Рассмотрение основных методов расчета оценок эффективности совместного производства электроэнергии и теплоты на ТЭЦ. Комплекс рассчитываемых показателей эффективности ТЭЦ. Произведение расчета численных значений оценок эффективности турбинной установки.
Академии наук Республики Узбекистан, г. Представлены формулы, адекватно отражающие начала термодинамики в оценках эффективности ТЭЦ; приведен пример расчета последних и анализ полученных результатов.Существующие методы расчета оценок эффективности совместного (на ТЭЦ) производства электроэнергии и теплоты противоречат второму началу термодинамики: показатели эффективности не реагируют на изменение параметров теплоносителя, отпускаемого потребителю, и, как следствие, не отвечают требованиям экономики: они оказываются несопоставимыми с одноименными показателями для раздельного производства тех же видов энергии. ?B, n - соответственно, полная и удельная экономия первичной энергии (теплоты, подведенной к турбине, или топлива, сожженного в котле, - в зависимости от цели анализа) от совмещения процессов производства электроэнергии и теплоты. РТЭЦ - полный-относительный КПДТЭЦ (с учетом эффекта совместности или разнородности вырабатываемых видов энергии). bэ, ?э ~ удельный расход топлива на производство электроэнергии и соответствующий КПД. bpt-удельный расход топлива на производство теплоты Qot для теплового потребителя. КД - коэффициент деградации первичной энергии (теплоты топлива) при ее превращении в теплоту Qot с выработкой электроэнергии. рте, bte ~ удельный расход топлива на производство эксергии Ет («чистой» продукции или работоспособной части, отпускаемой потребителю с теплотой Qot) и соответствующий КПД. Аналитические выражения для расчета показателей эффективности КПДТЭЦ: Т1ТЭЦ = Т1ту-Т1ку-Т1тр" где ?ту, ?ку, ?тр - КПД, соответственно, турбинной, котельной установок и транспорта теплоты. ?ту=E/Qty, где Е=3,6Этф Ет - эксергия или «чистая» продукция турбинной установки, ГДЖ/ч; ? T=DT(HT-HK)-10~3 - эксергия теплоты Qot, ГДЖ/ч; Q ^, Этф, Dt, Qot, А-соответственно, расход теплоты на турбоустановку, ГДЖ/ч, выработанная электроэнергия, МВТ.ч, количество пара, направляемого тепловому потребителю, т/ч, количество теплоты, отпускаемой потребителям, ГДЖ/ч, анергия (потеря в холодный источник), ГДЖ/ч (данные величины полагаются известными или рассчитываются по известным соотношениям [7]); ht - энтальпия пара, направляемого потребителю, КДЖ/кг (определяется по давлению рт и температуре тт в отборе); hk-энтальпия пара (Dt) на «прямой среды», КДЖ/кг (при адиабатическом расширении пара от состояния при параметрах рт, тт до «прямой среды», последняя определяется температурой холодного источника потребителя теплоты, следовательно, и теплофикационного цикла).
Введение
Существующие методы расчета оценок эффективности совместного (на ТЭЦ) производства электроэнергии и теплоты противоречат второму началу термодинамики: показатели эффективности не реагируют на изменение параметров теплоносителя, отпускаемого потребителю, и, как следствие, не отвечают требованиям экономики: они оказываются несопоставимыми с одноименными показателями для раздельного производства тех же видов энергии. В итоге затруднены нормирование и анализ эффективности работы ТЭЦ, определение себестоимости и цены энергии и, как следствие, разработка корректной тарифной системы, экономически заинтересовывающей потребителей в получении энергии от ТЭЦ. Такое положение оказывает негативное влияние на развитие энергетики в части рационального использования топливно-энергетических ресурсов (имеют место случаи необоснованной расконсервации и строительства новых котельных, отпуска теплоты непосредственно от котлов, использования высокопотенциальных отборов турбин и др.) [1].
Специфичность, сложность проблемы, вытекающей из заголовка статьи, отмечаются практически всеми ее исследователями. Наиболее емким в этом смысле представляется высказывание проф. Н.И. Дунаевского: «…вряд ли в какой-либо отрасли народного хозяйства можно указать другую технико-экономическую проблему, могущую сравниться по сложности и трудности с теплофикацией, проблему, в которой так тесно переплетались бы техника с экономикой, в которой имела бы место такая сложная игра разнородных факторов» [2].
В месте с тем, представляется очевидным, что данная проблема не выходит за рамки теории циклов [3], т.к. и электрическая, и тепловая (более низких параметров) энергия представляет собой результат преобразования первичной энергии в конкретном (с известными параметрами) термодинамическом цикле. На базе данной теории свойства различных частей энергии и их соотношений в ходе преобразования в различные виды конечной энергетической продукции постулируются как следствия одновременного действия обоих начал термодинамики. В итоге: 1. получен ответ на главный вопрос проблемы - о физической (термодинамической) природе экономии топлива в двухпродуктовом цикле, предложены формулы для ее расчета [4];
2. решен вопрос об оценке эффективности (КПД) ТЭЦ, сопоставимой без дополнительных условий с эффективностью однопродуктовых схем энергопроизводства [5];
3. обоснованы и предложены аналитические выражения для расчета затрат топлива на каждый вид энергии, вырабатываемый на ТЭЦ [6].
Результаты [4-6] получены на основе единого подхода, они взаимосвязаны и позволяют сделать вывод о полном решении проблемы «эффективность ТЭЦ», т.к. обеспечивают возможность получения корректного ответа на любой технико-экономический вопрос в практической теплоэнергетике.
Цель данной статьи - показать на конкретном примере практическое приложение результатов, приведенных в [4-6].
Комплекс рассчитываемых показателей эффективности ТЭЦ
?ТЭЦ - эксергетический КПДТЭЦ.
?B, n - соответственно, полная и удельная экономия первичной энергии (теплоты, подведенной к турбине, или топлива, сожженного в котле, - в зависимости от цели анализа) от совмещения процессов производства электроэнергии и теплоты.
?E - эффект совместности (экономия в виде «чистой» продукции, эксергии).
РТЭЦ - полный-относительный КПДТЭЦ (с учетом эффекта совместности или разнородности вырабатываемых видов энергии). bэ, ?э ~ удельный расход топлива на производство электроэнергии и соответствующий КПД. bpt-удельный расход топлива на производство теплоты Qot для теплового потребителя.
КД - коэффициент деградации первичной энергии (теплоты топлива) при ее превращении в теплоту Qot с выработкой электроэнергии. рте, bte ~ удельный расход топлива на производство эксергии Ет («чистой» продукции или работоспособной части, отпускаемой потребителю с теплотой Qot) и соответствующий КПД.
КТЭЦ - коэффициент ТЭЦ - оценивает уровень использования ТЭЦ как установки «для экономии топлива».
Аналитические выражения для расчета показателей эффективности КПДТЭЦ: Т1ТЭЦ = Т1ту-Т1ку-Т1тр" где ?ту, ?ку, ?тр - КПД, соответственно, турбинной, котельной установок и транспорта теплоты.
?ту=E/Qty, где Е=3,6Этф Ет - эксергия или «чистая» продукция турбинной установки, ГДЖ/ч; ? T=DT(HT-HK)-10~3 - эксергия теплоты Qot, ГДЖ/ч; Q ^, Этф, Dt, Qot, А-соответственно, расход теплоты на турбоустановку, ГДЖ/ч, выработанная электроэнергия, МВТ.ч, количество пара, направляемого тепловому потребителю, т/ч, количество теплоты, отпускаемой потребителям, ГДЖ/ч, анергия (потеря в холодный источник), ГДЖ/ч (данные величины полагаются известными или рассчитываются по известным соотношениям [7]); ht - энтальпия пара, направляемого потребителю, КДЖ/кг (определяется по давлению рт и температуре тт в отборе); hk- энтальпия пара (Dt) на «прямой среды», КДЖ/кг (при адиабатическом расширении пара от состояния при параметрах рт, тт до «прямой среды», последняя определяется температурой холодного источника потребителя теплоты, следовательно, и теплофикационного цикла).
Пример расчета показателей эффективности ТЭЦ
Исходные данные. Оценки эффективности рассчитываются для ТЭЦ, основное оборудование которой составляют энергетический котел и турбина с противодавлением типа Р-50-130/13 [8]. Параметры пара перед турбиной (давление, температура, энтальпия, соответственно): р0=12,8 МПА, t0=560 OC, h0=3502,8 КДЖ/кг.
Параметры отбираемого пара: рт=1,28 МПА, тт=280 ОС, ht= 3004,2 КДЖ/кг, h к=2069,8 КДЖ/кг. Конденсат возвращается от потребителя полностью с температурой 15 ОС (h?к=62,9 КДЖ/кг) и догревается паром регенеративных отборов до температуры тп.в.=234 ОС (hп.в.=984,6 КДЖ/кг). Значения нижеследующих величин получены при условии соблюдения общего баланса энергии турбоустановки. Представляется, что расчет данных величин не требует пояснений, как общеизвестный:
Анализ результатов расчета
1. Из сопоставления численных значений РТЭЦ и ?ТЭЦ видно, что двухпродуктовая схема (или цикл, ТЭЦ) на 8,5% более эффективна, по сравнению с однопродуктовым циклом (??с-р=0,453-0,368=0,085), который реализуется при тех же условиях. При снижении параметров отпускаемой теплоты разность может увеличиться до 15% и более.
2. Рассчитанные показатели для электроэнергии составляют: bрэ=222,62 г/КВТ.ч, ?рэ=0,552. При раздельном производстве (при тех же параметрах цикла) соответствующие показатели приняли бы следующие значения: bэ=123/?ТЭЦ= 123/0,368=334,23 г/КВТ.ч; т.е. КПД снизился бы на??э=?эр-?ТЭЦ=0,552-0,368 = 0,184, а удельный расход топлива увеличился бы, соответственно, на ?b=bэ-bэр=334,23-222,61=111,62 г/КВТ.ч. То есть, совмещение процессов дает существенное повышение эффективности производства электроэнергии.
Удельный расход топлива на теплоту Qot составляет для ТЭЦ bpt=35,94 кг/ГДЖ. При раздельном производстве соответствующий показатель составил бы bt=34,12/(?ку.?тр)=34,12/(0,85.0,99)=40,54 кг/ГДЖ; ?b=bt-btp=40,54-35,94=4,6 кг/ГДЖ.
Таким образом, очевидна эффективность совмещения процессов как для теплового, так и для электрического потребителя.
Результаты расчета показывают, что btep=113,33 кг/ГДЖ существенно больше b рт=35,94 кг/ГДЖ. Данное различие объясняется тем, что E т составляет соответственно меньшую часть Qot (при едином значении полных затрат Врт).
3. Из результатов расчета также видно, что ?эр>?рте, т.е. эффективность производства Этф (?эр=0,552) заметно выше эффективности производства Ет (?рте=0,301). Данный результат определяется более высокой средней температурой, при которой осуществляется преобразование подведенной теплоты в электроэнергию, по сравнению со средней температурой для Ет (при одной и той же температуре холодного источника для обоих видов «чистой» продукции).
4. Коэффициент деградации имеет значение меньше единицы (КД=0,949), что определяется относительно высокими параметрами отпускаемой теплоты и относительно низким значением КПД котла (0,85). Последнее свидетельствует о том, что значительная часть (15%) теплоты топлива В? не прошла через турбину, не преобразована; данная часть перешла в окружающую среду вследствие несовершенства котлоагрегата. То есть, КД отражает не только преобразование теплоты в турбине при выработке электроэнергии (деградацию теплоты), но и все другие условия, при которых осуществляется процесс. Данный показатель представляет собой по существу величину, обратную удельному расходу топлива на теплоту для потребителя, и обладает, соответственно, такой же «силой».
5. Коэффициент ТЭЦ, в общем случае, изменяется в пределах от нуля до единицы. Приближение КТЭЦ к единице свидетельствует об исчерпании возможности ТЭЦ в части экономии топлива. Приближение КТЭЦ к нулю свидетельствует о наличии резерва в этой части, о возможности дальнейшего снижения параметров отпускаемой теплоты (по требованию теплового потребителя и при отсутствии ограничений по конструктивным особенностям оборудования). В примере расчета КТЭЦ=0,485, т.е. возможность (теоретическая) ТЭЦ в части экономии топлива использована менее, чем на половину.
Все рассчитанные показатели сопоставимы непосредственно с одноименными показателями других схем энергопроизводства.
Таким образом, основными величинами комплекса технико-экономических показателей для ТЭЦ являются: 1 - эксергетический КПДТЭЦ; 2 -полный-относительный КПДТЭЦ; 3 - удельный расход топлива (КПД) на производство электроэнергии; 4 - удельный расход топлива (КПД) на производство эксергии Ет и/или отпускаемой теплоты Qot. Эксергетический КПДРАССЧИТЫВА-ется традиционно; остальные показатели - по предложенным соотношениям. Данный комплекс обеспечивает всестороннюю корректную оценку эффективности совместного производства разнородных видов энергии и может служить основой для решения ряда технико-экономических вопросов, в том числе для разработки прогрессивной тарифной системы на различные виды энергии, стимулирующей развитие ТЭЦ в условиях рынка как энергосберегающих технологий.
Список литературы
турбинный электроэнергия теплота эффективность
1. Богданов А.Б. Котельнизация России - беда национального масштаба // Новости теплоснабжения. № 10. 2006.
2. Дунаевский Н.И. Технико-экономические основы теплофикации//М.-Л.: ГЭИ, 1952.257 с.
3. Вукалович М.П., Новиков И. И. Термодинамика // М.: Машиностроение, 1972.
4. Цоколаев И. Б. Экономия топлива на ТЭЦ или эффект совместности // Новости теплоснабжения. № 6. 2008.
