Исходные данные. 
Задачи схем теплоснабжения. 
Определение эффективного радиуса

Исходные данные о системе теплоснабжения собираются за базовый период. В качестве базового периода принимается последний полный календарный год. Для проведения расчетов необходима следующая информация:

• 1. Общие сведения о системе теплоснабжения, включающие в себя климатические параметры, данные о температурном графике, особенностях функционирования системы горячего водоснабжения, ценах на покупные энергоресурсы и воду;
• 2. Технико-экономические показатели работы источника тепловой энергии и тепловых сетей;
• 3. Информация об основных показателях финансово-хозяйственной деятельности предприятия, включающая структуру основных производственных затрат и основанная на данных, содержащихся в материалах тарифного дела за базовый год;
• 4. Технико-экономические показатели, характеризующие работу новой котельной и включающие в себя удельные расходы условного топлива, электроэнергии и воды на производство и распределение тепловой энергии при различных значениях установленной тепловой мощности новой котельной и видах используемого топлива;
• 5. Данные о затратах на строительство и реконструкцию источников тепловой энергии и тепловых сетей. Для определения затрат используются укрупненные показатели базисных стоимостей по видам строительства, укрупненные показатели сметной стоимости, укрупненные показатели базисной стоимости материалов, видов оборудования, услуг и видов работ, установленных в соответствии с Методическими рекомендациями по формированию укрупненных показателей базовой стоимости на виды работ и порядку их применения для составления инвесторских смет и предложений подрядчика.

Определение эффективного радиуса

Совокупные затраты во многом определяются величиной присоединенной нагрузки конечных потребителей и ее перспективных приростов, поэтому для получения наиболее полного представления о величине эффективного радиуса целесообразно выбрать несколько значений тепловой нагрузки и провести расчеты эффективного радиуса для каждого из выбранных значений. Приросты тепловой нагрузки выбираются на основании планов перспективной застройки в зоне действующего источника тепловой энергии.

Вторым важнейшим фактором являются затраты на строительство новых тепловых сетей, которые необходимо построить для обеспечения тепловой энергией новых потребителей.

Новые тепловые сети можно разделить на магистральные и распределительные тепловые сети. Магистральная тепловая сеть предназначена для подачи теплоносителя от точки подключения к существующей системе теплоснабжения до границы района новой застройки. Новая распределительная тепловая сеть предназначена для распределения теплоносителя потребителям района новой застройки.

Затраты на строительство новых тепловых сетей зависят от их протяженности, диаметра и способа прокладки. С радиусом эффективного теплоснабжения непосредственно связана только протяженность магистральной тепловой сети. Все остальные параметры либо могут быть выбраны независимо, либо определяются присоединенной нагрузкой и плотностью застройки нового района.

Протяженность магистральной тепловой сети влияет на совокупные затраты не только через стоимость ее строительства, но и косвенным образом через затраты топлива на компенсацию тепловых потерь, затраты воды на компенсацию утечек, затраты электроэнергии на транспорт теплоносителя, заработную плату обслуживающего персонала, а также через другие статьи затрат, входящие в производственные расходы товарного отпуска.

Учитывая сложную функциональную зависимость между протяженностью магистральной тепловой сети и совокупными затратами расчет эффективного радиуса целесообразно проводить методом последовательных приближений.

Независимым параметром является расстояние от точки подключения к существующей системе теплоснабжения до границы района новой застройки RTC. Если объекты новой застройки подключены непосредственно к коллектору источника, то это расстояние равно радиусу теплоснабжения. Если объекты новой застройки подключены к тепловой камере, расположенной на некотором расстоянии от источника, то радиус теплоснабжения равен сумме расстояний от источника до тепловой камеры и от тепловой камеры до границы района новой застройки.

Изменяя значение расстояния RTC, можно провести расчет совокупных затрат для каждого значения новой присоединенной нагрузки. Расчет проводится до тех пор, пока совокупные затраты по первому варианту не превысят совокупные затраты по второму варианту. То значение расстояния, при котором это происходит, принимается в качестве основного параметра для определения эффективного радиуса. Если рассматривается способ подключения новой присоединенной нагрузки непосредственно к коллектору котельной, то расстояние RTC равно эффективному радиусу. Если подключение перспективной нагрузки предполагается к тепловой камере на существующей тепловой сети, то эффективный радиус равняется сумме расстояния RTC и расстояния от котельной до тепловой камеры.

Увеличение тепловой нагрузки существующего источника тепловой энергии приводит к увеличению расхода сетевой воды в магистральном трубопроводе от источника до тепловой камеры, где подключается новая нагрузка.

Все участки существующей тепловой сети, входящие в путь передачи теплоносителя в зону присоединения новой нагрузки, необходимо проверить на пропускную способность. Необходимые расчеты проводятся с использованием электронной гидравлической модели системы теплоснабжения.

При отсутствии электронной гидравлической модели расчет можно провести с использованием данных по пропускной способности трубопроводов тепловых сетей, представленные в [1].

По результатам расчетов гидравлических режимов разрабатываются проекты по реконструкции участков магистральной тепловой сети с увеличением их диаметров в случае, если не обеспечиваются требуемые параметры циркуляции. На основании новых значений диаметров определяются затраты на перекладку участков тепловой сети и полученные значения расходов учитываются при определении совокупных затрат в первом варианте.

Увеличение тепловой нагрузки потребителей может привести к появлению дефицита располагаемой мощности теплогенерирующего оборудования, установленного на существующем источнике тепловой энергии. В этом случае на основании баланса тепловой мощности можно определить требуемую величину прироста располагаемой мощности источника и в совокупные затраты первого варианта включить затраты на это мероприятие.

Для новой котельной баланс тепловой мощности составляется с целью определения установленной тепловой мощности источника. Установленная мощность оборудования новой котельной позволяет оценить технико-экономические параметры, характеризующие ее работу, определить затраты на строительство котельной и оценить все составляющие производственных расходов.

С увеличением тепловой нагрузки потребителей увеличиваются расходы топлива, воды и электроэнергии. Для определения расходов всех материальных ресурсов целесообразно составлять балансы потребления для каждого вида указанных ресурсов с выделением всех составляющих соответствующего баланса. Такой подход позволяет наиболее полно учесть влияние изменения тепловой нагрузки на потребление топлива, воды и электроэнергии. При расчетах используются методические положения, изложенные в документах [2−10].

Совокупные расходы для варианта 1 включают в себя:

¦ производственные расходы товарного отпуска, необходимые для обеспечения тепловой энергией существующих и новых потребителей;

¦ затраты на реконструкцию источника тепловой энергии, затраты на реконструкцию и новое строительство тепловых сетей, необходимость которых возникает при увеличении тепловой нагрузки потребителей;

¦ при наличии на источнике комбинированной выработки в совокупные затраты включаются затраты на топливо для производства электрической энергии.

Совокупные расходы для варианта 2 включают в себя:

¦ производственные расходы товарного отпуска на существующем источнике тепловой энергии в базовом году;

¦ производственные расходы товарного отпуска на новой котельной;

¦ затраты на строительство новой котельной и на новое строительство распределительных тепловых сетей;

¦ затраты на подключение к городским коммуникациям;

¦ при наличии на существующем источнике комбинированной выработки в совокупные затраты включаются затраты на топливо для производства электрической энергии в базовом году.

Структура производственных расходов для существующего источника и новой котельной устанавливается по материалам тарифного дела при установлении тарифа на базовый год.

В качестве примера определения эффективного радиуса рассматривается расчет эффективного радиуса для газовой котельной, расположенной в городской черте и осуществляющей теплоснабжение одного из районов города.

Согласно генеральному плану развития города в зоне действия котельной планируется строительство нескольких новых жилых микрорайонов. Для каждого из новых микрорайонов необходимо решить задачу об обеспечении тепловой энергией. Для решения этой задачи рассматривается два варианта развития системы теплоснабжения: подключение новых микрорайонов к существующей котельной или строительство в каждом микрорайоне котельной. Для выбора варианта развития определяется радиус эффективного теплоснабжения для существующей котельной при нескольких значениях новой присоединенной нагрузки, соответствующих значениям присоединенных нагрузок планируемых к застройке микрорайонов. Всего было выбрано 10 значений новой нагрузки, изменяющейся в диапазоне от 0,6 Гкал/ч до 91 Гкал/ч.

Основные характеристики котельной в базовом году показаны в таблицах 1 и 2. В таблице 1 приводится баланс тепловой мощности, в таблице 2 — основные технико-экономические показатели работы котельной.

Таблица 1. Баланс тепловой мощности котельной в базовом году.

Таблица 2. Технико-экономические показатели работы котельной в базовом году.

Все расчеты были проведены для каждого из 10 значений выбранной присоединенной нагрузки новых потребителей. Для каждого значения новой нагрузки расчеты проводились методом последовательных приближений. В качестве независимого параметра, с изменения которого начинаются все расчеты, использовалось расстояние от места подключения новой нагрузки до границы района перспективной застройки RTC.

Значение этого расстояния позволяет определить характеристики новой магистральной тепловой сети для существующей котельной, а значение присоединенной нагрузки все остальные параметры, необходимые для расчета совокупных затрат для обоих вариантов развития системы теплоснабжения.

Для каждого значения присоединенной нагрузки расчет начинается с выбора начального приближения расстояния RTC=50 метров. В дальнейшем на каждом шаге итераций это расстояние увеличивается на 10 метров. Конечной целью расчетов на каждом шаге является расчет совокупных расходов для варианта 1 и варианта 2.

Расчет заканчивается тогда, когда совокупные затраты по варианту 1 становятся больше совокупных затрат по варианту 2. То значение расстояния RTC, при котором это происходит, принимается в качестве основного параметра для определения эффективного радиуса. Если рассматривается способ подключения новой присоединенной нагрузки непосредственно к коллектору котельной, то расстояние RTC равно эффективному радиусу. Если подключение перспективной нагрузки предполагается к тепловой камере на существующей тепловой сети, то эффективный радиус равняется сумме расстояния RTC и расстояния от котельной до тепловой камеры.

В данном примере расчеты проводились для способа подключения новой тепловой нагрузки непосредственно к котельной и к тепловой камере, расположенной на расстоянии около 2 км вдоль существующей тепловой сети или на расстоянии 1,5 км от котельной по прямой.

Принципиальных отличий в расчетах для обоих способов подключения новой нагрузки нет. Главное различие заключается в том, что при подключении к тепловой камере для определенного значения тепловой нагрузки возникает необходимость перекладки с увеличением диаметра участков существующей тепловой сети.

В данном примере такая необходимость появилась при достижении новой нагрузки значений более 4 Гкал/ч. При нагрузке 10 Гкал/ч расход сетевой воды превысил пропускную способность участков существующей тепловой сети общей протяженностью 456 метров и диаметром 300 мм. Это потребовало перекладки указанных участков с увеличением их диаметра и соответствующим увеличением совокупных затрат в варианте 1. При дальнейшем возрастании тепловой нагрузки количество участков, которые необходимо заменить, увеличивается и при тепловой нагрузке 90 Гкал/ч реконструкция с увеличением диаметров трубопроводов потребуется для всей тепловой сети от котельной до тепловой камеры.

Реконструкция существующей тепловой сети приводит при прочих равных условиях к увеличению совокупных затрат при развитии системы теплоснабжения на базе существующей котельной. Это, в свою очередь, оказывает существенное влияние на величину RTC и значение эффективного радиуса.

На рис. 1 показана зависимость эффективного радиуса от величины подключаемой присоединенной нагрузки, рассчитанной для способа подключения непосредственно к котельной и к тепловой камере, расположенной на расстоянии 1,5 км от котельной.

При всех значениях новой нагрузки, при которых нет необходимости в реконструкции существующей тепловой сети, зависимость эффективного радиуса от нагрузки идентична для обоих способов подключения. С ростом присоединенной нагрузки новых потребителей эффективный радиус возрастает, причем его величина при подключении к тепловой камере выше на 1,5 км, чем при подключении к котельной.

При подключении к тепловой камере новой нагрузки более 4 Гкал/ч требуется перекладка отдельных участков тепловой сети и это сказывается на характере зависимости эффективного радиуса от нагрузки.

Эффективный радиус перестает увеличиваться и даже несколько снижается при увеличении новой нагрузки. При нагрузке около 30 Гкал/ч значения эффективных радиусов становятся одинаковыми при обоих способах подключения.

Дальнейшее увеличение новой нагрузки приводит к резкому снижению эффективного радиуса. Подключение таких нагрузок требует значительного увеличения затрат на перекладку существующей тепловой сети. Для компенсации этих затрат приходится уменьшать затраты на строительство новой магистральной тепловой сети, а вместе с этим уменьшается и эффективный радиус.

При проведении расчетов предполагалось, что новая магистральная тепловая сеть имеет надземный способ прокладки. Если способ прокладки поменять на подземный, то это приведет к увеличению затрат на прокладку новой сети и к увеличению совокупных затраты в варианте 1. Увеличение совокупных затрат повлечет за собой уменьшение эффективного радиуса. Иллюстрацией этого служат рисунки 2 и 3, где показаны результаты расчетов эффективного радиуса при тех же условиях, что были рассмотрены выше, но с единственным отличием: магистральные трубопроводы новой тепловой сети имеют не надземную прокладку, а подземную прокладку в канале.

Как следует из представленных данных, способ прокладки оказывает существенное влияние на значение эффективного радиуса. При замене надземной прокладки магистральных трубопроводов на подземную канальную прокладку эффективный радиус уменьшается на 20−40% при подключении к тепловой камере и на 50−80% при подключении к котельной.