Повышение энергоэффективности в системах теплоснабжения

Часть 1. Проблемы российских систем теплоснабжения

И. А. Башмаков

За сто лет развития российская система теплоснабжения стала самой большой в мире: на ее долю в 2006 году приходилось 44 % мирового централизованного производства тепловой энергии [1]. В то же время централизованная система теплоснабжения страны отличается крайне запущенным состоянием. Попробуем разобраться, что же требуется для повышения ее энергоэффективности. Для этого сначала определим и сформулируем основные проблемы функционирования российской системы теплоснабжения.

Cистема теплоснабжения России состоит из 50 тыс. локальных систем теплоснабжения, обслуживаемых 17 тыс. предприятий (таблица). Ни одна страна в мире не может сравниться с Россией по масштабам систем теплоснабжения. Потребление тепловой энергии в Москве превышает ее потребление в Голландии и Швеции вместе взятых, а потребление тепла в Санкт-Петербурге выше, чем в Финляндии или Дании – странах-«законодателях моды» в теплоснабжении.

На производство тепловой энергии для систем теплоснабжения расходуется около 320 млн т. у. т., или 33 % всего потребления первичной энергии в России, что равно потреблению первичной энергии в таких странах, как Великобритания или Южная Корея.

На цели производства тепловой энергии ежегодно расходуется 190 млрд м³ газа, что в 1,6 раза больше, чем расход на производство электроэнергии, и равно 41 % от суммарного потребления газа. Котельные и индивидуальные генераторы тепла расходуют газа больше, чем его используется на выработку электроэнергии на всех электростанциях. В топливном балансе систем теплоснабжения доля природного газа росла и достигла 68 %. Доля котельных, работающих на природном газе, выросла с 40 (2000 год) до 53 % (2007 год).

Тепло вырабатывается на 500 ТЭЦ и 66 тыс. котельных, а также на 12 млн индивидуальных тепловых установок. От этих источников оно передается по сетям протяженностью 177 тыс. км (в двухтрубном исчислении)¹ с общей площадью поверхности около 180 км² для примерно 44 млн абонентов. Централизованным теплоснабжением для нужд отопления обеспечен 81 % жилищного фонда, а горячей водой – 64 % населения России.

Рынок тепловой энергии – один из самых больших монопродуктовых рынков России. Однако на федеральном уровне нет ни структур управления, ни единой политики развития систем теплоснабжения.

Все региональные рынки тепловой энергии можно разделить на четыре категории: сверхкрупные – 15 городов с потреблением тепловой энергии более 10 млн Гкал в год; крупные – 44 города с потреблением от 2 до 10 млн Гкал в год; средние – сотни городов с потреблением от 0,5 до 2 млн Гкал в год; малые – более 40 тыс. поселений с потреблением тепла от централизованных источников менее 0,5 млн Гкал в год.

Последняя группа, характеризуемая множественными мелкими и, как правило, низкоэффективными системами теплоснабжения, создает непропорционально большую экономическую нагрузку по обеспечению надежности системы теплоснабжения. На ее долю приходится около 15 % производимой тепловой энергии, но более 30–35 % бюджетных средств, направленных на финансирование систем теплоснабжения и их подготовку к зиме. Для этих систем характерны самые высокие тарифы при самой низкой покупательной способности потребителей и самом высоком уровне задолженности.

На развитие систем теплоснабжения оказывают существенное влияние реформы электроэнергетики, ЖКХ и местного самоуправления. Однако в концепции реформы электроэнергетики не выражена позиция по судьбе ТЭЦ. В концепции реформы ЖКХ практически не отражены целевые параметры надежности, эффективности, качества и доступности услуг теплоснабжения. Приход частных операторов осложнился необходимостью определения как исходного, так и целевого состояния объектов теплоснаб-жения.

В 2007 году за счет бюджетов всех уровней за услуги теплоснабжения для населения было израсходовано 99 млрд руб. В том числе на компенсацию убытков – 44 млрд руб., на социальную поддержку – 39 млрд руб., на субсидии малоимущим – 3 млрд руб. Средний тариф на тепло, отпускаемое населению, в 2007 году составил 745 руб./Гкал. Тарифы очень существенно различаются по субъектам Российской Федерации: минимальный тариф составил 350 руб./Гкал, а максимальный – 5 100 руб./Гкал. Несмотря на сохранение дотирования теплоснабжения для населения многих регионов, оно все же тратит на приобретение тепловой энергии в 3 раза больше средств, чем на покупку электрической энергии.

После снижения потребления тепловой энергии в 1990-х годах оно стабилизовалось в 2000–2008 годах на уровне 2 020–2 080 млн Гкал. Несмотря на рост ВВП России в эти годы, потребление тепловой энергии не увеличивается.

Теплоемкость ВВП Российской Федерации в 2000–2006 годах уменьшилась на 32 %. Этот процесс происходил как за счет динамичного снижения энергоемкости ВВП, так и за счет замещения централизованно производимой тепловой энергии другими энергоносителями.

На долю тепловой энергии приходится 30 % всего конечного потребления энергии. Тепло занимало первое по значимости место в структуре потребления энергоносителей в промышленности (31 %), у населения (50 %) и в сфере услуг (63 %). Структура потребления тепловой энергии медленно меняется в пользу населения за счет промышленности, транспорта и сельского хозяйства, в которых объем потребления тепловой энергии снизился.

Потери в тепловых сетях (как при включении неучтенных потерь², так и без этого) несколько выросли, поэтому в 2000–2007 годах полезное потребление тепловой энергии абсолютно снизилось. Рост доли потерь в тепловых сетях отчасти связан с увеличением доли населения и сферы услуг в структуре потребления тепловой энергии. В промышленности потребление тепловой энергии повысилось только в процессах добычи нефти и переработки топлива, в производстве удобрений, картона и мяса. При изготовлении прочих продуктов потребление тепловой энергии упало, несмотря на существенный рост их производства.

Рост спроса на тепло за счет нового строительства только компенсировал снижение объемов реализации тепловой энергии существующим потребителям по мере увеличения доли их оснащенности приборами учета.

С 2000 по 2007 год жилищный фонд вырос на 8 %, доля жилого фонда, оборудованного системами централизованного теплоснабжения, выросла с 73 до 81 %, доля населения, обеспеченного ГВС, – с 59 до 64 %, однако потребление тепловой энергии в жилом секторе не выросло и определялось в большей степени характеристиками отопительного сезона, чем этими факторами. На нужды отопления приходится около 70 % всего потребления тепловой энергии населением, остальные 30 % – на нужды ГВС.

В противоположность мировым тенденциям, в России ТЭЦ потеряли треть своей прежней ниши на рынке тепла. Это произошло как за счет спада промышленного производства, так и за счет «тарифных тисков» (неверной тарифной политики, не дающей преимуществ выработки тепла на ТЭЦ перед котельными, но стимулирующей установку приборов учета и реализацию мер по экономии и замещению тепловой энергии). Возрождение промышленности после 2000 года не позволило вернуть эту часть рынка. Примерно такой же сегмент рынка потеряли крупные котельные, в основном промышленные.

Практически во всех локальных системах теплоснабжения (за очень редким исключением) отмечается значительный (20 % и более) избыток располагаемых мощностей, определенный с учетом нормативных требований по их резервированию.

Оценки тепловых нагрузок потребителей, как правило, существенно завышены. В Москве суммарная мощность источников теплоснабжения равна 54 тыс. Гкал/ч при нагрузке 37 тыс. Гкал/ч. При нормальном резерве мощности в 13 % ее избыток составляет 12 тыс. Гкал/ч, или 22 %. Поэтому началось закрытие РТС. Многие новые источники теплоснабжения строятся с огромным и необоснованным запасом мощности. Мотив простой: чем больше мощность, тем больше «откат». Избыточное резервирование мощности (рис. 1) существенно удорожает эксплуатацию таких систем. В Польше в тариф на тепло не включаются затраты на содержание избытка мощности свыше 25 %.

В 2000–2008 годах происходили процессы децентрализации теплоснабжения. В результате снизилась протяженность тепловых сетей на 4 % и доля сетей малых диаметров (менее 200 мм) с 77 до 74 %. Кроме этого, вырос с 70 до 73 % удельный вес количества котельных мощностью менее 3 Гкал/ч за счет уменьшения числа котельных средней мощности, а также увеличилась с 18 до 20 % доля тепловой энергии, производимой на индивидуальных установках.

В структуре использования тепловой энергии населением по мере развития малоэтажного строительства устойчиво растет доля децентрализованного тепла, генерируемого на индивидуальных установках. Такая же тенденция проявляется в сфере услуг. Особенно значительно доля централизованного тепла снизилась в промышленности: с 35 (2000 год) до 31 % (2006 год). При учете тепла от теплоутилизационных установок уменьшение еще более весомо.

Эффективность производства и распределения тепловой энергии в целом по стране в 2000–2007 годах практически не изменилась.

По данным статистики, средний КПД котельных вырос с 81 до 83 %. А вот доля потерь в тепловых сетях (по данным той же статистики) выросла с 7 до 9 %, а с включением неучтенных потерь – до 14–17 %. Разделение в процессе ценообразования затрат на производство и транспорт тепловой энергии привело к повышению доли потерь, отражаемых в статистике по теплоснабжению. Однако эти данные все еще далеки от адекватных оценок потерь. В среднем по России потери в муниципальных тепловых сетях (за исключением промышленных потребителей) составляют 15–25 %, в тариф же включаются только 7–10 % потерь. В итоге теплоснабжающие компании вынужденно стремятся завысить и подсоединенные нагрузки, и объемы отпуска тепла потребителям. В Литве в 2000 году решили выйти из «зазеркалья», признав, что тепловые потери равны 20 %; началась проводиться целенаправленная работа по их снижению, в результате чего к 2003 году потери удалось снизить до 16 % [2].

Долговечность тепловых сетей, эксплуатирующихся в условиях отсутствия водоподготовки, не превышает 6–8 лет.

Долговечность тепловых сетей (ресурс) зависит от условий их эксплуатации. Существует два подхода к определению остаточного ресурса и срока службы тепловых сетей: технический (по потоку отказов) и экономический (равенство или превышение ежегодных затрат на ликвидацию отказов над годовыми затратами при сооружении нового теплопровода или участка теплопровода). Всегда предпочтительно использовать экономический подход. Однако выделить затраты на ремонтные работы (прежде всего затраты на ликвидацию повреждений) в тепловых сетях из существующей документации теплоснабжающих компаний крайне трудно, а сопоставить эти затраты с картой тепловых сетей практически невозможно. По отдельным муниципальным образованиям на аварийно-восстановительные работы расходуется около 10 % себестоимости, притом что еще столько же тратится на капитальные ремонты.

Около 50 % всех затрат в системах теплоснабжения могут быть отнесены на обслуживание тепловых сетей.

Для систем теплоснабжения, попавших в зону высокой эффективности централизованного теплоснабжения, доля затрат на транспорт тепла не превышает 30–35 % от суммарных затрат в системах теплоснабжения. Техническое состояние тепловых сетей многих населенных пунктов неудовлетворительно: теплогидроизоляция отсутствует, в осенне-весенний период тепловые сети затапливаются водой, что приводит к увеличению потерь и повышению расхода топлива; отсутствие подготовки воды на котельных приводит к значительной коррозии и снижению долговечности тепловых сетей. Отложение соединений железа на стенках труб приводит к уменьшению пропускной способности трубопроводов, перерасходу топлива и электроэнергии. Многие сети гидравлически разрегулированы, т. к. элементы системы тепловых сетей не соответствуют расчетным данным (диаметры распределительных сетей) или отсутствуют совсем (дроссельные шайбы). Требуется наладка гидравлического режима тепловых сетей.

Вместе с тем опыт перекладки сетей с применением новых ППУ-труб (бесканальная прокладка) уже накоплен во многих муниципальных образованиях.

Как правило, применяется технология с изоляцией сварных стыков линейной части тепловой сети в термоусадочных муфтах. Стационарные средства диагностики повреждений не используются. Вопрос о масштабах перекладки тепловых сетей должен решаться только после принятия решения о газификации и степени децентрализации теплоснабжения.

Политика в области реконструкции и модернизации систем теплоснабжения была нацелена в основном на повышение надежности их работы. Эти усилия дали свои плоды. Частота отказов работы теплопроводов снизилась с 0,5 до 0,1 отказа/км в год, т. е. до грани приемлемого уровня надежности (в Финляндии этот показатель находится на уровне 0,05–0,1 отказа/км в год), однако во многих, особенно мелких, системах теплоснабжения он приближается к критическому уровню – 0,6 отказа/км в год.

Результаты диагностики более чем трехсот российских систем теплоснабжения позволили сформулировать основные системные проблемы функционирования:

1. Российского теплоснабжения:

• отсутствие надежных данных по фактическому состоянию систем теплоснабжения;
• отсутствие повышения спроса на тепло в последние годы на фоне существенного ускорения экономи-ческого роста;
• отсутствие перспективных генеральных планов, муниципальных энергетических планов и обновленных схем теплоснабжения в подавляющем большинстве населенных пунктов;
• существенный избыток мощностей источников теплоснабжения и завышенные оценки тепловых нагрузок потребителей;
• избыточная централизация многих систем теплоснабжения;
• снижение или стабилизация на низком уровне доли выработки тепла на ТЭЦ при отсутствии государственной политики поддержки и стимулирования совместной выработки тепловой и электрической энергии;
• высокий уровень потерь в тепловых сетях как за счет избыточной централизации, так и за счет обветшания тепловых сетей и роста доли сетей, нуждающихся в срочной замене;
• разрегулированность систем теплоснабжения (высокие потери от перетопов, достигающие 30–50 %);
• нехватка квалифицированных кадров, особенно на объектах теплоснабжения небольших поселений.

2. Источников тепла:

• высокие удельные расходы топлива на производство тепловой энергии;
• низкая насыщенность приборным учетом потребления топлива и/или отпуска тепловой энергии на котельных;
• низкий остаточный ресурс и изношенность оборудования;
• нарушение сроков и регламентов проведения работ по наладке режимов котлов;
• нарушение качества топлива, вызывающее отказы горелок;
• низкий уровень автоматизации, отсутствие автоматики или применение непрофильной автоматики;
• отсутствие или низкое качество водоподготовки;
• несоблюдение температурного графика;
• высокая стоимость топлива;
• нехватка и недостаточная квалификация персонала котельных.

3. Тепловых сетей:

• заниженный по сравнению с реальным уровень потерь в тепловых сетях, включаемый в тарифы на тепло, что существенно преуменьшает экономическую эффективность расходов на реконструкцию тепловых сетей;
• высокий уровень фактических потерь в тепловых сетях;
• высокий уровень затрат на эксплуатацию тепловых сетей (около 50 % всех затрат в системах теплоснабжения);
• высокая степень износа тепловых сетей и превышение в ряде населенных пунктов критического уровня частоты отказов;
• неудовлетворительное техническое состояние тепловых сетей, нарушение тепловой изоляции и высокие потери тепловой энергии;
• нарушение гидравлических режимов тепловых сетей и сопутствующие ему недотопы и перетопы отдельных зданий.

Теперь, когда проанализирована ситуация в секторе централизованного теплоснабжения и определены основные проблемы, можно выявить потенциал энергосбережения отрасли и обозначить мероприятия, способствующие повышению ее энергоэффективности.

Литература

1. OECD/IEA. 2007. Energy Balances of non-OECD countries. 2004–2005.

2. Ignotas A. Lithuanian legal and regulatory framework for district heating. Presented at IEA workshop «District heating policy in transition economies». Prague. February 2004.

Опубликовано в журнале Энергосбережение №2/2010

Рубрика: Теплоснабжение