Методический подход к совершенствованию теплоснабжающих систем с учетом атмосфероохранных мероприятий

Для России, на территории которой преобладают суровые климатические условия, теплоснабжающие системы являются важнейшими структурными составляющими топливно-энергетического комплекса, обеспечивающими тепловой энергией жизнедеятельность населения и всего хозяйства страны.

Суммарное годовое теплопотребление в РФ составляет сейчас около 2060 млн. Гкал, при этом 71% теплопотребления обеспечивают централизованные источники (включая ТЭС, котельные, АИТ, электробойлерные, ТУУ и пр.), порядка 11% - децентрализованные (включая крупные, средние и мелкие котельные), и около 18% - коммунальные котельные (включая котельные мощностью менее 3 Гкал/ч). Основными потребителями тепла на настоящий момент являются промышленность — 38,2%, коммунально-бытовой сектор и население — 48,7% (включая мелких потребителей, получающих тепло от теплоисточников на печном топливе и мелких собственных котлов), на сельское хозяйство приходится порядка 4% от общего потребления тепла, на транспорт и другие потребители -9,1%.

Производство и распределение тепловой энергии является важной государственной задачей, решение которой необходимо для успешного развития экономики и обеспечения социальной стабильности. Поэтому повышение надежности, качества и экономичности теплоснабжения является одной из основных целей, заложенных в Энергетической стратегии России до 2020 года.

С другой стороны, производство тепловой энергии на источниках тепла, работающих на органическом топливе (ТЭС, ТЭЦ и котельных), неизбежно связано с негативным воздействием на окружающую среду, вызывающим отрицательное влияние на здоровье населения, сохранность растительного и животного мира.

Поэтому развитие теплоснабжающих систем должно быть неразрывно связано с соблюдением требований по охране окружающей среды, которые в ряде случаев могут оказать решающее влияние на формирование направлений развития систем.

Особо это актуально сейчас, когда положение дел в теплоснабжении страны характеризуется снижением надежности и экономичности теплоснабжения, и загрязнением окружающей среды от большинства теплоисточников.

Актуальность работы. Решение проблем теплоснабжения требует серьезных подходов и должно основываться на соответствующей научно-методической базе. Существующие подходы в области теплоснабжения в основном ориентированы на повышение технического уровня систем, их надежности, управляемости и экономичности. Примером могут служить научные труды Мелентьева Л. А., Копьева С. Ф., Левенталя Г. Б., Соколова Е. Я., Хасилева В. Я., Меренкова А. П., Некрасова А. С., Хрилева Л. С., Попырина Л. С., Чистовича С. А., Сенновой Е. В., Федяева А. В., Стенникова В. А. и других. В этих работах, как правило, влияние ТСС на окружающую среду рассматривается после технико-экономического обоснования эффективности направлений совершенствования теплоснабжающих систем, что не всегда дает оптимальный эколого-экономический эффект.

Главное место в списке экологических факторов воздействия ТСС на окружающую среду занимает загрязнение атмосферы. Существующие подходы к учету такого загрязнения от объектов теплоэнергетики позволяют решать проблемы планирования атмосфероохранной деятельности. К ним относятся: модель оптимизации атмосфероохранных мероприятий (ВНИПИ-энергопром), эколого-экономическая модель «Регион» (ИДСТУ), метод оптимального размещения промышленных предприятий Марчука Г. И., ситуационный подход атмосфероохранной деятельности Бронштейна A.M. и Литвина В. А., информационно-моделирующая система оценки загрязнения атмосферы городов (ИВЭП СО РАН), энерго-экологическая модель ВЕЕМ (ИСЭМ СО РАН), проекты американской группы «ISEG» и др.

В этих подходах решаются задачи планирования атмосфероохранных мероприятий, однако, как правило, они не взаимосвязаны с теплоснабжающими системами.

Таким образом, возникает необходимость в разработке подхода, позволяющего получать оптимальный набор мероприятий для совершенствования ТСС с учетом эффективного снабжения потребителей теплом и электроэнергией и минимального воздействия объектов этих систем на окружающую среду. Такой подход должен оценивать как прямое воздействие таких сложных ТСС на окружающую среду (оценка загрязнения), так и обратное воздействие — влияние учета атмосфероохранных мероприятий на варианты развития ТСС.

Целью работы являлась разработка методического подхода к обоснованию направлений совершенствования ТСС с учетом атмосфероохранных мероприятий, включая поэтапное описание методики определения оптимальных наборов технических и атмосфероохранных мероприятий по системам теплоснабжения и решение на предпроектном уровне задач совершенствования ТСС.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней получены и выносятся на защиту следующие наиболее важные результаты:

1. Комплексная постановка задачи выбора направлений совершенствования теплоснабжающих систем населенного пункта с технико-экономических и экологических позиций.

2. Методика учета экологических ограничений, которая позволяет получать оптимальный конечный набор мероприятий для совершенствования ТСС с учетом эффективного энергоснабжения потребителей теплом и минимального воздействия теплоснабжающих систем на атмосферу.

3. Программно-вычислительный комплекс по выбору эффективных наборов технических и атмосфероохранных мероприятий для населенных пунктов. Практическая ценность работы состоит в том, что предлагаемый методический подход позволяет проводить предпроектные исследования по оценке эколого-экономической эффективности направлений совершенствования ТСС на уровне городов и населенных пунктов.

Разработанный подход был использован при решении предпроектных задач по:

— оценке эффективности снижения загрязнения атмосферы при закрытии ряда угольных и мазутных котельных г. Иркутска и подключения потребителей этих котельных к системе централизованного теплоснабжения от Ново-иркутской ТЭЦ (НИТЭЦ). В результате рассмотрения вариантов расширения Ново-иркутской ТЭЦ ОАО «Иркутскэнерго» и закрытия ряда котельных МУЛ «Иркутсктеплоэнерго» выявлено, что учет только технико-экономического фактора в задачах совершенствования теплоснабжающих систем не всегда способствует необходимому снижению загрязнения атмосферы до санитарных норм. Предлагаемые технико-экономические варианты в должной мере не улучшают состояния атмосферного воздуха. Обоснован состав котельных, которые требуют проведения технических и атмосфероохранных мероприятий с целью улучшения экологической ситуации в городевыбору направлений развития и совершенствования теплоснабжающих систем г. Калязин (Тверской обл.) при учете атмосферного загрязнения и возможности газификации города на перспективу. Определены: целесообразность реконструкции существующей централизованной теплоснабжающей системыэффективность использования природного газа и местных видов топливаперспективы развития потребителей тепла и снижения экологического воздействия объектов теплоснабжения на окружающую среду города. Из множества рассмотренных вариантов теплоснабжения рекомендованы оптимальные, реализация которых позволит снизить себестоимость тепла на ряде котельных и сократить выбросы вредных веществ в атмосферу до требуемого уровня ПДК.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на: конференциях научной молодежи ИСЭМ СО РАН (г. Иркутск 1999, 2000, 2001, 2002 гг.) — заседании всероссийского семинара «Информационные технологии в энергетике и образовании «(г. Иркутск, 2001 г.) — заседании международного семинара «Математические модели и методы анализа и оптимального синтеза развивающихся трубопроводных и гидравлических систем» (г. Туапсе, 2002 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе одна — в коллективной монографии.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (103 наименования) и приложений. Общий объем работы без приложений — 183 стр., в том числе список литературы — 11 стр., приложения на 40 стр. В работе 38 рисунков и 40 таблиц.

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1) Проведен анализ существующих подходов к решению задачи оптимальной реконструкции, модернизации и развития ТСС, который показал, что они в основном ориентированы на повышение технического уровня систем, их надежности, управляемости и экономичности. Однако, на современном этапе для теплоснабжающих систем необходим более глубокий учет экологии совместно с решением вопросов надежного и экономичного теплоснабжения.

2) Предложена двухэтапная постановка задачи комплексного совершенствования теплоснабжающих систем населенных пунктов с учетом ат-мосфероохранных мероприятий, которая состоит в выборе эффективных направлений реконструкции, модернизации и развития теплоснабжающих систем при одновременном планировании оптимальных атмо-сфероохранных мероприятий с целью максимального достижения требований по охране окружающей среды на предпроектном уровне.

3) Разработана методика учета экологических ограничений в задачах совершенствования ТСС для решения задачи нахождения эффективных наборов технических и атмосфероохранных мероприятий, которая предусматривает:

— выбор из «внутренних» вариантов оптимальных мероприятий по каждой теплоснабжающей системе по минимуму уровня загрязнения приземного слоя атмосферы;

— составление единого списка мероприятий по каждому «внешнему» варианту развития ТСС.

Методика представляет собой выбор рациональных вариантов совершенствования ТСС совместно с необходимыми атмосфероохранными позволяет осуществлять более полный экологический и технико-экономический поиск эффективных решений- — оптимально учитывать (размещать, применять, выделять) рациональные с технико-экономической и экологической точек зрения мероприятия и получать максимальный эколого-экономический эффект, который достигается от комплексного применения атмосфероохранных и технических мероприятий для всех действующих и вновь вводимых энергоисточников.

Методика позволяет также заменить «ручное» объединение списков мероприятий в результате решения задачи оптимизации нахождения эффективных наборов мероприятий по каждому загрязнителю на автоматизированную процедуру составления единого набора эффективных технических и атмосфероохранных мероприятий по всем загрязнителям.

4) Разработан программно-вычислительный комплекс ТЕП-ЭКО, который позволяет эффективно: а) определять уровень загрязнения приземного слоя атмосферы в рассматриваемом населенном пунктеб) анализировать перспективные технические и атмосфероохранные мероприятияв) проводить оптимизационные расчеты по минимизации затрат на эти мероприятия для всех источников выбросов вредных веществ при выборе рационального варианта совершенствования теплоснабжающих систем населенного пункта с учетом минимального воздействия на атмосферу.

5) Проведены практические исследования на примере решения двух практических задач: Комплексной оценки загрязнения атмосферы для предварительно разработанных вариантов совершенствования теплоснабжающих систем г. Иркутска. В результате проведенной работы удалось получить следующие результаты:

— выявлено, что учет только технико-экономического фактора с задачах совершенствования теплоснабжающих систем не всегда способствует необходимому снижению загрязнения атмосферы до санитарных норм. Предлагаемые технико-экономические варианты закрытия котельных ИТЭ и варианты увеличения мощности НИТЭЦ в должной мере не улучшают состояния атмосферного воздуха в г. Иркутске;

— предложен список котельных, которые требуют проведения технических и атмосфероохранных мероприятий с целью улучшения экологической ситуации в городе;

— продемонстрировано успешное использование ПВК для проведения экологической оценки крупного города с множеством теплоисточников.

Комплексного анализа возможных вариантов реконструкции модернизации и развития теплоснабжающих систем г. Калязин, Тверской области с учетом их экологической эффективности.

Результаты выполнения работы можно сформулировать следующим образом:

— проведен технико-экономический и экологический анализ существующих теплоснабжающих систем города, свидетельствующий о неудовлетворительном качестве теплоснабжения, устаревшем оборудовании большинства котельных, высоких тарифах на тепловую энергию и превышении ПДК по ряду загрязняющих атмосферу веществ;

— сформированы варианты совершенствования теплоснабжающих систем г. Калязин с учетом необходимости совершенствования существующей централизованной теплоснабжающей системы, эффективного использования природного газа и местных видов топлива, перспектив развития потребителей города и снижения экологического воздействия объектов теплоснабжения на окружающую среду;

— рекомендованы оптимальные варианты теплоснабжения, что позволяет снизить себестоимость тепла на ряде котельных и сократить выбросы вредных веществ в атмосферу до требуемого уровня ПДК;

— показано, что состав эффективных наборов технических и атмосфероохранных мероприятий при формировании вариантов совершенствования ТСС может быть различным в зависимости от выбора методики расчета приземных концентраций. Принятие решений по реализации мероприятий по какой-либо методике предлагается осуществлять с дополнительной оценкой загрязнения по другим методикам, и возможно, поиску приемлемого компромиссного решения;

— проведено исследование влияния повышения цен на газ и электроэнергию на выбор эффективного варианта совершенствования ТСС города.

Основные положения и результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Баранова О. А. Основные положения учета экологических факторов при обосновании направлений развития теплоснабжающих систем // Системные исследования в энергетике. — Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 1999. — (Тр. молодых ученых ИСЭМ СО РАН, вып. 29). — С.2−8.

2. Баранова О. А., Еделев А. В., Семин И. А. Учет воздействия объектов теплоснабжения на атмосферу при формировании вариантов развития систем на базе ГТУ-ТЭЦ // Системные исследования в энергетике. -Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2000. — (Тр. молодых ученых ИСЭМ СО РАН, вып. 30). -С.182−191.

3. Баранова О. А. Методический подход к оптимизации атмосфероохранных мероприятий при формировании вариантов развития системы теплоснабжения населенного пункта // Системные исследования в энергетике. — Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2001. — (Тр. молодых ученых ИСЭМ СО РАН, вып. 31). -С.156−166.

4. Баранова О. А., Еделев А. В. Применение методов комбинаторного моделирования для выбора рациональных вариантов развития ТСС населенных пунктов с учетом экологических ограничений // Современные подходы к интеграции информационных технологий. — Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2001. — (Тр. Всероссийского семинара). — С.46−53.

5. Баранова О. А. Особенности выбора направлений развития систем теплоснабжения города с учетом экологических факторов // Системные исследования в энергетике. — Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2002. — (Тр. молодых ученых ИСЭМ СО РАН, вып. 32). — С. 162−173.

6. Баранова О. А., Федяев А. В. Выбор направлений развития теплоснабжающих систем с учетом загрязнения атмосферы // Трубопроводные системы энергетики: Управление развитием и функционированием. Под общей ред. Тевяшева А. Д. — Новосибирск: Наука, 2004. — С. 158 167.

7. Баранова О. А., Федяев А. В. Реконструкция и развитие теплоснабжающих систем в условиях экологических ограничений на современном этапе // Вестник региональной энергетики. — М.: ООО «Издательский дом» «Страховое Ревю», 2004. — С. 45−55.

8. Еделев А. В., Баранова О. А. Программно-вычислительный комплекс для совершенствования теплоснабжающих систем с учетом экологических ограничений // Вестник региональной энергетики. — М.: ООО «Издательский дом» «Страховое Ревю», 2004. — С. 56−74.

Заключение

.