100 лет развития теплофикации в России

В. Ф. Гуторов, канд. техн. наук

С. А. Байбаков, инженер

Исторический обзор

Под теплофикацией энергетики понимают централизованное теплоснабжение на базе комбинированной выработки тепла и электроэнергии.

Возникновение идеи централизованного теплоснабжения относится к 80-м годам XIX века. В 1877 году в г. Локпорте в США была сооружена первая установка для централизованного теплоснабжения. Однако в США длительное время (до 1937 года) централизованное теплоснабжение не связывалось с организацией комбинированной выработки электроэнергии, т. е. не являлось теплофикацией.

В 1893 году фирма «Сименс-Шуккерт» построила в Гамбурге первую в Германии теплоэлектроцентраль. По теплотрассе длиной около 250 м производилось отопление новой ратуши. Паровые машины имели мощность 100–500 л. с. при рабочем давлении пара 6,5 атм.

В 1900 году была пущена в работу первая районная теплофикационная установка в Германии (г. Дрезден). В 1907 году фирмой AEG была создана первая паровая турбина с отбором пара.

Комбинированная выработка тепла и электроэнергии нашла применение в России с начала ХХ века на сахарных заводах и текстильных предприятиях. Для этой цели создавались теплосиловые блок-станции, тепловая энергия от которых поступала к группе зданий, принадлежащих одному владельцу. Так, в 1902 году была построена блок-станция на генераторной станции Санкт-Петербургского политехнического института. В 1903–1912 годах по инициативе и проектам профессора Электротехнического института В. В. Дмитриева в Санкт-Петербурге создается несколько теплоэлектрических блок-станций для снабжения теплом и электроэнергией Синодальной типографии, детской больницы (17 зданий), 37 корпусов больницы им. Петра Великого (ныне им. И. И. Мечникова), дома предварительного заключения (тюрьма «Кресты»), здания Электротехнического института.

В Москве имелись отдельные предприятия, на которых отработавший пар паросиловых установок использовался для теплоснабжения владений одного собственника (Трехгорная мануфактура, текстильная фабрика Циндель и ряд других предприятий).

Исходя из положительного опыта работы созданных теплоэлектрических блок-станций профессор В. В. Дмитриев начиная с 1908 года пропагандировал идею теплоэлектроцентралей и руководил разработкой проектов теплоснабжения. Одним из них был проект «Электростанция с использованием отходящего тепла для отопительных и бытовых нужд центрального района города». В этом проекте, изложенном В. В. Дмитриевым в 1923 году на собрании Русского технического общества, предлагалось переоборудовать в теплоэлектроцентраль (ТЭЦ) 3-ю Петроградскую ГЭС на Фонтанке, подлежащую закрытию из-за неэкономичности. Идея проекта – сплошная теплофикация района города, прилегающего к 3-й Петроградской ГЭС. В этом районе располагались здания как с печным, так и с центральным водяным отоплением. Печное отопление зданий должно было быть заменено центральным водяным.

25 ноября 1924 года 72 квартиры дома № 96 на набережной реки Фонтанки получили тепло от 3-й Ленинградской ГЭС (острый пар), причем циркуляция воды в системе отопления здания осуществлялась пароводяным инжектором. В январе 1925 года горячая сетевая вода от 3-й Ленинградской ГЭС стала подаваться в баки Егорьевских бань, расположенных на расстоянии 250 м от ГЭС.

Летом 1925 года от того же источника прокладывается магистраль (400 м) к котельной Обуховской больницы (ныне больница им. А. А. Нечаева) с пересечением Веденского канала по специальному мостику (надземная прокладка). В котельной больницы были установлены скоростные теплообменники для подогрева воды, циркулирующей с помощью электронасосов в системах отопления основных зданий. В зданиях были смонтированы теплообменники для нагрева сетевой водой воды системы горячего водоснабжения. Таким образом, первые установки теплоснабжения были выполнены по закрытой независимой схеме.

Присоединение систем отопления к тепловой сети, кроме Обуховской больницы, проводилось по зависимой схеме.

Регулирование подачи тепла было принято местное, качественное, с поддержанием в сети постоянной температуры порядка 100 °C и с повышением ее до 115 °C при низких температурах наружного воздуха.

После перевода в 1927 году турбин мощностью 680 кВт фирмы «Броун-Бовери» на ухудшенный вакуум в магистраль стала подаваться сетевая вода с температурой 90 °C, нагретая в бойлерах отборным паром турбины. Дополнительный нагрев воды производился в специально разработанных пароводяных струйных подогревателях.

Подача воды в систему тепло-снабжения и ее циркуляция осуществлялась насосом, приводом которого была паровая турбина.

Существенно важным оказалось то, что полученный при эксплуатации экономический эффект от теплофикации оказался весьма значительным. Электростанция со старой изношенной конденсационной турбиной 680 кВт фирмы «Броун-Бовери», имевшая до реконструкции удельный расход топлива на выработку электроэнергии 1 046 г/кВт•ч, после реконструкции показала при испытаниях расход топлива на теплофикационном режиме 238 г/кВт•ч.

Начатое в 1924 году строительство тепловых сетей от 3-й Ленинградской ГЭС развивалось и к 1929 году суммарная протяженность теплотрасс достигла 8,6 км. Эта сеть снабжала теплом 34 абонента с годовым потреблением тепла 53 тыс. Гкал.

Для увеличения отпуска тепла в 1929 году на Ленинградской ГЭС были смонтированы турбина фирмы «Лаваль» мощностью 5 МВт с противодавлением 1,2–2,0 кгс/см² и соответствующие пароводяные подогреватели.

В Москве началом теплофикации явилась прокладка в 1928 году паропровода от экспериментальной ТЭЦ ВТИ к заводам «Динамо», «Парострой» и другим близлежащим объектам. Вначале сетевая вода нагревалась острым паром, а затем паром из нерегулируемого отбора одной из старых турбин.

В итоге по чисто случайным обстоятельствам (наличие малоценного, но пригодного для экспериментов оборудования) 3-я Ленинградская ГЭС оказалась прообразом будущих отопительных ТЭЦ, а ТЭЦ ВТИ – прообразом промышленно-отопительных ТЭЦ. Обе ТЭЦ, несомненно, соответствовали районным, поскольку обслуживали разнородных потребителей.

В 1929 году была сооружена Краснопресненская ТЭЦ для снабжения паром Трехгорной мануфактуры, а через год – ТЭЦ ТЭЖЭ, от которой по паропроводу диаметром 300 мм и длиной 1,5 км пар подавался к заводам «Клейтук», «Новый мыловар» и Первому подшипниковому заводу (ГПЗ-1).

Одновременно со строительством новых ТЭЦ проводились работы по теплофикации центра Москвы. Еще в 1927 году был разработан эскизный проект, а в 1931 году проложили первый водяной двухтрубный трубопровод диаметром 250 мм по Раушской набережной, Старому Москворецкому мосту, улице Варварке к зданию ВСНХ в Китай-городе. В этот период в ВТИ была разработана первая генеральная схема теплофикации Москвы с крупными ТЭЦ на периферии города.

28 января 1931 года для проектирования, строительства и эксплуатации тепловых сетей было создано специализированное предприятие «Теплосеть Мосэнерго», а в конце года организован Всесоюзный трест «Теплосетьстрой».

Первый генеральный план реконструкции Москвы (1935 год) требовал интенсивного развития источников теплоснабжения и тепловых сетей. На окраине, в 6–7 км от центра города, до войны были сооружены и введены в эксплуатацию ТЭЦ-9 и 11 на параметры пара 3,0 МПа, 400 °C с турбинами мощностью до 25 МВт, а после войны – ТЭЦ-12, 16 и 20.

К 1941 году в Москве работало шесть ТЭЦ, имелось 63 км водяных и 17 км паровых сетей, с подключенными 445 жилыми зданиями и десятками промпредприятий.

В Ленинграде годовой отпуск тепла составлял около 1 млн Гкал.

Начиная с 1950 года наметился интенсивный рост эффективно-сти энергоснабжающих установок.

На ТЭЦ стали устанавливаться турбины на высокие параметры пара. В 1957 году ЛМЗ изготовил первую теплофикационную турбину типа ПТ-50-130/2 мощностью 50 МВт на начальные параметры пара: давление 13 МПа и температура 565 °C с двумя регулируемыми отборами пара. Повышение начальных параметров пара на ТЭЦ дает также близкие к КЭС (на такие же параметры) показатели по расходу топлива при работе по конденсационному циклу. Основным условием эффективной работы ТЭЦ остается требование максимальной выработки электроэнергии по теплофикационному циклу, для чего требуется длительная загрузка отборов турбин ТЭЦ по отпуску тепла. Для отопительных ТЭЦ такой рост выработки электроэнергии возможен за счет присоединения круглогодовой нагрузки горячего водоснабжения, а также работы при оптимальном коэффициенте теплофикации, находящемся в пределах 0,5–0,65. Нагрузки горячего водоснабжения на ТЭЦ в 1950–1960 годах благодаря интенсивному жилищному строительству достигли 15 %, что дало возможность увеличить продолжительность использования номинальной тепловой мощности отборов турбин до 3 700 ч в год.

Повышение максимальной температуры сетевой воды до 150 °C было практически повсеместно достигнуто к 1955 году, а новые типы турбин начиная с 1948 году выпускались с верхним пределом давления пара регулируемого отбора 0,25 МПа.

В 1959 году на ТЭЦ появились пиковые водогрейные котлы конструкции ВТИ и Оргэнергостроя. Массовая установка таких котлов на ТЭЦ для подогрева воды со 110 до 150 °C обеспечила почти повсеместный переход ТЭЦ на работу с оптимальным коэффициентом теплофикации. При таких его значениях и доле горячего водоснабжения 10–15 % число часов использования отборов турбин возросло до 4 500.

К 1970 году в системе Минэнерго было сооружено более 100 новых ТЭЦ и установлено более 600 теплофикационных турбин. Суммарная мощность теплофикационных турбин увеличилась с 16,6 до 47,0 млн кВт. К 1975 году мощность турбин, установленных на ТЭЦ, возросла до 58,5 млн кВт при годовом отпуске тепла около 3 280 млн ГДж.

Следует отметить выдающуюся роль в становлении теплофикации ученых и инженеров, отдавших свои силы и энергию ее теоретическому обоснованию, практическому внедрению, подготовке квалифицированных кадров.

Это профессора Сергей Федотович Копьев (ОРГРЭС, МИСИ) и Ефим Яковлевич Соколов (МЭИ, ВТИ), академик Лев Александрович Меленьтьев (СЭИ), профессор Елизар Федорович Бродский (ЛИСИ), инженер Евсей Петрович Шубин (Гипрокоммунэнерго), кандидаты техн. наук Николай Константинович Громов (Теплосеть Мосэнерго), Исаак Соломонович Ланин (Теплосеть Ленэнерго), Борис Иосифович Генкин (ОРГРЭС), Александр Петрович Сафонов (Теплосеть Мосэнерго), профессор Владимир Бернардович Пакшвер (ВТИ), кандидаты техн. наук Семен Яковлевич Белинский (МЭИ) и Василий Петрович Корытников (ВНИПИэнергопром), Александр Александрович Николаев (ТЭП), а также многие другие ученые и инженеры, посвятившие делу развития теплофикации свои силы и знания. Многие из упомянутых специалистов стали авторами фундаментальных монографий и учебников в области теплофикации, которые до настоящего времени являются настольными книгами ученых и инженеров-теплоэнергетиков.

Современное состояние

Теплоснабжающие предприятия в России – одни из крупнейших потребителей органического топлива. Его доля составляет 46 % общего потребления всех видов топлива, расходуемого в России, что примерно в 2 раза больше, чем топливоемкость электроэнергетики, и соизмеримо с топливоемкостью всех остальных отраслей народного хозяйства.

Ожидаемая динамика теплопотребления России до 2010 года представлена в таблице.

Производство тепла в России осуществляется от теплоисточников различных типов: ТЭЦ общего пользования – 241 шт., ТЭЦ промышленных предприятий – 244 шт., котельных большой мощности – 920 шт., котельных средней мощности – 5 570 шт., котельных малой мощности – 182 тыс. шт., автономных теплогенераторов – около 600 тыс. шт., специализированных ядерных источников тепла – 3 шт.

Наибольшую суммарную электрическую мощность имеют ТЭЦ единичной мощностью от 200 до 750 МВт.

Анализ динамики основных показателей развития теплофикации за 1991–2000 годы показывает, что установленная мощность ТЭС практически не изменялась, также не изменялась и установленная мощность теплофикационных турбин. Заметно уменьшились только выработка электроэнергии (с 331,7 до 275,7 млрд кВт•ч) на ТЭС и отпуск тепла (с 618,0 до 409,4 млн Гкал) от теплофикационных турбин.

Доля отработавшей теплоты в суммарном отпуске теплоты от ТЭЦ возрасла с 85,7 до 89,6 %, удельная комбинированная выработка электроэнергии на базе отпущенной теплоты возросла с 373,3 кВт•ч/Гкал в 1991 году до 428,4 кВт•ч/Гкал в 2000 году. Удельные расходы топлива на выработку электроэнергии и тепла при сопоставлении по одним методикам практически не изменились.

С января 1996 года в отрасли введен новый «энергетический» подход к разделению затрат топлива между электроэнергией и теплом. Удельные расходы условного топлива на отпуск электроэнергии от ТЭЦ при этом возросли с 277 до 332 г/кВт•ч, а на отпуск тепла уменьшились со 174 до 143 кг/Гкал.

Анализируя положительные и отрицательные стороны теплофикации, способствуя умножению первых и устранению вторых, представляется целесообразным продолжать наращивать усилия по увеличению поставок тепла от теплофикационных систем на российский рынок. Практически это может быть достигнуто путем сочетания двух направлений.

Первое направление – обновление, техническое перевооружение и реконструкция действующих теплофикационных систем. При этом, прежде чем приступить к обновлению действующих систем, следует проверить целесообразность их дальнейшего функционирования в существующем виде. В одних случаях системы от отдельных источников тепла экономично объединять для совместной работы, полностью исключая при этом необходимость содержания резервного энергооборудования.

В других случаях, когда зона охвата города тепловыми сетями велика, а их техническое перевооружение или ремонт требуют неоправданно больших капиталовложений, систему предпочтительно делить.

Второе направление – освоение новых технологий, новых типов энергоисточников прежде всего в населенных пунктах, где нет в настоящее время ТЭЦ и ГРЭС, за счет вытеснения морально и физически стареющих городских котельных путем внедрения новых полностью автоматизированных паросиловых, газотурбинных и парогазовых ТЭЦ.

Для будущего теплофикации очень важно также создать благоприятные для нее экономические условия, которые ориентировали бы производителей и потребителей тепла не на сиюминутные экономические выгоды, связанные с произвольным ценообразованием и тарифами в условиях несовершенного законодательства и налогообложения, а на осуществляемые в интересах национальной экономики и общества в целом экономию ресурсов и защиту окружающей среды.