Топливно-энергетический комплекс города
Энергетика — сфера производства, занимающаяся получением, передачей, преобразованием и рациональным использованием энергии — во все века определяла состояние экономики, промышленности и сельскохозяйственного производства, транспорта в любой стране мира. Вся история человечества неразрывно связана с освоением различных видов топлива и энергии. На всех этапах развития цивилизации энергетика являлась и продолжает оставаться главной составляющей всякого производственного процесса. На смену мускульной энергии человека и животных или механического двигателя в виде водяного колеса пришла паровая машина, использовавшая сначала дровяное, a позднее — угольное топливо. C конца девятнадцатого века началось развитие техники, работающей на электрической энергии, появились двигатели внутреннего сгорания. B двадцатом веке минеральные виды топлива (нефть, газ, уголь, горючие сланцы) и электроэнергетика стали основой мирового промышленного производства и научно-технического прогресса. В разных странах и городах мира используются различные источники энергии, что определяется местными географическими особенностями и экономическими возможностями. Чаще всего в основе энергетики современного города лежит производство электроэнергии, источником которой являются ископаемые углеводороды — газ, нефть или уголь. Предприятия городского хозяйства используют также энергию ядерной реакции (атомная энергетика), лучистой энергии солнца (гелиоэнергетика), энергии ветра (ветроэнергетика), энергии воды, падающей (гидроэнергетика) или нагретой в недрах нашей планеты (геоэнергетика) или человеком (теплоэнергетика).
Дания является мировым лидером по установленной мощности ветрогенераторов на душу населения. В 2013 году ветроэнергетика обеспечила 33 % электроэнергии Дании, и 39 % — в 2014 году. В Германии активно идёт процесс, получивший название «repowering» — старые ветрогенераторы заменяются на более мощные и менее шумные. Уже существующая ветряная электростанция начинает производить больше электроэнергии, не увеличивая свои площади. По прогнозам BWE с помощью этого обновления производство электроэнергии на ветряных электростанциях может быть увеличено до 90 млрд кВт•ч.
Ветроэнергетика Китая — бурно развивающаяся отрасль экономики Китайской Народной Республики. По данным на июнь 2015 года, в Китае работало 105 ГВт ветряных электростанций, что составляет около 30 % от ветряных мощностей всего мира. Китай занимает первое место в мире по размеру установленных ветряных электростанций. За 2014 год в Китае было построено 23,3 ГВт новых ветряных электростанций, что является мировым рекордом.
Во второй половине XX века в условиях научно-технической революции проблема обеспечения потребителей энергией стала одной из важнейших проблем. Цель энергетики — обеспечение производства энергии путём преобразования первичной, природной, энергии во вторичную, например, в электрическую или тепловую энергию. Производство энергии является технологическим сложным процессом,
который, как правило, проходит в несколько стадий: — получение и концентрация энергетических ресурсов, примером может послужить добыча и переработка нефти; — передача ресурсов к энергетическим установкам, например, доставка газа, угля, мазута на тепловую электростанцию; — преобразование с помощью электростанций первичной энергии во вторичную, например, химической энергии угля в электрическую и тепловую энергию; — передача вторичной энергии потребителям, например, по линиям электропередачи. Поэтому бесперебойная подача в жилые и общественные здания тепла, электроэнергии и газа требует высокого уровня организации инженерного хозяйства города. Особенно для такого крупного города как Москва, расположенного к тому же в весьма специфических климатических условиях.
Система энергоснабжения города включает две инфраструктурные подсистемы: производства энергии (генерирующая подсистема) и передачи и распределения энергии (сетевая подсистема). Энергоснабжение города может быть основано: а) на производстве и передаче преимущественно электрической энергии; б) на производстве и передаче преимущественно тепловой энергии; в) на производстве и передаче и электрической и тепловой энергии, то есть в виде когенерации («согенерации»). Когенерация — более сложная в инженерном и организационно-управленческом аспектах схема производства и распределения энергии. Однако, в определённых географических условиях схема одновременного производства тепла и электроэнергии экономически оправдана. Именно такая схема применяется
в городском хозяйстве Москвы.
Когенерация — процесс совместной выработки электрической и тепловой энергии. В советской технической литературе распространён термин теплофикация — централизованное теплоснабжение на базе комбинированного производства электроэнергии и тепла на теплоэлектроцентралях. Отличием когенерации от теплофикации является утилизация тепла после получения электроэнергии (фактически использование вторичного энергоресурса — тепла после отработки в установках по производству электроэнергии). При теплофикации процесс выработки электроэнергии и тепла идет параллельно. Смысл когенерации в том, что при прямой выработке электрической энергии создаётся возможность утилизировать попутное тепло. Дальнейшим развитием когенерации является тригенерация, в которой тепло также используется для создания холода, например, для использования в системах кондиционирования воздуха.
Вообще, под топливно-энергетическим комплексом понимают совокупность отраслей, связанных с производством и распределением энергии в различных её видах и формах. Применительно к городскому хозяйству топливно-энергетическим комплексом называют совокупность организаций и предприятий, обеспечивающих выработку, распределение и доставку тепловой и/или электрической энергии и энергоносителей организациям, учреждениям, предприятиям города и городскому населению. Степень энерго- и электровооружённости — один из главных факторов, определяющих уровень экономического и технического развития каждой страны и каждого города. Предприятия энергетического комплекса составляют одну из основных отраслей городского хозяйства. На примере топливно-энергетического комплекса Москвы рассмотрим, что представляет собой такая важнейшая функция инженерной инфраструктуры крупного города как производство и передача энергии потребителям — городскому населению, предприятиям, учреждениям, организациям городского хозяйства. Топливно-энергетический комплекс Москвы имеет свои инфраструктурные особенности, которые оказывают большое влияние на управление этой отраслью городского хозяйства. Первая особенность заключается в том, что основным топливом для энергетики Москвы служит природный газ. В топливном балансе энергетики столицы 98 % составляет высокоэффективный энергоноситель — природный газ. Деятельность по обеспечению потребителей газом через системы газораспределения и газоснабжения является одним из видов энергоснабжения, которую называют газоснабжением.
После извлечения из недр земли или моря газ нужно доставить потребителям. Длина газопроводов и газораспределительных сетей многократно превышает длину окружности Земли. Самым распространенным способом доставки газа потребителям является транспортировка по трубам. Но перед пуском газа по трубам его необходимо подготовить. Дело в том, что вместе с природным газом из скважины выходят различные примеси, которые могут испортить оборудование. Газ очищают от них несколько раз: непосредственно при выходе из скважины, в наземных сепараторах, а затем еще при транспортировке и на компрессорных станциях. Газ нужно осушить, поскольку содержащаяся в нем влага, также портит оборудование и может создать в трубе пробки — так называемые кристаллогидраты, которые внешне похожи на мокрый спрессованный снег. Газ осушают, пропуская его через адсорбенты, либо охлаждая газовый поток. Охладить газ можно при помощи холодильных установок или путем дросселирования — понижения давления в месте сужения трубопровода. Кроме того, перед тем, как запустить газ в трубу, из него извлекают сероводород и углекислый газ. Если суточную неравномерность потребления газа контролируют диспетчеры, то сезонная неравномерность компенсируется изменением режима работы компрессорной станции, где газ сжимают, или подключением к газопроводу хранилища газа. В процессе сжатия газа на компрессорной станции повышается его температура, поэтому газ нужно охлаждать, чтобы не допустить порчи оборудования. Для этого используются аппараты воздушного охлаждения. Кроме того, газ
охлаждают, чтобы увеличить пропускную способность газопровода. Природный газ занимает наименьший объем, если он находится в сжиженном состоянии.
И его тоже можно транспортировать, но уже в специальных емкостях.
Газификация — один из основных источников тепла и электрической энергии для городского хозяйства. Использование газа в качестве энергоносителя улучшает условия труда и быта городского населения и уменьшает загрязнение окружающей среды. Поэтому, газовое хозяйство является составной частью топливно-энергетического комплекса столицы. Это технологически сложный объект управления в городском хозяйстве. В многоуровневой системе поставок газа потребителям Москвы задействованы разные газовые компании: Единая система газоснабжения страны (ОАО «Газпром», включая ООО «Газпром ПХГ»); региональная газотранспортная система (ООО «Газпром трансгаз Москва»); региональная система газораспределения (Московский областной филиал ОАО «Газпромрегионгаз»); городская система газораспределения (ГУП ГХ «Мосгаз»). Некоторым потребителям Москвы газ поставляет также ГУП МО «Мособлгаз».
Газопроводы низкого давления служат для подачи газа к жилым домам, общественным зданиям и коммунально-бытовым предприятиям. Газопроводы среднего давления через газорегуляторные пункты снабжают газом газопроводы низкого давления, а также промышленные и коммунально- бытовые предприятия. По газопроводам высокого давления газ поступает в газораспределительные пункты промышленных предприятий и газопроводы среднего давления. Связь между газопроводами различных давлений осуществляется через газораспределительные пункты и газорегуляторную установку. В зависимости от расположения газопроводы делятся на наружные (уличные, внутриквартальные, дворовые, межцеховые) и внутренние (расположенные внутри зданий и помещений), а также на подземные (подводные) и надземные (надводные). На территории городов и населенных пунктов газопроводы, как правило, прокладываются в земле. Исключение составляют территории промышленных предприятий, где их можно прокладывать по эстакадам и различным переходам сверху проезжей части заводской автотрассы. Надземную прокладку газопроводов производят по наружным несгораемым стенам жилых и общественных зданий.
Вторая особенность топливно-энергетического комплекса крупных городов заключается в том, что это территории с высокой тепловой нагрузкой. В связи с этим теплоснабжение российских городов имеет высокую социальную и экономическую значимость, что объясняется также расположением значительной части территории страны в суровых климатических условиях.
Теплоснабжение представляет собой комплекс инженерных сооружений, предназначенных для снабжения теплом жилых, общественных и промышленных зданий и сооружений с целью обеспечения коммунально-бытовых потребностей (отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха и горячее водоснабжение) и технологических нужд потребителей170. Различают местное (децентрализованное) и централизованное теплоснабжение. В централизованных системах теплоснабжения один или несколько источников теплоты обслуживает теплоиспользующие устройства ряда потребителей, расположенных раздельно, поэтому передача теплоты от источника до потребителей осуществляется по специальным теплопроводам — тепловым сетям. В децентрализованных системах теплоснабжения каждый потребитель имеет собственный источник теплоты. Новые эффективные инженерные решения с применением автоматизированных теплогенераторов позволяют разрабатывать поквартирное отопление в многоэтажных жилых зданиях.
Теплоснабжение города представляет собой систему обеспечения тепловой энергией зданий и сооружений, необходимых для жизнедеятельности населения, функционирования отраслей городского хозяйства и социальных объектов.
Так, средние по Москве тепловые и электрические нагрузки в расчете на одного человека составляют соответственно, 3 тыс. ккал/ч (3,5 кВт) и 0,9 кВт и практически одинаковы для всех округов столицы. Для Центрального административного округа эти значения существенно выше и составляют 7,0 тыс. ккал/ч (8,1 кВт) и 2,4 кВт. Такое повышенное энергопотребление центром Москвы объясняется размещением крупных теплоэлектроцентралей на периферии города за его пределами и, следовательно, большей протяжённостью тепловых сетей.
Это приводит к теплопотерям (охлаждению) при передаче теплоносителей (воды и/или пара) на большие расстояния и, соответственно, к существенным расходам на транспортировку и подогрев. Это, в свою очередь, усложняет управление этими процессами.
Объектами теплоснабжения Москвы, то есть предприятиями, которые производят тепло, является 17 теплоэлектроцентралей, 43 районных тепловых станций, 45 квартальных тепловых станций, 129 малых котельных, 24 насосных станции, 9 680 центральных тепловых пунктов. Произведённое тепло в виде горячей воды и пара доставляется потребителям по тепловым сетям общей протяжённостью 16 270 км. В теплоснабжении потребителей Москвы участвуют 13 ТЭЦ ОАО «Мосэнерго» (включая областные ТЭЦ-22 и ТЭЦ-27) и 196 источников тепловой энергии ОАО «МОЭК».
ТЭЦ ОАО «Мосэнерго» обеспечивают ~ 64 % тепловых нагрузок города Москвы в горячей воде и ~ 19 % в паре. На производство тепловой и электрической энергии в Москве расходуется 95 % топлива. В 2010 г. 83 % объема топлива, израсходованного на производство тепловой и электрической
энергии, было потреблено энергоисточниками в границах города, 16 % — на ТЭЦ-22 и ТЭЦ-27. Доля источников ОАО «Мосэнерго» составила около 80 %. Доля источников ОАО «МОЭК» — около 12 %. ТЭС и котельные других ведомств расходуют примерно 8 % топлива.
Районные тепловые станции (РТС) обеспечивают теплоснабжение отдельных жилых районов крупных и средних городов. Такие котельные работают на природном газе с мазутным резервом, однако на московских районных тепловых станциях мазут в качестве топлива не используется. Районные тепловые станции, таким образом, имеют своей задачей снабжение зданий только теплотой. Электрическую энергию районные тепловые станции не вырабатывают. Квартальные тепловые станции (КТС) снабжают теплом отдельные кварталы города. Обладая мощностью меньшей, чем районные, они обеспечивают большую децентрализацию теплоснабжения. Квартальные котельные незаменимы в тех районах города, где сложно провести подземные коммуникации для подключения к централизованной сети отопления. Квартальные тепловые станции считаются экономически менее эффективными, чем ТЭЦ и районные тепловые станции, и в Московском энергетическом комплексе принято решение об их выведении из эксплуатации.
Москва — единственный в мире столичный мегаполис, теплопотребление которого более, чем на три четверти, а электропотребление почти полностью обеспечивается от теплоэлектроцентралей. Это предъявляет особые требования и задаёт строгие ограничения к проектированию и прокладке тепловых распределительных сетей.
Тепловая распределительная сеть — совокупность устройств (включая центральные тепловые пункты, насосные станции), предназначенных для передачи тепловой энергии, теплоносителя от источников тепловой энергии до теплопотребляющих установок.
Тепловой пункт — комплекс устройств, расположенный в обособленном помещении, состоящий из элементов тепловых энергоустановок, обеспечивающих присоединение этих установок к тепловой сети, их работоспособность, управление режимами теплопотребления, преобразование, регулирование параметров теплоносителя и распределение теплоносителя по видам потребителей.
Третья особенность топливно-энергетического комплекса мегаполисов заключается в том, что электроснабжение структурно и функционально связано с электроснабжением. Электрические сети этих двух субъектов РФ напряжением 110—750 кВ развивались как единый инженерно-технологический комплекс и являются системообразующими для Московской энергосистемы. Московская энергосистема имеет связи с другими энергосистемами по линиям электропередач 750, 500 и 220 кВ. Кольцевая сеть электроснабжения Москвы получила название Московского энергетического кольца. Оно образовано высоковольтными линиями электропередачи напряжением 500 кВ и группой мощных узловых подстанций, расположенных как в черте города, так и в Московской области. Основная задача этих узловых подстанций — понижение напряжения с 500 до 220 и 110 кВ и передача его на узловые распределительные подстанции.
Системой электроснабжения называют совокупность устройств для производства, передачи и распределения электроэнергии. Системы электроснабжения создают для обеспечения питания приемников электроэнергии, к которым относят: электродвигатели различных механизмов, электрические печи, электролизные установки, аппараты и машины для электрической сварки, осветительные установки и др. Электрическими сетями называют части электрической системы, состоящие из подстанций и линий различных напряжений. Электрические сети подразделяют по напряжению. Электрическая сеть служит для передачи электроэнергии от мест ее производства к местам потребления и распределения между потребителями. Электрическая сеть состоит из системы проводов, надлежащим образом изолированной и снабженной соответствующими аппаратами, и приборами для переключений, измерений, трансформаций, регулирования напряжений и т. п. Линии, связывающие электростанцию с понижающей подстанцией, называют линиями электропередач.
Электроэнергия в энергетическое кольцо столицы поступает от Волжско- Камских гидроэлектростанций, Калининской АЭС, Костромской ГРЭС по линиям 750 и 500 кВ и от ближайших электростанций в Рязанской, Тульской
и Калужской областях — по линиям 220 кВ. «Кольцевая» схема электроснабжения больших мегаполисов является наиболее надежной.
На первых порах электроэнергетика представляла собой совокупность отдельных, не связанных между собой, электростанций. Каждая из электростанций через собственную сеть передавала электроэнергию потребителям. В дальнейшем стали создаваться электрические системы, в которых электрические станции соединялись электрическими сетями и включались на параллельную работу. Отдельные территориальные энергосистемы, в свою очередь, также объединялись, образуя более крупные энергосистемы. Эта тенденция прослеживается практически во всех странах. Общее стремление к объединению энергетических систем вызвано их огромными преимуществами, по сравнению с отдельными станциями. При создании объединенных энергетических систем можно уменьшить суммарную установленную мощность электростанций.
Электроснабжение городов происходит по определённой схеме. Генераторы электростанций вырабатывают электроэнергию напряжением 6, 10 или 20 кВ. При таком напряжении передавать электроэнергию на большое расстояние (более 4—6 км) неэкономично. Поэтому в целях уменьшения потерь мощности в линиях передачу электроэнергии на большие расстояния производят при повышенном напряжении. Для этого на электростанциях силовые трансформаторы повышают напряжение до 35, 110, 150, 220, 330, 500 или 750 кВ. На электрических понижающих подстанциях, расположенных в черте города, напряжение понижается до 6—10 кВ. При разработке схемы электроснабжения крупных городов, как правило, предусматривают: а) создание кольцевой магистральной сети напряжением 110 кВ и выше с понижающими подстанциями. Питание кольцевой магистральной сети осуществляется от подстанции более высоких напряжений энергосистемы, а также городских электрических станций; б) сооружение глубоких вводов напряжением 110 кВ и выше для питания отдельных (центральных) районов города, не охватываемых кольцевой сетью указанного напряжения. В зависимости от местных условий питание подстанции глубокого ввода предусматривается от разных секций одной или разных опорных подстанций, а также ответвлениями от кольцевой сети.
Глубокий ввод — это система электроснабжения потребителя от электрической сети высшего класса напряжения, характеризуемая наименьшим числом ступеней трансформации. Такая система электроснабжения позволяет существенно сокращать потери электроэнергии при передаче конечному потребителю.
в) по мере развития города и увеличения его электрической нагрузки кольцевая сеть, принятая на первом этапе развития, преобразовывается
в распределительную сеть с созданием кольцевой сети более высокого
напряжения. Система электроснабжения города — совокупность трансформаторных подстанций и электрических сетей различных напряжений. Общую систему электроснабжения обычно делят на две части: к первой относят электрические сети и понижающие подстанции. Совокупность этих сетей называют электроснабжающими сетями. Электроснабжающие сети предназначены для распределения энергии между районами города. Ко второй относят электрические сети и понижающие подстанции, после которых электроэнергия направляется непосредственно потребителям.