Как остановить непрерывный рост тарифов на газ, тепловую и электрическую энергию? Этот вопрос касается всех, дебатируется в правительстве, широко обсуждается в средствах массовой информации. Мероприятия типа «улучшить», «углубить», «экономить», «ввести по

Как остановить непрерывный рост тарифов на газ, тепловую и электрическую энергию? Этот вопрос касается всех, дебатируется в правительстве, широко обсуждается в средствах массовой информации. Мероприятия типа «улучшить», «углубить», «экономить», «ввести повсеместный учет» не имеют успеха.

https://www.eprussia.ru/teploenergetika/10/142.htm

ЭКСПЕРТ МЕСЯЦА

Алексей Жихарев

Директор АРВЭ (Ассоциация развития возобновляемой энергетики), Партнер VYGON Consulting, эксперт газеты "Энергетика и промышленность России"

Экспертный совет Газета «Тепловая Энергетика и ЖКХ»

Ответ на вопрос был дан в 2010 году в ФЗ № 190 «О теплоснабжении», и заключается он в «приоритете комбинированной выработки электрической и тепловой энергии с учетом экономической обоснованности». Суть ответа заключается в том, что при переходе к комбинированной выработке энергии экономия топлива происходит сразу на 30‑40 процентов!

В настоящее время половина энергии России вырабатывается раздельно – электрическая энергия вырабатывается на ГРЭС (государственная региональная электростанция), а тепловая энергия – на котельных. Оставшаяся половина приходится на комбинированную выработку – это выработка обоих видов энергии на одном производстве – ТЭЦ (тепловая электростанция). Чтобы понять, почему происходит экономия топлива, необходимо знать устройство тепловых электростанций.

Паровая турбина – это вал с рядом колес, на лопасти которых подается пар, приводящий вал во вращение. Пар движется вдоль оси вращения турбины (рис. 1), последовательно проходя десять-тридцать ступеней. Каждая ступень представляет собой два кольца – одно неподвижное, которое разбивает общий поток пара направляющими лопатками, косо насаженными по окружности (сопло), а второе – подвижное (колесо), с направляющими лопатками, косо насаженными в перпендикулярном направлении, чтобы поймать напор каждой струи пара. В первых конструкциях турбин лопатки были прямоугольными, в современных турбинах профиль лопаток сложнокриволинейный.

Профиль турбинных лопаток рассчитан таким образом, чтобы пар, переходя через них, интенсивно расширялся. При этом температура и давление пара резко уменьшаются, и из сопла струя пара выходит с очень большой скоростью, порядка 600‑800 м/с. Внутренняя энергия перегретого пара превращается в кинетическую энергию струи пара. Пар давит на лопатки турбины, его кинетическая энергия переходит в механическую работу по вращению вала турбины. Вал электрогенератора жестко связан с валом турбины. Электрический ток генератора тормозит вращение вала турбины, но пар давит на лопатки, преодолевая механическое сопротивление электрогенератора. Таким образом, внутренняя энергия пара переходит в электрическую энергию, вырабатываемую электрогенератором. Поскольку пар после каждой ступени расширяется, то диаметр ступеней соответственно увеличивается. Отработанный пар поступает в пароводяной теплообменник – конденсатор, где пар превращается в конденсат (при процессе конденсации в конденсаторе создается глубокий вакуум) и возвращается снова в паровой котел. Охлаждающая вода может браться из пруда (если есть) и снова возвращаться в пруд или циркулировать по контуру «конденсатор – градирня», с подпиткой контура из водопровода. Градирня – это высокая конусообразная башня без крыши, внутри которой нагретая вода, низвергаясь сверху вниз в свободном падении в виде «водяного душа», сбрасывает свое тепло в воздушную атмосферу. Суть конденсационного режима турбины – максимально использовать энергию перегретого пара для выработки электроэнергии.

Максимальный КПД тепловой машины теоретически:

η = 1 – Т1/Т2,

где Т1 – абсолютная температура холодильника (холодного пара на выходе из турбины);

Т2– абсолютная температура нагревателя (перегретого пара на входе в турбину).

Из формулы видно, что для увеличения КПД нужно максимально увеличивать температуру перегретого пара. Подставим в формулу конкретные значения:

η =1‑273+27/273+327 = 0,5, или 50%.

Почему же выбрасывается так много? Хотя пар почти холодный, температура всего 27 ºС, но имеет большую внутреннюю энергию, потому что почти половина топлива в паровом котле тратится на фазовый переход, чтобы получить из воды пар. С учетом неизбежных потерь электрический КПД паровой турбины составляет примерно 35 процентов.

В период индустриализации России требовалось много электроэнергии и строилось много ГРЭС с паровыми турбинами в конденсационном режиме, которые и сейчас вырабатывают более половины электроэнергии. Для сокращения потерь на транспорт топлива ГРЭС обычно строились вблизи месторождений топлива, где мало населенных пунктов и не требовалось много тепловой энергии. Чтобы не выбрасывать тепло в атмосферу, стали строить ТЭЦ – тепловую электроцентраль. На ТЭЦ паровую турбину переводят в теплофикационный режим «Т», чтобы ТЭЦ работала вместо котельной – подогревать остывшую воду после отопительных приборов населения и подавать ее обратно в тепловую сеть на вход отопительных приборов. Отработанный пар после турбины направляют в пароводяной подогреватель, где пар сбрасывает свое тепло, выделяющееся при конденсации, на подогрев воды из тепловой сети. Тепло не выбрасывается в атмосферу, а используется для нужд отопления. Процесс электроснабжения при раздельном способе происходит следующим образом. Топливо из месторождения поступает на ГРЭС, где сжигается в паровом котле. Внутренняя энергия топлива переходит в энергию перегретого пара. Затем пар поступает в паровую турбину и вращает ее. Внутренняя энергия пара переходит в электрическую и по линии электропередачи поступает в энергосистему. Процесс теплоснабжения населения происходит с помощью воды в тепловой сети, циркулирующей по замкнутому кругу: «отопительные радиаторы – тепловая сеть – котельная – тепловая сеть – отопительные радиаторы». В отопительных радиаторах у населения происходит охлаждение воды, а на котельной происходит нагрев воды.

При комбинированном способе современные ТЭЦ используют ПГУ (парогазовые установки). Парогазовая установка состоит из двух отдельных установок: газотурбинной и паросиловой. В ГТУ (газотурбинной установке) турбину вращают газообразные продукты сгорания газа с температурой 1200‑1500 ºС. На одном валу с турбиной находится первый генератор, который за счет вращения ротора вырабатывает электроэнергию.

Проходя через газовую турбину, продукты сгорания отдают ей лишь часть своей энергии и на выходе из газотурбины имеют температуру около 500 ºС. С выхода газовой турбины продукты сгорания попадают в паросиловую установку – сначала в КУ (котел-утилизатор), где горячие газы превращают воду в перегретый пар. Затем пар подается в паровую турбину, которая вращает второй электрогенератор. Совместное использование двух установок в одной значительно повышает к.п.д. тепловой машины, недостижимое по отдельности. В соответствии с формулой: η = 1‑273+27/273+1200 = 0,8, или 80 процентов! На ТЭЦ для выработки такого же количества энергии, как на ГРЭС и котельной, экономия топлива составляет 51 процент!
В энергетике работает множество узких специалистов Но, как говорят, «из‑за деревьев леса не видно». Каждый из них видит свое «дерево», но смутно представляет себе «лес» – приведенный рисунок производства и потребления энергии. Раздельный способ производства энергии прочно укоренился в сознании общества. Считается, что «теплоснабжение – это ЖКХ, а электроснабжение – это промышленность». В соответствии с этими представлениями формируются два отдельных социальных заказа: на проектирование схемы теплоснабжения, которую выполняют специалисты по котельным и тепловым сетям, и на проектирование схемы электроснабжения, которую выполняют специалисты по ГРЭС и электросетям. А идея комбинированной выработки энергии с ее очевидными преимуществами остается невостребованной.
Пример расчета экономии газа при переводе котельной в режим ТЭЦ на ПГУ
«Шары» на рисунках показывают картину наглядно, но приблизительно. Фактическая экономия зависит от соотношения тепла и электроэнергии, которое в каждом регионе России разное и меняется в зависимости от сезона и загрузки в регионе существующего производства и в отдельных случаях может доходить до 80 процентов. Перейдем к конкретному примеру.

Для расчета принимаем:

• присоединенная нагрузка потребителя

– 1 Гкал-ч;

• коэффициент теплофикации 0,5;

• базовая нагрузка 0,5 Гкал-ч;

• удельная выработка электроэнергии на ПГУ

1,4 МВт/Гкал;

• коэффициент использования топлива

85 процентов;

• покрытие пиковой нагрузки 0,5 Гкал-ч остается

на котельной.

Расчет экономии газа:

1. Электрическая мощность, получаемая на указанном базовом тепловом потреблении, составит

0,5*1,4=0.7 МВт

2. Годовой отпуск базового тепла (пиковая 10‑процентная часть тепла не учитывается):
1*3272*0.9 =2944,8 Гкал/год.

3272 – количество тепла в год, вырабатываемое источником для потребителя, с присоединенной расчетной

нагрузкой – 1 Гкал-ч, согласно климатологическим данным для Санкт-Петербурга.

0,9 – доля тепла, вырабатываемого базовыми источниками в течение года, согласно графику Россандера, для условий Санкт-Петербурга.

3. Годовая выработка электроэнергии на тепловом потреблении:

2944,8 *1.4= 4122,72 кВт-ч.

4. Количество топлива, необходимого на блоки ПГУ для выработки годовой базовой нагрузки и электроэнергии на ее основе комбинированным способом:

(2944,8 +4122,72 *0,86)/7*0,85 = 1091 т.у.т./год.

5. Количество газа ГРЭС, необходимого для годовой выработки электроэнергии, равной выработке электроэнергии на ПГУ:

4122,72 *0,86/7*0,35 = 1447 т.у.т./год.

6. Количество газа котельной, необходимого для выработки базового тепла, равного выработке тепла на ПГУ (пиковая 10‑процентная часть тепла также не учитывается):

2944,8/7 * 0,85 = 495 т.у.т./год.

7. Суммарный расход газа для получения раздельным способом электроэнергии и тепла, равный тому же количеству энергии комбинированным способом:

1447 + 495 = 1942 т.у.т./год.

8. При переходе от котельной на ПГУ собственные потери на источнике несколько увеличиваются:
1091*0,15‑495*0,15 = 89 т.у.т./год.

9. Экономия газа за счет покрытия базовой нагрузки существующей котельной с присоединенной нагрузкой потребителя в 1 Гкал-ч на ПГУ:

1942‑1091‑89 = 762 т.у.т./год (635 тыс. кубометров газа в год).

Экономия газа в процентах = 100 * 762/1942 = 39,3%.

Выводы
1. Тепловая энергия достается даром, как бросовый продукт при производстве электроэнергии. Низкая стоимость тепловой энергии при комбинированной выработке особенно важна для России с ее холодным климатом. Потребности России в тепле составляют примерно половину от всего мирового производства тепловой энергии. Вырабатывая для себя такое огромное количество дешевого тепла, электроэнергии получится так много, что в холодное время года Россия сможет обеспечивать не только себя, но и продавать излишки электроэнергии за границу. Холод России превращается в своеобразный природный ресурс, который посредством комбинированной выработки энергии может экспортироваться за границу. Вместо сырья в виде природного газа Россия сможет продавать очень ценный товар – электроэнергию.

2. Количество вырабатываемой электроэнергии пропорционально вырабатываемому теплу. Из принципа работы ТЭЦ следует, что чем больше вырабатывается электроэнергии, тем больше вырабатывается тепла.
Как же выбирается мощность оборудования ТЭЦ?
Если выбрать мощность, равную 100 процентам максимальной тепловой нагрузки потребителя при самой низкой температуре воздуха, то большую часть года оборудование будет стоять, а значит, не будет себя окупать.
Если выбрать по нагрузке ГВС, равной 22 процентам, чтобы оборудование было загружено круглогодично на 100 процентов, то будет упущена возможность экономии топлива в холодное время года.
При проектировании ТЭЦ обычно выбирается следующее оптимальное соотношение – мощность ПГУ принимается равной 50 процентам присоединенной нагрузки потребителя. В соответствии с климатическим справочником для СПб именно столько потребляется тепловой энергии 90 процентов времени в году. Оставшиеся 50 процентов мощности обеспечиваются пиковыми водогрейными котлами, работающими 10 процентов времени в году.
3. Экономия тепла у потребителей не приводит к экономии топлива на ТЭЦ. Причина в том, что вырабатывать электроэнергию экономически выгодно всегда, даже когда тепло не нужно потребителям. Поэтому ТЭЦ всегда вырабатывает максимально возможное количество электроэнергии, сбрасывая лишний пар в градирню или лишнее тепло, содержащееся в дымовых газах газовой турбины сразу в атмосферу, помимо котла-утилизатора. Зачем тогда экономить тепло у потребителя, если это тепло на источнике все равно приходится сбрасывать в атмосферу? Данная ситуация ярко показывает, что тепловая энергия – это не товар, а коллективная услуга населению. Коммерческий учет у потребителей нужен только 10 процентов времени в году, когда включаются пиковые котлы и топливо тратится действительно для производства тепловой энергии. А 90 процентов времени в году, наоборот, потребители оказывают услугу ТЭЦ, поскольку исполняют функцию градирен и, значит, сокращают затраты на строительство и эксплуатацию огромных дорогостоящих градирен с системами оборотного водоснабжения. Таким образом, учет и экономия тепловой энергии у потребителей – это второстепенный вопрос по сравнению с экономией топлива минимум на 30 процентов при переходе источников на комбинированную выработку энергии.

4. Экономия топлива происходит не на источнике, а на месторождении топлива. Это первая причина, почему заказчики отклоняют проекты с комбинированной выработкой. При замещении котельной происходит даже увеличение расхода топлива, потому что ТЭЦ вырабатывают электроэнергию, которая приводит к уменьшению нагрузки ГРЭС и уменьшению расхода топлива на месторождении. Экономия топлива, которая происходит не у себя в районе, а «где‑то далеко», не входит в зону интересов руководителей района. Экономия происходит в масштабах государства и в интересах народа, но вот стоящее между государством и народом исполнительное звено оказалось не заинтересовано в принятии проектов комбинированной выработки энергии.
5. После установки ПГУ на котельных у энергоснабжающей организации появляется новая функция – выработка и сбыт электроэнергии. Это вторая причина. Теплоснабжающие организации не готовы к созданию служб электросбыта и служб новых специальностей с высокой квалификацией персонала.
6. Рыночная цена электроэнергии на продажу в три раза дешевле, чем покупка. Это третья причина, по которой заказчику выгодно вырабатывать электроэнергию только для собственных нужд. В этом случае окупаемость проекта происходит через пять-шесть лет, но при этом лишь небольшое количество тепла вырабатывается комбинированным способом, а значит, и экономия топлива небольшая. Если же вырабатывать максимально возможное количество электроэнергии, то ее придется продавать по стоимости втрое ниже, срок окупаемости проекта увеличивается вдвое (например, до двенадцати лет), и проект отклоняется заказчиком как нерентабельный. Однако в масштабах государства увеличение срока окупаемости ничего не значит, надо понимать, что дешевая электроэнергия на рынке сбыта электроэнергии будет приводить к снижению тарифа на электроэнергию, и тем больше, чем больше дешевой электроэнергии будет вырабатываться.

7. Отопительных котельных на высококалорийных видах топлива не должно быть. Из рисунков видно, что «злом энергетики» являются ГРЭС, где половина топлива сжигается для получения пара с температурой 30 ºС, тепло которого затем выбрасывается из турбины в атмосферу. Но гораздо большим «злом энергетики» являются отопительные котельные, даже если они будут иметь КПД 100 процентов. Сжигать природный газ (а тем более мазут) для получения тепла столь же нецелесообразно, как, например, использовать для отопления ценные породы дерева, из которого можно сделать дорогую мебель.
Природный газ следует использовать исключительно для производства электроэнергии, потому что высокая температура продуктов его горения, около 1200ºС, позволяет приводить во вращение газовые турбины или вырабатывать перегретый пар с высокими параметрами для вращения паровых турбин.
Зачем природный газ с такой высокой температурой горения сжигать на котельных, чтобы получить пар или воду с температурой всего лишь 70–150ºС? Для этой цели достаточно утилизировать выброс тепла из турбин или использовать низкокалорийное топливо – дрова, торф, бытовой и строительный мусор.
1 кВт электрической энергии намного ценнее 1 кВт тепловой энергии, так же как 1 кг золота ценнее, чем 1 кг пуха. Электрическая энергия имеет гораздо большую ценность и востребованность в быту и промышленности, потому что она способна совершать механическую работу и преобразуется в другие виды энергии. Электрическая энергия легко транспортируется на дальние расстояния и трансформируется в любое напряжение. Электроэнергию даже низкого потенциала в единицы вольт легко трансформировать обратно в высокий потенциал до миллионов вольт. Тепловая энергия имеет ограниченное применение и с очень низким КПД преобразуется в другие виды энергии. Воду с температурой 30 ºС дешевле выбросить, чем преобразовать в более горячую, например, с помощью тепловых насосов.
Вышесказанное не значит, что все котельные нужно закрыть. Во-первых, их нужно переводить на другие виды топлива – например на торф, запасы которого в России огромны. Во-вторых, котельные нужны для обеспечения пиковой части теплопотребления в самое холодное время года. В-третьих, котельные можно реконструировать в режим комбинированной выработки энергии, так как неважно, где установить ПГУ – на ТЭЦ или на котельной. Даже дешевле установить ПГУ на котельных, потому что тепловые сети к котельным уже подведены, а тепловые сети к ТЭЦ еще нужно строить. В-четвертых, при реконструкции котельных высвобождается много места от ненужного оборудования, куда можно установить ПГУ, а на ТЭЦ очень проблематично найти площадь для нового оборудования. Путем реконструкции котельных уже идут в городах Москве, Красноярске, Томске и т. д.