Экономия топлива

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ташкентский государственный технический университет

Экономия топлива на ТЭЦ или эффект совместности

Д.т.н. И.Б. Цоколаев, профессор кафедры «Теплоэнергетика»

г. Ташкент

Аргументируется мнение об актуальности проблемы термодинамического обоснования оценок энергетической эффективности ТЭЦ в условиях рыночной экономики. Предлагается адекватный ответ на ключевой вопрос проблемы о термодинамической природе экономии топлива на ТЭЦ.

термодинамический энергетический рыночный экономика

Введение

Совместное производство электрической и тепловой энергии существенно, - на десятки процентов, - снижает общие невосполнимые затраты энергетического топлива по сравнению с раздельным.

В публикациях [1-3] справедливо отмечается, что, несмотря на столь высокую относительную энергетическую эффективность ТЭЦ, тенденция их развития не может считаться удовлетворительной. Правомерно полагать также, что данная негативная ситуация сложилась как следствие перехода энергетики к рыночным экономическим отношениям при отсутствии объективного, термодинамически обоснованного или корректного численного значения оценки эффективности ТЭЦ, следовательно основной, топливной составляющей себестоимости каждого из разнородных видов энергии, вырабатываемых на ТЭЦ. Иными словами, на рынок выставляется энергетическая продукция различных видов, действительные затраты топлива на производство каждого из которых неизвестны. Данное обстоятельство вынуждает использовать в практической теплоэнергетике условные значения оценок эффективности (КПД, удельных затрат), обеспечивающие лишь общий топливный баланс ТЭЦ. Подобные «оценки эффективности» (по существу - балансирующие коэффициенты), положенные в основу расчета себестоимости и тарифной системы, предопределяют условность последней и, соответственно, решений, направленных на экономию топлива.

Следует заметить, что в период плановой экономики отсутствие корректных оценок эффективности ТЭЦ не тормозило, в силу известных обстоятельств, развития последних. Но и в этот период, как известно, проблема «КПД ТЭЦ» оставалась актуальной и обсуждалась практически непрерывно. В условиях рынка, когда тарифы (и их основа - себестоимость) на энергию должны выступать не только как стимуляторы общего развития энергетики, но и как рычаги для формирования и развития ресурсосберегающих технологий, проблема корректности оценок эффективности приобретает особую актуальность.

Постановка вопроса

Основной причиной непомерной продолжительности дискуссии по проблеме «эффективность ТЭЦ» или «распределение затрат топлива на ТЭЦ» представляется неадекватность подхода к ее решению физической (термодинамической) сущности проблемы. Наиболее четко такой подход выражает мнение, сформулированное более 50 лет тому назад: «…Методы распределения затрат… не могут вытекать из законов термодинамики и все попытки непосредственного термодинамического обоснования того или иного способа разнесения экономии топлива между видами полученной энергии лишены научного основания»[4].

Содержание данного тезиса, очевидно, выводит проблему за рамки научно-технической, тем самым косвенно признает несостоятельность теоретических основ технической термодинамики. При этом естественно, что критерии научной (термодинамической) обоснованности того или иного решения («метода») заменяются доводами в его защиту, которые отражают такие свойства «методов», как «удобство применения», «оптимальность», «понятность эксплуатационному персоналу», «заинтересованность» потребителей в получении энергии от ТЭЦ, «справедливость» решения и др. В перечисленных свойствах отсутствуют такие, которые отражали бы термодинамическую (теоретическую) обоснованность решения, т.е. могли бы быть строго доказаны. Иными словами, в сложившейся ситуации, при отсутствии адекватных критериев обоснованности, легко показать, что любой из «методов», по крайней мере, «не хуже других». Поэтому ни один из доводов, без его подкрепления термодинамическим обоснованием, не может служить основой для рекомендации к практическому использованию соответствующего «метода».

Вместе с тем, известно, что выработка электрической и тепловой энергии на ТЭЦ осуществляется в двухпродуктовом (теплофикационном, когенерационном, комбинированном) цикле в интервале заданных (известных) температур (параметров). Не должно вызывать сомнения и то, что законы преобразования энергии остаются неизменными в любых процессах, в том числе - в двухпродуктовом цикле. Если учесть, что энергетическая эффективность, как экономическая категория технологического процесса (термодинамического цикла), есть функция его температур (параметров), то становится очевидным, что проблема «распределения» заключается в поиске соотношений для расчета оценок эффективности: 1. двухпродуктового цикла в целом, 2. производства в нем электроэнергии, 3. теплоты (работоспособной части теплоты, отпускаемой потребителю), - как функций параметров данного цикла.

Исследование показало [5, 6], что корректное решение каждой из перечисленных трех задач требует предварительно ответа на вопрос о существенном и термодинамически объяснимом отличии двухпродуктовой схемы энергопроизводства от однопродуктовой, т.к. известно, что, при отсутствии внешних (видимых) отличий в изображениях соответствующих циклов в диаграмме h-S или T-S, двухпродуктовая схема (цикл) более эффективна, т.е. обеспечивает экономию топлива. Тем самым вопрос о существенном отличии схем сводится к вопросу о физической (термодинамической) природе экономии топлива. Проще, требуется ответ на вопрос: имеет ли место и каким образом формируется экономия топлива, если двухпродуктовая схема (ТЭЦ) работает изолированно от энергосистемы?

Уместно напомнить, что наиболее известное толкование природы экономии основано на «физическом» представлении о термодинамических особенностях комбинированного цикла и свойствах вырабатываемых видов энергии и отражено, соответственно, в «физическом» методе распределения затрат. Согласно данному представлению электроэнергия вырабатывается без потерь первичной энергии в холодный источник, а теплота, отпущенная тепловому потребителю, используется полностью; как следствие - КПД ТЭЦ (или некорректно подменяющий его «коэффициент использования топлива» [7]) и, соответственно, эффективность производства каждого вида энергии всегда, независимо от параметров отбираемого пара, оказываются равными (близкими - в реальных установках) 1. Отсутствие корректных соотношений для расчета КПД вызвало необходимость использования в практике понятий «замещаемых» или «замещающих» КЭС и котельных, и, соответственно, оценок эффективности данных установок для расчета экономии топлива на ТЭЦ, как косвенного показателя ее эффективности. Тем самым, эффективность ТЭЦ поставлена в зависимость от эффективности работы других установок, технологически не связанных с ТЭЦ. Последнее, очевидно, предопределяет условность получаемых численных значений экономии топлива. Таким образом, некорректность соотношений для оценок эффективности и экономии представляет собой следствие противоречия представления, положенного в основу «физического» метода, второму началу термодинамики, согласно которому электроэнергия не может быть выработана без компенсации, а теплота не может быть полностью использована.

Согласно «эксергетическому» методу каждая единица работы, выводимая из теплофикационного цикла (в виде электроэнергии и работоспособной части теплоты, отпускаемой тепловому потребителю), вырабатывается с одной и той же эффективностью («как по конденсационному циклу»), независимо от параметров отбираемого пара. Вместе с тем, очевидно, что, при фиксированных начальных и конечных параметрах цикла, электроэнергия вырабатывается всегда в более высоком интервале температур (при более высокой средней температуре преобразования), а работоспособная часть отпускаемой теплоты в более низком. При этом, согласно теории циклов, эффективность производства электроэнергии должна быть выше, а работоспособной части теплоты - ниже [7, 8]. Таким образом, оценки эффективности, полученные на основе «эксергетического» метода, также не отражают второго начала термодинамики, как и рассчитанные по «физическому», и, соответственно, не могут полагаться корректными.

Рисунок. Цикл преобразования энергии на ТЭЦ.

Источник экономии топлива

Рассматривается установка, в которой реализуется двухпродуктовый термодинамический цикл, изображенный на рисунке в координатах h-S. Условия: установка технически совершенна; затраты энергии на собственные нужды пренебрежимо малы; начальные (P1, t1 - давление, температура - точка 1 процесса) и конечные (Pк, tк - «прямая среды») параметры цикла фиксированы; параметры в противодавлении или в регулируемом отборе турбины (Pт, tт - точка 2) могут изменяться в пределах Р1 ? Рт ? Рк; hк, h?к - энтальпии, соответственно, влажного пара (точка 3) и воды (точка 4) на «прямой среды». Условно, для удобства изложения, принято, что низшая теплота сгорания топлива, как величина постоянная и не влияющая на ход дальнейших рассуждений, равна 1; тогда количество подведенной в цикл теплоты оказывается эквивалентным количеству сожженного топлива.

Для дальнейшего изложения представляется необходимым отметить следующее.

1. Термин «эксергия» используется лишь как более удобный, как синоним терминов «работа», «работоспособная часть» или «чистая» энергия (продукция), под каждым из которых понимается энергия, которая может быть полностью использована потребителем. Употребление термина «эксергия» не означает применения «эксергети-ческого» метода. Данный термин и, соответственно, «метод», согласно обоснованному мнению, сформулированному в [8], не вносит какого-либо нового содержания в анализ процесса; любой метод анализа эффективности процесса преобразования энергии требует, согласно второму началу термодинамики, четкого разделения подведенной теплоты на работоспособную (эксергия) и неработоспособную (анергия) части.

2. Так как цикл Карно является образцом для любых циклических процессов, то динамика оценок эффективности, в том числе, экономии топлива, рассчитанная как функция абсолютных температур данного цикла, будет адекватной и для произвольного цикла. На данном основании в дальнейшем формулы для расчета оценок эффективности, в том числе, экономии топлива, приводятся как в виде соотношений различных частей баланса энергии рассматриваемой установки, так и в виде соотношений абсолютных температур цикла Карно.

Цель реализации анализируемого цикла -получение двух видов «чистой» продукции: эк-сергии Еэ, которая выводится из установки в виде электроэнергии Nтф или Этф - мощности или выработки на тепловом потреблении; и эксер-гии Ет, которая выводится из установки в составе отпускаемой потребителю теплоты Qот.

Баланс энергии установки представим в виде:

B = Q = Е+А=Eэ+Ет+A = Еэ+Qот, (1)

где B, Q - количество первичной энергии (топлива B, теплоты топлива Q), подведенное в цикл; Е=Еэ+Ет - общее количество работы, полученное в цикле; А - анергия или потеря первичной энергии в холодный источник (теплота рабочего тела, достигшего температуры холодного источника - точки 3 процесса - не может быть использована, согласно второму началу термодинамики, ни для получения другого вида энергии, ни для нагрева другого тела).

В первом приближении для оценки эффективности цикла вполне корректно принять соотношение в виде:

зТЭЦ=(Eэ+Ет)/(Е+A) = E/B, (2)

которое трудно опровергнуть. Данное соотношение именуется «эксергетическим» КПД, и, по существу, представляет собой оценку эффективности однопродуктового цикла по производству электроэнергии Nтф=E (при Рт=Рк, Ет=0 -ТЭЦ превращается в КЭС) или Ет = Е (при Рт=Р1 Еэ=0 - ТЭЦ превращается в котельную); причем значение КПД остается неизменным при любых соотношениях Nтф, Ет и Е=const. Действительно, «процесс не знает», что Еэ и Ет будут выведены из цикла как разнородные виды энергии.

Аналогично (4) и (5) представим выражения для общих затрат и количества отпускаемой потребителю теплоты в символах, позволяющих различать полезную и бросовую части энергии:

В = Е+А=Еэ+Ет+Аэ+Ат, (6)

Qот=Ет+А=Ет+Аэ+Ат. (7)

Выше было отмечено, что «процесс не знает…»; однако, известно, что электроэнергия, расход топлива на которую составляет (4), выводится из цикла в «чистом» виде, без Аэ. Вместе с тем, «чистая» продукция Ет может существовать и быть доставлена тепловому потребителю только в составе теплоты Qот, т.е. в сумме (7). Из сопоставления (4) и (7) следует, что анергия Аэ, выполнив однажды свою функцию (сопроводив производство электроэнергии), вторично входит составляющей частью в отпускаемую потребителю теплоту Qот, обеспечивая заданное качество этой теплоты, т.е. ненарушимость соотношения зeт=Ет/Qот=Ет/(Ет+Аэ+Ат) или содержание эксергии в ней, а также сохранение общего баланса энергии (6).

Так как анергия A (или любая ее часть - Аэ, Ат) представляет собой безвозвратную потерю первичной энергии в холодный источник, то феномен двойного функционирования Аэ правомерно полагать факторам экономии первичной энергии (?B): безвозвратно утраченная часть первичной энергии, т.е. Аэ, оставаясь таковой, обеспечивает (в составе A=Аэ+Ат) заданное качество теплоты Qот или получение Ет с параметрами теплоносителя, заданными тепловым потребителем. Это с одной стороны означает, что получение Qот в совместной схеме не требует сжигания топлива в количестве ?B, эквивалентном Аэ; с другой, очевидно, что существование Аэ, как части А, и ее толкование как экономии топлива, корректно лишь в случае, когда одновременно с Ет (Qот) производится электроэнергия Еэ (Nтф). Отсюда следует: если бы часть анергии (Аэ) не функционировала дважды, то на производство Nтф и Ет (Qот) с КПД зТЭЦ потребовалось бы топливо в количестве, эквивалентном B? = В+?B = Е+А+Аэ, т.е. в количестве B?>В. Иными словами, в любой схеме энергопроизводства, в которой отсутствует двойное функционирование части анергии, выработка Этф и Qот (Ет) потребует увеличения общих затрат топлива на ?B.

Важно заметить, что в графическом изображении процесса величина ?B (Аэ) не может быть представлена локально (в виде отрезка в диаграмме h-S или площади - в T-S), т.к. она в балансе энергии не участвует. Наоборот, разнородность выводимых из цикла видов энергии создает (формирует) экономию, уменьшая затраты топлива в данной установке «путем» двойного функционирования Аэ, которое также не может быть отображено графически, т.к. разнородность является прерогативой представления (сознания) о технических свойствах энергии, но не диаграммы состояния рабочего тела («…процесс не знает…»).

Таким образом, если полагать доказанным существование раскрытого выше феномена, то ?B правомерно рассматривать как дополнительный реальный эффект совместного производства электроэнергии и теплоты, который формируется на топливном складе данной ТЭЦ и не связан с эффективностью работы других установок энергосистемы.

Расчетные формулы

Экономия топлива (или численно равная ей величина Аэ) может быть многообразно выражена через другие величины, составляющие баланса энергии установки, в том числе, она может быть представлена как функция электрической или тепловой нагрузки. Ниже приводится одно из выражений, которое представляется наиболее удобным в изложении статьи:

?B = Eэ.(1-зТЭЦ)/зТЭЦ, (8)

в символах абсолютных температур цикла Кар-но (двухпродуктового):

?B=T2.(T1-Tт)/(T1-T2), (9)

где Tт - абсолютная температура рабочего тела (теплоносителя), направляемого тепловому потребителю (T1 ?Tт?T2).

Если соотношение (8) записать в виде ?B.зТЭЦ=Eэ.(1 -зТЭЦ), то становится понятно, что левая часть равенства представляет собой количество «чистой» энергии (эксергии), которое может быть получено в рассматриваемом цикле (с КПД зТЭЦ) за счет сэкономленного топлива. Данный результат открывает возможность оперировать в анализе эффективности не только экономией топлива, но и величиной «чистого» эффекта (эффекта совместности - эксергией ?Е), численное значение которого оказывается также известным:

?Е=Eэ.(1-зТЭЦ) (10)

или ?Е=(T2/T1).(T1-Tт). (11)

Анализ содержания соотношений (8, 10) и (9, 11) позволяет легко, без проведения специальных расчетов, установить, что величины ?B и ?Е адекватно реагируют на изменение любого параметра цикла. Так, со снижением параметров пара в отборе или противодавлении турбины (Рт>Рк, Тт>Т2, что равносильно увеличению Еэ) величины ?B, ?Е возрастают и принимают максимальные значения при Рт бесконечно близком к Рк (последнее согласуется с существующим представлением о повышении эффективности теплофикационного цикла с понижением параметров отбираемого пара). При строгом равенстве, - Рт=Рк, Тт=Т2, - ТЭЦ превращается в КЭС: Еэ=Е=Экн, Ет=0. В данном крайнем случае теплота (Qот=Аэ=А) «отпускается» с параметрами холодного источника и не может быть использована потребителем; анергия Аэ=A полностью относится на производство электроэнергии и утрачивает смысл экономии.

При Рт=Р1 (Тт=Т1) ТЭЦ превращается в котельную (Ет=Е, Еэ=0, Qот=Q) с КПД по производству Ет, который определяется соотношением зeт=Ет/Qот=Е/Q=зТЭЦ; при этом величины ?B, ?Е обращаются в нуль.

Формулы для расчета экономии топлива и эффекта совместности в реальной теплофикационной установке (двухпродуктовом цикле) принимают вид (Nтф в МВт):

?B = 123Nтф.(1 -зту)/зТЭЦ, кг/ч.

При этом зту (КПД турбинной установки) и зТЭЦ рассчитываются по известным соотношениям:

зфг=(0,86Нфц+Еф)/Пфг>

где Qту - расход теплоты в турбинной установке (в теплофикационном цикле), Гкал/ч;

зТЭЦ = зту.зку.зтр,

где зку, зтр - КПД котельной установки и транспорта теплоты соответственно.

?Е=Nтф.(1-зту), МВт.

Величины Qту, Nтф, Ет рассчитываются согласно существующим методико-инструктив-ным положениям по известным параметрам схемы энергопроизводства. Очевидно, что знание начальных, промежуточных и конечных параметров теплофикационного цикла представляет собой непременное условие для корректного анализа его эффективности; установление этих параметров является прерогативой предварительного инженерного анализа схемы производства - потребления энергии.

Выводы

1. Предложенное объяснение термодинамической (физической) природы экономии топлива в схеме совместного производства электроэнергии и теплоты существенно отличается от традиционного.

Согласно существующему толкованию экономия образуется в результате замещения конденсационной выработки электроэнергии теплофикационной (и теплоты, вырабатываемой энергетическими котлами, теплотой отдельных котельных). При этом экономия для данной ТЭЦ, следовательно, и ее эффективность ставится в зависимость от эффективности других схем (циклов) энергопроизводства (КЭС, котельная), не связанных с ТЭЦ технологически. Подобный подход, неадекватно отражая специфику ТЭЦ, усложняет и смысловую, и расчетную части анализа и вносит элемент неопределенности (субъективности) в конечный результат, т.к. в общем случае для выбора «замещающей» КЭС или котельной отсутствует достаточное обоснование.

Согласно предложенному объяснению экономия формируется в схеме данной ТЭЦ как результат двойного функционирования части анергии и не зависит от эффективности работы других установок энергосистемы. Тем самым, теория и практика проблемы освобождается от зыбкого понятия «замещаемой» («замещающей») мощности. Данная основа обеспечивает корректность и однозначность численному значению экономии, следовательно, и оценке эффективности конкретной ТЭЦ.

2. Предложенные формулы для расчета экономии топлива и эффекта совместности («чистой» энергии) наглядны и просты в практическом приложении, не требуют дополнительной информации (в том числе, об эффективности работы других установок энергосистемы); динамика экономии, как функция параметров схемы энергопроизводства, не противоречит началам термодинамики, что определяет целесообразность практического использования данных формул.

Литература

1. Андрющенко А.И. О разделении расхода топлива и формировании тарифов на ТЭЦ // Теплоэнергетика. № 8. 2004. С. 77-78.

2. Яковлев Б. В. Распределение топливных затрат на электрическую и тепловую энергию, производимую на ТЭЦ// Новости теплоснабжения. № 3. 2006. С. 29-33.

3. Пиир А.Э., Кунтыш В.Б. Определение показателей тепловой и экономической эффективности ТЭЦ без разделения расхода топлива и оборудования по видам продукции // Теплоэнергетика. № 5. 2006. С. 66-69.

4. Вопросы определения к. п.д. теплоэлектроцентралей / Сб. статей. Под общей ред. акад. А.В. Винтера. М.; Л.: Госэнергоиздат. 1953. 174 с.

5. Цоколаев И.Б., Галянт И.И., Межерицкий С.М. Рациональный метод распределения топлива на ТЭЦ// Теплоэнергетика. №7. 1991. С. 60-62.

6. Цоколаев И. Б. Оценка энергетической эффективности совместного производства электроэнергии и теплоты: Автореф. дисс. … докт. техн. наук. Ташкент, 2005.

7. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. М.: Энергия. 1974. С. 346-349.

8. Вукалович М.П., Новиков И. И. Термодинамика. М.: Машиностроение, 1972. С. 19-23, 46-63, 520-525.

Размещено на Allbest.ru