ЛЕКЦІЯ 5. ЕКОЛОГІЧНІ ТА САНІТАРНО-ГІГІЄНІЧНІ ВИМОГИ ЩОДО СИСТЕМ ТЕПЛОПОСТАЧАННЯ

Забезпечення тепловою енергією комунально-побутових та промислових споживачів здійснюється через систему теплопостачання, яка представляє собою комплекс пристроїв, устаткування і трубопроводів, призначених для виробництва теплової енергії, транспортування її до споживачів і розподілу по будинках і спорудах.

Основна ознака, що визначає спосіб теплопостачання - це джерело теплової енергії. Залежно від типу джерела теплопостачання буває централізоване, децентралізоване і автономне.

Централізоване теплопостачання здійснюється від теплоелектростанцій (ТЕЦ), районних або квартальних котелень. Децентралізоване - від котелень, обладнаних котлами малої потужності, призначених для теплопостачання одного чи декількох будинків. Автономне - від печей, теплогенераторів чи котлів, призначених для теплопостачання однієї квартири чи приміщення.

Основною перевагою централізованого теплопостачання є можливість найбільш ефективно використовувати на ТЕЦ і великих котельнях низькосортні палива (вугілля) і паливо, яке можливо ефективно спалювати тільки на потужних установках (мазут). При спалюванні вугілля і мазуту у викидах продуктів спалювання містяться багато токсичних речовин, тому ТЕЦ і великі котельні обладнують системами очищення, нейтралізації і розсіювання продуктів згорання, розміщувати їх доцільно за межами житлової забудови.

До недавнього часу пріоритетний розвиток централізованого теплопостачан­ня був характерним лише для країн колишнього СРСР і тільки деяких капіталісти- них країн - Фінляндії, Данії, Норвегії. Але останнім часом такі системи почали впроваджувати й інші країни. Сьогодні централізоване теплопостачання знаходить­ся на рівні: Німеччина - 12%, Данія 47%, Польща - 50\%.

Тепло, отримане з теплофікаційних систем, вироблене в комплексних уста­новках, із урахуванням капітальних і експлуатаційних витрат має найнижчу вартість. При цьому виробляється електроенергія із найвищим коефіцієнтом корисної дії (ККД). Застосування комплексних систем виробництва електричної і теплової енергії дозволяє економити 18-22% палива, зменшити експлуатаційні витрати на 20-25%, а шкідливі викиди СО₂ - приблизно на 20%.

У більшості випадків реконструкція житлових і промислових об’єктів у міських районах пов’язана зі збільшенням теплового навантаження. При цьому, як правило, існуюча система теплопостачання вільних потужностей не має. Тому в таких випадках найбільш доцільною є децентралізована або автономна системи теплопостачання.

Більша частина потужностей системи теплопостачання України введена в дію ще за часів бувшого СРСР і потребує заміни, оновлення і реконструкції. До основних сьогоднішніх проблем системи теплопостачання України можна віднести: високий ступінь спрацювання енергетичних потужностей; затримку у впровадженні нових технологій і обладнання комбінованого виробництва тепла і електричної енергії; незадовільний стан теплових мереж; відсутність сучасних систем обліку тепла, контролю та керування системами теплопостачання; дефіцит органічного палива, тому гостро стоїть необхідність максимального використання його теплоти; потреба вирішення екологічних проблем (очистка вихідних газів).

Котельне господарство України морально і фізично застаріло, має високий ступінь спрацювання і складається із котлів і обладнання, конструктивно розрахо­ваних на використання дешевого палива. Тому його конструкція часто максималь­но спрощувалась, не передбачалась установка комплексної автоматики виробничих процесів, що дозволяло спрощувати технологію виробництва, економити високо­якісні метали, знижувати вартість обладнання.

У наш час вартість палива і паливний баланс України радикально змінився. Більшість котлів, які проектувалися для роботи на вугіллі, мазуті і газі працюють тільки на газі. Мазут при наявності газу використовується тільки як резервне або аварійне паливо. Вартість вугілля в Україні дещо завищена, а природного газу занижена у порівнянні з світовими цінами. Частка природного газу в балансі енергоресурсів, яка використовуються в народному господарстві України, складає 45,5%, тому підвищення ефективності використання газу в теплопостачанні має велике значення. Досягти цього підвищення можливо тільки через заміну і модерні­зацію котельного господарства. Сьогодні вітчизняне котлобудування програє в конкуренції з закордонними виробниками, тому в більшості випадків доводиться використовувати котли західних компаній. Таке обладнання, хоча і досить дороге, але дуже надійне і якісне з довгим гарантійним періодом (більшим 3-х років) і відмінним сервісним обслуговуванням. Заміна обладнання котельних, яке морально і фізично застаріло, сучасними західними аналогами в більшості випадків окупається за 1-3 роки.

Біля 12-13 млрд. м³ газу кожного року використовується в комунальній теплоенергетиці і котельнях опалення промислових підприємств для опалення і технологічних потреб. Тут основними напрямами енергозбереження є заміна застарілого обладнання на більш ефективне, розповсюдження децентралізованого енергопостачання, когенерація. При цьому доцільно використовувати розроблені в Інституті газу НАН України водогрійні котли (умовна назва АОМ, рис. 2.) потужністю від 150 кВт до 2 МВТ з ККД 92%, які відрізняються наявністю вторинного випромінювача в радіаційній зоні і оребрених труб в конвективній зоні, що дало можливість суттєво знизити габарити котлів. Такі котли випускаються в горизонтальному (даховому) і в вертикальному виконанні.

Рис.

1 - пальник; 2 - водоохолоджувана топка; 3 - проміжний випромінювач; 4 - конвективна частина; 5 - вхід води; 6 - вихід води

В Інституті газу НАН України також розроблено поверхнево-контактні конденсаційні котли потужністю від 0,5 до 2,5 МВт (рис. 3.). В цих котлах нагрівання води відбувається через трубчаті поверхні топкової камери і прямий контакт зворотної води з гарячими продуктами горіння. В цих котлах є можливість використання вищої теплоти горіння газу (Qb). При горінні газу виділяється водяна пара, яка звичайно викидається з продуктами горіння, при цьому втрачається частина енергії ^н - нижня теплота горіння газу). Різниця між нижньою і вищою теплотами горіння природного газу становить приблизно 11%. В конденсаційних установках використовується і енергія водяної пари, яка міститься в продуктах горіння, тому їх ККД по вищій теплоті горіння складає 94-96%, а по відношенню до нижньої теплоти горіння - понад 100%.

Рис. 3. Технологічна схема котла з конденсацією:

1 - пальник; 2 - водоохолоджувана топка; 3 - проміжний випромінювач; 4 - циркуляційна помпа; 5 - проміжна ємність, вхід води; 6 - насадка, вихід води

Одним із основних напрямів підвищення ефективності використання палива в промисловій і комунальній енергетиці є когенерація, тобто комплексне виробництво електричної, теплової і механічної енергії. Класичним прикладом когенерації можуть служити сучасні ТЕЦ. В останні роки з’явилися невеликі енергоустановки (мікро - ТЕЦ), які поєднують двигуни внутрішнього згорання, частіше всього дизельні, які працюють на природному газі і обертають синхронні електрогенератори (рис. 4.). Теплова енергія від системи охолодження циліндрів двигуна і відпрацьованих газів використовується для опалення і гарячого водопостачання. Такі системи відзначаються низьким рівнем шуму і незначними викидами окислів азоту і інших токсичних речовин.

б

Рис. 4 Схема мікро - ТЕЦ:

1 - двигун внутрішнього згорання; 2 - електрогенератор; 3 - патрубок подачі палива (газ, мазут); 4 - теплообмінник утилізатор тепла; 5 - шумоглушник; 6 - електромережа; 7 - патрубок гарячої води (опалення, санітарно-гігієнічні потреби); 8 - пластинчатий теплообмінник; 9 - патрубок холодної води; 10 - система видалення продуктів згорання

Дослідження і розрахунки, проведені в розвинутих країнах, а також роботи різних організацій в колишньому СРСР, показують що при тепловому навантажен­ні нижчому за 50 Гкал/год (5900-6000 нм³/год природного газу) спалювання газу в котельнях і розподіл тепла споживачам у вигляді гарячої води через теплові мережі є економічно невигідним. Як свідчить закордонний досвід, ефективним є вико рис- тання газу в котельнях, які набираються з модулів і розташовані безпосередньо у споруді, яка обслуговується. При цьому знижуються затрати: на експлуатацію в 1,5 - 2 рази; капіталовкладення в 1,5 - 2 рази; матеріалоємність на одиницю навантаження в 3 - 4 рази; витрати палива в 1,7 рази; вартість тепла на 30 - 35%.

Модульні котельні по розташуванню поділяються на прибудовані, вбудовані і надбудовані. Надбудовані котельні, тобто розташовані на технічному поверсі або на даху будинку, мають переваги з таких міркувань: звільняються підвальні приміщення; поліпшується пожежна безпека споруди; зникає ризик загазованості нижніх поверхів і необхідність механічної вентиляції котельні; усувається не обхід- ність влаштування високих димових труб.

Інститутом УкрНДІінжпроект розроблено посібник «Рекомендації з проектування дахових, вбудованих і прибудованих котельних установок та установлення побутових теплогенераторів, що працюють на природному газі», в якому викладено основні вимоги і пропозиції рішень облаштування дахових, вбудованих і прибудованих котельних установок.

Децентралізовані та автономні джерела теплопостачання характеризуються розосередженим у житловому районі викидом продуктів згорання за відносно низької висоти димових труб і коминів, що негативно впливає на екологічний стан довкілля. Тому при переході на автономні джерела енергії потрібно враховувати екологічний аспект - рівень забруднення повітря шкідливими компонентами продуктів спалювання. Перехід на автономні джерела тепла не завжди виправданий і потребує виваженості. З урахуванням цього можна дати такі рекомендації щодо вибору джерел тепла для дахових котелень:

вибрані котли повинні мати мінімальні паспортні дані (показники) токсин- ності викидів; уникати котлів і газових блоків з інжекційними пальниками та природною тягою, для яких через їх конструктивні особливості є неможливими режимне та екологічне налагодження, реалізація технічних заходів з зменшення утворення окислів азоту і оксиду вуглецю та викидання їх в атмосферу, ускладнені умови регулювання горіння і коефіцієнта надлишку повітря, погіршення показників роботи при зміні метеорологічних параметрів зовнішнього повітря (вологість, вітер); необхідно використовувати котли з максимальним ККД і мінімальною температурою викидних газів і коефіцієнтом надлишку повітря; котлоагрегати повинні забезпечувати широкий діапазон регулювання теплової потужності в межах зміни теплового навантаження без зміни складу продуктів спалювання; система регулювання котельні повинна забезпечувати економічну роботу системи опалення в усьому діапазоні зміни теплової потужності; котлоагрегат повинен бути захищений від конденсації водяної пари з продуктів згорання при зменшенні його теплової потужності.

Ще одним важливим аргументом модернізації котельного господарства України є ратифікація Кіотського протоколу, тому що Україна є одною з країн, яка дає найбільшу кількість викидів двоокису вуглецю. Вміст СО₂ у ВВП України складає 9,5 кг/долл., тоді як в США - 0,6 кг/долл. Міри з раціонального використання палива дають найбільший ефект зменшення викидів СО₂. Тому при вирішенні проблеми модернізації котельного господарства можливо значно зменшити викиди СО₂, що може дозволити продавати квоти і заробляти на цьому кошти для подальшої модернізації теплового господарства.

Останнім часом у зв’язку з різними причинами не працюють котельні промислових підприємств, від яких подавалось тепло в житлові будинки для їх опалення і гарячого водопостачання. Тому пропонується влаштовувати автономне квартирне теплопостачання з використанням котлів невеликої потужності, які працюють на газовому паливі. Але при цьому виникає багато складностей. Система квартирного теплопостачання не повинна застосовуватися в будинках, запроектова­них і побудованих з централізованим теплопостачанням. Це пов’язано передусім з необхідністю влаштування системи видалення диму, оскільки в багатоповерховому будинку, згідно з нормативною документацією, на одному поверсі (рівні) до стовбура димоходу можна підключити тільки один газохід від одного тепло­генератора. Тому потрібно обладнувати додаткові комини. Такі вимоги при проектуванні будинку потребують конкретних інженерних рішень, в раніше збудованих будинках виконати такі вимоги важко. Не вирішується проблема видалення диму і влаштуванням зовнішніх газоходів, вони повинні бути виготов­лені з корозієстійкого матеріалу і з теплоізоляцією, яка б перешкоджала охолод­женню продуктів згорання, конденсації вологи і її замерзанню в холодний період опалювального сезону, а це важко зробити. Для теплопостачання таких будинків найбільш доцільно влаштовувати дахові котельні, що може забезпечити потреби всіх жителів зі значно меншими затратами.

Значна частина теплоти втрачається в теплових мережах при транспортуванні його від джерела, де воно виробляється до споживача. Загальна довжина магістральних ділянок теплових мереж в Україні становить 23704 км (в пере­рахунку на двотрубну систему). Експлуатація теплових мереж супроводжується втратами тепла від зовнішнього охолодження - 12-20% від теплової потужності (нормоване значення - 5%) і витоками теплоносія в межах 5-20% від його витрат в мережі (нормоване значення - 0,5%). Експлуатаційні витрати електроенергії на перепомпування теплоносія становлять 6-10%, а витрати на підготовку води - 15­25% від вартості теплової енергії. Значне перевищення нормативних втрат пов’язане з високим ступенем спрацювання обладнання централізованих систем теплопостачання, особливо, теплових мереж - до 70\% і більше. Теплові мережі є найбільш ненадійним елементом системи централізованого теплопостачання. На них припадає понад 85% виходів з ладу по системі в цілому. В Україні трубопроводи теплових мереж, прокладені в підземних прохідних і непрохідних каналах, становлять 84%, безканальна підземна прокладка складає біля 6% і надземна (на естакадах і опорах) - до 10%. Значна частина теплових мереж, прокладених в підземних непрохідних каналах, періодично або постійно затоплюються грунтовими чи поверхневими водами. Про незадовільний стан тепло- і гідроізоляції трубопроводів, зношеність і низьку якість монтажу і експлуатації обладнання теплових мереж свідчить статистика аварійності. Так, 90% аварійних відмов припадає на подавальні трубопроводи, 10% - на зворотні, з них 65% аварій відбувається через зовнішню корозію та 15% - через дефекти монтажу (переважно це розриви зварних швів).

За оцінкою експлуатаційників, для того, щоб привести вітчизняне тепло­постачання до нормального стану, в нього вже в найближчий час необхідно вкласти біля 50 млрд. грн.

Більшість теплових мереж в Україні прокладено в збірних залізобетонних підземних непрохідних каналах, які займають значну частину території вулиць і кварталів (ширина 0,9 - 2,4 м, висота 0,9 - 1,5 м - за зовнішнім обміром), для їх монтажу і демонтажу при ремонті доводиться копати широкі і глибокі траншеї, розбирати бетонне перекриття і дорожні покриття. При паралельному прокладанні інших підземних комунікацій згідно ДБН 360-92* доводиться витримувати значні нормативні відстані від каналів теплових мереж (наприклад, до газопроводів низького і середнього тиску - 2,0 м). При будівництві їх практично неможливо ізолювати від проникнення ґрунтових і поверхневих вод.

Рис. 5 - Переріз попередньо ізольованої сталевої труби: 1 - сталева робоча труба;

2 - поліетиленова ізоляційна труба; 3 - поліуретанова піна; 4 - мідні провідники системи електронного нагляду

При ремонті і реконструкції теплових мереж найбільш доцільно використовувати попередньо ізольовані пінополіуретановим матеріалом сталеві труби (ПІТ) і нові технології їх прокладання, які в останні роки освоєні багатьма підприємствами України. Ізоляційне футерування є особливістю ПІТ (рис. 5.).

У процесі виготовлення в заводських умовах міжтрубний простір між сталевою робочою (1) і поліетиленовою ізоляційною (2) трубами заповнюється під тиском поліуретано- вою піною (3), яка рівномірно, не залишаючи порожнин, розподіляється по всій довжині труб і щільно з’єднує їх між собою. Поліуретанова піна і зовнішня поліетиленова труба мають високий опір стисненню і проникненню вологи.

Для сигналізації про підвищення вмісту вологи у футеровці труб в результаті пошкодження ізоляції чи сталевої труби в поліуретанову піну вмонтовані мідні провідники (4) системи електронного нагляду. При виготовленні в заводських умовах в одній поліетиленовій ізоляційній трубі можуть монтуватися по дві сталеві труби діаметром до 100 мм. Прокладання ПІТ, на відміну від традиційного способу, безканальне, їх використання дає можливість подовжити міжремонтний термін експлуатації теплопроводу, зменшити втрати тепла з поверхні трубопроводу з 20 до 7%, а витоки мережної води - удвічі. Відстані при паралельному прокладанні інших підземних комунікацій до теплопроводів із ПІТ значно менші. Так, нормативні від­стані від захисного покриття труб теплових мереж до, наприклад, газопроводів низького і середнього тиску - 1,0 м, що дозволяє більш раціонально використову­вати вуличні і внутрішньоквартальні території.

Останнім часом для прокладання теплових мереж почали використовувати труби із зшитого поліетилену. Ці труби не піддаються корозії, мають нижчий гідравлічний опір і меншу вагу в порівнянні зі сталевими трубами, вони досить гнучкі і тому можуть виготовлятися і доставлятися на будівельний майданчик в бухтах або на котушках у відрізках значної довжини (залежно від діаметра труб). Захисна і теплова ізоляція труб із зшитого поліетилену виконується із поліетилено­вих труб і поліуретанової піни, як і для сталевих ПІТ.

Україна щорічно споживає близько 200 млн. т у.п. паливно-енергетичних ресурсів і належить до енергодефіцитних країн, бо покриває потреби в енергоспо­живанні власними ПЕР приблизно на 53%, імпортує 75% необхідного обсягу

природного газу та 85% сировинної нафти і нафтопродуктів. Тому завдання державної політики в ПЕК є забезпечення зменшення споживання ПЕР до 2015 р. порівняно з 1990 р. на 108 млн. т у. п., а також широке використання нетрадиційних і відновлюваних джерел енергії (вітрова і сонячна енергії, гідроенергія малих рік, енергія морських хвиль, термальних вод і біомаси тощо).

Україна володіє величезним потенціалом нетрадиційних і відновлюваних джерел енергії, економічний баланс яких приблизно дорівнює 100 млн. т у. п., однак частка їх використання в енергетичному балансі склала (без урахування супутніх горючих газів) 9 млн. т у.п. в 1995 р., це лише 0,013%, а в 2000 р. - 0,018% (3,36 млн. т у. п.).

Потенціал вітрової енергії на території України оцінюється в 20 -30 млн. т у.п. і програмою будівництва вітроелектростанцій до 2010 р. заплановано спорудити вітроелектростанції потужністю 2000 МВт, що зекономить 1,8 млн. т у.п.

Сонячна енергія, що надходить на територію країни, оцінюється в 400 млн. т у.п. До 2010 р. планується спорудити геліоустановки гарячого водопостачання на 0,4 млн. т у.п. і фотоелектричні установки потужністю 96,5 МВт, що забезпечить економію 55 тис. т у.п.

Гідро потенціал малих річок України оцінюється можливістю виробництва

12.5 млрд. КВт год. Потужність малих і мікро-ГЕС у 2010 р. може досягти 600 МВт, що забезпечить економію понад 600 тис. т у.п.

Геотермальна енергія надр України оцінюється в 50 млн. т у.п. і до 2010 р. прогнозується створення потужностей геотермальних систем теплопостачання, які забезпечуватимуть економію 1,5 млн. т у.п.

Загальні річні обсяги відновлюваних ресурсів біомаси в Україні складають

115.5 млн. т, можливий енергетичний потенціал яких оцінюється в 13,2 млн. т у.п. на рік. Перспективним є будівництво комплексів для отримання біогазу з осаду каналізаційних стоків міст і відходів сільського та лісового господарства, харчової промисловості, підприємств комунальної спрямованості, а також створення енергетичних плантацій на базі швидкоростучих рослин та технологій переробки отриманої біомаси в енергоносії.

У містах і селищах України щорічно накопичується 40,0 млн. м3 побутового сміття, а обсяг щорічного накопичення промислових відходів у перерахунку на одиницю площі майже на порядок перевищує показники розвинених країн, а також Росії. Враховуючи вартість українських земель, навіть без підрахунків, стає зрозумілим, які економічні збитки має Україна від розміщення звалищ вказаних відходів. Золошлакові відходи 25 великих ТЕС на території України складають 300 млн. т, які підлягають раціональній переробці та знешкодженню з отриманням додаткових обсягів теплової енергії та альтернативних енергоносіїв.

Інститутом електродинаміки НАНУ розроблено «Атлас енергетичного потен­ціалу відновлюваних джерел енергії України», що дає можливість розширити і координувати роботи з вибору та проектування об’єктів альтернативної енергетики.