Энергосистема Украины: теплофикация

В третьей статье из текущего цикла мы поговорим о научном подходе. Вообще где-то до конца прошлого века слово «научный» явно было синонимом слова «правильный», например, «научный подход», «научный коммунизм». Однако едва ли эти два понятия взаимозаменяемы. В мире есть много очень хорошего, но наукой не являющегося: любовь, дети, творчество. Поэтому оправдано ли везде действовать «по науке» – вопрос спорный. Тема настоящей статьи интересна тем, что позволяет рассмотреть, так сказать, рафинированный случай абсолютного торжества науки в отдельно взятой отрасли. Речь идет о теплофикации. Уникальная особенность развития советской электроэнергетики заключалась в том, что первоначальный план ее развития, план ГОЭЛРО, был строго научным. Если на Западе отрасль развивалась стихийно под действием рынка, что приводило к таким действительно жутким явлениям, как «война токов» на Восточном побережье, то в СССР все делалось именно так, как это подсказывала теория. Связано это было с тем, что один из видных коммунистов «второго эшелона» Г.М. Кржижановский был специалистом в науке об энергетике, и сумел заразить своим энтузиазмом самого В.И. Ленина, который задачу электрификации страны считал едва ли не главной для решения. А сам Ленин, склонный к теоретизированию и научному анализу, и при проведении этого мероприятия поддержал строгое действие в соответствие с наукой. Таким образом, еще раз повторим, советская электроэнергетика это продукт научной мысли, в возникновении которого доля стихийной ненаучной составляющей изначально была минимальной. И если это верно для всей отрасли в целом, то еще более верно это для такого ее ответвления, как теплофикация. Однако насколько верным был этот научный подход? И насколько верным был научный подход в СССР, когда за науку в первую очередь считали термодинамику (а с ее позиций теплофикация – абсолютная благо), но не экономику? Попробуем ответить на этот вопрос в настоящей статье.

Сперва вернемся к первой статье цикла. В ней мы говорили о том, что любой паросиловой цикл на ТЭЦ является разновидностью цикла Ренкина, в свою очередь являющемся «бюджетной» версией классического цикла Карно. КПД такого цикла крайне невелик. Если даже на лучших современных паросиловых блоках вначале замерить выходную мощность на клеммах генератора (МВт), а затем – расход топлива (кг/с), после чего разделить первую величину на вторую, а получившееся значение еще раз разделить на теплотворную способность топлива (МДж/кг), то полученное значение будет лежать в диапазоне 0,35-0,45. После умножения этой величины на 100 мы получим значение КПД цикла с размерностью в процентах. Разумеется, такие цифры производят самое удручающее впечатление: больше половины теплоты поступившей с топливом теряется в технологическом процессе (на самом деле КПД цикла еще ниже, так как до восьми процентов выработанной электроэнергии используется на собственные нужды: от вентиляции столовой до привода технологических механизмов). Источники этих потерь делятся на две группы. К первой относятся те, что связаны с несовершенством работы оборудования: утечки воды и пара из цикла, потери теплоты через изоляцию паросилового оборудования и токопроводов, трение во вращающихся механизмах и тому подобное. Однако эти потери относительно невелики в общей доле тепловых потерь. Основная их масса связана с особенностью любого цикла Карно: работа производится путем получения рабочим тела энергии от окружающей среды в горячем источнике, и ее отдачи в окружающую среду в холодном источнике. Для паросилового цикла таковыми являются, соответственно, котел и конденсатор. В последнем значительный объем теплоты отводится в окружающую среду с помощью больших расходов низкотемпературной воды.

Как мы уже говорили, одним из путей решения проблемы тепловых потерь в конденсаторе является регенерация теплоты внутри цикла, когда часть пара отбирается из промежуточных ступеней и используется для подогрева воды перед подачей в котел, тем самым возвращая часть теплоты обратно в цикл. Именно регенерация и позволяет обеспечить указанные выше значения КПД цикла на уровне 40%. Однако дальнейшее наращивание регенерации невозможно по той причине, что с ее ростом вырабатываемая турбиной мощность уменьшается быстрее, чем снижается расход топлива из-за более высокой температуры воды на входе в котел. Причина уменьшения мощности турбины очевидна: чем больше отбирать пара из промежуточной ступени, тем меньше энергии он выработает за ней.

С другой стороны, в теплотехнике кроме задачи получения работы также имеется задача получения теплоты. Последняя может быть необходима, как для технологических процессов, так, чаще, и для обеспечения населения горячим водоснабжением и, в суровом климате, отоплением. Разумеется, эта задача может решаться не только сжиганием органического топлива, но, допустим, и путем электроподогрева, использования солнечной или геотермальной энергии, etc., однако, в абсолютном большинстве случаев, тепло потребителю подается именно от котлов того или иного принципа действия. Понятно, что по многим причинам его выгоднее (в масштабах державы) поставлять от централизованного источника, чем от индивидуальных печей или котлов. Укажем только то, что КПД промышленных котлов выше, чем домашних, и они экологически чище.

Совместное рассмотрение этих двух проблем советскими инженерами привело их к идее теплофикации. Идея эта крайне похожа на идею регенерации: точно также пар отбирается из промежуточных ступеней турбины, после чего тем или иным способом используется для выдачи тепла потребителям. Как правило, это осуществляется путем применения теплообменников, где сетевая вода, которая и подается потребителям, подогревается паром. Реализована идея была впервые на ГЭС-3 в городе Ленинграде в 1924 году под руководством инженеров Гинтера и Дмитриева. Справедливости ради, нужно сказать, что Дмитриев теплофикацию начал внедрять в городе на Неве еще при царе, однако в чистом виде, как утилизация отходящего тепла при производстве электроэнергии, она была реализована именно в советский период.

Для реализации, как уже говорилось, была выбрана Петроградская ГЭС-3 (ГЭС в данном случае значит не гидроэлектростанция, а государственная электростанция). Эта электростанция (кстати, действующая и по сей день!) уже в послереволюционном Петрограде была крайне неэкономична, и нуждалась в закрытии. Именно поэтому ее и передали Дмитриеву под реализацию проекта теплофикации. Сам проект был реализован в дипломной работе студента Дмитриева Бродского. В изначальном варианте он предполагал тотальную теплофикацию прилегающего к Фонтанке куска Петрограда, однако при детальном рассмотрении под руководством главного инженера ГЭС Гинтера был значительно урезан. Как бы то ни было, в первой половине 1924 года была проведена колоссальная теоретическая и практическая работа, позволившая 25 ноября подать в дом № 96 на набережной Фонтанки тепло от ГЭС. С этого дня отсчитывается срок применения теплофикации в мире. В дальнейшем ее применение расширяется, сперва в Ленинграде, а затем и в других городах Союза. Особенно поразительно эффект теплофикации сказался на работе «приговоренной» ГЭС с морально устаревшей бельгийской турбиной: экономичность ее работы после внедрения теплофикации возросла втрое (!).

Несомненные плюсы теплофикации еще до войны привели к тому, что для электроснабжения крупных городов начали проектироваться крупные ТЭЦ, расположенные по их периферии (напомним, что ТЭЦ – теплоэлектроцентраль – это электростанция, отпускающая от своих турбин кроме электричества еще и тепло, и могущая работать по тепловому графику потребления). Причем от них снабжалось теплом не только население, но и промышленные производства (кстати, в Украине, в виду более мягкого климата, чем в РСФСР, теплофикация по-серьезному оказалась развита только в двух столицах – Киеве и Харькове).

Надо сказать, что теплофикация порядка сорока лет оставалась чисто советским «ноу-хау», в то время, как на Западе она (под именем «когенерация») долгое время себе места не находила (то есть, опыт такой был, конечно, но на уровне дореволюционной деятельности поминавшегося выше профессора Дмитриева). Однако энергетический кризис, возникший в ходе арабо-израильских войн, заставил и капиталистический лагерь обратить внимание на эту технологию. Пионером оказалась Дания, которая буквально за считанные годы оказалась «с нуля» тотально покрыта теплотрассами от ТЭЦ. Схожие процессы наблюдались и в других капиталистических странах, в том числе Западной Германии, где теплофикация применялась, как одно из энергосберегающих мероприятий в комплексе с иными.

В целом, развитые страны Запада теплофикацию поощряют. В той же Дании проводится специальная государственная политика по предпочтению подключения к централизованному теплоснабжению новых потребителей тепла. В восточных землях Германии, где от советских времен осталась развитая теплофикация, она продолжает развиваться и в условиях капиталистического метода хозяйствования, как наиболее экологически чистая и экономически выгодная технология теплоснабжения. Даже сам «владыка мира» президент США Билл Клинтон в одном из обращений к стране отметил необходимость развития централизованного теплоснабжения.

Однако в постсоветских странах, где, казалось бы, накоплен огромный опыт теплофикации, реально опережавший мировой на десятки лет, ситуация оказалась прямо противоположной. В зоне действия теплофикации от ТЭЦ строятся котельные, а станции работают по электрическому графику без отпуска тепла. При этом те ТЭЦ, что были построены в советское время для теплоснабжения крупных предприятий, страдают особенно сильно, но на предприятиях оказывается выгоднее ставить свою котельные, чем получать даровое тепло от ТЭЦ (я своими глазами наблюдал в 2010-2012 гг. трагедию Сызранской ТЭЦ, которая строилась для снабжения паром Сызранского НПЗ, но этот пар оказался не нужен). Более того, в частном секторе, особенно в Украине, вместо теплофикации внедряется даже не теплоснабжение от котельных, а индивидуальное отопление в крупных городах, что казалось дикостью уже после Первой Мировой Войны. И как глас вопиющего возникает риторический вопрос, заданный известным российским популяризатором теплофикации Богдановым: «Жители города Омска обращают внимание на то, что даже в самые холодные зимние дни из градирен ТЭЦ выбрасывается огромное количество пара. В это же время в городе работают десятки котельных, находящихся в зоне действия ТЭЦ. Согласно же расчетам, энергии сбросного тепла от градирен существующих ТЭЦ-3,4,5 хватит, чтобы при температуре наружного воздуха до минус 5? С не пользоваться услугами котельных. Почему не выгодно экономить дорогое топливо - и не выбрасывать тепло в атмосферу?». А действительно, почему? Теплофикация несомненно оправдана научно, и, что важнее, доказала свою пользу не только в плановой экономике, но и в условиях рынка на прагматичном Западе. Что же за парадоксы такие творятся на одной шестой части суши, что она стала неэффективной? Попробуем разобраться.

И тут оказывается, что теплофикация не только не может работать в современных постсоветских реалиях, но и в советское время работала только благодаря жесткой воле державы, когда понимание ее важности руководством позволяла внедрять ее, несмотря ни на какие субъективные трудности. Глубоко в подробности мы вдаваться не будем, но отдельные штрихи нельзя не указать.

Первая проблема, вставшая на пути теплофикации в девяностые годы, кажется ерундой, но именно она сломала ей шею. Дело вот в чем. Мы выше уже считали КПД электростанции, работающей по циклу Ренкина, как отношение того, что цикл дает (электроэнергия) к тому, что цикл получает (произведение расхода топлива на его удельную теплотворную способность), выраженные в одинаковых единицах. Пока речь идет о цикле без теплофикации, этот расчет понятен даже школьнику. Также ясно, как рассчитать КПД котельной: в числителе дроби будет величина отпущенной тепловой мощности, а в знаменателе все то же произведение расхода топлива на теплотворную способность. Проблема появляется, когда из одного цикла начинают получать кроме электричества еще и тепло. Знаменатель дроби остается тем же, выражая величину подведенной теплоты, а вот как рассчитать числитель?! Вопрос крайне непростой, и дискуссия на этот счет, начатая еще в двадцатые годы, активно шедшая в пятидесятые, возобновившаяся в девяностые, и нет-нет, да происходит даже и сейчас. Дело в том, что и электроэнергия, традиционно измеряющаяся в ваттах, и тепло, столь же традиционно меряющееся в калориях в час, это одна и та же субстанция, а именно – энергия (напомним, что ватт это 860 (точнее 859,845227858985) кал/ч). Казалось бы, раз и то, и то – энергия, сложи их в одних единицах, да получи числитель. Однако это разная энергия, энергия с разным качеством. Речь вот о чем. Электрическая энергия – это «хорошая» высокопотенциальная энергия, с помощью которой можно нагреть воду и получить калории тепла для отопления, а можно привести в движение станок. А вот теплота от ТЭЦ представляет собой «плохую» низкопотенциальную энергию: это большие расходы воды с температурой 70-150 ^оС, использовать эту энергию, кроме как на отопление, невозможно. Поэтому складывать их на равных неверно. Не вдаваясь в подробности, любой расчет КПД предполагает определенную зависимость расхода топлива в цикл от величины отпускаемой энергии (для цикла Ренкина эта зависимость очевидна: если КПД цикла одинаков во всем диапазоне нагрузок, то, чтобы получить вдвое больше электричества, нужно сжечь вдвое больше топлива). Так вот, реальные режимы работы цикла с теплофикацией, полученные в ходе испытаний, показывают, что такой расчет КПД предполагает зависимость расхода топлива от нагрузки, отличающуюся от полученной при натурных замерах. Смысл тут вот в чем. Представим некий теплофикационный цикл, от которого мы получаем мегаватт электроэнергии и мегаватт тепла, а КПД его не зависит от нагрузки. Если бы указанный способ расчета был верен, то расход топлива одинаково увеличивался в том случае, если получать из цикла два мегаватта электричества и мегаватт тепла, либо мегаватт электричества и два мегаватта тепла. В реальности это не так: во втором случае расход топлива возрастет меньше. Правильно решить задачу определения эффективности такого цикла позволяет применение методов особого раздела технической термодинамики – учения об эксергии, которое появилось только в середине двадцатого века. Методы эксергетического анализа пионерам советской теплофикации были не известны, да и их применение на практике крайне сложно, поэтому экономичность цикла с теплофикацией определялась неточно (справедливости ради, тот же Гинтер пошел иным путем, и числитель в формуле расчета экономичности цикла определял, как отпущенное электричество при балансовых испытаниях турбин в зависимости от разных значениях электрической и тепловой нагрузок, то есть в понятии эксергии вообще не нуждался, но такой метод требует наличия актуальных данных по испытаниям каждой турбины, и хорош, когда главным инженером станции является Гинтер).

В итоге, чтобы не связываться со сложными вычислениями, в пятидесятые годы было принято решение считать экономичность цикла именно по методу сложения «на равных» электричества и тепла, который был назван «физическим». При этом КПД теплофикационных циклов достигал астрономических величин, вплоть до 95% когда, весь пар после турбины с относительно высоким давлением отправляли потребителю, так называемые циклы с противодавлением, которые не нуждаются в конденсаторах, холодных источником является для них потребитель пара. Пока система хозяйствования была социалистической в этом особой беды не было, но после ее слома ситуация поменялась. И вот почему: потребовалось обоснование тарифов на отпускаемую продукцию от ТЭЦ. При производстве двух видов энергии их стоимость должна быть пропорциональна расходу топлива на выработку. В предположении «физического» метода расчета, как не сложно видеть, расход топлива делится ровно пополам между электричеством и теплом (для указанной нами установки, вырабатывающей мегаватт электричества и мегаватт тепла, каждый килограмм топлива делится так: полкило идет на производство электричества, полкило на производство тепла). В реальности же на производство электричества тратится больше топлива, чем на производство тепла. То есть, если устанавливать тарифы на основе «физического» метода, то стоимость электроэнергии оказывается ниже фактической стоимости, а стоимость тепловой – выше. Причем, выше настолько, что оказывается выгодным безумное с точки зрения термодинамики использование электрообогрева, не говоря об индивидуальном отоплении и теплоснабжении от котельных. Кроме того, в стоимость тарифа на тепло включаются и такие следствия минусов теплофикации, как необходимость обслуживать протяженные теплосети, и риски и неудобства от невозможности напрямую индивидуально регулировать тепловой режим (в советской энергетике это делала станция). Однако возникает резонный вопрос: почему же на Западе теплофикация начала развиваться именно тогда, когда она рухнула в странах бывшего СССР?

Разумеется, при установлении тарифов на тепло в той же Дании счетчиками эксергии никто не пользуется, однако законодательно вводятся меры, способствующие соответствию тарифов реальному распределению топлива на выработку продукции от ТЭЦ. Во-первых, в СССР применялся метод «количественного» регулирования отпущенного тепла, то есть требуемые гигакалории обеспечивались путем воздействия на расход сетевой воды. На Западе же применяется «качественное» регулирование, когда количество тепла регулируется воздействием на температуру теплоносителя, а не на его расход. В результате не возникало излишних потерь тепла в теплотрассах из-за превышения температуры сетевой воды, отпускаемой от ТЭЦ, над требуемой величиной (при «количественном» же регулировании на температуру никто не обращает внимания, регулируя гигакалории уменьшением расхода сетевой воды). Во-вторых, на Западе нагрузка теплоснабжения регулируется не производителем, а потребителем, то есть потребитель задает график работы теплосети, а станция его обеспечивает. В советской же системе график теплосети определяется станцией (температура прямой сетевой воды задается в зависимости от температуры воздуха на улице, а расход сетевой воды диспетчером, исходя из планового потребления). Потребители же должны обеспечить точное снятие запланированного количества тепла. В реальности же это приводит к хорошо известному эффекту, когда у потребителей вблизи ТЭЦ наблюдается перетоп, и общественность открывает форточки, а потребители вдали от ТЭЦ пишут во все инстанции о том, что температура в доме существенно ниже санитарных значений. А что гораздо хуже, это еще приводит и к увеличению температуры обратной сетевой воды (воды, приходящей на ТЭЦ от потребителя на нагрев) из-за того, что высокопотенциальное тепло до дальних потребителей не доходит, а низкопотенциальное они снять не могут. Увеличение же температуры обратной сетевой воды против расчетного значения, как не сложно догадаться, в условиях, когда температура прямой воды постоянна (напомним, она определяется только температурой наружного воздуха), а гигакалории нужно выдавать, ведет к необходимости наращивать расход сетевой воды. То есть, реально снять тепло будет еще сложнее (температура прямой воды постоянна, а обратной выше, то есть перепад температур уменьшается против планового), расход нужно еще повышать, и – говорить о какой-либо энергоэффективности уже не приходится. Разумеется, «качественное» регулирование и регулирование у потребителя требуют дополнительных затрат на оборудование и автоматику: советское «количественное» регулирование станцией значительно дешевле. И, наконец, что самое главное, в Дании совершенно иначе распределяется топливо на выработку продукции. «Физический» метод используется только там, где теплофикация применяется не менее двенадцати лет. До того срока, вся экономия топлива от теплофикации списывается на выработку тепла, то есть стимулирует понижение тарифов на него, и развитие теплофикации.

Таким образом, краткий обзор говорит вот о чем. Научная обоснованность теплофикации на практике не гарантирует ее успех. Он может быть достигнут двумя способами. Либо советским, когда государственная мудрость заставляла внедрять теплофикацию, несмотря на потери экономической выгоды отдельными производствами и неудобствами населения, что с лихвой в масштабе страны компенсировалось экономией первичных энергетических ресурсов. Либо западным, когда тот же эффект достигается экономическим стимулированием и применением передовой технической мысли. Вероятно, наилучших результатов можно добиться путем комбинирования этих способов. В противном случае – мы откатываемся в «каменный век» с его индивидуальным отоплением, что напрочь отрицает научный подход, а также ведет к значительным потерям в государственном масштабе.

С неудовольствием должен заметить, что все три статьи из цикла оказались довольно далеки от первоначальной задумки. Про собственно энергосистему Украины написано мало, а вместо этого получились краткие ликбезики по отдельным вопросам работы энергосистемы. Так что цикл придется прервать. В следующий же раз поговорим о моей первой любви. В профессиональном плане, разумеется.