Развитие национальных энергосистем на основе технологий теплофикации

УДК 338.012; 338.2

РАЗВИТИЕ НАЦИОНАЛЬНЫХ ЭНЕРГОСИСТЕМ НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИЙ ТЕПЛОФИКАЦИИ

© 2015

Е.М. Лисин, кандидат экономических наук, доцент кафедры экономики промышленности и

организации предприятий Национальный исследовательский университет МЭИ, Москва

Аннотация. В статье проводится сравнительный анализ развития отечественной и западных энергосистем с позиции организации централизованного энергоснабжения на основе комбинированной выработки тепловой и электрической энергии. В ходе проводимого исследования выявлены основные предпосылки построения национальных энергосистем с применением теплофикационных технологий на основе неравномерного распределения энергетических ресурсов по территории страны. В работе обосновано, что несмотря на принцип эффективности выработки энергии наиболее значимым решением является сопоставление различных вариантов тепло- и электроснабжения. Авторами отмечено, что не все виды генерации приспособлены к рыночным условиям. В заключении выявлены проблемы функционирования теплоэлектроцентралей в условиях действующего энергетического рынка и предложены дифференцированные государственные подходы к повышению их конкурентоспособности, что позволит достичь равновесия между регионами.

Ключевые слова: теплофикация, теплоэлектроцентраль, теплофикационный потенциал, экономичность, себестоимость производства, конкурентоспособность, энергорынок.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время экономика России являет собой наследие Советского Союза, в котором был достаточно развитый комплекс тяжелой промышленности. Большая доля приходится на энергетическую отрасль, основу которой составляют теплофикационные электрические станции, осуществляющие одновременную выработку тепловой и электрической энергии для нужд населения и промышленности. Теплофикационные электростанции, называемые теплоэлектроцентралями (далее - ТЭЦ), были рациональным образом встроены в общую энергосистему СССР и отличались высокими показателями эффективности. Однако после перехода к рыночной экономике положение теплоэлектроцентралей в российской энергетике значительно ухудшилось, на сегодняшний день отчетливо обозначена тенденция к вытеснению этого вида генерации с энергорынка ввиду его слабой приспособленности к рыночным условиям. Становится актуальным исследование предпосылок дальнейшего развития национальной энергосистемы на основе технологий теплофикации.

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РАЗВИТИЯ НАЦИОНАЛЬНЫХ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ РОССИИ И ЗАПАДНОЙ ЕВРОПЫ

Теплофикация представляет собой способ организации централизованного энергоснабжения на основе комбинированной выработки тепловой и электрической энергии. Выработка тепла и электроэнергии осуществляется совместно в едином технологическом процессе. Централизация энергоснабжения заключается в подаче тепловой и электрической энергии от одного источника многочисленным тепловым и электрическим потребителям через энергосистему. В данном случае энергосистема включает в себя теплофикационные электростанции, электрические и тепловые сети, соединенные между собой и связанные режимами непрерывного процесса производства, преобразования, передачи и распределения электрической и тепловой энергии.

Предпосылки к применению комбинированной выработки тепловой и электрической энергии возникли еще в 70-80-х годах XIX века одновременно с формированием энергетической отрасли. Коэффициент полезного действия первых электростанций был крайне низок и составлял всего лишь 3%. Из-за необходимости в постоянном отводе большого количества теплоты первые электростанции располагались на плавучих баржах, что обеспечивало легкий доступ к охлаждающей воде. Возникала крайне острая проблема полезного использо-Карельский научный журнал. 2015. № 4

вания сбрасываемой тепловой энергии, решение которой вскоре было найдено.

В начале XX века отходящая тепловая энергия электростанций начинает использоваться в технологических процессах развивающихся отраслей промышленности и постепенно приходит к бытовому потребителю. При этом теплофикация в полной мере не реализуется ввиду разрозненности потребителей и отсутствии централизации теплоснабжения. Несмотря на то, что практическое решение в области централизованного теплоснабжения было разработано в США еще в 1877 году, вплоть до 1937 года оно не было связано с комбинированной выработкой электрической и тепловой энергии, теплоснабжение осуществлялось от центральных котельных. [1-3]

Первая в Западной Европе районная теплофикационная установка, в правильном понимании этого слова, была запущена в Германии (город Дрезден) в 1900 году. В России в это время также создаются первые системы отопления на базе отходящего тепла электростанций, но отправной точкой развития российской, точнее, советской теплофикации принято считать 1924 год, когда в Петербурге паром от теплоэлектроцентрали начали отапливаться жилые дома [4]. Однако далее ее развитие в СССР и Западной Европе идет разными путями: в Советском союзе строятся все новые и новые ТЭЦ, в то время как в Европе эта тенденция постепенно затухает и к началу 30-ых годов сходит на нет, уступая место теплоснабжению от центральных котельных. Выбранные различные пути формирования национальных систем теплоснабжения обусловлены множеством социально-экономических, а также технических факторов.

С точки зрения бытового потребителя, временный отказ от теплофикации в Европе в первую очередь объясняется следующими факторами: [1-4]

- в европейских городах успешно работали механизированные домовые котельные с достаточно высоким КПД, а стоимость топлива была относительно низкой;

- высокая стоимость городской земли, необходимой для прокладки тепловых сетей. По сравнению с Западной Европой в Советском Союзе городская земля под нужды теплофикации предоставлялась бесплатно;

- высокий уровень безработицы, не позволяющий сократить число рабочих мест. При централизованном теплоснабжении отпадает необходимость в большинстве местных котельных, а вместе с ними, и в обслуживающем их персонале.

Отмеченные выше факторы показывают, что с точки зрения европейского потребителя экономическая

целесообразность (с позиции окупаемости капиталовложений) и общественная эффективность строительства отопительных ТЭЦ и магистральных сетей была недостаточной.

В то же время, конъюнктура технико-экономической среды СССР для бытового потребителя делала теплофикацию более целесообразной по сравнению с теплоснабжением от местной котельной [4-6]:

- страна испытывала острый недостаток топливно-энергетических ресурсов, поскольку большая часть разрабатываемых сегодня месторождений еще не была открыта;

- в большинстве жилых домов было организовано печное отопление с КПД, не достигающим 30%, с низким КПД работали и домовые котельные;

- для эксплуатации местных котельных требовалось очень много сезонного персонала. По действовавшим в то время нормам в каждой смене в котельной должны были работать не менее двух человек, и с учетом должностей слесарей и мастера на одну котельную нужно было содержать 10-12 человек. Таким образом, теплофикация высвобождала тысячи рабочих рук, востребованных в других отраслях промышленности;

- строительство ТЭЦ и тепловых сетей осуществлялось за счет государства и не включалось в тарифы на тепловую энергию. Отсюда вытекает, что централизованное теплоснабжение было выгодно для потребителей тепла.

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ КОНЪЮНКТУРЫ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТЕПЛОФИКАЦИИ

Развитие теплофикации в СССР было предусмотрено планом Государственной комиссии по электрификации России (ГОЭЛРО) - одним из ключевых документов советской плановой экономики, вступившим в силу в 1920 году. Это был уникальный план развития энергетической отрасли, который по многим критериям опережал свое время. В первую очередь он направлен в первую очередь на электрификацию страны для обеспечения возможности автоматизации труда и, таким образом, повышения его производительности. Во вторую очередь, в нем также говорится о преимуществах комбинированной выработки электроэнергии и теплоты. В подтверждение этому можно привести цитату [7]: «Весьма важным преимуществом электрификации Советского Союза является быстрое развитие теплофикации на базе тепловых электростанций. Теплоэлектроцентрали, обеспечивая промышленное и бытовое потребление электроэнергией, паром и горячей водой, более чем вдвое повышают - при надлежащем развитии теплофикационных сетей - коэффициент использования топлива сравнительно с обычными конденсационными тепловыми электростанциями».

План ГОЭЛРО предусматривал не только развитие энергетической отрасли - он являлся планом развития экономики как единого целого. Помимо строительства электростанций, в нем учтено также создание предприятий, которые обеспечивали бы этот процесс всем необходимым, и разработка новых месторождений топливно-энергетических ресурсов. В конечном итоге, это должно было служить промышленному развитию отдельных районов и, в более широком смысле, экономики СССР [5, 7]. В этом заключается основной фактор, определивший интенсивное развитие теплофикации в Советском Союзе, совершенно нехарактерное для других стран того периода истории, поскольку в СССР планирование промышленного развития осуществлялось централизовано. И уже с 1931 года, когда было принято постановление о полном запрете частной торговли, все без исключения предприятия стали принадлежать одному собственнику - государству. Очевидно, что в этих условиях планирование развития всех отраслей промышленности осуществлялось согласованно, то есть, таким образом, чтобы каждый завод имел все необходимые для производства ресурсы, разновидностью которых является 44

энергия, и рынок сбыта произведенной продукции.

Многие отрасли промышленности, такие, как нефтеперерабатывающая, текстильная, резиновая, нуждаются в большом количестве пара на технологические нужды, и отпуск этого пара от теплоэлектроцентрали, совмещенный с выработкой электроэнергии, является более эффективным с энергетической точки зрения, нежели его производство на отдельной котельной. Более того, потребность в этом ресурсе на промышленном предприятии не изменяется в зависимости от времени года. Производственную нагрузку, в отличие от отопительной, можно считать постоянной, а этот факт облегчает эксплуатацию электростанции, повышает ее среднегодовую мощность и коэффициент полезного действия. Таким образом, разумно было совместить выработку пара, необходимого на технологические нужды, с производством электроэнергии.

Однако в современной России, прошедшей трансформацию экономической системы, это решение воплощается в жизнь несколько иным путем. Помимо котельной установки, необходимой для производства пара, непосредственно на заводе монтируется паровая турбина, связанная с электрогенератором. Полученная совместно с технологическим паром электроэнергия используется на производственные нужды, а в случае возникновения излишка продается на сторону. [8, 9]

Эффективность данных решений теплофикации определяют в первую очередь различия в основных принципах экономики Советского Союза и капиталистических стран. При рыночной экономике необходимость в создании электростанции или же некоего промышленного предприятия диктуется предпринимателю движущими силами самого рынка, которые имеют достаточно изменчивый характер, а государственное регулирование или ограничено, или вовсе отсутствует. Как результат, при такой системе трудно представить себе «симбиоз» завода-потребителя пара и электростанции, отпускающей пар необходимых ему параметров. Учитывая, что они имеют различных собственников, интересы которых не совпадают, а система центрального экономического планирования отсутствует, более вероятно, что на таком заводе целесообразно производить пар в собственной котельной, при необходимости совмещая этот процесс с выработкой электроэнергии.

В СССР складывается абсолютно противоположная ситуация - всеми промышленными предприятиями, независимо от специфики их деятельности, владеет государство, оно же выполняет функции планирования их развития, осуществляя этот процесс централизованно и согласованно по всем отраслям. Как следствие, промышленность, потребляющая в производственном процессе тепловую и электрическую энергию, развивается совместно с энергетической отраслью таким образом, чтобы развитие энергетики имело незначительно опережающие темпы. При этом, с точки зрения государства, рационально использовать для теплоснабжения предприятий именно теплоэлектроцентрали, поскольку это ведет к снижению капитальных вложений - установка энергетического оборудования требуется только на ТЭЦ, которая может отпускать тепло не только единственному промышленному потребителю, а затраты на прокладку тепловых сетей при грамотном планировании могут быть сравнительно небольшими. Поскольку эта система выстраивалась искусственно, вся ее структура, включая способ расчета за технологический пар, изначально была спроектирована таким образом, чтобы быть выгодной как для энергетики, так и для промышленности других отраслей, а значит, для их собственника -государства.

Интенсивное развитие теплофикации в СССР было вызвано централизованно планируемым промышленным ростом, который, в свою очередь, являлся и основным фактором урбанизации. Наиболее активный ввод мощностей ТЭЦ пришелся на 60-80 года XX века (рис.

- всего лишь 26%. Таким образом, развитие систем теплоснабжения городов шло вслед за созданием крупных промышленных комплексов и их систем энергообеспечения: удельное потребление тепла на промышленные нужды превышало коммунально-бытовые в 1,6-2 раза.

Использование комбинированной выработки электроэнергии и теплоты обеспечило Советскому Союзу значительную экономию топлива - его удельный расход на выработку 1 кВтчас электроэнергии за период с 1960 по 1987 снизился в 1,7 раза (рис. 3) [10]. Рассмотрение механизма получения экономии топлива при теплофикации во многом позволяет объяснить положение теплоэлектроцентралей в современных российских условиях.

Рис. 1. Динамика отпуска тепла от теплоэлектроцентралей

Поскольку в то время, когда установился уверенный рост отраслей промышленности, для которых характерно высокое потребление пара на производственные нужды (рис. 2) [10].

Удельный расход условного топлива (нетто), г/кВт=|!час

500 450 400 350 300 250 200

462 426

450 389 365

--- 356,1 356,3

325 ---

¿84 265,4 266,2

I960 1965

1970

1975

19S0

1985

-Средний по КЭС

-Среднийпо ТЭЦ

Рис. 2. Развитие нефтеперерабатывающей и текстильной промышленности - основных отраслей-потребителей технологического пара

Так, например, для нефтеперерабатывающих предприятий его доля в общем балансе теплоснабжения достигает 90-97%, для текстильных - 80-90%. Как способ теплоснабжения населения, теплофикация получила наибольшее распространение именно в географической близости к технологическому потребителю пара и носила вторичный характер. К 1980 году уровень теплофикации промышленности в среднем составляет 51%, а ЖКХ

Рис. 3. Динамика удельных расходов условного топлива (нетто) на выработку электроэнергии

Применяемая типология регионов позволила наиболее рационально использовать топливные ресурсы с меньшими затратами на их транспортировку.

Принимая во внимание неравномерное размещение топливных ресурсов важное значение приобретает выявление факторов энергоэффективности экономики по регионам [10].

АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ПОЛУЧЕНИЯ ЭКОНОМИИ ТОПЛИВА ПРИ ТЕПЛОФИКАЦИИ

Пар, подаваемый на теплофикационную турбину, можно условно разделить на два потока

где ^а - оасход пара на турбину; О - расход пара в отборе; О^ - пропуск пара в конденсатор.

Традиционной альтернативой теплоэлектроцентрали является система «КЭС плюс котельная» [12], поэтому, при определении экономии от теплофикации именно она является базой для сравнения. Мысленно разделяя потоки пара, можно прийти к следующему ее выражению: где - количество электроэнергии, вырабатываемой на ТЭЦ комбинированным методом, то есть, пр о-вместной работе двух потоков до их разделения; Ьэ -

удельный расход условного топлива на выработку электроэнергии на КЭС; ^э - удельный расход условного

топлива на комбинированную выработку электроэнергии; Э - количество электроэнергии, вырабатываемое

на ТЭЦ конденсационным методом (потоком пара, оставшимся после отбора); ^э - удельный расход ус-

т.к

ловного топлива на выработку электроэнергии на ТЭЦ конденсационным методом. Таким образом, первое слагаемое - это экономия топлива, получаемая благодаря комбинированной выработке тепла и электроэнергии, второе слагаемое - перерасход топлива, возникающей на ТЭЦ из-за выработки энергии конденсационным методом.

Этот перерасход возникает из-за того, что, даже при одинаковых начальных параметрах пара, ^э всегда ока-

к

зывается меньше, чем ¿э . Обе эти величины рассчи-т.к

тываются по одной формуле [8, 11]: ,

где 0,123 г - количество условного топлива, при сжигании которого выделяется 1кВт час энергии; - КПД котельной установки электшстанции с учетом потерь энергии в паропроводах; Т/^ - термический КПД конденсационного цикла; - внутренний относительный КПД турбоустановки; - электромеханический КПД.

При этом из-за различий в конструкциях и режимах работы теплофикационных и чисто конденсационных турбин, а по причине того, что расположение КЭС, как правило, выбирается из условия доступности источника холодной воды, в то время как ТЭЦ располагаются вблизи потребителя теплоты, > -ц ^ . Как результат,

^э > ¿)3 , и при выработке электроэнергии конденса-т.к к

ционным методом на ТЭЦ возникает перерасход топли-В то же время, /_)э > ¿)э , поскольку при производстве электроэнергии на базе теплового потребления энергия отработавшего в турбине пара используется у теплового потребителя вместо отведения в окружающую среду в конденсаторе турбоустановки: ,

где внутренний относительный КПД отсека турбины, который проходит паровой поток, перед тем как уйти в отбор.

Из формул (2) и (4) следует, что экономия от комбинированной выработки электрической и тепловой энергии тем выше, чем больше отпуск пара на сторону. Энергия, выработанная на ТЭЦ конденсационным способом, является дорогой и, в условиях энергорынка, будет приниматься только в периоды пиковых нагрузок.

Таким образом, для эффективной работы ТЭЦ необходимо, во-первых, полностью использовать весь теплофикационный потенциал турбоустановки, то есть, задействовать все ее отопительные отборы, а во-вторых, по возможности обеспечить постоянную тепловую нагрузку. С технической точки зрения, повышение себестоимости производства электроэнергии на ТЭЦ по сравнению электростанциями конденсационного типа происходит по причине несоблюдения этих условий, следовать которым в сегодняшней ситуации часто становится невыгодным или вовсе невыполнимым. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Технология комбинированной выработки электроэнергии и теплоты объективно является эффективным и экономичным техническим решением. Все выявленные факторы, приводящие к отказу от технологий тепло-

фикации в национальных энергосистемах, имеют рыночный или политический характер, а, следовательно, принципиально поддаются управлению и регулированию. С учетом того, что рыночные принципы продажи и потребления энергии во многом являются условностью, эти функции в первую очередь должно выполнять государство, затем - энергетические и топливодобывающие компании. Теплоэлектроцентрали способствуют экономии топлива, улучшению общей экологической ситуации и комплексному решению вопросов энергоснабжения, поэтому задача обеспечения конкурентоспособности их работы в условиях энергорынка должна рассматриваться как приоритетная.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Hendriks C., Blok K. Regulation for Combined Heat and Power in the European Union / C. Hendriks, K. Blok // Energy Conversion and Management. - 1996. V. 37. №6. -pp. 729-734.

2. Konova O., Komarov I., Lisin E. The Relevance of Power Generating Capacities Based on the Combined Cycle Power Plants of High Power / O. Konova, I. Komarov, E. Lisin // Czech Journal of Social Sciences, Business and Economics. - 2012. V. 1. № 1. - pp. 101-110.

3. Lykova O., Lisin E., Kocherova A. Analysis of the Major Preconditions of Coal-Hybrid Power Plants Construction as a Perspective Direction of High Efficiency Heat-Power Engineering Development / O. Lykova, E. Lisin, A. Kocherova // Czech Journal of Social Sciences, Business and Economics. - 2012. V. 1. № 1. - pp. 92-101.

4. Богданов А.Б. История взлетов и падений теплофикации России / А.Б. Богданов // Энергосбережение -2009. №3 - C. 2-9.

5. Андрющенко А.И. Метаморфозы теплофикации и пути совершенствования систем теплоснабжения городов / А.И. Андрющенко // Новости теплоснабжения - 2003. №12 - С. 11-14.

6. Зингер Н.М., Белевич А.И. Развитие теплофикации в России. «Электрические станции». 1999. № 10. С. 2-8.

7. План электрификации РСФСР Доклад к 8-му Съезду Советов Государственной Комиссии по Электрификации России. М.: Госполитиздат, 1955. 660 с.

8. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. М.: МЭИ, 2001. 472 с.

9. Народное хозяйство СССР за 70 лет. Юбилейный статистический ежегодник. М.: Финансы и статистика, 1987. 421 с.

10. Белова Т.Д. Типология регионов РФ по ключевым показателям энергоэффективности / Т.Д. Белова // Вестник Ивановского государственного энергетического университета - 2015. № 4. - С. 70-75.

11. Рогалев Н.Д., Зубкова А.Г., Мастерова И.В. Экономика энергетики. М.: МЭИ. 2005. 288 с.

12. Методические указания по расчету регулируемых цен (тарифов) в сфере теплоснабжения. Приложение к приказу Федеральной службы по тарифам от 13 июня 2013 г. N 760-э.

ANALYSIS OF THE PRECONDITIONS FOR THE DEVELOPMENT OF NATIONAL ENERGY SYSTEMS BASED ON THE TECHNOLOGY OF DISTRICT HEATING COGENERATION

© 2015

E.M. Lisin, candidate of economic sciences, associate professor of the department of economy

of Industry and organization of enterprises NRU "Moscow Power Engineering Institute", Moscow (Russia) Iu.A. Anisimova, candidate of economic sciences, senior lecturer of the department «Finance and Credit»

Togliatti State University, Togliatti

Abstract. The paper presents a comparative analysis of the development of domestic and foreign energy systems from the perspective of the organization centralized energy based combined heat and power. The ongoing study identified the main prerequisites for constructing national energy using cogeneration technologies based on the uneven distribution of energy resources across the country. We justify that despite the principle of efficiency of energy production the most important decision is to compare different variants of heat and electricity. The authors noted that not all types of generation are adapted to market conditions. In conclusion, revealed problems of functioning of combined heat and power under the existing energy market and the government offered differentiated approaches to improve their competitiveness, thus achieving a balance between the regions.

Keywords: district heating, combined heat and power, cogeneration potential, profitability, cost of production, competitiveness, energy market.