Обращение к коллегам

Котельнизация России – беда национального масштаба. Ч - 7

Богданов А.Б.,  заместитель  начальника

департамента  перспективного  развития Омской ЭГК.  

Аналитик теплоэнергетики.

mailto: exergy@list.ru     http://www.exergy.narod.ru  

 

Климат России и теплофикация

 

Усреднение затрат на производство тепловой и электрической энергии – главная причина  скрытого перекрестного субсидирования между  различными видами товаров и услуг, производимых на  ТЭЦ. Целью данной статьи  является определение  влияния климата  на формирование энергетической политики в России. Обосновывается необходимость выделения трех видов энергетической продукции:  базовой, полубазовой и пиковой тепловой энергии от ТЭЦ для формирования адекватной тарифной политики.

 

1.  Дедушка Мороз и летняя жара –  заказчики энергетической политики России.

            Климат города Омска представляет собой резко континентальный - климат, характерный для большинства поселенный на территории России.  Средняя температура самого холодного месяца (января) составляет минус 19°С, минимальная  же температура в отдельные дни может снижаться до минус 49°С. Средняя температура самого теплого месяца (июля) составляют плюс 18°С, максимальные температуры может  достигать до плюс 41°С. Жители Омского региона находятся в уникальном положении в сравнении с жителями  средней части России и, тем более, с жителями Европы.  Абсолютная годовая амплитуда температур воздуха очень большая,  и достигает 90°С, что определяет резко континентальный климат региона.  В сравнении с жителями Европы жители  Омска вынуждены жить в экстремальных условиях как зимой, так и летом (рис.1). Своим неотвратимостью и постоянством «дедушка Мороз» заставляет жителей России  тратить гораздо больше средств на топливо, теплую одежду, тепловую изоляцию  для тепловых сетей для  утепления  стены зданий, строительные конструкций и фундаменты домов, чем для жителей Европы, Америки. Все недочеты и промахи в вопросах обеспечения теплом от ТЭЦ,  котельных или обычных печей  потребители тепловой энергии, как правило, пытаются решать за счет многократного роста потребления  электрической энергии. Максимум потребления электрической мощности у нас, в России, приходится на дни с самой низкой температурой  наружного воздуха - в январе и в феврале.

В отличии от России, в США максимум электрической нагрузки приходится  не в часы зимнего максимума нагрузок, а наоборот, в самые жаркие дни и часы  лета,  когда включаются в работу  все кондиционеры. Именно прохождение жарких дней является  настоящим испытанием для энергетиков южных штатов США^[1]  В настоящее время и мы в России подходим к тому, что у нас появился  летний максимум электрических нагрузок со значительной долей мощности работающих кондиционеров.

Для защиты от летней жары для жителей города Омска также требуется больше затрат энергии на кондиционирование воздуха, чем для жителей центральной России. Но если в центральной и южной части Европы из-за короткой и относительно теплой зимы использование комбинированного производства тепла и электроэнергии ТЭЦ,  как правило, недостаточно обоснованно, то в России имеется уникальная возможность использовать холодный климат во благо,  а именно: 1) использовать сбросное тепло, которое образуется при производстве электрической энергии на отопление потребителей; 2) использовать пиковые мощности ТЭЦ и котельных не только для обеспечения пикового отопления в зимний период, но так же для централизованного хладоснабжения - производства промышленного холода для кондиционирования в периоды стояния летних жарких часов. При этом снижается не только максимум электрических нагрузок, но и в 1.5 раза затраты топлива на производство равного количества холода.

 

 

 

2.  График Росандра.

На  рис.2 приведен график стояния средних температур воздуха и воды в реки Иртыш.  Именно температура воздуха и температура воды в водоеме, из которого осуществляется забор воды для горячего водоснабжения является основой для выбора оборудования и расчета потребления топлива для каждого месяца.  Как правило, в целях упрощения расчетов органы планирования и  регулирования тарифов в энергетике ориентируются  именно на среднегодовые и  на среднемесячные температуры, без учета числа часов стояния максимально низких и максимально высоких температур. Именно незнание экономистами и менеджерами от энергетики этих особенностей  и  усреднение теплоэнергетических расчетов и является одной из основных причин скрытого (технологического) перекрестного  субсидирования в энергетике России. 

 

      Среднемесячные значения  не могут быть основой для адекватной оценкой издержек затрат на производство различных видов энергии и основой для выбора состава оборудования на котельных,  и тем более на ТЭЦ. Если в условиях ведения планового хозяйства в СССР  принцип усреднения и мог быть принят для ценообразования, то в рыночных условиях  усреднение затрат  привело к тому, что энергосберегающие технологии стали невыгодными, и вместо ТЭЦ на каждом шагу стали строить котельные.

 Настольным документом каждого менеджера энергетики, экономиста и аналитика регулирующих органов, планирующего производственную программу тепловой энергии от котельной или от  ТЭЦ,  должен быть месячный график стояния  температур для конкретно  региона (таблица 1).  Однако, непосредственно таких данных в существующем  СНиП 23-01-99 «Строительная климатология». Нет этих данных и в справочниках по теплоснабжению (Николаев, Соколов, Манюк и т.д).   Эти данные можно  получить либо из серии специализированных справочников Госкомитета СССР по гидрометеорологии и контролю природной среды^[2], либо по прямому запросу.

Эти данные являются фундаментальной основой для  формирования рыночных отношений,  энергетической политики региона, основой для планирования расхода топлива и накладных издержек при производстве тепловой и электрической энергии на ТЭЦ, выявления объемов перекрестного субсидирования. На основании климатических данных каждого месяца строится график изменения мощности и энергии отопления и ГВС в течение месяца, года (рис.3) в зависимости от числа часов стояния температур наружного воздуха[3].

График изменения мощности и энергии отопления и ГВС носит универсальный характер и  отражает конкретные климатические  особенности региона. На графике нанесены линии изменения: а) относительной мощности; б) относительной энергии, вырабатываемой в базовом режиме, и с) температуры наружного воздуха. Для того, чтобы все три графика были совместимы на одном листе,  данные шкалы температур,  необходимо умножать на коэффициент, равный 100. Относительная Мощность, относительная Энергия Базы  позволяет наглядно производить анализ эффективности использования  тепловых мощностей. 

 

3.  Энергоклиматические  показатели региона.

Для возможности анализа и сравнения между собой различных климатических районов необходимо ввести два новых  показателя: первый  показатель – теплоэнергетический показатель климата (ТПК) и  второй показатель – климатический коэффициент континентальности  (ККК)

ТПК (теплоэнергетический показатель климата) - это комплексная характеристика климатических особенностей региона отражающая в себе: 1) продолжительность стояния различных температур наружного воздуха в регионе, 2) продолжительность стояния температуры  воды в реке (холодном источнике), откуда забирается вода для горячего водоснабжения и 3)  расчетную температуру воздуха внутри помещения (для Омска она принимается равной +20°С). 

Теплоэнергетический  показатель климата - это  безразмерный универсальный показатель,  численно показывает сколько  надо тепловой энергии  в году от расчетной тепловой мощности, равной 1 единице, что бы обеспечить температуру воздуха внутри  помещения, равную +20°С. Для простоты понимания можно сказать, что потребитель тепла в городе Омске с расчетной мощностью 1мВт (при расчетной температуре наружного воздуха -37°С) за год потребляет 3726 мВт.ч энергии.  ТПК- это универсальный показатель, который характеризует только  особенности климата и по своему определения не зависит от состояния тепловой изоляции домов, трубопроводов, стен.

 Климатический коэффициент континентальности  (ККК) рассчитывается на основании анализа данных графика Росандра  для  двух  реперных точек:

«Первая реперная точка» -  определяется нагрузкой  горячего водоснабжения (ГВС).  В нашем примере для города Омска доля ГВС составляет 0.18. Такой относительно низкий процент характерен для сибирских регионов с резко континентальным климатом городов. Для южных регионов доля ГВС  возрастает до 0,26. Для средней полосы России доля ГВС составляет  порядка  0,22. Для стандартизации расчетов ТПК и обеспечения возможности сравнения  экономичности регионов с различным климатом значение «первой реперной точки» принимается равным  0.22

«Вторая реперная точка» - определяется  значением  оптимального коэффициента  теплофикации. С ростом стоимости топлива оптимальный коэффициент теплофикации в России возрастает от 0.5 до 0.6. При относительно «дорогом» топливе коэффициент теплофикации принимается  равным  0,6. Это означает, что  60% расчетной мощности обеспечивается за счет теплофикационных отборов турбин, и остальные 40% мощности  обеспечивается за счет водогрейных котлов, или острого пара от котлов. Для стандартизации расчетов ТПК и обеспечения возможности сравнения  экономичности регионов с различным климатом значение «второй  реперной точки» принимается равным -0,6.

 

Именно этот график, построенный в относительных единицах,  являются базовыми и универсальным как для потребителя, так и для производителя тепловой и электрической энергии.  С помощью  этого графика можно наглядно оценить приросты затрат топлива на прирост тепловой нагрузки на ТЭЦ.  Из графика наглядно видно, насколько различаются затраты на обеспечение того или иного вида  энергии. Каждая одна единица мощности в течение года, при температуре внутреннего воздуха +20°С, (при расчетной доле горячего водоснабжения равной 0.18) обеспечивает потребление 3726 единиц энергии. При этом:

• Базовая мощность – (от нуля до «первой реперной точки» – 0.22),  производит  тепловую энергию самым экономичным способом 1826 единиц  базовой энергии  «А» (49%)  со среднегодовой загрузкой 91%. Каждая единица мощности в секторе «А»   производит энергии в 9 раз больше,  чем пиковые источники мощности в секторе «С», и в 1.9 раз больше чем источники полубазовой мощности в секторе «В». Поэтому основными определяющими затратами для  вида энергии сектора «А» является переменные издержки на топливо. 
• Полубазовая мощность (от «первой реперной точки»  0.22  до «второй реперной точки» –0,6)  производит  1568 единиц  энергии сектора  «Б» (42%) со среднегодовой загрузкой 47%.  Полубазовая мощность производит в 4.8 раз больше энергии, чем пиковый источник. При этом обеспечивается производство экономичной  энергии с высокой степенью надежности.
• Пиковая мощность  (от «второй реперной точки» - 0.6 до максимальной мощности, равной 1.0)   производит всего  335 единиц энергии в секторе «С» (9%),  со среднегодовой загрузкой 9.8%.

Основным требованием при производстве пиковой энергии, является надежное и бесперебойное обеспечение пиковой мощности  в любые кратковременные  периоды  времени, когда  температура наружного воздуха снижается ниже минус 10°С.

Поэтому, определяющими затратами  на обеспечение пиковой энергии сектора «С»  является  не переменные затраты на топливо, а постоянные издержки,  необходимые для  содержание  резерва мощности. 

 

Климатический коэффициент континентальности (ККК)  региона, показывает, во сколько раз эффективнее используется базовая мощность, по сравнению с пиковой  мощностью. Для города Омска наглядно видно (табл.2), что базовая мощность производит энергии в 9.28 раз больше чем пиковая мощность.

Еще раз обращаю внимание, что энергоклиматические показатели региона ККК и ТПК зависит только от климатических особенностей региона.  Этот показатель также является чисто климатическим показателем, и не зависит состава оборудования. Наоборот, состав энергетического оборудования выбирается исходя из значений ККК и ТПК. Чем выше ККК, тем выгоднее для пиковых источников тепла устанавливать относительно «дешевые» водогрейные котлы, использующие дорогие виды топлива – мазут, газ. Для базовой мощности, наоборот, чем выше ККК, тем выгоднее устанавливать относительно «дорогое»  оборудование,  но с максимальным использованием эффекта теплофикации и минимальными затратами топлива на единицу производимой тепловой  энергии.   

 

Базовый вид нагрузки и  пиковый вид нагрузки -  это  различные виды  нагрузок, имеющие различные виды альтернативных издержек. На примере базовой и пиковой видов нагрузок очень наглядно проявляется «правило Парето 80/20».  Для базовой нагрузки определяющими издержками являются переменные издержки порядка 75÷80% переменных затрат в виде топлива на производство энергии и только  25÷20% постоянных на содержание мощности.   Для пиковых нагрузок  наоборот, определяющими являются постоянные издержки на содержание мощности – порядка 75÷80%, и только 25÷20% переменных затрат в виде топлива на производство энергии.

 

Табл. 2.  Теплоэнергетический   показатель климата ТПК города Омска.

(Годовое  потребление энергии при  мощности  на  расчетную температуру  1Гкал/час.)

 

Применение этих двух показателей:  ТПК региона и ККК региона, позволяют на принципиально новом качественном уровне  подойти к анализу работ теплоэнергетической системы  города, нормированию технико-экономических показателей систем производства и систем потребления тепла для отопления и горячего водоснабжения.

 

 

 

5.  Сетка качественного теплоснабжения  потребителей.

График производства энергии  на рис.3 характеризует систему потребления энергии при  расчетной температуре воздуха  в помещении +20°С.  Однако из за отсутствия качественного регулирования в системах потребления тепла температура воздуха в помещении может изменятся в  очень широких пределах.  На рис.4  и рис.5 приведена «Сетка качественного теплоснабжения»,  расчетные величины  потребления тепла при диапазоне температур  в помещении от +12°С  до +28°С, а так же при самом распространенном случае, когда в морозы  температура воздуха  в помещении снижается до 17°С а в остальное время, как правило  дома перегреваются до 28°С.

 

 

 

 

С помощью «Сетки  качественного теплоснабжения» можно определить нормативные показатели  теплоснабжения для каждого из заданных температур наружного воздуха и температур  воздуха внутри помещения. На рисунке №5  можно определить годовое потребление тепла  в зависимости от принятой температуры воздуха. Так, при температуре внутреннего воздуха +20°С расчетное потребление тепла должно составлять 3726Гкал/год с одной Гкал/час расчетной тепловой мощности отопления и горячего водоснабжения.

Из-за отсутствия регуляторов температуры, устанавливаемых на каждой батарее отопления, реальный отпуск тепла характеризуется как значительным недогревом воздуха, так и значительным перегревом. Однако из-за короткого периода низких температур недотоп тепла практически не виден,  и в течение года происходит массовый перегрев потребителей с ростом годового потребления тепла на 10% до 4105Гкал/год / с одной Гкал/час.     

Перетоп помещений является одной из самых распространенных  причин перерасхода топлива в системе. Энергоснабжающие организации, конечно же,  не возражают  против перетопа, так как в пределах года без особого труда можно перевыполнить годовую программу по отпуску тепла.  В условиях отсутствия приборов учета и относительно низких цен на тепло наш российский потребитель регулировку температуры в помещении осуществляют форточкой. Проблема снижения перетопа является одной из самых сложных в теплоэнергетике, так как требует массовой установки регуляторов температуры типа «Данфосс» на каждой батарее. В условиях обоюдного отсутствия штрафных санкций как к потребителю так и к производителю тепловой энергии недотоп  в существенных объемах происходит в 10÷15раз  реже, чем перетоп, и на экономических показателях  по отпуску энергии практически не сказывается. Только с внедрением многоставочных тарифов, повышением стоимости топлива, массовым внедрением приборов учета проблема перетопа и недотопа  потребителей может быть успешна решена.

 

 

6.  Энергетический Стандарт потребления энергии и мощности.

Пример определения затрат  с применением теплоэнергетического показателя климата ТПК.

 

Допустим, что усредненный тариф платы за энергию 0.420руб/Гкал определен  правильно и адекватно  отражает реальные  затраты на:  а) производство тепловой энергии, и  б) на содержание мощности. При этом переменные затраты на топливо составляют 45%, или 189руб/Гкал,  а постоянные затраты соответственно составляют 55% от годовых расходов.  Тогда,  в соответствии с ТПК,  распределение затрат на оплату 1 Гкал/ч  заявленной  в договоре тепловой мощности, и потребленной тепловой энергии будет выглядеть  следующим образом:   

 

Табл.2  Энергетический Стандарт потребления энергии и мощности  на отопление и горячее водоснабжение и расчет платы за мощность и за энергию  для города Омска  рассчитанный на основе ТПК.

Пояснения

1.    Нагрузка горячего водоснабжения принята 18% от суммарной расчетной  нагрузки при расчетной температуре наружного воздуха – 37°С,    и от температуры воды в реке Иртыш.

2.    3726 Гкал/год – количество потребленной тепловой энергии в году для  1 Гкал/ч единицу тепловой  мощности  на расчетную температуру – 37°С.

3.    Договорная – расчетная  тепловая мощность  1 Гкал/час  по данным климатологии   составляет 48 часов в году.   Но она могла быть не разу в году, как за предыдущие  10-20лет, так могла быть и гораздо больше,  как например  в январе 2006 года.

 

            Энергетический Стандарт потребления тепла совместно с расчетом платежа за заявленную мощность и потребленную энергию по двухставочному  тарифу  позволяет как лакмусовая бумажка осветить все  вопросы правильности проведения расчетов. Наглядно видно затраты на топливную  составляющую и оплата расходов  на постоянные затраты. Применение расчетов с учетом комбинированного производства тепловой и электрической энергии позволяют наглядно почувствовать экономическую эффективность теплофикации.

 

7.  Выводы

1. Россия с ее резко континентальным климатом не должна  брать в качестве примера американские, английские, чилийские и другие модели развития энергетики. Именно Российская  энергетика имеет уникальную возможность использовать национальную особенность нашей страны – холод,   во благо развития общества.
2. Не сколько программа развития электрификации  России ГОЭЛРО-2, а прежде  всего программа развития теплофикации (ГОТФРО), позволяющая экономить до 40% национального богатства – первичного топлива, должна стать стратегической основой в развитии теплоэнергетического комплекса России
3. Россия не должна копировать западные страны в вопросах применения индивидуальных систем кондиционирования. У нас имеется уникальная возможность использовать пиковые мощности как для производства пиковой энергии в холодный период времени, так и для производства холода в жаркий период времени. Тригенерация, как последовательное продолжение развития теплофикации, должна стать основным направлением по развитию систем централизованного хладоснабжения.
4. График Росандра, являющийся основным инструментом, позволяющий анализировать климатические показатели регионов, должен быть настольной книгой для аналитика, экономиста, менеджера, занимающегося вопросами развития энергетики.
5. Энергоклиматические  характеристики  региона  характеризуется  двумя показателями,  которые зависят только от климатических характеристик – числа стояния различных температур воздуха  в регионе, и нормативной температурой  воздуха внутри  помещений,  и  не зависят от теплофизических характеристик зданий:

1 показатель – теплоэнергетический показатель климата (ТПК)

2 показатель – климатический коэффициент континентальности ККК

6. Применение показателей:  «первая реперная точка» «вторая реперная точка», ТПК  и ККК позволяет  унифицировать  расчеты энергетических  характеристик региона и производить сравнение  технико-экономических   показателей при производстве тепловой энергии для районов с различными климатическими характеристиками. 
7. График  потребления  энергии  для установленной тепловой мощности носит универсальный характер. Универсальность графика заключается в том, что он отражает потребность в энергии  только от климатических характеристик региона и от заданного уровня температуры в помещении. Теплоэнергетический показатель климата –3726 Гкал/год с 1 Гкал/час расчетной тепловой мощности  является  климатическим  стандартом для города Омска, однозначно определяющим  годовое, потребление тепла  любого жилого здания, помещения.
8. Сетка качественного теплоснабжения является  той лакмусовой  бумажкой,  с помощью которой можно  быстро определить, насколько правильно или неправильно производится расчет  потребности тепла по каждому  потребителю.
9. Энергетический стандарт потребления тепла является универсальным документом, отражающим потребление тепловой энергии по месяцам  в зависимости от климатических характеристик региона, и не зависит от теплотехнических характеристик  здания, помещения и т.д.
10. Энергетический Стандарт потребления тепла должен быть основным документом для планирования, нормирования потребления тепловой энергии как для потребителей, так и для производителей тепловой и комбинированной энергии.

 

Автор Богданов А.Б.
Электронный адрес: exergy@list.ru