(no subject)
Все централизованные системы теплоснабжения городов на территории постсоветского пространства (экс-СССР и страны СЭВ) имеют фундаментальные уязвимости, в связи с чем они могут быть полностью уничтожить даже детьми. Одна из таких уязвимостей - зависимость от пропадания электроснабжения при искусственном блэкауте энергосистемы, рассмотрена в статье. Также указаны первоочередные меры по парированию данной угрозы.
В этой связи необходимы первоочередные меры по защите систем теплоснабжения от полного размораживания, в результате которого возможна гуманитарная катастрофа в таких крупных городах, как Москва, Санкт-Петербург, Киев, Минск и т.п.
Надёжность обеспечения ресурсами системы теплоснабжения - условие выживания городов России
Велицко Владислав Владимирович, Генеральный директор, ООО «ОЦР Технологии», г. Москва.
© Copyright: Владислав Велицко, 2015, Статья впервые опубликована на сайте Проза.Ру, Свидетельство о публикации №215071501025
Аннотация
В статье поставлены проблемы устойчивости систем теплоснабжения населённых пунктов к явлениям экстремизации климата и целенаправленным, на ключевые точки инфраструктуры, квалифицированным террористическим атакам. Рассмотрена устойчивость системы теплоснабжения к искусственным блэкаутам, организованных путём последовательнго синхронного замыкания вводов питающих центров. Показаны многоуровневые уязвимости систем ресурсоснабжения населённых пунктов, способы парирования выявленных угроз и минимизации рисков гуманитарных катастроф в результате полного вымораживания мегаполисов. Показаны пути реконструкции систем теплоснабжения с параллельным повышением их надёжности, экологичности и экономической эффективности.
Рис. 1. Причинно-следственные связи прекращения электроснабжения системы ресурсоснабжения населённого пункта (расширенная схема из [3]).
Рис. 2. Умышленное короткое замыкание проволокой воздушных ЛЭП напряжением 110 кВ (слева) [4] и 500 кВ. (справа) [5].
Введение
В работе [1] автором отмечено наличие значительных инфраструктурных угроз, а в [2] - определены безальтернативные ключевые ресурсы, необходимые для функционирования населённых пунктов: тепло и вода для работы канализации. Данная работа продолжает тему надёжности ресурсоснабжения населённых пунктов теплом. Примером негативных последствий для населенного пункта может служить блок-схема (Рис. 1), демонстрирующая последовательность прекращения подачи ресурсов в результате прекращения электроснабжения, например в результате целенаправленных последовательных синхронных замыканий вводов питающих центров [3], совершённых из хулиганских или иных побуждений (Рис. 2).
Для определения способов парирования данных угроз необходимо разобрать принципы функционирования системы теплоснабжения (СТ), определить ключевые ресурсы и способы обеспечения их гарантированной подачи для производства тепла.
Принципы теплоснабжения населённых пунктов
В России существует разветвлённая СТ, представляющая собой сети из теплоэлектроцентралей (ТЭЦ), котельных, центральных и индивидуальных тепловых пунктов (ЦТП и ИТП). Также в состав данной сети может входить иное оборудование и сооружения, например промежуточные насосные станции, тепловые насосы, солнечные коллекторы, а также различное вспомогательное и теплогенерирующее оборудование. Вся эта сложнейшая инфраструктура, состоящая из разнотипного оборудования, включённого в состав огромного количества энергообъектов, нацелена на обеспечение гарантированного теплоснабжения коммунальных и промышленных потребителей. Оконечными элементами СТ являются радиаторы отопления, калориферы и иное теплопотребляющее оборудование, использующее тепло непосредственно у потребителя.
Вырабатываемое, транспортируемое, распределяемое СТ тепло - комплексный производный ресурс, напрямую зависящий от наличия базовых ресурсов, таких как горючее для его производства, вода для пополнения утечек теплоносителя и электроэнергия для выработки тепла, его транспорта и распределения между потребителями (см. Рис. 3). Прочие важные материальные и нематериальные ресурсы, такие как остаточный ресурс оборудования СТ, квалификацию персонала и т.п. здесь не будем рассматривать, т.к. их наличие напрямую не зависит от природных катаклизмов и террористических атак на объекты теплоснабжающей инфраструктуры.
Рис. 3. Базовые причины аварий систем теплоснабжения.
Учитывая, что потребляемыми ресурсами, необходимыми для теплоснабжения являются топливно-энергетические ресурсы (ТЭР), вода и электроэнергия, выявим, имеется ли среди данных ресурсов основной ресурс, определяющий возможность гарантированного разрушения СТ. Т.е. найдём «слабое звено» среди базовых ресурсов, необходимых СТ, т.к. прекращение подачи любого из указанных ресурсов, по собственному алгоритму, повлечёт за собой нарушение работы городской системы ресурсоснабжения (Рис. 1).
Последствия прекращения теплоснабжения наглядно демонстрирует Рис. 4.
Рис. 4. Полное размораживание СТ в г. Дудинка (Россия) в результате прекращения электроснабжения 14.01.2015 г. [6].ТЭР: способы поставки и точки потребления
(сокращено)
Системы транспорта первичных ТЭР и их надёжность
(сокращено)
Подача электроэнергии
Электроснабжение СТ: теплогенерирующих объёктов, ЦТП и ИТП осуществляется посредством воздушных и кабельных ЛЭП среднего или низкого напряжения, расположенных в черте населённых пунктов. Однако, при существующей системе выработки в России электроэнергии, базирующейся на использовании крупных электростанций, соединённых, почти везде, в единую сеть, сетевые связи между электростанциями, для минимизации потерь в электросетях, оптимально осуществлять с использованием сетей сверхвысокого (от 330 кВ) и ультравысокого (от 750 кВ) напряжений.
Учитывая, что необслуживаемые кабели на сверхвысокое напряжение, выполненные из сшитого полиэтилена, стали применяться относительно недавно, практически все сети, передающие электроэнергию на снабжающие котельные питающие центры, основываются на использовании протяжённых участков воздушных ЛЭП.
Штатным режимом работы воздушных ЛЭП являются кратковременные нарушения электроснабжения (КНЭ), т.н. «мигания», которые происходят в результате кратковременных пробоев между проводами ЛЭП, вызванных воздействием ветра. КНЭ практически неизбежны и являются неизбежным фактором перебоев электроснабжения, вызывающим погасание горелок котлов (падают клапаны горючего), а также приводящим к гидроударам в теплотрассах. Даже непродолжительные перебои с электроснабжением приводят к хлопкам и взрывам при повторном розжиге котлов (особенно в ночное время и при недостаточно обученном персонале) и к порывам теплотрасс в результате гидроударов при нештатных остановках-пусках сетевых насосов.
Что менее всего надежно: газопровод, ЛЭП или теплотрасса?
Для выявления «слабого звена» в структуре обеспечения первичными ресурсами СТ ответим на вопрос, как будем сравнивать данные системы, т.к. необходимо сравнить надёжность газопровода, теплотрассы и воздушных ЛЭП. Водопровод ХВС из сравнения исключаем, т.к. некоторый резерв воды всегда находится на теплогенерирующих объектах, а при длительных перерывах в подаче ХВС можно снизить утечки в теплотрассах путём понижения давления в теплотрассе, отключения ГВС и, соответственно, снижения теплового графика, что ещё более повысит время автономной работы теплогенерирующего объекта от сетей ХВС.
Сравним между собой надёжность систем подачи ресурсов для выработки, транспорта и распределения тепла. Сравним:
§ 1 км. воздушной ЛЭП, транспортирующей мощность в 1 МВт,
§ 1 км. теплотрассы, прокачивающей теплоноситель, с которого, при штатном теплосъёме, может быть получена мощность 1 МВт,
§ 1 км. газопровода, при сжигании подаваемого которым природного газа может быть получена тепловая мощность 1МВт.
Это сравнение достаточно условно, однако имеющаяся статистика аварий будет не в пользу воздушных ЛЭП. Так, наиболее надёжными, являются газопроводы, число нарушений работы которых в год на 1 км. протяжённости можно принять за единицу. За газопроводами следуют теплотрассы, число нарушений работы которых на порядок превышает число перебоев в работе газопроводов. Далее следуют воздушные ЛЭП, демонстрирующие на два порядка меньшую надёжность, чем газопроводы. Т.е. наименее надёжными элементами являются воздушные ЛЭП, в сто раз (и более) менее надёжные, чем газопроводы.
В качестве примера можно привести удельные данные по числу аварий в сетях (Рис. 5), основывающиеся на обширной статистике. Отметим, что бы размеры столбцов графика, указывающие число аварий были сопоставимы, они представлены в виде логарифмов.
Рис. 5. Логарифм удельной (на 10 000 км.) аварийности энергосетей [7, с.44].
На Рис. 5 столбцы №№1, 7 газопроводы; №№9 - 11 и 13 - тепловые сети, а остальные электрические сети, где ВГГС - внутригородские газовые сети, а ВГКЛ - внутригородские кабельные ЛЭП.
Источники угроз энергетической инфраструктуре. Внутренние и внешние факторы
Из указанного спектра угроз (см. Рис. 2), такого как отказы в работе оборудования, человеческий фактор и т.п. только два вида угроз способны полностью уничтожить энергетическую инфраструктуру: это природные факторы и терроризм. К первым, в рамках данной работы, отнесём только изменения климата, связанные с его периодической перестрой в соответствии с циклическими космическими процессами, т.к. и падение метеорита также является естественным апериодическим природным фактором. Ко вторым - только целенаправленные квалифицированные террористические атаки на объекты инфраструктуры, т.к. неквалифицированные атаки в виде попыток подорвать единичную опору ЛЭП или отравить водозабор не представляют фундаментальной угрозы энергетической инфраструктуре.
При этом, изменения климата, уничтожат энергоинфраструктуру, вероятнее всего, медленно, тогда как квалифицированный терроризм уничтожит её лавинообразно и быстро, не дав временного лага для перестройки инфраструктуры после первых актов террора на энергообъектах. В этой связи данная статья является предупреждением, которое, как обычно, будет проигнорировано. Отметим, что быстротекущие природные катастрофы, такие как очередное падение крупного метеорита, вероятность резкого периодического смещения оси вращения Земли в связи с т.н. Эффектом Джанибекова (т.к. геоид не осесимметричное тело с неравномерной плотностью) и т.п. здесь не рассматриваем по той причине, что наступление таких событий, на данном этапе развития науки сложно прогнозируемо, а при их наступлении невысока вероятность сохранения даже реконструированных СТ. Поэтому сконцентрируемся на парировании тех угроз, которые прогнозируемы по срокам и могут быть устранены имеющимися средствами в обозримое время.
Учитывая, что природные катаклизмы и терроризм являются внешними факторами, влияющими на работоспособность СТ, причины отказов необходимо искать в результирующем им ограничении или прекращении функционирования конкретного процесса или оборудования, необходимого для теплоснабжения потребителей.
На Рис. 6 - 8 рассмотрим ресурсные причины аварий в СТ, где отметим восклицательным знаком те из причин прекращения теплоснабжения, которые не решаются в рамках существующей СТ без её кардинальной реконструкции, тогда как значительная часть других факторов является внутренними факторами, которые могут быть устранены без необходимости реконструкции СТ.
Рис. 6. Причины аварий в СТ в связи с прекращением поставок горючего.
Рис. 7. Причины аварии в СТ в связи с прекращением электроснабжения.
Рис. 8. Причины аварий в СТ по причине прекращения водоснабжения.
Как видим из Рис. 6 - 8, причины прекращения поставки первичных ресурсов достаточно обширны и это при том, что степень их детализации здесь ограниченна. Для того, что бы выбрать основные факторы, способные кардинально ограничить или прекратить работу СТ, обратимся к ранее выполненной работе [2]. Из горючих единственными безальтернативным ресурсом является ИПГ, т.к. его поставка осуществляется исключительно по газопроводам. В этой связи, если на теплогенерирующем объекте отсутствует возможность использования резервного горючего, поставка ИПГ является лимитирующим фактором, определяющим работоспособность СТ.
Хотя в [2] безальтернативным ресурсом для населённых пунктов указана вода, необходимая для работы канализации (предотвращение эпидемической угрозы), для нужд теплоснабжения, при прекращении ГВС, вода, на подпитку контуров и иные нужды, может завозиться автотранспортом, в связи с чем она не является безусловно лимитирующим ресурсом.
Электроэнергия для современной СТ также не является безусловно лимитирующим ресурсом. Однако для стабильной работы ПТУ и ГТУ и ПГУ в ТЭЦ необходимы электрические сети как залог стабильности частоты вырабатываемой электроэнергии а следовательно - возможности самообеспечения ТЭЦ электроэнергией.
Исходя из вышесказанного отметим, что для работы существующей теплоэнергетической инфраструктуры безусловными лимитирующими ресурсами являются:
§ ИПГ;
§ сетевая электроэнергия.
Все остальные ресурсы могут быть заменены в раках существующей СТ. При этом на незначительном числе объектов имеются хранилища резервного горючего и/или автономные электрогенераторы, что делает указанные объекты как минимум отчасти защищёнными от рассматриваемых угроз.
Первоочередные меры защиты теплоснабжающей инфраструктуры от искусственного блэкаута
В результате блэкаута будут долговременно обесточены:
§ ТЭЦ;
§ Котельные;
§ Тепловые пункты;
§ Подкачивающие насосные станции.
Для обеспечения работы ТЭЦ необходимо:
§ на ТЭЦ, оснащённых турбоустановками изменить уставки оборудования таким образом, что бы оно обеспечивало работу на локальную нагрузку без внешней сети. При этом, для нового оборудования, производителем может быть снята гарантия;
§ произвести реконструкцию питающих вводов таким образом, что бы необходимое оборудование ТЭЦ могло работать при отключенных внешних электрических сетях;
§ установить, при необходимости, дополнительную локальную активную электрическую нагрузку для дозагрузки турбоагрегатов до минимально-допустимых значений электрической мощности;
§ турбоустановки оснастить валоповоротными устройствами с системой гарантированного электроснабжения для исключения разрушения турбин в результате неравномерного остывания при их останове;
§ тренировать персонал для наработки навыков действий в случае зимнего блэкаута.
Для обеспечения работы котельных:
§ установить газопоршневые или иные мини-ТЭЦ. При этом ключевым фактором является не тип конкретной мини-ТЭЦ (Отто-мотор или газодизель), а скорость её ввода в эксплуатацию для максимально быстрой защиты объектов при рассмотренных чрезвычайных ситуациях (ЧС). При установке мини-ТЭЦ обеспечить их работу в базовом режиме в параллель с внешними сетями с возможностью перехода, без прекращения работы, в изолированный режим работы от внешних сетей;
§ вывести на клеммы мини-ТЭЦ питание основного и вспомогательного оборудования котельных или реконструировать питающие вводы таким образом, что бы они могли быть запитаны от мобильной дизельной электростанции при отключенных внешних потребителях электроэнергии.;
§ обеспечить наличие дизельных электростанций соответствующих мощности и вольтажа. Если присутствует оборудование среднего напряжения (6,3 и 10,5 кВ), такое как мощные сетевые насосы, то обеспечить наличие доступных, на случай ЧС, соответствующих дизельных электростанций;
§ обеспечить гарантированное снабжение горючим. Не рассматривая сейчас отдельно причины, почему может прекратиться, а скорее всего - ограничиться газоснабжение региона в случае блэкаута, отметим, что желательно восстановить на отопительных котельных мазутное хозяйство хотя бы и в минимальном объёме. Учитывая, что, например, по г. Москве, мазутное хозяйство отопительных котельных было демонтировано, а соответствующие площади заняты, необходимо провести работы по установке подземных складов резервного горючего;
§ проводить тренировки персонала на случай указанной ЧС.
Выводы
Резюмируя вышесказанное отметим, что системы теплоснабжения крупных городов России можно относительно успешно защитить даже с использованием неоптимальных, но доступных технических решений. Эти решения будут паллиативными и за ними должны последовать шаги по эффективной защите от инфраструктурных терактов и изменений климата. Конкретные шаги по массовому резервированию электропитания систем теплоснабжения желательно подготовить и осуществить уже к отопительному сезону 2015/16 гг.
Библиографический список
1. Велицко В.В. Выявление и нейтрализация угроз государственной безопасности с применением инструментария ТРИЗ на примере угроз инфраструктурного, технологического и юридического характера // М.: Сборник докладов международной конференции «Инструменты создания инноваций для развития предпринимательства», 14-15.11.2014, с.102-107.
2. Велицко В.В. Ресурсосберегающая инфраструктура как условие сохранения населённых пунктов в условиях природных катаклизмов и террористических угроз // Новосибирск: Материалы II Всероссийской научной конференции с международным участием «Энерго- и ресурсоэффективность малоэтажных жилых зданий», Институт теплофизики СО РАН, 24-26.03.2015., с.419-428
3. Велицко В.В. Концепция гарантированного энергоснабжения с использованием геотермальной энергии // Грозный: Сборник докладов Международной научно-практической конференции «GEOENERGY», 19-21.06.2015, с.32-45.
4. Умышленное короткое замыкание ЛЭП 110 кВ (Deliberate short circuit 110 kV transmission line) // electrosnabzh, 13.07.2013, URL: https://youtu.be/V4XcC74HqLQ, (дата обращения 02.07.2015)
5. Однофазное к.з. ЛЭП 500 с помощью колючей проволоки // ZАГОНЫ.RU, 23.08.2010, URL: http://zagony.ru/2010/08/23/odnofaznoe_k.z_ljep_500_s_pomoshhju_koljuchejj_provoloki_543.761_kb.html#comment, (дата обращения 02.07.2015)
6. Без отопления в минус 40 // Дождь, 19.01.2015, URL: http://tvrain.ru/teleshow/here_and_now/bez_otoplenija_v_minus_40_zhitelej_goroda_dudinka_prosjat_ne_pisat_v_sotssetjah_o_posledstvijah_avarii_na_lep-380791/, (дата обращения 12.05.2015 г.)
7. Дубинин В.С. Совершенствование систем энергоснабжения в газифицированных регионах России на базе поршневых технологий. Специальность: 05.14.01 - Энергетические системы и комплексы. Диссертация на соискание учёной степени к.т.н. // М.: МЭИ, 2013, 242 с.