Россию не просто так называют самой северной страной в мире. Конечно, есть на планете государства, части территорий которых находятся на таких же широтах, но только в России в приполярных и заполярных областях есть многотысячные и постоянно обитаемые населенные пункты – мы умеем жить в условиях, которые во всем мире принято называть «экстремальными».
Но дальше углубляться в политэкономические вопросы Аналитический онлайн-журнал Геоэнергетика.ru не будет – пусть этим занимаются профессионалы, а нас интересует совершенно практические следствия из сказанного. Из 100% энергии, вырабатываемой электрогенерирующими мощностями нашей страны 70% — это теплоэнергия, без которой наши города перестали бы быть обитаемыми. Следовательно, при всем технологическом совершенстве АЭС, которые в наше время являются высшим достижением мировой энергетики, для России нет ничего важнее ТЭЦ, теплоэнергоцентралей.
Отличия между ТЭС и ТЭЦ – не только буква в аббревиатуре
ТЭЦ – это энергетический объект, осуществляющий совместную генерацию электроэнергии и тепловой энергии за счёт сжигаемого органического топлива (газ или мазут). Тепло и электроэнергия от ТЭЦ поступает в стоящий рядом город. ТЭЦ всегда стоят в городах, а потому сжигают в них наиболее чистое топливо – природный газ. Мазут на ТЭЦ используют только как аварийный запас топлива на случай аварийного отключения газа на короткий период времени. Впрочем, в истории России имелись два исключения из этого правила – было время, когда два наших города обеспечивали теплом атомные реакторы, на которых шла наработка оружейного плутония – речь идет о Северске и Железногорске. Потому старинные анекдоты на тему «Что-то сегодня мороз, подкинь в топку урана» какую-то основу под собой имели, но после подписания международных договоров о прекращении наработки плутония эта экзотика осталась в прошлом. Если и возвращаться к этой удивительной истории, то точно уж не в этой статье.
ТЭС, тепловые электростанции, рядом с городами строят в редчайших случаях – на них сжигают уголь разных сортов, торф, кое-где даже мазут, что для городской экологии представляет слишком большой риск. ТЭС обычно размещают вблизи карьеров с углём или рядом с торфоразработками, что позволяет значительно сократить расходы на доставку огромных объёмов сжигаемого твёрдого топлива. Из-за соображений безопасности не строят рядом с крупными городами и АТЭС, но это, опять же, совсем другая история. ТЭЦ отличается от ТЭС и АЭС только тем, что ТЭС и АЭС генерирует исключительно электроэнергию и не выдают тепловую энергию потребителям, целиком сбрасывая ненужное тепло через градирни или подогревая воду водоема-охладителя, о чем мы уже писали.
Сброс тепла — это следствие термодинамического замкнутого цикла, при котором избавление от излишков тепла является неотвратимым процессом. КПД современных турбин превышает 40%, то есть больше половины тепла ТЭС «вылетает» в систему охлаждения и далее в атмосферу неиспользованной. Мы предлагаем вам, уважаемые читатели, зафиксировать этот факт: в нашей, самой холодной в мире стране, тепло, генерируемое на электростанциях, круглый год сбрасывается в атмосферу, не принося никому никакой пользы. Любая тепловая электростанция, вне зависимости от места ее расположения, без малейшего вреда для своих технологических процессов, способна, к примеру, обеспечивать круглогодичное функционирование тепличных комплексов. Конечно, капитальные затраты на такие проекты потребуются в любом случае, но наличие отопления с нулевой себестоимостью вполне способны их окупить. Но эта статья посвящена ТЭЦ, а в городах свободные площади под такие «приусадебные участки» отсутствуют. Тем более, что КПД ТЭЦ во время отопительного сезона в два раза выше, чем у ТЭС, и причина этого именно в том, что на ТЭЦ одновременно вырабатывается и полезная нашим городам тепловая энергия.
Двойное использование поднимает КПД
Напомним, что в случае использования в качестве топлива ТЭС природного газа температура пара перед турбиной достигает 540 градусов Цельсия при давлении до 240 атмосфер. Цилиндры высокого, среднего и низкого давления выбирают из рабочего пара всю накопленную в нем тепловую энергию – на выходе из цилиндра низкого давления (ЦНД) пар имеет температуру всего 40-50 градусов и давление 5 кПа (кило паскалей) или 5% от атмосферного. Сброс энергии в виде выбросов дыма из труб печей-котлов и пара через градирни составляет около 60% от энергии из сожжённого топлива. Дальнейшая борьба за повышение КПД продолжается, но о сверхкритических и даже ультрасверхкритических (в данном случае использованы технические термины, ничего «литературного») технологиях – в следующих статьях.
А вот КПД для ТЭЦ может достигать целых 85%, при этом потери будут только на выхлопные газы в дымовой трубе и на внутренние нужды самого технологического цикла ТЭЦ. Повышение КПД для ТЭЦ связано как раз с тем, что в зимние холода удаётся использовать тёпло от конденсаторов пара цилиндров среднего давлении (ЦСД) для отопления окружающего ТЭЦ города. Конечно, тепло от ТЭЦ в систему горячего водоснабжения подается круглый год, но его требуется значительно меньше, чем для наших радиаторов в отопительный сезон, поэтому повышение КПД связано как раз с отоплением. В летнее время ТЭЦ, как и ТЭС, излишки тепла сбрасывает на внешние системы охлаждения – в водоемы-охладители, в брызгальные бассейны и в градирни. Для простоты далее будем считать, что охлаждение осуществляется только за счет градирен.
ТЭЦ зачастую вынуждены работать при переменных условиях, зависящих не только от времени года, но и от конкретных значений температуры на улице и даже от времени суток. Специальных знаний для понимания такой изменчивости не требуется, достаточно вооружиться здравым смыслом.
Пять режимов работы ТЭЦ
Итак, при работе ТЭЦ возможно несколько вариантов режимов совместной одновременной работы генераторов, градирен и тепловых сетей:
- В тёплое время года ТЭЦ генерирует много электроэнергии и сбрасывает большую часть тепла на градирни. Градирня интенсивно «дымит»-парит, город потребляет тот минимум тепла, который требуется для горячего водоснабжения. При этом КПД по топливу у ТЭЦ чуть выше, чему ТЭС;
- В номинальном режиме работы ТЭЦ при температуре до минус 5 градусов Цельсия в отопительный период генерируется некоторое количество электричества (меньше максимальной мощности), а всё тепло передается в тепловую сеть города. Градирня простаивает, и пара над ней нет, при этом КПД использования топлива достигает максимума в 85%. Теплосъём осуществляется при конденсации пара с температурой до +105С на ЦСД, при этом третья ступень – ЦНД, цилиндр низкого давления — простаивает и вклад в выработку электроэнергии не вносит;
- В переходном режиме в межсезонье электричество генерируется на среднем уровне, а тепло сбрасывается частично в тепловую сеть города и частично на градирни. Градирни «дымят» в полсилы или задействована одна из двух-трёх имеющихся. При этом КПД по топливу у ТЭЦ выше, чему ТЭС;
- Электроэнергия вырабатывается незначительно, но потребность города в тепловой энергии высокая, что случается в выходные дни морозной ночью. В этом режиме градирни не «дымят» совсем, а недостаток тепла восполняют специальные пиковые котельные, которые не генерируют пар, а работают в режиме водогрейного котла, отправляя выработанное тепло мимо турбин сразу в тепловую сеть города. При этом КПД электрогенерации максимален (сброса тепла в градирни нет), но большая часть ТЭЦ работает как обычная водогрейная котельная;
- Электроэнергия вырабатывается на максимуме, но потребность города в тепловой энергии высокая, что случается в морозный рабочий день. В этом режиме градирни «дымят» сильно, а недостаток тепла в тепловой сети восполняют пиковые котлы-теплогенераторы, которые не генерируют пар, а работают в режиме водогрейного котла, отправляя тепло мимо турбин сразу в тепловую сеть города. Это максимальный режим работы ТЭЦ , но топливный КПД в этом режиме такой же, как у ТЭС.
Режимы электропотребления и теплопотребления в наших городах зачастую весьма переменные как по году, так и по дням недели и по времени суток, поэтому все пять режимов работы ТЭЦ плавно перетекают один в другой в произвольном порядке, в зависимости от текущей ситуации. Исходя из этого, одна из особенностей конструкции ТЭЦ – ее проектная способность к очень быстрой реакции на изменение нагрузки, или, как говорят энергетики, высокая маневренность.
Тепловые лабиринты городских подземелий
Климатическое распределение температуры в отопительном периоде для средней полосы России (за исключением городов на берегах Балтийского моря, то есть Ленинградской и Калининградской областей) таково, что самые длительные периоды работы ТЭЦ зимой — это режимы при слабом минусе или при оттепелях, то есть режимы 2 и 3. Ради этих длительных и наиболее экономичных режимов и были созданы ТЭЦ, но система горячего водоснабжения и отопления зданий и помещений только ими не ограничивается. Как бы ни старались инженеры и работники коммунальных служб обеспечить теплоизоляцию труб, по которым бежит в наши дома, климат свое берет – вода на пути от ТЭЦ до радиаторов на стенах наших квартир успевает остыть ниже нормативных температурных значений. Да и чисто по-житейски – воду от ТЭЦ на жилой квартал проще передать по магистральным трубам большого диаметра, чтобы в каком-то центральном для квартала (района) месте распределить ее по более тонким трубам, которые и приводят горячую воду в наши квартиры.
Для магистральных трубопроводов, продолжительность которых достигает 10 км и больше, используются стальные трубы диаметром до 1’400 мм, а ЦТП располагают так, чтобы удаление до отапливаемых ими домов не превышало 500 метров, здесь вполне хватает труб диаметром до 150 мм, применяют не только стальные, но и полимерные трубопроводы. Про системы теплоснабжения крупных городов рассказывать можно долго – их разрабатывают так, чтобы многократно перестраховаться от любых аварий или ЧП с магистральными горячими водопроводами, от возможных аварий на самих ТЭЦ. При наличии в городе нескольких ТЭЦ на магистральных водопроводах формируют закольцовки, что позволяет в случае аварии на ТЭЦ одного района распределять нагрузку на ТЭЦ одного или нескольких других районов.
Центральные тепловые пункты
Энергетики – это не химики с их любовью к терминологии на латыни, поэтому название для таких пунктов дали бесхитростное – ЦТП, центральный тепловой пункт. ЦТП всегда обслуживает несколько зданий, а если обслуживается только одно здание, то название меняется на ИТП — Индивидуальный Тепловой Пункт.
Оборудование ЦТП позволяет выбрать для каждого отдельного обслуживаемого им дома специальные температурные и гидравлические режимы, соответствующие особенностям их систем отопления, а также уберечь нас от контакта с «подготовленной водой-теплоносителем» из труб от ТЭЦ. Это ведь та самая вода, которую для использования в недрах ТЭЦ подготавливают, исходя из технических требований – в ней нормированы показатели карбонатной жесткости, содержания кислорода и железа, показателя рН, а также уйма дополнительных реагентов, которые препятствуют коррозии труб и оборудования. Если городские власти хотят избежать постоянного напряжения из-за качества горячей воды со стороны своих жителей, приходится использовать независимые схемы присоединения ЦТП. В этом случае перегретая вода, идущая от ТЭЦ по первому контуру ЦТП, нагревает воду, проходящему по независимому второму контуру, которая в дальнейшем поступает в систему ГВС и идет к потребителям.
Сейчас наиболее распространенные тепловые пункты работают с закрытой системой горячего водоснабжения (ГВС) и независимой схемой присоединения системы отопления. Вот это уже придется «расшифровать».
Закрытая схема ГВС – это когда техническая вода в трубах от ТЭЦ и вода в системе ГВС никогда не смешиваются. Разделение питьевой воды в системе ГВС-ХВС и технической воды из тепловой сети происходит на разделительных теплообменниках подогрева воды. Сейчас теплообменник выполняются в виде пакета пластин, а потому называются «Пластинчатые теплообменники». Раньше использовали значительно более громоздкие и сложные кожухо-трубные теплообменники. Независимая схема присоединения отопления – это тот случай, когда теплоноситель, то есть горячая вода из магистральной сети, не поступает непосредственно к потребителям в радиаторы отопления, а разделяется на разделительном теплообменнике, как и в случае нагрева ГВС. В таком случае ЦТП – это первичный распределитель, который разделяет общий поток горячего теплоносителя на различных потребителей: теплообменники системы подогрева воды для горячего водоснабжения и теплообменники систем отопления квартир.
Когда в ЦТП устанавливают разделительные теплообменники как на ГВС, так и на системы отопления отдельных зданий, то этот комплект теплообменников на каждое отдельное здание позволяет выдерживать индивидуальные гидравлические режимы в системах, в соответствии с различными проектными решениями домов. Ведь дома в одном квартале строятся не одновременно и по проектам различных компаний-застройщиков.
Независимая схема присоединения потребителей к тепловым сетям в ЦТП – это замечательная схема, экономически выгодная для ТЭЦ – постоянный персонал для таких ЦТП вообще не требуется, автоматические системы позволяют дистанционно управлять оборудованием, регулировать температуру и давление воды в разных контурах разных домов. Эксплуатационные расходы сводятся к затратам на электроэнергию, необходимую для обеспечения работы насосов. Насосов в ЦТП, кстати, всегда много: кроме основных обязательно присутствуют и резервные, причем подача электрического питания для них независима, чтобы подстраховаться на случай аварий и ЧП в системе электроснабжения.
Существуют ещё зависимые схемы присоединения систем отопления к тепловой сети. В этом случае отсутствует разделительный теплообменник в ЦТП, а вода из тепловой сети поступает непосредственно в батареи квартир через узел смешивания (элеваторный узел). Зависимая схема присоединения широко применялась в начальный период строительства массового жилья («сталинки» и «хрущёвки») небольшой этажности , где применялась гравитационная однотрубная система отопления без применения дополнительных циркуляционных насосов.
Недостаток у зависимых ЦТП только один – если вы живёте в современном высотном доме, то до батарей на верхних этажах теплоноситель из тепловой сети просто не дотянется из-за недостатка давления в тепловой сети.Для новых районов с большими высотными домами применяют только ЦТП с независимой схемой подключения всех систем.
Напоследок стоит упомянуть о совсем древней и крайне неприятной для людей схеме теплоснабжения, когда для нужд ГВС брали горячую и грязную воду из труб отопления, а холодная вода поступала по отдельной третьей трубе. Эту схему так и называют «трёхтрубная». Именно в память о «трёхтрубной системе» закрепилась в народе привычка заливать воду в чайник для кипячения только из крана с холодной водой. В современных независимых схемах присоединения вода в обоих кранах течёт одинакового питьевого качества. Так что для скорейшего закипания чайника можете смело наливать в него воду из-под «горячего» крана.
Трёхтрубная система осталась только в маленьких поселковых котельных, стоящих без реконструкции ещё со времён СССР, сейчас такие котельные при реконструкции переводят на современные схемы теплоснабжения с закрытыми системами ГВС.
Современные ЦТП можно назвать по аналогии «пятитрубными», так как от ЦТП к потребителю идёт пять труб: две на радиаторы отопления, одна на ХВС, одна на ГВС, и одна труба для циркуляции ГВС.
Циркуляция ГВС необходима для того, чтобы в горячей трубе ГВС не застаивалась вода и не остывала при отсутствии в ней водоразбора. Циркуляционный трубопровод ГВС возвращает горячую воду обратно на ЦТП на повторный нагрев в теплообменнике ГВС.
ЦТП с архитектурной точки зрения ничего интересного не представляют – бетонные коробки во дворах домов с глухими стенами, воротами для того, чтобы можно было в случае необходимости сменить оборудование и дверью для обслуживающего персонала. А вот внутри не все так просто – по предыдущему тексту это, наверное, уже понятно.
Внешняя простота порой обманчива
Где-то внизу, под землей, в ЦТП входит магистральная труба с горячей водой, идущей от ТЭЦ – через ввод, который называют тепловым (какая неожиданность!). Горячую воду от ТЭЦ внутри ЦТП разводят на два теплообменника, для системы отопления и для системы ГВС. Вода в контуре отопления, получив свою порцию тепла, уходит в радиаторы наших квартир, в которых остывает и возвращается погреться в ЦТП. Контур отопления замкнут, никаких сложностей. Вода от ТЭЦ, потеряв температуру на этом теплообменнике, отправляется в обратный путь все через тот же тепловой ввод (могли бы и вводом-выводом называть, просто не усложняют). Теплообменник №2 используется для подогрева системы ГВС: в ЦТП через водопроводный ввод приходит водопроводная вода (еще одна неожиданность), насос холодного водоснабжения отправляет одну ее часть в трубы, ведущие к кранам холодной воды в квартирах, а вторую часть – в теплообменник №2, на обогрев от воды, приходящей с ТЭЦ. Исключительно из деликатности на схеме нет линий, изображающих канализационный слив, но о его существовании можно догадаться и без подсказок. Вода, приходящая от ТЭЦ, потеряв температуру в теплообменнике № 2, все через тот же тепловой ввод отправляется в обратный путь. На представленной схеме все достаточно очевидно, некоторые детали в описании опущены.
Схема работы ЦТП
Кстати, схема наглядно показывает, что химический состав воды, текущей из холодного крана, ничем не отличается от химического состава горячей воды. Данная схема хороша тем, что здесь весьма наглядно показаны полотенцесушители, которые располагаются в ванных комнатах. В полотенцесушителе в ванной комнате круглый год протекает вода от ГВС с температурой в те же 60 градусов Цельсия. Именно по этой причине полотенцесушитель — это единственный всегда горячий отопительный прибор в наших квартирах. Цель устройства полотенцесушителей — непрерывная прокачка воды (циркуляция) по трубам ГВС, чтобы вода там не остывала при застоях в водопотреблении. Если этого не сделать, то при попытке дождаться «горяченькой» из под крана приходилось бы регулярно сливать большие количества чистой воды в канализацию без какого –либо полезного использования. Температура воды в системе ГВС в 60 градусов Цельсия определяется болевым порогом человека, то есть при такой температуре руке человека ещё не больно и ожогов не возникает.
Остается отметить, что температура воды, уходящей из ЦТП в обратный путь к ТЭЦ, после ее использования для обогрева контуров системы отопления и системы ГВС снижается до 50-70 градусов. Холодной ее назвать сложно, воду с такой температурой вполне можно использовать для какой-нибудь полезной работы. Работы, полезной не только для экономики ТЭЦ, но и для нас с вами, жителей городов. Возможен ли такой вариант – ведь, вроде бы, все придумано до нас? Возможно, и Аналитический онлайн-журнал Геоэнергетика.ru обязательно об этом расскажет.
При соавторстве с Борисом Марцинкевичем
Фото: mosenergo.ru