Наилучшие доступные технологии повышения энергоэффективности в теплоснабжении производственных предприятий на примере работы ООО «ПромТИС» на крупных промышленных объектах

«ЮНИДО в России» уже рассказывал об инновационных и доступных энерго- и ресурсосберегающих решениях, предлагаемых группой компаний «Нортех», работающей на рынке уже 15 лет (статья «О простом и надежном отоплении» в шестом номере журнала).
На счету ООО «ПромТИС», входящего в состав группы «Нортех», около 200 объектов промышленного назначения, где были применены современные технологии теплоснабжения. Один из наиболее показательных примеров — проект децентрализованного отопления и вентиляции с модулируемой мощностью и переменным воздухообменом, реализованный на Тихвинском вагоностроительном заводе.

Начальный этап монтажа системы резервного топлива «пропан-эйр»

На момент подачи заявки на участие в конкурсе на энергосберегающую систему теплоснабжения Тихвинского вагоностроительного завода (январь 2009 г.) ООО «ПромТИС» уже обладало опытом реализации подобных проектов. Сложность состояла в том, что заказчик хотел получить решение, которое кардинально (не менее чем на 20 %) снижало бы расход газового топлива на теплоснабжение, — общее количество получаемого предприятием газа, который требуется еще и для процесса производства, ограниченно.

Одним из вариантов снижения потребления газа была полная автоматизация современной заводской газовой котельной мощностью около 110 МВт. Проект с использованием контроллеров Siemens logic предполагал полную автоматизацию нескольких десятков тепловых пунктов и узлов, сотен калориферов и приборов отопления с дополнительными циркуляционными насосами и сервоприводами задвижек. Получалась очень громоздкая и инертная система, требовавшая избыточных инвестиций. Изучив все аспекты теплопотребления, инженеры ООО «ПромТИС» пришли к выводу, что общезаводская котельная не нужна: на подогрев горячей воды для технологических процессов (покрасочные камеры) и отопления группы помещений административно-бытового назначения расходовалось не более 10 % тепловой мощности. Остальное тепло шло на создание микроклимата заводских площадей — более 200 тыс. м². Для отопления первоначально были выбраны инфракрасные газовые обогреватели, для вентиляции — газовые тепловентиляторы. Децентрализованная система газового отопления без промежуточного теплоносителя решала все задачи с наименьшими капитальными затратами. Как показывало технико-экономическое обоснование, снижались и эксплуатационные расходы, включая прямую оплату газа на теплоснабжение. Инжиниринговая компания Baran Engineering Group (Израиль), которая вела этот проект, выбрала предложенную нами схему теплоснабжения. Это позволило сократить испрашиваемые лимиты на газ почти на 25 %. То есть основная задача снижения потребления газа без ущерба для технологии была решена.

Испарительно-смесительная установка системы резервного топлива «Пропан-Эйр»

Показатели традиционной системы отопления (общая котельная)
Расход тепла за отопительный сезон по котельной с погодным регулированием	158818	Гкал в год
Тариф на газ (природный газ)	1,8	тыс. руб. за тыс. м³
Годовое потребление газа котельной	21234	тыс. м³ в год
Прямые затраты на тепло (покупка газа)	38221	тыс. руб. в год
Оплата труда эксплуатационного и ремонтного персонала (средневзвешенная 20 руб./Гкал)	3056	тыс. руб. в год
Тариф на электроэнергию	1,8	руб. за кВт∙ч
Расход электроэнергии для собственных нужд централизованной системы (подпит., сетевые насосы, вентиляторы приточных систем) время работы 5088 час. в год	5006	тыс. кВт∙ч в год
Затраты на электроэнергию собственных нужд централизованной системы водяного отопления (циркуляционные, подпиточные, нагнетательные и пр. насосные группы)	9010	тыс. руб. в год
Всего прямых и косвенных затрат на централизованное водяное отопление	50287	тыс. руб. в год
Показатели децентрализованной газовой системы отопления
Установленная мощность (меньше, чем традиционной водяной, т. к. минусуем потери на транспорт тепла и пр. потери)	61255	кВт
Расход тепла децентрализованной системой за отопительный сезон	99880	Гкал в год
Тариф на газ	1,8	тыс. руб. за тыс. м³
Расход газа за отопительный сезон (при 8000 ккал/м³ газа)	13878	тыс. м³ в год
Прямые затраты на тепло (покупка газа)	24980	тыс. руб. в год
Оплата за сезонное обслуживание системы (на 42 агрегата)	3000	тыс. руб. в год
Расход электроэнергии для собственных нужд системы (вентиляторы). Время работы то же	936	тыс. кВт∙ч в год
Затраты на электроэнергию собственных нужд децентрализованной системы	1684	тыс. руб. в год
Всего прямых и косвенных затрат по децентрализованной системе газового отопления	29664	тыс. руб. в год

Вот показатели сравнительного ТЭО, которые подтвердились эксплуатацией:

Потребление газа децентрализованной системой ниже в 1,53 раза по сравнению с общезаводской котельной.
Потребление электроэнергии ниже в 4,05 раза.
Расходы на обслуживание меньше в 2,68 раза.
Общая стоимость прямых и косвенных затрат в 1,8 раза ниже, чем у общей заводской котельной.

Газовые ИК-системы — размещение на потолочных конструкциях

Некоторые сравнительные показатели эксплуатационных затрат водяной системы отопления и газовой системы ИК-отопления на Тихвинском вагоностроительном заводе по ценам 2008 г.

В российском законодательстве пока нет технических регламентов, поясняющих, какие технологии теплоснабжения являются наилучшими. Есть Федеральный закон № 261-ФЗ «Об энергосбережении…», но подзаконных актов, которые бы давали четкие индикаторы для практического руководства, по сути, нет. Тем, кто хочет найти обоснование применения децентрализации в российских нормах, рекомендуем обратить внимание на СНиП 23-02-2003.

Расход тепловой энергии на отопление здания за отопительный период Q_h^y, определяется по формуле (Г.2) СНиП 23-02-2003:

Q_h^y = [Q_h- (Q_int + Q_s) v×x] b_h,

где Q_h — общие теплопотери здания через наружные ограждающие конструкции;
Q_int — бытовые и технологические теплопоступления в течение отопительного периода;
Q_s — теплопоступления через окна и фонари от солнечной радиации в течение отопительного периода;
v — коэффициент снижения теплопоступлений за счет тепловой инерции ограждающих конструкций, для промышленных зданий рекомендуемое значение n = 0,8;
x — коэффициент эффективности авторегулирования подачи теплоты в системах отопления. Для стандартной тупиковой зависимой схемы отопления без авторегулирования и без термостатов (как во всех промышленных зданиях) принимается
x = 0,5;
b_h — коэффициент, учитывающий дополнительное теплопотребление системы отопления, связанного с дискретностью номинального теплового потока номенклатурного ряда отопительных приборов, их дополнительными теплопотерями через зарадиаторные участки ограждений, повышенной температурой воздуха в угловых помещениях, теплопотерями трубопроводов, проходящих через неотапливаемые помещения, принимается b_h = 1,05 ÷1,13.

Обратите внимание: все 3 коэффициента в формуле расчета (v , x и b_h) — повышающие. Это коэффициенты, учитывающие инерционные недостатки централизованной водяной системы отопления. То есть даже на уровне расчета вводятся дополнительные расходы тепла, связанные с низкой эффективностью автоматического регулирования по внутренней температуре воздуха и большой инерционности системы.

Вертикальная наружная установка для отопления

Понимание первичной, вторичной и конечной энергии

Для полного расчета требуемого тепла далее необходимо добавить потери на теплотрассах, которые составляют даже по средней расчетной норме не ниже 10–12 %. А в реальности на старых трассах эти потери могут составлять десятки процентов. По проведенным нами (и подтвержденным позже) расчетам доля вынужденного перерасхода тепла центральной системы составляет никак не ниже 35 %. Эту величину можно принимать как минимальный расчетный потенциал энергосбережения при варианте реконструкции путем децентрализации.

Хорошо понятные ориентиры НДТ даны в справочнике Reference Document on Best Available Techniques for Energy Efficiency, February 2009 («Справочный документ по наилучшим доступным технологиям для энергоэффективности»).

Диаграмма «Понимание первичной, вторичной и конечной энергии» показывает, что на каждом этапе преобразования энергия теряется. Вот почему децентрализованная система без промежуточного теплоносителя (газовые ИК-нагреватели и тепловентиляторы) имеет наилучшие экономические показатели. Если обратиться к формуле термического КПД, то в децентрализованной системе он самый высокий. Разница между первичной (подведенной) энергией и конечной (полученным теплом) всего 10–15 %. Потери только на термический КПД горелки ИК-аппаратов или газового воздушного агрегата.

Для реализации принципа наилучших доступных технологий на Тихвинском вагоностроительном заводе все тепловые нагрузки разделили по назначению — отопление и вентиляция. Для наибольшей экономии газового топлива отказались от отопления, совмещенного с вентиляцией. Система отопления поддерживает заданную температуру в дежурном (с понижением температуры) и рабочем режимах, используя в основном режим рециркуляции внутреннего воздуха. А вентиляция с подогревом свежего воздуха компенсирует только удаляемый технологической вытяжкой и общеобменной вентиляцией загрязненный воздух. Вначале для отопления была выбрана инфракрасная газовая система лучистого отопления как самая экономичная. Но по технологическим условиям и требованиям безопасности пришлось от нее отказаться. Для отопления и вентиляции были выбраны газовые тепловентиляторы наружного исполнения — вертикальные (для монтажа вдоль внешних стен зданий) и горизонтальные (для размещения на крыше, так называемые руфтопы). Общая установленная мощность разделенных агрегатов для отопления и вентиляции составила 83 МВт. Для сравнения: проектом предусматривалась заводская котельная мощностью 110 МВт.

Горизонтальные руфтопы для вентиляции

Резервуарный парк системы резервного топлива «пропан-эйр»

Самые большие нагрузки по проекту приходились на вентиляцию — порядка
70 % от всех тепловых мощностей. Для наибольшего режима энергосбережения было принято решение использовать агрегаты с модулируемым воздухообменом (от 0 до 100 % объема воздуха) и модулируемой горелкой. Это так называемые системы типа AM (Air Мanagement, то есть «управление воздухом»). Подача воздуха регулируется датчиком по разнице статического давления внутри и снаружи здания, а температура подающего воздуха регулируется модулируемой горелкой по показаниям температурного датчика. Сколько воздуха удаляется принудительной вытяжной вентиляцией, столько подогретого воздуха дает система АМ. Ровно столько, сколько нужно, ни больше ни меньше. В этом состоит реальное энергосбережение — восполняются только теплопотери. Кроме того, агрегаты этой серии можно в дальнейшем дополнять блоками для охлаждения и увлажнения подаваемого воздуха. Таким образом, мы можем удовлетворить самые высокие требования к качеству подаваемого в помещение воздуха. Мощная система воздушного отопления трансформируется в полнофункциональную энергоэффективную климатическую установку.

Для отопления применены газовые тепловентиляторы модели FR (Fixed Recirculation) того же производителя. Эти установки управляются только температурой воздуха внутри помещения. Причем для режима экономии контроллер программируется на рабочую температуру и дежурный режим отопления со сниженной температурой во внерабочее время.

Инфракрасная газовая система отопления в производственном цехе

Надо отметить, что при перебоях в подаче энергоносителя разморозка системе воздушного газового отопления не грозит, так как вода в качестве промежуточного теплоносителя не используется. Это еще один немаловажный фактор для выбора в пользу таких систем — краткие перебои в газоснабжении не ведут к авариям. Но для этого объекта по техническим условиям необходима система резервного топлива, потому что перебои в газоснабжении могли бы привести к остановке производства. В качестве резервного источника топлива также было использовано инновационное решение — резервуарный парк СУГ с системой «пропан-эйр». Особенность этой технологии в том, что агрегат испарителя смешивает газ в паровой фазе с избыточным подмесом воздуха. Тем самым создается газовоздушная смесь, которая имеет теплоту сгорания природного газа (в пределах 8000 ккал/м³). То есть не надо перенастраивать газовую рампу агрегатов отопления и вентиляции. Переход на резервное топливо осуществляется только открытием газовых заслонок (или вручную, или дистанционно). До получения лимитов на природный газ парк СУГ служил основным источником теплоснабжения.

Производственные цеха Тихвинского вагоностроительного завода после реконструкции - более 200 тыс. кв. м

Производственные цеха Тихвинского вагоностроительного завода после реконструкции – более 200 тыс. кв. м

Выводы

К сожалению, на уровне предпроектной проработки не принято использовать экспертную оценку, чтобы выбрать наилучшую доступную технологию для теплоснабжения. Ошибка в выборе метода теплоснабжения может привести к избыточной доле энергозатрат в составе себестоимости продукции (уместно отметить, что этот показатель у нас в 3–4 раза выше, чем в развитых индустриальных странах). Невозможность снизить эту долю затрат закладывается на весь срок службы системы — 15–20 лет, до следующей реконструкции. Предприятие становится заложником неадекватной системы теплоснабжения.

Основные принципы, примененные ООО «ПромТИС» для реализации энергосберегающих проектов:

Самый простой способ, который гарантирует энергосбережение даже на начальном этапе, — отказ от централизованных схем. К каждому объекту на площадке подается непосредственно энергоноситель (газ), из которого и получают тепло. Минимальное энергосбережение уже обеспечено: нет потерь на передачу тепла, упрощаются регулирование и автоматизация. Дальнейшие шаги по энергосбережению практически неограниченны — все зависит от пожеланий.
Анализ тепловых нагрузок дает понимание того, на что расходуется наибольшая часть мощности: на отопление, вентиляцию, кондиционирование или горячее водоснабжение. По результатам анализа выбирается основной метод теплоснабжения. Если основная доля приходится на отопление и вентиляцию, то зачем промежуточный теплоноситель (пар или горячая вода) и громоздкая водяная система (котельная и километры теплотрасс)? Лучше применять газовые тепловентиляторы или газовые инфракрасные системы. В этом случае задачи горячего водоснабжения могут выполнять газовые котлы малой мощности и аккумулирующие водонагреватели.
Максимально использовать принцип аккумулирования или утилизации тепла. Если нагрузки горячего водоснабжения носят повторно-кратковременный режим, то имеет смысл для ГВС использовать аккумулирующие водонагреватели. Первичный подогрев воды или воздуха для отопления и вентиляции можно осуществлять от бросового тепла — стоки, тепло от холодильных машин, удаляемый из помещения воздух. А догрев до рабочей температуры — от основного энергоносителя.

В. М. Пшеничников, тех. директор, эксперт по энергосбережению

Автор

Пшеничников В.М.

Технический директор ООО «ПромТИС», эксперт по энергосбережению

Правила использования статей