Технологическая структура энергосберегающих систем

Петров Максим Львович, начальник отдела по надзору за объектами газораспределения и газопотребления Управления Ростехнадзора по УР

Технологическая структура таких энергоснабжающих систем, как газо- и теплоснабжение, в огромной степени определяет эффективность использования энергоресурсов, что для России с ее климатом и зависимостью от экспорта нефти, газа и других ресурсов является одним из определяющих факторов благосостояния народа. Не делая каких-либо открытий, проведем анализ существующих в Удмуртии (да и в России в целом) и Европе энергоснабжающих систем, информация о которых получена из большого количества публикаций на эту тему в газетах и журналах, а также с выставок и семинаров, проводимых за рубежом и в России. Ключевые слова: энергосбережение, эффективность, технологическая структура, безопасность, экология. Естественно, нас волнуют крайне медленные темпы внедрения новых тенденций технического развития энергоснабжения, в первую очередь, в направлении повышения энергосбережения, а также надежности и безопасности, экономической эффективности энергоснабжающих систем.

Интереснейший опыт отдельных организаций и даже регионов так и остался вне внимания (за исключением славословия) соответствующих государственных структур.

Рассмотрим более подробно технологические схемы энергоснабжающих систем. На рис. 1-4 представлены наиболее часто используемые схемы энергоснабжения в Удмуртии и Европе. Их сравнение - красноречивый ответ на вопрос, насколько «оптимальны» эти схемы в Удмуртии.
На рис. 5 показана традиционная для нашей республики технологическая схема выработки и транспортировки электроэнергии, из которой видно, что КПД использованной энергии в данном случае колеблется от 40 до 50%. При этом необходимо
отметить, что в реальных условиях этот КПД еще меньше. Так в технических публикациях отмечалось, что потери в электрических сетях при их перегрузке достигают 20%, т. е. КПД уже не 95%, а всего лишь 75%.

Энергоноситель
Первый вывод, который напрашивается при анализе схем энергоснабжения (далее введем термин «технологическая структура») – это какой нужно использовать энергоноситель.
Для освещения очевидно, что у электроэнергии пока конкурента нет. А вот использование электрических плит вместо газовых – это расточительство, их КПД в рамках всей технологической структуры 20-25%. Только здесь страна теряет в год сотни миллионов долларов.
Для газо- и теплоснабжения следует в первую очередь определить, использование какого носителя энергии наиболее рационально. На сегодня это газ или вода. Один кг природного газа несет 33,5 МДж энергии. Один кг воды с учетом 40-градусного перепада температуры между прямой и обратной магистралью - 168 кДж (нагрев или охлаждение 1 кг воды на 1°С требует 4,19 кДж теплоты). Чтобы переместить 1 кг воды на расстояние 1000 м (500 м прямая вода, 500 – обратная) требуется затратить энергию, равную 9,8 кДж. Для того чтобы перенести 168 кДж, нужно затратить 9,8 кДж, что составляет 7,5%, и это без каких-либо гидравлических потерь – в идеальном варианте, т. е. КПД такого использования уже уменьшается на 7,5%.
Таким образом, чтобы перенести 33,5 МДж требуется 200 кг воды и соответствующее количество энергии на ее перемещение. В реальных условиях на транспортировку энергии с помощью воды требуется 15-25% энергии. При этом газ перемещается по газопроводу за счет энергии компрессорных станций, а вода - за счет дополнительной (к отоплению) энергии, необходимой для преодоления гидравлических потерь в трубах, что влечет за собой увеличение стоимости строительства и эксплуатации теплопроводов.
Большое влияние на затраты энергии при транспортировке воды как теплоносителя имеет протяженность теплопровода и качество изоляции.
Что касается газового носителя, то при увеличении давления газа (на что затрат энергии не требуется) и установке регулятора у потребителя расходы на строительство и эксплуатацию можно снизить в несколько раз.
Теперь рассмотрим подробнее отдельные составляющие структуры энергоснабжающих систем и их влияние на общую эффективность энергоснабжения.

Материал труб
И в системе газоснабжения, и в системе теплоснабжения (а также в водоснабжении и канализации) энергия переносится по трубам. Труба в зависимости от материала, из которого она изготовлена, может иметь разную себестоимость (иногда достаточно высокую), срок службы, долговечность. Различаются и затраты на эксплуатацию, в т. ч. на защиту от коррозии, гидравлические потери энергии (для воды, например, соизмеримые с количеством транспортируемой энергии).
Труба из полимерных материалов по всем перечисленным статьям превосходит стальную или чугунную. Прежде всего за счет отсутствия и внешней, и внутренней коррозии, а это увеличение срока службы и уменьшение затрат на эксплуатацию. Большое значение имеет меньшее гидравлическое сопротивление, особенно за счет отсутствия адгезии по мере продолжительности эксплуатации, что нельзя сказать о стальных и чугунных трубах, где в процессе эксплуатации гидравлические потери резко возрастают из-за уменьшения диаметра за счет различных налипаний на внутреннюю стенку трубы.
Самое эффективное энергоснабжение – это газ по полиэтиленовой трубе с давлением, максимально допустимым в городах и населенных пунктах, т. е. 3 и 6 бар. Стоимость газопроводов из полиэтиленовых труб с диаметром до 160 мм в  несколько раз ниже, чем из стальных и чугунных, при этом не требуется каких-либо мер по защите от коррозии, т. е. соответственных затрат на эксплуатацию.
Полиэтиленовые трубы могут использоваться не только отрезками, но и плетью, что дает возможность проводить строительство с чрезвычайно малым объемом сварочных работ. Сварочная техника для полиэтиленовых труб автоматическая, что значительно облегчает работу сварщика и позволяет максимально исключить влияние так называемого «человеческого фактора».
Скорость строительства полиэтиленового газопровода для диаметров до 200 мм значительно выше скорости строительства с применением стальных и чугунных труб, а при больших диаметрах примерно одинакова.
Что касается использования стальных труб, то они и дальше будут использоваться при условии разработки и внедрения надежных и эффективных средств защиты от коррозии, а в каких-то областях (например, очень большие диаметры и высокие температуры переносимой среды) стальные трубы имеют преимущество по сравнению с полиэтиленом.
Совершенно недопустимо, прежде всего, с точки зрения безопасности, а также экономической эффективности, устройство надземных трубных коммуникаций, в том числе по стенам зданий, как это широко применяется в системах газораспределения и частично в теплоснабжении.
При реконструкции изношенных стальных труб без вскрытия, т. е. бестраншейными методами, в мире широко применяются полиэтиленовые трубы. Например, в мировой практике активно используется протяжка полиэтиленовой трубы внутри стальной, особенно в системах газоснабжения, в т. ч. с увеличением давления. В технологии U-лайнер используются профилированные полиэтиленовые трубы. Существуют и другие технологии, в которых без полиэтиленовых труб не обойтись.
Интересна технология «Феникс» с использованием синтетического чулка, которая наиболее эффективна при реконструкции труб больших диаметров.
Учитывая огромный износ удмуртских трубных систем, упомянутые выше технологии должны применяться в нашей республике как можно шире.
Несвоевременная реконструкция изношенных труб, слабое внедрение полиэтиленовых труб в новом строительстве и при реконструкции ведет к гигантским расходам материальных и человеческих ресурсов, ухудшению социальной атмосферы в республике и в стране в целом.
Вывод:
Полиэтиленовые трубы при новом строительстве и реконструкции изношенных труб (наряду с использованием технологий типа «Феникс») – основа развития трубного распределительного транспорта (газо-, тепло-, водоснабжение и канализация).

Протяженность трубных систем
На рис. 3 хорошо видна громоздкость системы централизованного отопления. Протяженность труб в этом случае на порядок превышает эту протяженность при локальной генерации теплоты (рис. 4). Это не только увеличивает стоимость строительства, но и требует гигантских затрат при эксплуатации. Например, стальные трубы горячего водоснабжения служат не больше 10 лет.
Такую систему трудно запустить в начале отопительного сезона, опасно раньше определенного времени отключить, т. к. при неожиданном похолодании ее не запустить.
Система горячего водоснабжения, где основное – это поддержание температуры горячей воды на высоких значениях, определяет температуру прямой и обратной воды в системе теплоснабжения. И если зимой температура в системе теплоснабжения определяется температурой наружного воздуха, то летом из-за необходимости поддерживать высокую температуру горячей воды вся система теплоснабжения работает вхолостую, увеличиваются тепловые потери в теплопроводах, КПД системы снижается, а большая протяженность магистральных теплопроводов еще усугубляет этот процесс.
Впечатление особенно неэффективной производит пятитрубная система от центрального теплового пункта (ЦТП) до непосредственного потребителя. Это очень затратная часть системы теплоснабжения, в частности, дорогостоящая постоянная циркуляция горячей воды, не считая циркуляции воды для отопления.
ЦТП в крупных городах много, только в Ижевске их несколько десятков, легко можно представить затраты на их строительство и содержание, к этому нужно прибавить затраты на «пятитрубку».
Вывод:
На протяженность теплопроводов огромное влияние оказывает схема теплоснабжения. Централизованное отопление эту протяженность резко увеличивает.

Надежность и безопасность
Надежность и безопасность системы энергоснабжения, особенно для Удмуртии с ее  климатом, это важнейший вопрос.
Как появилась «на свет» котельная? Страшно неудобно к каждому дому (потребителю) подвозить уголь или мазут. Их нужно запасать, иметь хранилище, что влечет за собой экологические проблемы.
При массовой газификации оставшиеся котельные переводились на газ. Представьте себе аварию в котельной – весь поселок и большая часть города лишаются теплоснабжения. Можно закольцевать тепловые сети, но это дополнительные немалые затраты, причем в ряде случаев проблема все равно остается не решенной.
Газорегуляторный пункт, где давление газа с высокого или среднего снижается до низкого, в плане надежности и безопасности вообще не укладывается ни в какие рамки. Известны случаи, когда «проскакивало» большое давление в сети
низкого давления, что приводило к пожарам и гибели людей.
У каждого потребителя должны быть устройства, контролирующие давление энергоносителя и его расход, которые бы при превышении этих параметров прерывали подачу энергоносителя.
Например, в европейских странах на полиэтиленовых седелках (отводы от уличного газопровода к потребителю) устанавливаются предохранители, отключающие подачу газа при превышении его расхода в случае нарушения
герметичности газопровода (вспомним трагедию в Архангельске в результате которой 16 марта 2004 года в следствии преднамеренного свинчивания на газовых трубах заглушек стало причиной взрыва бытового газа ночью в жилом доме. В результате взрыва погибли 58 человек.).
Выводы:
Чем меньше в технологической структуре элементов, оказывающих влияние на всю систему энергоснабжения, тем эта технологическая схема надежнее и безопаснее.
Необходимые и безопасные для потребителя параметры энергоснабжения должны формироваться или определяться непосредственно у каждого потребителя.
Сегодня газораспределительная система республики, как и система теплоснабжения, не являются в должной мере безопасными и надежными.

Экологическая ситуация
Естественно, что снабжение энергией потребителя сопровождается влиянием на экологическую ситуацию. Прежде всего, это потери энергии и вредные выбросы (например, окислы азота) котельных. Сегодня котельные во многих
районах республики работают неудовлетворительно, например, без автоматики газ-воздух и т. д. Привести их в порядок – это огромные расходы. Утечки воды в системах тепло- и водоснабжения из-за коррозионных повреждений огромны, что ведет к потери энергии и негативному воздействию на подземное пространство.
Отсутствие у потребителя приборов учета энергоресурсов и систем регулирования их потребления ведет к нерациональному превышению потребления с соответствующим увеличением вредных выбросов котельных.
Все эти вопросы в значительной мере решает использование полиэтиленовых труб и локальных котельных (крышных, пристроенных или подвальных), не исключая и поквартирное отопление. При поквартирном отоплении в квартире (коттедже, обычном доме) устанавливаются всего 2 счетчика – для воды и газа, а на отопительном котле можно установить желаемую температуру в помещении или просто его выключить. Широко на сегодняшний день используется практика поквартирного отопления у наших соседей, республик Татария и Башкирия.
Вывод:
Экологическую ситуацию может улучшить использование полиэтиленовых труб и локальных источников теплоты.

Учет и регулирование отпуска теплоты
Учет и регулирование отпуска энергоресурсов – это проблема, которая решается в Удмуртии очень и очень медленными темпами. И это не только варварское использование энергоресурсов, это и большие затраты на трубный транспорт.
Удмуртия с ее холодным климатом, а значит и высокими потребностями в энергоресурсах (вопреки даже некоторым европейским тенденциям, где затраты энергии достаточно малы из-за климата и можно оплачивать среднее ее количество) должна решить проблему учета и регулирования отпуска энергоресурсов.
В Ижевске начинают строиться дома с элитными квартирами, где 5 и более
комнат, с мансардами и прочими сооружениями на последних этажах. При однотрубной системе отопления здания – нашем советском наследии, теплосчетчик придется ставить на каждый радиатор отопления (5 и более счетчиков) и 2-3
счетчика (по количеству санузлов) на горячую воду. Это абсурд! А значит жильцы большой комфортабельной «капиталистической» квартиры будут платить за теплоту, холодную и горячую воду значительно меньше, чем платили бы
по счетчикам. А водоснабжение? У нас одно из самых высоких в мире потребление воды на человека. Почему? На этот вопрос «ответят» дырявые трубы и отсутствие учета потребления воды.
Инженерные структуры современного жилого объекта, и не только жилого, не отвечают требованиям энергосбережения по рациональному использованию энергоресурсов. Все это прямо или косвенно приводит к дополнительным затратам на строительство и эксплуатацию энергоснабжающих систем.
Вывод:
Отсутствие учета и систем управления энергоснабжением у потребителя в условиях сурового климата России делает систему энергоснабжения крайне низкоэффективной, как с точки зрения использования энергоресурсов, так и по затратам на их транспортировку.

Основные выводы
Технологическая структура действующих в Удмуртии энергоснабжающих систем крайне неэффективна экономически и не обеспечивает должных безопасности и надежности.
Наиболее эффективной технологической структурой энергоснабжения должна быть структура с использованием энергоносителя преимущественно в виде газа с оснащением потребителя энергии средствами регулирования и безопасности.
Трубный транспорт должен базироваться на использовании труб из полимерных материалов.