Кризис «Схем теплоснабжения» или взлет «Энергетического планирования»?

В.Н. Папушкин,
к.т.н., доцент, заместитель генерального директора по науке
ОАО «Объединение ВНИПИэнергопром», г. Москва

декабрь 2007 
 

Введение

Как вид деятельности или, по-современному, как «сфера бизнеса», разработка схем теплоснабжения населенных пунктов умерла вместе с завершением эры социалистического планирования. Те редкие работы, которые были выполнены как классические схемы теплоснабжения в последнем десятилетии прошлого века и в начале XXI в., были выполнены скорее «вопреки», нежели «благодаря», и инициированы теми руководителями городов, которые пришли во власть из энергетики. Их число несопоставимо с количеством населенных пунктов в России. За последние 17 лет 28 схем теплоснабжения легло на полку очередных невостребованных проектов.

Некоторый обзор ретроспективы придется, к сожалению, сделать, и, прежде всего, потому, что это, надеемся, позволит выявить те объективные причины существующего положения в планировании развития теплоснабжения, которые могут и должны послужить уроком для будущего.

Почему мы перестали разрабатывать схемы теплоснабжения? С нашей точки зрения наиболее существенными причинами, в наибольшей степени повлиявшими на отказ от их разработки, послужили следующие: 
 падение спроса на теплоту и, зачастую, снижение тепловой нагрузки за счет падения промышленного производства привело к возникновению существенных резервов располагаемой тепловой мощности; 
 нет спроса на теплоту и тепловую мощность – нет и потребностей в их обеспечении; 
 нет потребностей в обеспечении спроса – можно использовать существующие мощности (как систем генерации, так и систем транспорта); 
 при этом существующие резервы предполагаются достаточными для будущего развития и, отсюда, нет потребности в дополнительном развитии; 

•  нет потребности в развитии – нет и заказов на схемы теплоснабжения, основная задача которых и состояла в том, чтобы обеспечить будущее развитие.

Логика достаточно проста и отражает естественный процесс баланса спроса и предложения. И это процесс, разумеется, объективный. Если вспомнить также, что значительное количество поселений России имело не экономику развития, а, скорее, экономику «сжатия», то понятно, почему отсутствовал спрос на программы развития – нужда была в программах переселения. Многие города нуждались скорее в программах реабилитации, нежели программах развития.

Но каковы же последствия? И что мы потеряли за 15 лет бездействия?

1. Процедура «заказа» схемы теплоснабжения ушла вместе со старой системой управления.

2. Процедура территориального планирования, обеспечивающая планы развития поселения, хоть и существовала в нормативных требованиях, но не подкрепленная законодательно, давала существенные сбои, да и сам план развития поселения отражал скорее «амбиции» местного руководства, чем нес в себе объективную необходимость.

3. И уж точно, вся спонтанно возникающая потребность в плане городского развития не была подкреплена бюджетными инвестициями.

4. И как следствие, перестали существовать многие школы разработчиков схем теплоснабжения.

Вместе с тем, экономика России стабильно растет с 1999-2000 гг. За семь лет развития мы практически выбрали все существующие резервы и вернулись в потреблении тепла и тепловой мощности на уровень 1990 г., а в потреблении электроэнергии по некоторым регионам («точкам роста») превысили этот показатель. Возникла необходимость в понимании того, будет ли обеспечен дальнейший рост экономики адекватным ростом энергетики и, что более важно, что нужно сделать в энергетике и топливоснабжении для того, чтобы обеспечить будущий рост. И снова возникла потребность в схемах теплоснабжения. Но условия существенно изменились.

Во-первых, в США и странах Европейского Союза активно развивалось законодательство и процедуры разработки IRP (Integrated Resources Planning – комплексное планирование ресурсов – прим. ред.). В 2000 г. в США был принят закон № 102-486, требующий разработки IRP для всех участников процесса энергоснабжения, действующих на территориях штатов [1], который содержал описание подробных инструкций и процедур разработки энергетических планов. В 2006 г. такой план, например, был представлен штатом Нью-Йорк [2].

В России в значительной мере нормы формирования планов развития энергетики лежат на двух фундаментальных законах, принятых в 2004 г. Это ФЗ № 190 от 29.12.2004 г. «Градостроительный кодекс» и ФЗ № 210 от 24.12.2004 г. «Об основах регулирования тарифов организаций коммунального комплекса». В них установлены два понятия планов: схема территориального планирования и план (программа) реализации схемы территориального планирования (Градостроительный кодекс) и Программа комплексного развития систем коммунальной инфраструктуры (ФЗ-210).

В некотором смысле это две стороны одного и того же. Схема территориального планирования определяет план развития территории, а программа комплексного развития определяет необходимость и очередность развития коммунальной инфраструктуры (прежде всего инженерной), обеспечивающей план развития территории (точки роста территории) первичными и вторичными энергоресурсами, услугами водоснабжения и водоотведения и т.д. Таким образом, что же сейчас в свете новых документов «схема теплоснабжения» – муниципальный энергетический план, программа комплексного развития системы (или систем) теплоснабжения (как одной из систем коммунальной инфраструктуры) или все же – «карты (схемы) планируемого размещения объектов капитального строительства местного значения, в том числе: объектов электро-, тепло-, газо- и водоснабжения в границах поселения, городского округа» [3]?

Ранее существовавшее определение для «схемы теплоснабжения» заключалось в следующем – «схема теплоснабжения – это предпроектный документ, в котором обосновывается экономическая целесообразность и хозяйственная необходимость проектирования и строительства новых, расширения и реконструкции существующих источников тепла и тепловых сетей» [4]. Разработанные в схеме теплоснабжения предложения являлись исходными документами, на основании которых разрабатывались технические (рабочие) проекты источников и тепловых сетей. При этом виды топлива, используемые в схеме теплоснабжения, утверждались планирующими органами. Схема теплоснабжения и утверждалась планирующими органами, в качестве которых выступали Госплан СССР и Госпланы Союзных Республик.

Так что же мы делаем в настоящее время: схему теплоснабжения, план комплексного развития коммунальной инфраструктуры или муниципальный энергетический план? Для того, чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим современное содержание схемы теплоснабжения. 
 

Существующее положение

Общий подход для разработки схем и энергетических планов состоит в том, чтобы на начальном этапе сформировать некоторые принципы того, чего же мы хотим от энергетического плана. Чего мы должны достичь в конце его реализации. Но парадокс заключается в том, что для того, чтобы установить в какую точку мы должны прийти, необходимо точно знать – где мы находимся. Для этого необходимо твердо установить базовое состояние системы. Именно поэтому, на первом этапе энергетического плана (впрочем, и схемы теплоснабжения тоже) должно быть проведено обследование существующего состояния систем теплоснабжения на территории.

Что включает в себя это обследование? Строго говоря, обследуя системы теплоснабжения, работающие на территории, мы должны ответить на вопросы по всем пунктам того перечня свойств системы, по которому мы хотим оценивать траекторию перехода в будущее состояние. Какие это свойства? Некоторые, характерные для коммунальных систем были прокомментированы в работе [5]. Подробный перечень займет слишком много места для журнальной статьи, поэтому мы сосредоточимся на главных показателях, составляющих «матрицу перехода»:

•  структура договорных тепловых нагрузок в конечном потреблении и динамика их изменения по годам действия предыдущей схемы теплоснабжения;

•  фактические тепловые нагрузки и динамика их изменения;

•  структура тепловой мощности и динамика ее изменения;

•  профиль оборудования источников теплоснабжения и существующее техническое состояние оборудования;

•  структура тепловых сетей, зоны действия источников теплоснабжения, резервные связи между магистральными тепловыми сетями и зонами действия источников;

•  анализ частоты инцидентов, технологических и аварийных отказов систем теплоснабжения, продолжительность их устранения;

•  анализ надежности систем теплоснабжения и соответствие этого показателя нормативному;

•  фактические и нормативные тепловые потери при транспорте теплоносителя от существующих источников;

•  покрытие фактических тепловых нагрузок;

•  анализ климатологических характеристик населенного пункта;

•  структура конечного потребления тепла, динамика его изменения по годам действия предыдущей схемы теплоснабжения;

•  структура и особенности присоединения потребителей к тепловым сетям;

•  режимы отпуска тепла и эффективность центрального качественного регулирования отпуска тепла на источниках; нормативные графики изменения температур теплоносителя при центральном качественном регулировании и их соблюдение;

 гидравлические режимы работы тепловых сетей и эффективность управления гидравлическими режимами;

 противоаварийные устройства тепловых сетей и эффективность их работы, частота их срабатывания и расследования причин срабатывания;

 структура аварийно-восстановительных служб и эффективность их работы;

 структура потребляемых первичных энергоресурсов (топливо), динамика изменения топливно-энергетического баланса (энергетических нужд) города;

•  оценка воздействия источников системы теплоснабжения на окружающую среду;

 технико-экономические показатели работы источников, структура себестоимости выработки и отпуска тепла в тепловые сети, технико-экономические показатели работы систем транспорта тепла; структура себестоимости транспорта и распределения теплоносителя;

 определение энергосберегающего потенциала, концепция и основные направления совершенствования (техническая политика) теплоснабжения города, населенного пункта.

По поводу того, как и в каком виде собирать и анализировать эти данные, довольно много написано. Здесь же мы сосредоточимся на главном. Нужно представить все данные в электронных форматах. Но не только в электронных – нужно сформировать некоторое графическое представление о развитии систем теплоснабжения. Сделать это можно только в информационно-графических системах (ИГС) – специализированных программных комплексах, обеспечивающих не только хранение графической и семантической информации, но и позволяющих решать главные задачи перспективного планирования. Конечно, важно опередить, какая ИГС будет использована в разработке. Выбор ИГС – важный атрибут. И наш опыт позволяет говорить о трех, наиболее предпочтительных для моделирования перспективного развития систем теплоснабжения программных комплексах: 
 ИГС «CityCom-ТеплоГраф» – разработка компании ИВЦ «Поток»; 
 «ZuluThermo» – разработка компании «Политерм»; 
 «TERMIS» – разработка компании «7-Technologies».  
Каждый из них имеет свои преимущества. Но их обсуждение предмет специальной статьи. Например, для г. Москвы была использована ИГС «CityCom-ТеплоГраф». Важно, что в рамках этого программного комплекса был создан топологически связанный образ систем теплоснабжения г. Москвы, содержащий полное описание существующего состояния источников и тепловых сетей. На рис. 1 приведен фрагмент описания системы теплоснабжения г. Москвы.

Все 7 тыс. км тепловых сетей (в однотрубном исчислении) описаны с конкретными привязками к карте города, содержатся описания около 4 тыс. линейных участков, 8762 тепловых камер, 12345 задвижек, также как и 158 основных источников теплоснабжения, обеспечивающих 99% всей тепловой нагрузки. Каждый из этих элементов характеризуется набором параметров, хранящихся в специальной базе данных. Это длина участка, его диаметр, характеристика тепловой изоляции, год прокладки или последнего капитального ремонта, статистика отказов и повреждений оборудования и т.д. Всего база данных содержит около 12 млн. записей.

В результате подобной работы формируется представление о ретроспективе развития схемы теплоснабжения города с момента утверждения предыдущей схемы, либо за последние десять лет ее существования. Это позволит, прежде всего, понять ряд важных моментов (на примере г. Москвы):
 как и каким образом изменялась присоединенная к тепловым сетям разных источников тепловая нагрузка по мере застройки города жилыми, общественными и промышленными объектами (рис. 2); 
 как и каким образом изменялось потребление тепла по городу в целом в зависимости от тех же параметров (или развития и изменения загрузки промышленных объектов) и т.д. (рис. 3); 
 как и каким образом обеспечивались топливом источники, и какое количество топлива и какого вида было использовано в тот или иной год для энергетических нужд города (рис. 4).

Не останавливаясь подробно на результатах обследования города, скажем лишь, что все это необходимо, прежде всего, для описания базового уровня. Именно такие параметры мы будем отслеживать в дальнейшем по ходу реализации мониторинга схемы теплоснабжения (или энергетического плана). 

 

Прогнозы изменений в потреблении энергии

В схеме теплоснабжения мы ориентированы, в основном, на прогнозирование максимального теплового потока на территории. Важно определить какими будут тепловые нагрузки в перспективе. Прогноз всегда сложен и, прежде всего потому, что обеспечивающая энергетика в зависимости от его точности будет более или менее экономически эффективна. Если прогноз будет завышен и следом за завышенным прогнозом будет построено избыточное количество тепловой мощности, то произойдет ровно то, что произошло в Москве (на 54 тыс. Гкал/ч установленной тепловой мощности приходится 32 тыс. Гкал/ч присоединенной тепловой нагрузки). Последствия понятны.

Прогнозы для большого города (больше 500 тыс. чел.) и маленького (например, в 20 тыс. чел.), конечно, существенно разнятся. Важными являются следующие положения. Первое: прогноз должен быть привязан к территории (или к элементам территориального деления). Второе: вся территория, на которой мы строим перспективную схему теплоснабжения, должна быть покрыта сеткой территориального деления. Это могут быть планировочные кварталы с жилой и общественной застройкой, территории промышленных зон, рекреационные зоны, водные территории, дороги, мосты и т.д. Третье: сетка должна быть регулярна, а ее границы не должны меняться во времени. Т.е. вложенные множества более мелкого деления появляться могут, но границы должны быть точно совмещены с границами территории.

В Москве для формирования прогнозных моделей мы выбрали кадастровые кварталы. Эта сетка регулярна и, что важно, фундаментальна. На рис. 5 представлены элементы этой сетки, разработанной ОАО «Городской кадастр».

В каждом элементе территориального деления строится свой прогноз прироста тепловой нагрузки. Он зависит от многих переменных: 
 от числа проживающих на этом элементе жителей; 
 предыстории квартала;
 соотношения в квартале площади жилых и нежилых помещений;
 развития дорожной сети; 
 функции квартала в городе; 
 планов застройки (или реконструкции) этого квартала.

Но главным влияющим фактором оказывается предыстория квартала и соотношение на его территории жилых и нежилых помещений – коэффициент Куртоша (рис. 6).

Таких элементов сетки может быть много или мало (например, в Москве их около 2 тыс.), но к каждому элементу должен быть сформирован свой индивидуальный прогноз. Для населенных пунктов с незначительным количеством проживающих к территории может быть привязан и каждый объект капитального строительства. И в этом смысле территория города, это один квартал (рис. 7).

Есть еще одна проблема прогнозов. Это неопределенность. О ее свойствах и особенностях проектирования схем теплоснабжения в условиях неопределенности мы напишем в следующем номере журнала ("НТ" - прим. ред.).

(Продолжение следует)

 

Литература:

1. Department of Energy. Energy Planning and Management Program. Integrated Resource Planning Approval Criteria.
2. National Gas Energy Efficiency Resource Development Potential of New York.
3. ФЗ № 190. Градостроительный кодекс. Статья 23. Содержание генеральных планов поселений и генеральных планов городских округов.
4. Инструкция о составе, порядке разработки и утверждения схем теплоснабжения населенных пунктов. СН 531-80. Государственный комитет СССР по делам строительства (Госстрой СССР).
5. Башмаков И.А., Папушкин В.Н. Разработка программ развития, модернизации и реабилитации систем теплоснабжения // Новости теплоснабжения. 2004 (№ 6, с. 4-8; № 7, с. 4-13).

Материал с согласия автора предоставлен редакцией журнала "Новости теплоснабжения"