Тепловые сети

Р. Ш. Бускунов










                ТЕПЛОВЫЕ СЕТИ





Учебное пособие
















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.311:697.34
ББК 31.38
     Б92






Рецензенты:
Ямлеева Эльмира Усмановна, к. т. н, Ульяновский государственный технический университет;
Орлов Геннадий Георгиевич, профессор, к. т. н., Ивановский государственный энергетический университет;
Балабан-Ирменин Юрий Викторович, д. т. н., Всероссийский теплотехнический институт (ВТИ, г. Москва)





     Бускунов, Р. Ш.
Б92 Тепловые сети : учебное пособие / Р. Ш. Бускунов. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2023. - 180 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-1254-4

          Предлагается краткий обзор современного состояния огромного и сложного хозяйства тепловых сетей - важнейшей составляющей систем теплоснабжения. Рассмотрены вопросы энергетической эффективности, надёжности, перспективы развития и порядок обслуживания.
          Для студентов, изучающих теплоэнергетические установки. Может быть полезно слушателям института повышения квалификации - специалистам и работникам теплоснабжающих организаций и инженерно-техническому персоналу тепловых электростанций.

                                                                     УДК 621.311:697.34
                                                                     ББК 31.38


















ISBN 978-5-9729-1254-4

              © Бускунов Р. Ш., 2023
              © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                                      ©Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

СОДЕРЖАНИЕ



ПРЕДИСЛОВИЕ....................................................4

1. ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ И ТЕПЛОФИКАЦИЯ...............................5
1.1. Роль теплофикации в теплоснабжении........................5
1.2. Открытые и закрытые системы..............................10
1.3. Этапы развития систем теплоснабжения.....................14
1.4. Режимы теплоснабжения от ТЭЦ.............................22
1.5. Конфигурации и схемы тепловых сетей......................24

2. ТРУБОПРОВОДЫ И СООРУЖЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ...................27
2.1. Выбор материаловдля трубопроводов........................27
2.2. Теплоизоляционные материалы..............................40
2.3. Компенсация температурных расширений.....................49
2.4. Баки-аккумуляторы........................................58
2.5. Сооружения тепловых сетей................................64

3. ЖИВУЧЕСТЬ И БЕЗОПАСНОСТЬ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ....................72
3.1. Подготовка подпиточной воды..............................72
3.2. Применение ингибиторов...................................78
3.3. Защита от внутренней коррозии............................85
3.4. Санитарно-эпидемиологическое благополучие................94
3.5. Защита от наружной коррозии..............................97

4. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ...................104
4.1. Организация эксплуатации................................105
4.2. Техническое освидетельствование и диагностирование......109
4.3. Регулирование работы теплосети..........................121
4.4. Гидравлические и температурные режимы...................124
4.5. Защита оборудования от гидроударов......................133
4.6. Энергосбережение........................................137

5. ТЕПЛОВЫЕ СЕТИ И ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ...........................141
5.1. Назначение и процессы тепловых насосов..................141
5.2. Роль ТНУ в мировой экономике............................144
5.3. ТНУ для централизованных систем теплоснабжения..........152
5.4. Обратные термодинамические циклы........................157
5.5. Характеристики тепловых насосов.........................161

ЛИТЕРАТУРА...................................................170


3

ПРЕДИСЛОВИЕ


    В условиях холодного климата России теплоснабжение относят к важнейшим основам жизнеобеспечения населения. Обеспечение надёжности и безопасности систем теплоснабжения, создание населению комфортной жизни - это для теплоснабжающих организаций трудная и ответственная задача, сложность которой усугубляется переменным характером нагрузок из-за резких сезонных и суточных колебаний наружной температуры, сказываются также и разнообразие природных условий и хозяйственных традиций в регионах страны.
    С проблемами транспорта и распределения тепла специалистам и работникам теплоснабжающих организаций и предприятий в процессе производственной деятельности приходится сталкиваться регулярно. Решение этих проблем часто возможно по-разному. Для выбора оптимального варианта не всегда хватает информации. Представить обозримую панораму сегодняшних проблем теплоснабжения и путей их решения -такова цель настоящего обзора. В основу положены лекции, прочитанные за последние двадцать лет в Челябинском филиале Петербургского энергетического института слушателям из разных регионов России от Поволжья до Дальнего Востока и из Казахстана.
    Обучение поддерживается периодически обновляемыми пособиями, содержание которых вошло в этот обзор, поэтому ему также может быть определён статус пособия. Изложенный материал опирается на публикации в журналах последних десятилетий и в Интернете. Включены суждения из довольно-таки старых книг, чтобы представить направленность развития научно-технической мысли и технологии.
    Динамика последнего времени - это всё более широкое применение в тепловых сетях сильфонных компенсаторов, пластинчатых подогревателей, пенополиуретановой изоляции, труб высокой заводской готовности, использование геоинформационных систем для расчёта режимов, постепенное вытеснение открытых систем теплоснабжения и т. д. Настойчивыми становятся предложения о применении тепловых насосов в теплоснабжении, этому вопросу посвящён последний раздел.
    Читателю надо помнить, что перед ним не справочник, а пособие. Им не следует пользоваться для прямого практического применения технических решений, а нужно при необходимости обратиться к первоисточникам и нормативным документам.
    В пособии встречаются противоречивые суждения разных авторов по одним и тем же вопросам. По возможности они представлены без комментариев. Не всегда составителю удавалось избегать оценок, которые некоторым читателям могут показаться субъективными и даже спорными. Составитель заранее приносит этим читателям свои извинения и рассчитывает на их снисходительность.

4

1. ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ И ТЕПЛОФИКАЦИЯ

   Нередко понятия «централизованное теплоснабжение» и «теплофикация» воспринимают как синонимы. В климатических и исторических условиях России, действительно, эти понятия во многом пересекаются. Но в систему теплоснабжения теплота для потребителей может подаваться или из отборов паровых турбин, или от энергетических паровых котлов через РОУ, или из других источников. Но только в первом случае мы имеем дело с теплофикацией. Так считалось до недавнего времени. С этой точки зрения не совсем корректны выражения «теплофикационный котёл», «теплофикационный трубопровод» и т. д. Но длительное употребление этих словосочетаний (даже в нормативной документации) уже придало им определённую легитимность.



1.1. Рольтеплофикации втеплоснабжении

   До начала XX в. теплоснабжение почти целиком основывалось на индивидуальных отопительных установках (отопительные печи, огневые плиты и др.). Водяное (центральное) отопление зданий от домовых котельных зарождалось, но носило это пока единичный характер (1903 г.). В 1883 г. начала работать первая электростанция Алексеева в Москве, где были установлены 3 поршневые паровых машины по 76 лошадиных сил (турбин пока не было). В 1888 г. были построены первые три петербургские центральные электростанции на реках Фонтанке и Мойке [1]. Освещение городов постепенно переводилось с газового на электрическое. Основным источником электроэнергии служили многочисленные мелкие городские электростанции сначала с поршневыми паровыми машинами, затем с паровыми турбинами.
   Зарождающаяся теплоэнергетика была ещё крайне несовершенной, КПД тепловых двигателей исчислялся несколькими процентами, то есть львиная доля теплоты (до 98 % и более) сбрасывалась с охлаждающей водой в водоёмы и с дымовыми газами в атмосферу. Использовать теплоту отработавшего в турбине пара для хозяйственных нужд, хотя бы для отопления - такая мысль приходила в голову, наверное, многим. Совместить производство электрической и тепловой энергии для более полного использования теплоты сгорания топлива - именно в этом суть теплофикации.
   IV квартал 1924 г. является официальной датой начала развития теплофикации в СССР. В это время впервые от районной электростанции в Ленинграде был проложен теплопровод общего пользования. Горячая вода отпускалась от турбины мощностью 680 кВт, переоборудо

5

ванной на работу с ухудшенным вакуумом (то есть с повышенной температурой конденсации отработавшего пара); длина теплопровода составила около 600 м.
    Теплофикацией является комбинированное производство электрической энергии и теплоты на теплоэлектроцентрали [2]. Ей противопоставляют раздельную выработку. Для отпуска теплоты предусматриваются отборы пара из проточной части (или из выхлопа) турбин на бойлеры. Термодинамической основой теплофикации является полезное использование для теплоснабжения теплоты, отводимой из теплосилового цикла после выработки электроэнергии и обычно сбрасываемой в охладители, - отработавшей (остаточной) теплоты [1, 2]. Необходимость поддержания определённого температурного режима у теплового потребителя вынуждает ТЭЦ использовать не весь располагаемый теплопере-пад отборного пара в проточной части паровых турбин. Это приводит к недовыработке электроэнергии этими потоками.
    Часто говорят о выработке электроэнергии на базе теплового потребления или просто на тепловом потреблении, что также можно принять как другое определение теплофикации. Теплофикация возможна только при наличии потребности как в тепле, так и в электричестве. Потери тепла при выработке электроэнергии на тепловом потреблении обусловлены лишь потерями с уходящими газами, вентиляционным пропуском пара в конденсатор, расходом пара на собственные нужды и потерями в окружающую среду [3]. При выработке на тепловом потреблении нет огромных (50 % и более) тепловых потерь с охлаждающей водой, неизбежных при выработке электроэнергии в конденсационном режиме без отборов на теплофикацию.
    Преимуществами теплофикации считают:
     1) экономию топлива и капитальных затрат, получаемую в результате использования отработавшей теплоты паровых турбин, а также замещения теплоэлектроцентралью более мелких и менее экономичных котельных;
     2) улучшение экологической обстановки, достигаемое отказом от сооружения мелких котельных, задымляющих нижние слои атмосферы.
    Развитие ТЭЦ (в том числе некрупных) на современном этапе считается целесообразным ориентировать на преимущественное использование газотурбинных и парогазовых технологий (ГТУ и ПГУ). При этом теплофикационные ПГУ будут круглогодично обеспечивать потребности в горячем водоснабжении, на большее их теплофикационного потенциала (бросового тепла) просто не хватит из-за высокого КПД по выработке электроэнергии.
    Рост КПД преобразования тепла в электричество в теплосиловых установках приводит к сокращению доли отработанного тепла, которое можно было бы использовать для нужд теплофикации. Это изменяет и структуру самой ТЭЦ [3-6], и принципы построения городской теплосети.

6

Но на перспективу до 2030 г. развитие теплофикации и увеличение отпуска тепла от ТЭЦ для России устойчиво сохраняют эффективность [7]. Таков исходный тезис закона «О теплоснабжении».
    Таким образом, с повышением экономичности электростанций по производству электроэнергии относительный выигрыш от теплофикации снижается. Например, при повышении КПД ТЭЦ с 33 до 50 % экономия топлива в сравнении с раздельной выработкой уменьшается примерно в 1,3 раза.
    Намечающийся кризис теплофикации оказался не только следствием повышения экономичности электрогенерации. Вопрос глубоко изучен Комитетом Государственной Думы по энергетике [8].
    Отмечается, что основные современные тренды, направленные на повышение энергоэффективности теплоснабжения, включают в себя теплофикацию (когенерацию - в зарубежной, а теперь и в отечественной литературе)— технологию совместного производства тепловой и электрической энергии в едином цикле с использованием различных видов углеводородного и возобновляемого топлива. Преимуществом теплофикации является существенная экономия топлива по сравнению с раздельной выработкой электрической и тепловой энергии. Также существенны выгоды от теплофикации и с точки зрения охраны окружающей среды - это сокращение выбросов углекислого газа, выполнение обязательств в рамках Парижского соглашения от 2015 года по изменению климата. Всё это осознано многими зарубежными странами. В то же время, в России доля комбинированной выработки на тепловых электростанциях за последние 30 лет снизилась на треть из-за падения промышленного потребления тепла, соответственно уменьшилась и выработка дешёвой электроэнергии на тепловом потреблении.
    Сегодняшнюю неконкурентоспособность ТЭЦ связывают с появившейся доступностью к дешёвому энергоресурсу - газу, который вытесняет уголь, мазут и другие виды топлива. С газификацией страны появилась возможность строительства на конденсационных электростанциях ПГУ, высокоэффективные локальные котельные. Паротурбинные ТЭЦ оказались менее конкурентоспособными - старое оборудование, высокая степень износа тепловых сетей. Изношенность теплотранспортных систем вынуждает потребителей переходить на собственные источники теплоснабжения. По этим причинам крупные ТЭЦ теряют тепловую нагрузку. Свою лепту в дискредитацию ТЭЦ вносит и несовершенная тарифная политика
    Как итог, когенерация - самая эффективная технология производства электроэнергии и тепла - оказалась сегодня самым невыгодным сектором в отечественной энергетике.
    В настоящее время для формирования государственной статистической отчётности о топливной эффективности производства и отпуска электрической и тепловой энергии применяются метод ОРГРЭС и физический метод. При использовании физического метода ТЭЦ проигрывает

7

конкуренцию на рынке тепла, а при использовании метода ОРГРЭС - конкуренцию на рынке электроэнергии. Оба метода не могут применяться в процессах принятия стратегических решений по вопросам формирования структуры генерирующих мощностей для электро- и теплоснабжения потребителей, так как дают ложные сигналы [8].
    Основным подходом в тарифном регулировании теплоснабжения до сих пор остаётся индексация расходов в процентах от уже достигнутого уровня. Такая система тарифного регулирования поощряет организации, уже имеющие высокий тариф, прибегать к нерыночному правилу, по которому необходимо постоянно поддерживать высокий уровень расходов. Необходимо переходить на принципиально иные методы тарифообразования, основанные на более корректных и понятных принципах.
    Приоритетным инструментом при решении задач стратегического развития является применение модели отношений в сфере теплоснабжения с ценообразованием на основе принципа «альтернативной котельной» - новой модели рынка тепла, внедряемой в РФ, целью которой является определение единой справедливой цены на тепловую энергию, исходя из подхода более дешевого для потребителей способа получения тепла. В списке мероприятий по реализации этого метода содержатся, в частности:
      • экономически обоснованное развитие магистральных сетей теплоснабжения;
      • повышение эффективности систем централизованного теплоснабжения с приоритетом роста уровня теплофикации;
      • переход от полного регулирования тарифов на тепловую энергию к установлению предельного уровня цены с учётом региональных особенностей.
    Одной из основных задач является кратный рост инвестиций относительно текущего уровня. Важным приоритетом являются инвестиции в модернизацию или строительство тепловых сетей, так как именно их изношенность является основной причиной низкой эффективности и ненадёжности нынешнего теплоснабжения. Наличие изношенных тепловых сетей сводит на нет и эффект теплофикации.
    Причём, если состояние магистральных тепловых сетей можно признать более-менее удовлетворительным, хотя 45 % всех магистральных тепловых сетей имеют срок службы более 30 лет, превышающий нормативный уровень, то распределительные сети, по большей части, полностью выработали свой ресурс, находятся в аварийном состоянии и требуют масштабной замены. Инвестиции в модернизацию и/или строительство новых сетей составляют более 50 % от общих инвестиций в модернизацию теплоснабжения.
    По итогам проведённых конкурсных отборов проектов модернизации тепловой генерации на 2022-2026 годы, доля ТЭЦ, вырабатывающих электрическую и тепловую энергию в комбинированном цикле и находящихся в центрах электрических и тепловых нагрузок составила лишь 33 %

8

от общего объёма, а объём модернизации станций в конденсационном режиме (ГРЭС), составил 67 %. Причина низкой доли модернизации источников комбинированной выработки (ТЭЦ), в том числе с использованием ПГУ в рамках действующих правил отбора - более высокие удельные капитальные затраты на модернизацию, но при этом не учитывается их большая топливная эффективность и экологичность по сравнению с ГРЭС.
    Одной из наиболее актуальных задач, стоящих перед энергетикой, помимо надёжного и качественного электро- и теплоснабжения потребителей, является снижение негативного воздействия энергетической отрасли на окружающую среду.
    Приоритетным направлением для решения экологических проблем признано развитие системы централизованного теплоснабжения и теплофикации в городах, включая замену и перекладку (с увеличением диаметра) изношенных тепловых сетей, замещение устаревших малых котельных современными ТЭЦ, которые имеют фильтры с высокой степенью очистки выбросов, высокие трубы (до 270 м и более), что обуславливает более широкую по сравнению с котельными зону рассеивания выбросов (50-70 километров), и переключение частных домовладений в черте города на централизованное отопление.
    Таковы некоторые оценки и рекомендации [8], изложенные здесь с минимальным редактированием.
    При анализе показателей реконструируемых и новых ТЭЦ, использующих ПГУ, предлагается учёт следующих факторов [6]:
      1. Максимальная тепловая мощность отопительной ТЭЦ в среднем используется лишь примерно наполовину (в течение полугода), но она в значительной степени определяет и структуру оборудования ТЭЦ, и ее технико-экономические показатели.
      2. В энергетическом балансе мегаполисов из-за повышения КПД электрогенерации и соответствующего уменьшения потенциала теплофикации отношение генерируемой электрической мощности к тепловой на ТЭЦ непрерывно растёт и уже намного превышает требуемую пропорцию. Это усугубляет и без того напряжённую экологическую обстановку мегаполисов. Масштабное внедрение бытовой техники длительного пользования (посудомоечных и стиральных машин с электроподогревом воды, электрокаминов и др.) уменьшает этот дисбаланс. Он постепенно должно снизиться с существующих (3,5-4,5):1 до (2.5-3.0):1.
      3. Не следует спешить заменять значительную часть теплофикационных паротурбинных энергоблоков на «более эффективные» парогазовые. Оптимальной из-за более низких затрат на реконструкцию может оказаться замена действующих паровых турбин на модернизированные, имеющие на 5-6 % более высокий КПД.

9

    Развитие парогазовых технологий (ПГУ) требует расширения понятия «теплофикация». К теплофикации нужно относить не только отпуск потребителям остаточной теплоты отборов пара турбины (в том числе, паровой турбины в схеме ПГУ), но и отпуск теплоты пара из котла-утилизатора. Ведь для генерации пара используется остаточная теплота газов (продуктов сгорания) ГТУ после выработки ею электроэнергии. Более того, в так называемых ГТУ-ТЭЦ сетевая вода нагревается непосредственно отработавшими газами газовой турбины в специальном газовом теплообменнике [9].


Рис. 1. Соотношение понятий «теплофикация» и «когенерация»

    Теперь понятие «теплофикация» часто заменяют (рис. 1) более широким понятием «когенерация» (совместная генерация). Дальнейшим расширением является понятие «тригенерация», относящееся к комбинированному производству трех энергопродуктов: электричества, тепла и холода. В развивающейся цепочке энергоэффективных сочетаний «раздельное производство - когенерация - тригенерация - ...» ставить точку рано, лучше ставить многоточие: японские инженеры, например, рассматривают уже четвёртую составляющую - солнечные батареи [10, 11].



1.2. Открытые и закрытые системы

    В период 50-60-х годов проходила острая дискуссия о целесообразности применения «открытых» систем теплоснабжения наряду с традиционными «закрытыми». В закрытых системах горячую воду для бытовых нужд получают за счёт подогрева водопроводной воды в теплообменниках сетевой водой. В открытых осуществляют непосредственный водо-разбор сетевой воды.
    На первый взгляд открытая схема экономичнее [2]:
     а) удешевляются абонентские вводы за счет отказа от поверхностных теплообменников и четырехтрубной сети (две трубы для отопления и две - для горячего водоснабжения);


10

      б) повышается пропускная способность сети из-за использования всей теплоты подаваемой горячей воды, а не только перепада между температурой воды в подающей и обратной трубах.
    Под влиянием дискуссии специалисты, защищавшие преимущества закрытой системы, внесли в нее ряд усовершенствований. Наиболее значительным было предложение о двухступенчатом подогреве холодной водопроводной воды за счёт сочетания теплоты и обратной, и прямой сетевой воды. Это позволило существенно сократить расход теплоносителей, циркулирующих в закрытой системе [2].
    Свод правил [12] по проектированию тепловых электрических станций устанавливает порядок, в соответствии с которым выбор системы теплоснабжения (открытая, закрытая, раздельная) производился заказчиком и проектной организацией на основании технико-экономических расчетов. При этом учитывались положения действующих нормативных документов, качество воды, обеспеченность исходной водой, возможности поддержания у потребителей требуемого качества горячей воды и соблюдения санитарных требований. Более старые нормы технологического проектирования ставили выбор между закрытой и открытой системами теплоснабжения в зависимость только от окисляемости и карбонатной жесткости воды.
    Время идёт, оценки меняются. Система была прогрессивна для своего времени, но в наши дни открытый водоразбор иногда уже считают не без оснований фактором активной внутренней коррозии и выхода из строя трубопроводов [13]. Дискуссия снова разгорелась, сначала появились законодательные инициативы об ограничении применения и даже запрете открытых систем, что заставило профессора В.И. Шарапова заново проанализировать достоинства и недостатки систем и напомнить всем [14], что открытые системы энергоэффективны благодаря использованию отработавшего пара турбин ТЭЦ при подготовке большого количества подпиточной воды для покрытия водоразбора. Немаловажное значение имеет и возможность централизованной обработки подпиточной воды, обеспечивающей высокое качество и санитарное благополучие разбираемой горячей воды.
    Профессор также считает мифом герметичность закрытых систем. Из-за неплотности подогревателей горячего водоснабжения (ГВС) существуют огромные перетоки недеаэрированной водопроводной воды в теплосеть, приводящие к интенсивной внутренней коррозии трубопроводов теплосети. И, наоборот, при превышении давления греющей сетевой воды над давлением нагреваемой водопроводной воды возникают нерегулируемые перетоки сетевой воды, не соответствующей нормативам качества питьевой воды, в горячую воду, подаваемой потребителям, а это является нарушением санитарно-гигиенических требований к горячей воде.
    Эти доводы оказались недостаточными для законодателей и появился федеральный закон № 417-ФЗ от 7 декабря 2011 года с жёстким алгоритмом перевода открытых систем в закрытые. С 1 января 2013 года


11