Зимний блэкаут: как сохранить системы теплоснабжения мегаполисов, Часть 1
УДК 697.34
Зимний блэкаут:
как сохранить системы теплоснабжения мегаполисов
Часть 1 из 2
© В.В. Велицко, генеральный директор ООО «ОЦР Технологии»
Статья опубликована: журнал Коммунальщик, №1, 2016. С.9-21
В статье рассмотрены вопросы гарантированного функционирования систем теплоснабжения населенных пунктов при зимних блэкаутах природного или террористического характера. Отмечены фундаментальные риски, упускаемые специалистами-энергетиками, разрабатывающими как методики защиты систем теплоснабжения, так и методики осуществления таких терактов на электросетевых и генерирующих мощностях, и распространяющих их через сети Интернет и I2P. Даны рекомендации, актуальные как для России, так и для других развитых стран со сложной энергетической инфраструктурой, по комплексной защите системы теплоснабжения и последующей ее трансформации в Умные сети (Smart Grid) не только применительно к электросетям, но и к тепловым, газовым сетям, к системе водоснабжения и водоотведения. Данная работа выполнена на примере Москвы.
Ключевые слова: инфраструктурная безопасность, теплоснабжение, блэкауты, последствия терактов, энергетическая инфраструктура, Умные сети, пилотный проект.
Рис. 2. Частичная работа типовой системы теплоснабжения города в условиях блэкаута,
где: ИПГ - ископаемый природный газ, ТЭ - тепловая энергия, ЭЭ - электроэнергия
Под угрозой
Одной из самых холодных стран в мире является Россия. В нашей стране среднегодовая температура составляет -5,5 °С. Большое население (9-е место в мире) при его низкой плотности (181-е место в мире) обусловливают наличие протяженной коммунальной инфраструктуры, а обладание крупнейшими распределенными производственными и ресурсными базами требует обеспечения проживания населения и ведения им хозяйственной деятельности на всей территории страны. Учитывая, что низкие среднегодовые температуры характерны для многих крупных городов и агломераций, таких, например, как Красноярск, Новосибирск, Пермь, Челябинск, население которых превышает 1 млн человек (рис. 1), задача сохранения функциональности населенных пунктов при чрезвычайных ситуациях (ЧС), угрожающих системам отопления, является условием национальной безопасности страны.
При прекращении теплоснабжения в отопительный сезон, длящийся в России от 5...7 и до 11...12 месяцев в году в наиболее холодных регионах, города (особенно при отрицательных температурах) перестанут быть приспособленными для жизни, а спектр негативных эффектов может варьироваться от крупного материального ущерба до гуманитарной катастрофы. Например, в ценах 2005 года, по предварительным оценкам Ростехнадзора, бюджетам Москвы и Московской области, а также ОАО «РЖД» был нанесен ущерб в размере 7,86 млрд руб. [17] от блэкаута, в результате которого 25 мая 2005 года остались без электроснабжения всего около 26 % потребителей [10]. Учитывая индексацию цен, а также вероятность того, что один из блэкаутов на территории Московского региона случится в ближайшую зиму, средневзвешенный комплексный ущерб от него может составить от сотен миллиардов до триллионов рублей в день при первом же блэкауте. При последующих зимних блэкаутах ежедневный ущерб может быть и менее 1 трлн руб. в день, так как основная часть теплоснабжающей инфраструктуры уже будет уничтожена. В этой связи практически любые затраты на минимизацию последствий блэкаутов, так как их полное предотвращение практически невозможно при сохранении существующей системы ресурсоснабжения населенных пунктов [8] на фоне последствий коллапса коммунальной и производственной инфраструктур, являются минимальными.
Достигнутый на 23 декабря 2015 года трехлетний антирекорд по одновременному выводу в ремонт во время отопительного сезона 7,2 ГВт (на уровне 3 % установленной мощности) генерирующих мощностей в Единой энергосистеме [6] свидетельствует о недостаточных или несвоевременных планово-предупредительных ремонтах (ППР), выполнявшихся в неотопительный сезон. Это также снижает надежность энергосистемы при разрушении внутрисетевых связей.
Рис. 1. Карта основной части России с указанием линий равного числа дней в году со среднесуточной температурой ниже -30 °С [19]
Данная проблема постепенно осознается региональными властями. Например, Правительство Москвы поставило задачу резервного энергоснабжения коммунальных потребителей с использованием мобильных электрогенераторов, приобретаемых управляющими организациями [11]. Хотя данное решение вызывает нарекания своим несоответствием действующему законодательству [9], а также является практически бессмысленным с технической точки зрения защиты при зимнем блэкауте, его можно только приветствовать: руководство столицы хотя бы обратило внимание на данную проблему, являющуюся, с учетом климата, реальной угрозой существованию города.
Есть ли на территории России крупные города, которым не угрожают последствия зимних блэкаутов? Даже в таких традиционно считающихся теплыми городах, как Краснодар, Симферополь или Калининград, температура самой холодной пятидневки составляет от -18 °С до -23 °С. А учитывая, что вероятность, как будет показано далее, попадания блэкаута именно на этот период предельно высока, получаем, что в России полностью отсутствуют крупные города, для которых допустим зимний блэкаут.
Болевые точки системы теплоснабжения
Теплоснабжение коммунальных потребителей (рис. 2, для упрощения представлен только жилой сектор) может осуществляться с использованием теплоэлектроцентралей (ТЭЦ), котельных, локальных, например, крышных котельных и мини-ТЭЦ. Распределение тепла осуществляется с использованием тепловых пунктов (ТП), а именно центральных и индивидуальных ТП (ЦТП и ИТП). Также часть потребителей получает тепло непосредственно от теплогенерирующих объектов. Топливоснабжение теплогенерирующих объектов обычно осуществляется посредством магистральных газопроводов, и иногда - с использованием резервного топлива. Электроснабжение - преимущественно от внешних электрических сетей. Для более точного понимания сути процесса на рис. 2 не показаны прочие инфраструктурные элементы, такие как водопроводные сети, силовые подстанции и т. п.
Как показано на рис. 2, при масштабном прекращении электроснабжения происходит как минимум частичное прекращение выработки или отпуска электроэнергии (пораженные коммуникации показаны прерывистыми линиями). Частичное теплоснабжение может сохраниться только на объектах, снабжаемых теплом напрямую от мини-ТЭЦ или ТЭЦ, которым удастся сохранить относительно стабильную работу турбогенераторов (газотурбинные (ГТУ) и паротурбинные (ПТУ) установки) в условиях неприемлемо-низких нагрузок и в условиях отсутствия внешней электрической сети, стабилизирующей частоту вырабатываемой ими электроэнергии. Все остальные объекты, практически со стопроцентной вероятностью, особенно снабжаемые теплом посредством ЦТП и ИТП с разделенными тепловыми контурами, вымерзнут.
Такая ситуация является неприемлемой, в связи с чем необходимо, выявив основные риски и механизмы прекращения теплоснабжения, разработать алгоритм их предупреждения. Для этого рассмотрим основные группы причин, которые могут привести к вымораживанию потребителей (рис. 3). К ним относятся:
• внешние (относительно системы теплоснабжения) факторы природного и техногенного характера, которые ограничивают подачу первичных ресурсов, таких как горючее, электроэнергия и теплоноситель - вода;
• внутренние техногенные факторы, связанные с отказами любых компонентов системы теплоснабжения;
• человеческий фактор, который может относиться как к внешним, так и к внутренним факторам или же к их комбинации;
• военные действия и саботаж.
Какие же из указанных факторов необходимо рассматривать в качестве критических, способных нанести сильный ущерб при невозможности на них повлиять традиционными методами?
Рис. 3. Причины аварий в системе теплоснабжения
Внутренние техногенные факторы
Сразу же отбросим внутренние техногенные факторы, так как они практически всегда могут быть устранены привлечением необходимых инвестиций, участвовать в которых существующая законодательная база вполне успешно обязывает потребителей.
При этом на постсоветском пространстве обеспечение рентабельности ресурсоснабжения даже не требуется, так как оно является социально значимым направлением бизнеса. То есть поставщики ресурсов, осуществляя планово-убыточную деятельность, успешно получают дотации в различных формах и прекращать ее не собираются. Там где отсутствуют дотации - законодательство бывших советских республик, например, в Прибалтике, практически исключает возможность законным образом отказаться от внешнего снабжения тепловой энергией, и, допустим, перейти на энергоэффективные технологии или же предлагает использовать возобновляемые источники энергии (ВИЭ).
Внешние факторы
Из рассмотрения внешних факторов исключим перебои с поставками горючего, так как основные объемы производства тепла, по крайне мере в России, осуществляются с использованием ИПГ или угля. Как показано в [8], поставка ИПГ является наиболее надежной, а угля - инвариантной, позволяя осуществлять его логистику различными видами транспорта, а при необходимости - переходить на иные виды жидкого или твердого горючего топлива. Также отбросим проблемы с поставкой воды, потому что первичная вода для нужд производства тепла может быть практически любого качества, а при умеренных утечках в теплотрассах ее поставка возможна автотранспортом.
Внешним фактором, непосредственно на который мы не можем влиять, являются природные катаклизмы - следствие экстремального глобального изменения климата, сопровождающегося ростом амплитуды природных явлений и увеличившейся частотой ее проявлений:
• переход дождя в ледяной дождь или ураган, ветра - в бурю;
• переход метели в буран при параллельном распространении таких природных явлений на регионы, где ранее они отсутствовали или были редки.
В этой связи существующая электросетевая инфраструктура, а в особенности - воздушные линии электропередачи (ВЛЭП), во всем мире подвергаются воздействию негативных природных факторов, выходящих за рамки проектных решений, заложенных при сооружении указанной инфраструктуры.
Ледяные дожди, увеличивая нагрузку на провода и опоры ЛЭП, приводят к обрывам проводов и обрушению опор, а в сочетании с увеличившейся парусностью - к разрушению ЛЭП приводит и ветер с проектными значениями скорости.
Увеличивающееся число ураганов с параллельным ростом их категорийности по шкале Саффира-Симпсона приводит к росту вероятностей попадания высоковольтных воздушных ЛЭП в зону ураганов с их последующим разрушением. При этом даже в случае неразрушения надповерхностной электросетевой инфраструктуры происходит ускоренная выработка ее механического ресурса.
Рис. 4. Примеры актов вандализма на воздушных ЛЭП и применяемые подручные средства в качестве замыкателей
Человеческий фактор
Человеческий фактор мы можем разделить на две категории: случайные, незлонамеренные действия или бездействие людей, приводящие к авариям или росту вероятности их возникновения; целенаправленные деструктивные воздействия, прямо или косвенно приводящие к нарушениям в работе системы теплоснабжения. Учитывая, что факторы первой категории могут быть минимизированы посредством обучения персонала, информирования третьих лиц, усиления контроля за работой, а также посредством мотивации к качественному выполнению персоналом своих должностных и контрактных обязанностей, остановимся на целенаправленных деструктивных воздействиях, к которым можно отнести хищения, вандализм и терроризм.
Хищения
Похищенными могут оказаться компоненты оборудования, горючее, финансовые средства, предназначенные для обеспечения функционирования предприятий системы теплоснабжения и связанной с ней инфраструктуры. Для предотвращения хищений могут успешно использоваться различные меры: от совершенствования законодательной базы и обеспечения финансового контроля до использования средств удаленного мониторинга, например, с использованием различных роботизированных платформ (беспилотные летательные аппараты (БПЛА), подповерхностные механизмы и т. п.).
Ключевым отличием хищений от вандализма и терроризма является периодичность - например, при финансовых хищениях, или продолжительность процесса - необходимость демонтажа, вывоза, хранения и реализации похищенных материальных объектов. В этой связи, при желании, ущерб от них может быть эффективно минимизирован.
Вандализм и терроризм
Значительно хуже обстоит ситуация с вандализмом и терроризмом, так как их целью является вывод оборудования из штатного режима работы или же его разрушение. Эти действия производятся в сжатые сроки или удаленно. Следовательно, даже будучи выявленными, действия террористов и вандалов обычно не могут быть предотвращены. В результате персоналу предприятий остается только купировать последствия таких атак.
Рис. 5. Взаимозависимость элементов энергетической, водоснабжающей, транспортной, информационной и телекоммуникационной инфраструктуры и экстренных служб [4]
Например, в настоящее время, рядом лиц, в том числе специалистами-энергетиками, разрабатываются методики поражения электрических сетей и генерирующих мощностей для обеспечения ядерного шантажа - вывод из строя атомных электростанций (АЭС) или экологического шантажа - взрывы на опасных химических производствах непрерывного цикла. При этом ошибочно отмечается, что «для общества последствия развала энергосистемы практически не ощутимы. Так, например, функционирование московской энергосистемы после “блэкаута” 25 мая 2005 года было полностью восстановлено уже к обеду 26 мая. Исходя из имеющегося опыта, можно уверено говорить о том, что даже после серьезных системных аварий удается довольно быстро восстановить энергоснабжение» [18]. К сожалению, вывод в работе [18] полностью ошибочен и основывается на непонимании автором эффекта домино, по которому будет обрушена коммунальная и промышленная инфраструктура в условиях зимнего блэкаута. Мнение о том, что раз блэкаут 25 мая 2005 года был успешно парирован, то также будет и в отопительный сезон, тоже является ошибочным. Такую ошибку автора указанной работы можно объяснить его недостаточной информированностью, например, незнанием последствий ледяного дождя 25-26 декабря 2010 года, потребовавших для их ликвидации привлечения более 7 500 специалистов и нескольких недель работы. При этом в условиях мягкой зимы 2010/11 годов за прекращением электроснабжения не последовало размораживания тепловых сетей.
Недостаточное планирование и/или неквалифицированная разработка мероприятий по обеспечению работы системы теплоснабжения в условиях ЧС
Наиболее подвержены атакам в силу своей протяженности воздушные ЛЭП,составляющие основную массу среди более, чем
3 млн км ЛЭП, находящихся на территории России. При этом ЛЭП сверхвысокого (от 330 кВ)и ультравысокого (от 750 кВ и выше)
напряжения, обеспечивающие единство энергосистемы, полностью являются воздушными, а следовательно - практически незащищенными от атак. Примером таких атак могут служить хулиганские действия по искусственному замыканию проводов воздушных ЛЭП, видеозаписи с которыми периодически выкладываются в сеть Интернет (рис. 4).
Сами по себе обозначенные на рис. 4 хулиганские действия, выполняемые несистемно, не могут привести к необратимым последствиям. Это связано с тем, что замыкания от перехлеста проводов ЛЭП - кратковременные нарушения электроснабжения (КНЭ) или так называемые «мигания», являются штатным режимом работы воздушных ЛЭП и происходят постоянно при интенсивных порывах ветра. Искусственные замыкания не отличаются от КНЭ по причине того, что применяемые замыкатели - проволока, палки и т. п. разрушаются при значениях тока и на временных промежутках, характерных для КНЭ.
Большую опасность представляет собой переход таких действий из практики вандализма в плоскость террора, что, например, было продемонстрировано рядом подрывов опор ЛЭП, как на территории России,так и на Украине, в результате которых, например, был успешно обесточен Крым. Результатом КНЭ периодически являются взрывы котлов при их повторном розжиге неквалифицированным или уставшим персоналом. При импорте данной практики в сферу деятельности террористов могут осуществляться масштабные теракты, приводящие к серьезным сбоям в работе энергосистем или к блэкаутам, приводящим к эффекту домино в системах, зависимых от электроснабжения.
При этом данные риски, с учетом внутренней напряженности и внешнеполитической нестабильности, являются постоянно нарастающей угрозой практически для всех постсоветских стран и стран ЕС.
Для иллюстрации недостаточного планирования и подготовки к ЧС можно привести пример: летние учения 2015 года по автономному энергоснабжению ключевых коммунальных объектов в Крыму. Хотя учения показали, что энергоснабжение успешно обеспечено, диверсии на сопредельной территории показали фактическую ситуацию с подготовкой к ЧС - Крым остался без «света». Только не иначе, как счастливая поспешность диверсантов в подрыве опор ЛЭП привела не к полному размораживанию систем теплоснабжения городов Крыма, а к интенсификации работ по сооружению энергомоста и новых объектов локальной электрогенерации.
При этом успешное решение вопроса энергоснабжения Крыма не может быть импортировано при решении задач энергоснабжения других регионов России, так как проложить энергомост в Московский регион или город Санкт-Петербург неоткуда, в связи с чем гарантировать их энергоснабжение необходимо исключительно с привлечением располагаемых ресурсов при детальном планировании широкого спектра возможных ЧС.
(Окончание статьи в Части 2)