Пространственно распределенные на котельных генераторы, находящиеся в одной зоне действия понизительной подстанции, обеспечивают большую надежность электроснабжения и меньшие потери в сетях по сравнению с вариантом размещения генераторов в одном месте.

При работе генераторов, расположенных на разных котельных, достигается получение целого ряда системных эффектов:

- более глубокое регулирование потребления электроэнергии за счет покрытия пиковых нагрузок энергосистемы по графику системного оператора;

- обеспечение работы каждого энергоблока в оптимальном режиме с минимальными удельными расходами топлива;

- возможность более эффективного согласования электрических и тепловых нагрузок, в том числе за счет установки аккумуляторов тепловой энергии;

- обеспечение резервирования энергоснабжения в аварийных ситуациях в местах расположения единичных энергоблоков.

В работе совместно рассмотрены сезонные и суточные, в отсутствие отопительной нагрузки, графики потребления тепловой энергии и рассчитаны мощности надстроек с условием полного использования тепла при различных режимах работы. Показано, что при отсутствии систем аккумулирования тепловой энергии максимальная мощность надстройки при работе в полупиковом режиме по электроэнергии будет составлять 13 % от тепловой мощности мини-ТЭЦ (котельной и надстройки) (рис. 5). о,з -

О —I I I—г I

1 4 7 10 13 16 19 22

_ д

Рис. 5. Суточный график потребления тепла при отсутствии отопительной нагрузки и работы надстройки котельной без аккумулирования тепловой энергии (часы, мощность потребления в % от номинальной тепловой мощности мини-ТЭЦ) (а) и годовое распределение производства тепла и электроэнергии (сутки, мощность в % от номинальной мощности мини-ТЭЦ) (б)

Частичное производство тепловой энергии для обеспечения ГВС в неотопительный период будет производиться в режиме, близком к полупиковому, при этом около 35 % тепла будет вырабатывать оборудование котельной. В отопительный период полезное использование тепла будет обеспечено при работе в базовом режиме. Так как при работе поршневых двигателей тепловая энергия генерируется в контуре охлаждающей жидкости, в контуре масла и потоком продуктов сгорания, утилизация тепловой энергии ГПА может быть осуществлена в виде подогрева обратной сетевой воды котельной в отдельном водогрейном котле-утилизаторе.

Оценка суммарной мощности надстроек котельных без систем аккумулирования тепловой энергии для Московской области показывает, что требуется ввод мощностей в объеме 1500 МВт в рамках выполнения 3-5 этапов

(табл. 3) для обеспечения потребителей электроэнергией в комбинированном режиме.

При переводе половины котельных Российской Федерации в комбинированный режим производства тепловой и электрической энергии с круглогодичным использованием тепловой энергии (за счет надстройки котельных в пределах потребления ГВС) можно обеспечить выработку электроэнергии не менее 120 млрд. кВтч в год.

Удельные расходы топлива при производстве электроэнергии на ГПА при полной утилизации тепла не превышают 160 г у.т./кВтч и значительно ниже среднего расхода на ТЭС (333 г у.т./кВтч). Перевод котельных в режим комбинированной выработки в указанных объемах позволит снизить потребление топлива до 20 млн. т у.т. в год.

Это даст возможность уменьшить стоимость услуг по теплоснабжению в первую очередь малых городов, поселков городского типа и сельских поселений, что должно устранить одну из причин, вызывающих обезлюдивание 95 % территорий Российской Федерации и гиперурбанизацию.

В заключении сформулированы основные выводы диссертационной работы:

1. В результате применения ценологического подхода к анализу распределения величин тарифов на ЖКУ показана закономерность повышения тарифа с уменьшением населенного пункта. Показан ряд положительных обратных связей между распределением тарифов и развитием населенных пунктов в пределах одного региона. Наряду с другими причинами существующая тарифная система является катализатором депопуляции малых населенных пунктов и стимулирует развитие гиперурбанизации.

2. Реализация проектов по комбинированному производству тепловой и электрической энергии на уже существующих котельных является эффективным решением по повышению надежности энергоснабжения, ведет к снижению издержек и имеет максимальную эффективность среди проектов по энергосбережению в ЖКХ. В работе рассмотрен поэтапный подход к вопросу увеличения комбинированного производства тепловой и электрической энергии на существующем тепловом потреблении от производства электроэнергии для нужд теплоснабжения до обеспечения электропотребления муниципального образования.

3. На основе сравнительного анализа эффективности проектов перевода котельных в режим комбинированного производства тепловой и электрической показано, что наиболее инвестиционно привлекательными проектами с

.- 2 0 0 2 9

установленной мощностью менее S МВт являются газопоршневые агрегаты мощностью 1-1,3 МВт.

4. Энергоблоки на котельных целесообразно объединять в локальную сеть, работающую параллельно с энергосистемой и позволяющую увеличить надежность энергоснабжения. При этом в пределах зоны действия понизительной подстанции обеспечивается работа пространственно разделенных энергоблоков.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Некрасов С. А. Влияние тарифов тепло и водоснабжения на развитие городов. //

Промышленная энергетика. 2009. №10. С. 5-11.

2. Грачев HJJ. Некрасов СЛ. Некоторые аспекты энергоснабжения малых населенных пунктов // Теплоэнергетика. 2010. №4. С. 45-48.

3. Грачев ИуЦ. Некрасов GA. О различных подходах к регулированию потребления энергии // Вестник МЭИ. 2010. №1. С. 122-126.

4. Некрасов С.А. О повышении энергоэффективности Российской экономики // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2011. №3.

5. Гремев И.Д., Некрасов С.А. Создание углехимических комплексов - путь улучшения

теплоснабжения населения // Уголь. 2009. №10. С. 58-64.

6. Некрасов С.А. Внутрирегиональное развитие и тарифы ЖКХ. // Электрика. 2007. №12. С. 3-8.

7. Некрасов С.А. Влияние тарифов на экономическое развитие в регионах / Электрификация металлургических предприятий Сибири. С. 333-339. М.: Издательский дом МЭИ, 2007.

1 И. Д., Некрасов С.А., Лазутов М.Г. Создание энерготехнологических комплексов и снабжение населения / Сборник научных докладов П Международной конференции 1ек и природа. Проблемы экологии Юга России». Краснодар. 2008. С. 17-24. •.ов С.А. Потребителю об энергетической стратегии России // Электрика. 2008. №12.

О

СМ '.красов С.А. Тарифы ЖКХ и гиперурбанизация. / Международная научно-$2 еская конференция «Энергетика - 2008: Инновации, решения, перспективы». О 2008. С. 115-121.

' '.красов С.А. О необходимости вовлечения отечественного сектора производства О энергомощностей для достижения целевых индикаторов Энергетической стратегии ™ г // Электрика. 2009. № 7. С. 3-10.

¡ачев И., Ворожихин В., Некрасов С. Уголь и прибыль // Мировая энер-гетика. 2008. 2(59). С. 8-11.

wee К, Некрасов С. О необходимости создания энерготехнологических лимшгёксов // Мировая энергетика. № 02 (61). 2009. С. 12-18.

14. Некрасов С.А. Значение отечественного производства малых энергомощностей для реализации ЭС 2020 / Сборник трудов Международной научно-технической конференции "Проблемы электротехники, электроэнер-гетики и элекгротехпологии", г. Тольятти, 12-15 мая 2009. ч. 2. С. 215-221.

15. Некрасов С.А. О методах управления электроемкостью отечественной экономики / Трансдисцишшнарный научный информационно-аналитический ежегодник «Общая и прикладная цепология». М.: 2010. С. 115-121.

16. Некрасов С.А. К вопросу выбора пути и эффективности различных вариантов развития энергетики Российской Федерации Н Электрика. 2010. №12. С. 10-15.

Подписано в печать - и иг. Зак. X') ? Тир. }СС п.л.jr£S Полиграфический центр МЭИ(ТУ) Красноказарменная ул.,д,13

2010013205