Теплоэнергетика, 2021, № 3, стр. 75-88

РАЗРАБОТКА И УТВЕРЖДЕНИЕ СХЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ГОРОДОВ И ПОСЕЛЕНИЙ В РОССИИ

За период 2013–2017 гг. бо́льшая часть городов и поселений России прошли первичную разработку и утверждение схем теплоснабжения. По состоянию на 1 июня 2015 г. из 11 627 муниципальных образований схемы теплоснабжения были утверждены в 8183 (или в 70.38%), соответственно, требовалась разработка еще 3444 схем теплоснабжения. Таким образом, можно говорить о том, что значительная доля поселений и городских округов прошли первичную разработку схем теплоснабжения и динамика их утверждения в целом по стране за 2015–2017 гг. практически находится на одном уровне при общем количестве требуемых схем свыше 11.6 тыс. шт.

Вместе с тем авторы уверены, что необходимость создания схем теплоснабжения была оправдана только для 1200–1250 городских поселений (численностью более 25 тыс. чел.), а завышение этого количества почти в 10 раз сыграло весьма негативную роль.

По данным авторов, основное отставание с разработкой и утверждением схем теплоснабжения до сих пор наблюдается в отдельных регионах Дальневосточного федерального округа, например в Чукотском автономном округе, где из 34 поселений, для которых требуется создание схем теплоснабжения, они разработаны и утверждены не более чем в 10. В докладе [4] приведены данные по разработке схем теплоснабжения городов численностью населения от 100 тыс. чел. и выше во второй половине 2013 г. и первой половине 2014 г.

В России в зону ответственности Министерства энергетики (Минэнерго) РФ по утверждению схем теплоснабжения входят 131 город численностью населения от 100 до 500 тыс. чел. и 39 городов численностью населения от 500 тыс. чел. и выше, включая город федерального значения Севастополь численностью около 430 тыс. чел. Проведенный анализ данных Минстроя России, портала Госзакупок [5] и данных интернет-сайтов администраций городов показал, что во всех городах численностью населения от 100 до 500 тыс. чел. разработаны и утверждены схемы теплоснабжения до конца 2016 г. В соответствии с требованиями действующих нормативно-правовых актов [1, 6], схемы теплоснабжения городов численностью населения от 500 тыс. чел. и выше утверждаются Министерством энергетики РФ после того, как предварительно пройдут всестороннюю экспертизу внутри этого ведомства.

По данным Минэнерго России по состоянию на начало 2019 г. прошли первичную разработку и утверждение схем теплоснабжения своих территорий следующие города: Астрахань, Барнаул, Владивосток, Волгоград, Воронеж, Екатеринбург, Ижевск, Иркутск, Казань, Кемерово, Киров, Краснодар, Красноярск, Липецк, Махачкала, Москва, Набережные Челны, Нижний Новгород, Новокузнецк, Новосибирск, Омск, Оренбург, Пенза, Пермь, Ростов-на-Дону, Рязань, Самара, Санкт-Петербург, Саратов, Севастополь, Тольятти, Томск, Тула, Тюмень, Ульяновск, Уфа, Хабаровск, Челябинск, Ярославль. Необходимо отметить, что не во всех крупных городах этот процесс происходил одномоментно, по сути он растянулся почти на пять лет.

На первоначальном этапе проводился обзор схем теплоснабжения 35 крупных городов по существующему состоянию систем теплоснабжения с учетом особенностей территорий [наличие ГРЭС (КЭС), ТЭЦ и других источников энергии (включая блоки, работающие в вынужденном режиме), тепловых сетей и их износа, потребления тепловой энергии, топлива], перспектив развития источников, применения комбинированного производства тепловой и электрической энергии, потенциала использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и местных видов топлива для выработки тепловой энергии.

В рамках выполненного обзора схем теплоснабжения городов проведен, в частности, анализ используемых подходов к обоснованию различных вариантов организации теплоснабжения. Разработанные схемы (несмотря на экспертизу Минэнерго России) изобилуют неточностями, искажениями исходных данных. Раздел “существующие проблемы” при оценке текущего состояния и перспектив развития системы теплоснабжения городских поселений зачастую написан поверхностно и не дает представления о ключевых особенностях и принципиально важных, ключевых проблемах самых значимых инфраструктур городов.

Для общего понимания существующих резервов на рис. 1 представлены сводные данные по суммарной установленной тепловой мощности, подключенной тепловой нагрузке ТЭЦ и котельных и отпуску тепловой энергии в городах. Значительное разнообразие как размеров и климатических условий, так и других важнейших параметров и особенностей организации теплоснабжения городов остается вне поля зрения разработчиков схем, а также исследователей и экспертов, которые зачастую ограничиваются условными и абстрактными математическими моделями, не отражающими ни специфики города, ни топологии и территориальных нюансов размещения базовых источников и потребителей тепловой энергии.

Рис. 1.

Установленная тепловая мощность (а), подключенная тепловая нагрузка (б) и годовой отпуск тепловой энергии (в) ТЭЦ (1) и котельных (2) в крупных городах России

Из приведенных данных видно, что во всех крупных городах используются варианты теплоснабжения на базе ТЭЦ и котельных, работающих на различных видах топлива (природный газ, уголь), а установленная мощность источников, подключенной тепловой нагрузки и отпуска тепловой энергии в абсолютных единицах различается в разы, что как раз и обусловлено особенностями конкретных территорий (климат, тип тепловой нагрузки и др.). В схемах теплоснабжения также пока не нашла своего отражения весьма тревожная и набирающая силу тенденция роста автономных и децентрализованных источников тепла в некоторых городах с высокой плотностью тепловых нагрузок.

ВАРИАНТЫ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ В СХЕМАХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ КРУПНЫХ ГОРОДОВ

В таблице приведен выборочный анализ ключевых особенностей и параметров систем теплоснабжения некоторых крупных городов страны, выделенных в типологические группы: промышленные центры, города, находящиеся в теплых и холодных районах, прочие. Из таблицы видно, каково разнообразие систем теплоснабжения, которое сильно затрудняет формирование единой политики повышения энергетической и экологической эффективности энергоисточников и систем теплоэнергоснабжения городов в целом. Даже у соседних городов, расположенных в сходных климатических условиях, могут существенно расходиться удельные показатели установленной тепловой мощности или потребления тепла на человека. В таблице представлены общие и удельные показатели для всей системы в целом, а ведь известно, насколько важно размещение различных источников на территориях с высокой плотностью тепловой нагрузки – именно по этим топологическим показателям нужно создавать отдельные типологические модели.

Резервы промышленной и коммунальной теплофикации городов, обеспечивавшие рост и развитие страны во второй половине прошлого века, уже исчерпаны. Что делать дальше? Создание схем теплоснабжения в редких случаях направлено на решение задач комплексного развития, экономии тепла, использования промышленных вторичных энергетических ресурсов и других резервов повышения эффективности.

В единичных случаях (Краснодар и Махачкала) используются возобновляемые источники энергии для выработки тепловой энергии, что обусловлено особенностями их месторасположения. В отдельных схемах теплоснабжения (Астрахань, Барнаул, Краснодар, Красноярск) принятие решения о выборе варианта теплоснабжения основывается на данных региональной схемы и программы развития электроэнергетики (СиПР), т.е. на заложенных в ней положениях производится обоснование размещения нового или реконструируемого источника генерации. Но в некоторых городах внедрение ВИЭ для выработки тепловой энергии на текущем этапе нецелесообразно (например, установка тепловых насосов на сточных водах) ввиду высоких сроков окупаемости и, соответственно, низкой инвестиционной привлекательности проектов (Астрахань, Барнаул, Ижевск, Красноярск, Набережные Челны, Нижний Новгород, Новосибирск, Оренбург, Пенза, Пермь). Внедрение ВИЭ продолжается только там, где их использование уже сложилось исторически и выбор типа ВИЭ тесно связан с региональными особенностями города: в Махачкале используются местные геотермальные источники, в Краснодаре в котлах сжигается лузга подсолнечника (из-за наличия большого числа предприятий по переработке семечек и производству подсолнечного масла в регионе). В остальных городах внедрение ВИЭ в рамках разработки/актуализации схем теплоснабжения практически не рассматривалось. Также редко в схемах уделялось внимание использованию вторичных энергоресурсов крупных и энергоемких предприятий.

Проведенный анализ необходимости перехода на закрытую схему горячего водоснабжения (ГВС) в крупных городах и нормативного износа трубопроводов тепловых сетей показал, что из 36 городов только 13 работают с закрытой схемой ГВС: Воронеж, Ижевск, Киров, Краснодар, Красноярск, Махачкала, Новосибирск, Пермь, Рязань, Севастополь, Тюмень, Уфа, Челябинск. Остальные города имеют полностью или частично открытые схемы ГВС и должны быть переведены на закрытые до 2022 г. в соответствии с требованиями Федерального закона от 07.12.2011 № 416-ФЗ “О водоснабжении и водоотведении” [7]. Такая реконструкция потребует колоссальных денежных вливаний со сроками окупаемости несколько десятков лет. В большинстве схем теплоснабжения городов сроки окупаемости по данным мероприятиям даже не определяются.

Отдельные блоки на ТЭЦ в четырех городах (Барнаул, Липецк, Новокузнецк, Самара) работают в вынужденном режиме.

Данные по нормативному износу трубопроводов тепловых сетей свидетельствуют о том, что во всех рассматриваемых крупных городах он составляет от 41 до 100%. Восстановление трубопроводов путем их замены потребует опять же колоссальных денежных масс, которых нет ни в одном городском бюджете. В настоящее время в России в среднем ежегодно заменяют лишь около 1.5% нормативно изношенных трубопроводов вместо положенных 5%.

АНАЛИЗ ДАННЫХ СХЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ КРУПНЫХ ГОРОДОВ ПО ЭФФЕКТИВНОСТИ

На рис. 2 представлены сводные сравнительные данные по годовому потреблению топлива и удельному потреблению топлива на человека в год с учетом “очищения от климата”, т.е. климатической составляющей – градусо-суток отопительного периода (ГСОП). Для этого общее количество тепловой энергии за год поделено на ГСОП, т.е. на интенсивность холодного периода года, что дает возможность сравнивать города из разных климатических зон. Из гистограммы видно, что на сегодняшний день в крупных российских городах удельное потребление условного топлива в год на одного жителя (“очищенное от климата”) различается в разы: от 0.13 до 1.34 кг у.т/чел/ГСОП. Стоит отметить, что данный удельный показатель включает в себя также затраты топлива на выработку действующими в границах городских округов энергоисточниками (ТЭЦ) электроэнергии, которая поставляется в Единую энергетическую систему страны (за исключением изолированных энергоузлов). Этим можно объяснить низкие удельные топливные затраты в таких южных городах, как Севастополь и Махачкала, где выработка собственной электроэнергии мала и на два порядка отличается от выработки электроэнергии в других городах России.

Рис. 2.

Удельное потребление условного топлива на человека (“очищенное от климата”) по городам численностью населения от 500 тыс. чел. и выше

Кроме того, на удельное потребление топлива на одного городского жителя влияет доля промышленного теплопотребления из централизованных систем. Но далеко не во всех рассмотренных схемах четко выделено теплопотребление промышленности. Промышленные тепловые нагрузки, как известно, могут покрываться из централизованных систем (котельных или ТЭЦ), промышленных котельных или ТЭЦ, утилизационных установок предприятий. Возможно, требуется дополнительный анализ их теплопотребления, в рассматриваемом же примере авторы выделяют группу городов со значительной промышленной доминантой (см. таблицу) для сравнения их удельных показателей с остальными городами, а зависимость удельных расходов тепла и топлива от доли промышленной нагрузки не выявлена.

Также ввиду местных особенностей рассматриваемых территорий на годовой удельный расход условного топлива на 1 чел. заметное влияние оказывают климатические характеристики, которыми всегда необходимо руководствоваться при определении тепловой нагрузки любого потребителя.

На основании проведенного анализа схем теплоснабжения крупных городов определена текущая эффективность выработки энергии в городах как отношение выработки электрической энергии в комбинированном цикле к тепловой энергии, отпущенной со всех типов источников системы централизованного теплоснабжения (показатель предложен В.И. Шлапаковым [8]), результаты расчетов представлены на рис. 3, 4. Поэтому, чтобы привести данные по городам в относительно сопоставимый по климату вид, необходимо сделать соответствующий расчет и очистить их от климатической составляющей – ГСОП. “Очистка от климата” позволила получить более корректные сравнительные данные по городам с наименьшим разбросом (рис. 5, 6). В дальнейшем их можно уточнять путем выделения топливной составляющей на выработку электроэнергии на ТЭЦ, затрат топлива на промышленность и др.

Рис. 3.

Эффективность выработки энергии по городам численностью населения от 500 тыс. чел. и выше

Рис. 4.

Зависимость эффективности выработки энергии от числа ГСОП по городам численностью населения от 500 тыс. чел. и выше. Точки – фактические данные; линии – расчет

Рис. 5.

Зависимость эффективности выработки энергии от удельного расхода топлива на человека (“очищенное от климата”) по крупным городам для климатических зон 1, 2, 3. Точки – фактические данные, линии – линейные зависимости, построенные по этим данным

Рис. 6.

Зависимость эффективности выработки энергии от удельного расхода топлива на человека (“очищенное от климата”) по крупным городам для климатических зон 4, 5, 6. Точки – фактические данные, а линии – линейные зависимости, построенные по этим данным

Из представленных данных видно, насколько эффективно используются существующие источники комбинированной выработки тепловой и электрической энергии (ТЭЦ) в городах России. Причем в тех же южных городах Махачкале и Севастополе доля выработки электроэнергии на тепловом потреблении находится на очень низком уровне, в то время как, например, в Омске эффективность выработки энергии самая высокая, если опираться на исходные данные схем теплоснабжения городов.

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ КРУПНЫХ ГОРОДОВ ПО КЛИМАТИЧЕСКИМ ЗОНАМ И ДРУГИМ ВЛИЯЮЩИМ ФАКТОРАМ

В данном разделе рассмотрены удельное потребление топлива на человека и эффективность выработки энергии в зависимости от расположения крупного города в конкретной климатической зоне. Территория России делится на семь климатических зон. В городах, входящих в 1-ю и 2-ю климатические зоны, эффективно децентрализованное теплоснабжение, в остальных зонах – централизованное. Далее представлена “разбивка” крупных городов по шести климатическим зонам (в 7-ю ни один из рассмотренных городов не попадает).

Из крупных городов к 1-й климатической зоне относятся пять: Астрахань, Краснодар, Махачкала, Ростов-на-Дону и Севастополь. Анализ данных по этим городам показывает, что в большинстве из них при увеличении удельного потребления топлива на человека (“очищенного от климата”) возрастает и эффективность выработки энергии (см. рис. 5). Из общего тренда “выпадает” только Краснодар. При этом также видно, что чем больше удельное потребление топлива на душу населения, тем выше эффективность выработки энергии.

Во 2-й климатической зоне – три крупных города: Саратов, Пенза, Волгоград. Анализ данных по ним показывает, что здесь ситуация, по сравнению с городами из 1-й климатической зоны, обратная – при росте удельного потребления топлива на человека (“очищенного от климата”) эффективность выработки энергии снижается (см. рис. 5).

К 3-й климатической зоне относятся такие крупные города, как Рязань, Тула и Владивосток, и ситуация здесь аналогична городам из 2-й климатической зоны – при снижении удельного потребления топлива на человека (“очищенного от климата”) повышается эффективность выработки энергии (см. рис. 5).

В 4-й климатической зоне расположены Самара, Нижний Новгород, Оренбург и Тольятти, в 5-й климатической зоне – Уфа, Ижевск, Челябинск и Ульяновск, в 6-й – Томск, Красноярск, Ярославль, Тюмень, Новосибирск, Хабаровск, Кемерово, Омск и Новокузнецк. Анализ данных по всем перечисленным городам показывает, что ситуация в них аналогична городам из 1-й климатической зоны – при увеличении удельного потребления топлива на человека (“очищенного от климата”) наблюдается рост эффективности выработки энергии (см. рис. 6).

Таким образом, учитывая имеющиеся данные, можно подытожить: в городах 1, 4, 5, 6-й климатических зон при росте удельного расхода топлива на человека (“очищенного от климата”) эффективность выработки энергии повышается, а в городах 2-й и 3-й климатических зон – снижается.

Анализ показателей схем теплоснабжения крупных городов в зависимости от численности населения в них производится при условном их разбиении на три группы: до 600 тыс. чел., от 600 до 1000 тыс. чел., свыше 1000 тыс. чел.

Из анализируемой выборки крупных городов в первую группу входят десять: Севастополь, Тула, Пенза, Астрахань, Рязань, Новокузнецк, Кемерово, Оренбург, Томск, Махачкала; во вторую – девять: Владивосток, Ярославль, Хабаровск, Ульяновск, Ижевск, Тольятти, Тюмень, Саратов, Краснодар; в третью – девять: Волгоград, Красноярск, Ростов-на-Дону, Уфа, Самара, Омск, Челябинск, Нижний Новгород, Новосибирск. Исходя из представленных данных (с учетом распределения городов по группам) каких-либо четких зависимостей от численности населения не прослеживается.

Далее представлен анализ удельных расходов топлива в системах теплоснабжения некоторых крупных городов в зависимости от плотности населения (с учетом распределения городов по ее возрастанию, данные на 2017 г.). Для наглядности приведены удельное потребление топлива на человека в год (“очищенное от климата”) (рис. 7, а) и эффективность выработки энергии (рис. 7, б) по крупным городам при увеличении плотности населения. Зависимости совокупной эффективности систем теплоснабжения от доли промышленной нагрузки, климатических условий и плотности населения весьма неоднозначны, и имеющиеся в схемах данные пока не позволяют сделать точный вывод о преобладании тех или иных факторов.

Рис. 7.

Годовое удельное потребление топлива на человека (“очищенное от климата”) (а) и эффективность выработки энергии (б) при увеличении плотности населения, чел/км²

Несмотря на экспертизу, которую проходят схемы теплоснабжения городов численностью населения свыше 500 тыс. чел. перед утверждением в Министерстве энергетики РФ, выполненные схемы теплоснабжения все еще изобилуют неточностями и искажениями исходных данных. Поэтому зачастую они не дают исчерпывающей картины как общего состояния, так и резервов развития и повышения энергетической эффективности систем теплоснабжения. Увы, многие разработанные схемы теплоснабжения, как правило, отражают стремление действующих сторон, муниципалитетов и прочих “собственников” к переделу “рынка тепла” в свою пользу, что далеко не всегда ведет к повышению надежности и качества теплоснабжения.

Разработка схем теплоснабжения городов – это высококвалифицированная предпроектная работа, которая требует учета большого количества разнообразных факторов, увязки тепловых и электрических нагрузок, наличия схем водоснабжения и других документов энергетического планирования [9]. В системах теплоснабжения городов России наиболее ярко проявляется необходимость междисциплинарного учета всех составляющих (от источника до потребителя) для определения общей их эффективности. Именно качество разработки схем теплоснабжения во многом определяет точность “диагноза” сложных распределенных энергоемких теплоэнергетических систем и, соответственно, выбор методов “лечения”. Опыт ведущих отраслевых институтов (ВНИПИэнергопром, Промэнергопроект и др.) и их филиалов в бывших республиках СССР позволил новым инженерным командам в Москве, Санкт-Петербурге, Иваново, Минске, Алматы и других городах приступить к формированию схем на новой основе [10]. При этом авторы полагают, что очень важно обеспечить творческий сплав как отработанных балансовых методов и современных подходов с применением моделирующих комплексов, автоматизированных систем учета теплопотребления, так и подготовку специалистов на этой основе. Авторы надеются, что представленный материал послужит реализации данной цели.

ВЫВОДЫ

1. Десятилетний юбилей принятия “основного закона” в теплоснабжении позволяет сделать однозначный вывод о его позитивном влиянии на отрасль в целом, наведение порядка с учетом тепловой энергии, разработку схем теплоснабжения, формирование и функционирование единых теплоснабжающих компаний в городах. Но, вместе с тем, необходимость разработки схем теплоснабжения оправдана не более чем для 1200–1250 городских поселений (численностью свыше 25 тыс. чел.), а увеличение их числа почти в 10 раз сыграло негативную роль при их разработке.

2. Сравнительный анализ особенностей, параметров и проблем теплоснабжения 40 крупных городов страны, потребляющих суммарно около 21% тепла, показал, что существующие схемы теплоснабжения все еще изобилуют неточностями и искажениями исходных данных и зачастую не дают полной, исчерпывающей картины как общего состояния, так и резервов развития и повышения энергетической эффективности систем теплоснабжения.

3. В отсутствие осмысленной государственной политики модернизации теплоснабжения как наиболее энергоемкой системы жизнеобеспечения страны, выполненные схемы теплоснабжения, как правило, отражают попытки передела “рынка тепла” со стороны муниципалитетов и прочих “собственников”, что ведет к снижению надежности и качества теплоснабжения.

4. Невидимые и довольно масштабные тенденции роста автономных, децентрализованных и распределенных источников теплоснабжения в городах с высокой плотностью тепловой нагрузки (Воронеж, Калининград, Ульяновск и др.) практически не находят отражения в выполняемых схемах теплоснабжения. Пока еще недостаточно задействованы в разработанных схемах возможности использования вторичных и возобновляемых источников тепловой энергии.

5. Полученные удельные расходы тепла и топлива в системах теплоснабжения городов весьма условно коррелируют с ключевыми влияющими факторами: промышленным теплопотреблением, климатом, плотностью населения. Отсутствует четкая зависимость годового удельного потребления топлива на человека (включая данные, “очищенные от климата”) и эффективности выработки энергии от численности и плотности населения крупных городов.

6. Естественно, одни только удельные показатели не могут дать полной картины имеющихся резервов повышения эффективности сложных систем теплоснабжения. Поскольку в системах теплоснабжения 170 наиболее крупных российских городов особенно ярко проявляется необходимость междисциплинарного учета всех составляющих (от источника до потребителя) для определения их общей эффективности, то требуются инструменты выявления резервов различной природы для городов разного размера и находящихся в разных климатических зонах.

7. Абстрактные математические модели систем теплоснабжения, оторванные от реальных топологических параметров сетей, расположения источников тепла, плотности тепловых нагрузок и других важнейших территориальных особенностей, как правило, не дают полной картины наличия резервов повышения эффективности системы теплоснабжения в целом.