Анализ эффективности источников электрической и тепловой энергии с учетом удельных расходов топлива

Размещено на http://www.allbest.ru/

АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ И ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ С УЧЕТОМ УДЕЛЬНЫХ РАСХОДОВ ТОПЛИВА

Постолатий В.М., Быкова Е.В.

Институт энергетики АНМ

Аннотация. Разработан методический подход к оценке удельных расходов энергии первичного топлива на выработку электрической и тепловой энергии на различных типах энергетических установок. Предложен метод приведения электрической энергии к тепловым единицам измерения. Проведен анализ изменения удельных расходов на общую выработку энергии при изменении долевого соотношения электрической и тепловой энергии в общем количестве произведенной энергии. Показаны преимущества применения парогазовых установок для комбинированного производства электрической и тепловой энергии.

Ключевые слова: удельные расходы первичной энергии топлива, конденсационные станции, газотурбинные установки, парогазовые установки.

расход энергия первичный топливо

Rezumat. Este elaboratг o abordare metodicг a evaluгrii consumului specific de energie a combustibilului primar pentru elaborarea energiei electrice єi termice pentru diferite tipuri de centrale electrice. Este propusг o metodг de reducere a energiei electrice la unitгюile de mгsurг termice. Este efectuatг o analizг a schimbгrilor costurilor specifice pentru producerea totalг a energiei la modificarea raportului energiei electrice єi termice оn valoarea totalг a energiei produse. Sunt arгtate avantajele utilizгrii ale plantelor electrice cu ciclu combinat pentru producerea combinatг a energiei electrice єi termice.

Cuvinte-cheie: consumul specific de energie primarг, turbine cu gaz cu condensare, ciclu combinat.

Abstract. Methodological approach to the evaluation of specific energy consumption of the primary fuel for electricity and heat for the various types of power plants is designed. Method of reduction electrical energy to a thermal unit is offered. Analysis of changes specific energy consumption for different shares of electric and heat energy in the total production of energy is held. Advantages of combined cycle power plants are shown.

Keywords: specific consumption of primary energy, condensing power plants, gas turbines, combined-cycle plants.

Введение. В качестве возможных вариантов источников электрической и тепловой энергии могут быть приняты к рассмотрению:

-тепловые электростанции (ТЭС), на которых вырабатывается только электроэнергия с использованием паросилового цикла и конденсационного режима турбин;

-тепловые электроцентрали (ТЭЦ) для комбинированной выработки электрической и тепловой энергии с использованием паросилового цикла c теплофикационными отборами тепла;

- газотурбинные установки (ГТУ) для выработки электрической энергии с утилизацией тепловых выбросов;

- парогазовые установки (ПГУ) для комбинированной выработки электрической и тепловой энергии, включающие в свой состав газотурбинные установки (ГТУ), а также паровые турбины при их работе в конденсационном режиме и с промежуточными отборами пара для теплоснабжения;

-обычные водогрейные котельные для выработки только тепловой энергии.

Технико-экономический эффект, который может быть получен за счет применения комбинированной выработки электрической и тепловой энергии [1], возможно оценить только при вполне определенных конкретных расчетных условиях и соотношениях потребностей в электрической и тепловой энергии для потребителей. Именно в разности величин к.п.д. котельных [2], где вырабатывается только тепловая энергия при высоком к.п.д. (до 80-90 %), и к.п.д. ТЭС, где производится только электрическая энергия при значениях к.п.д. до (33-35) %, заключается резерв по повышению эффективности использования газообразного топлива при необходимости выработки электрической и тепловой энергии. Обоснование целесообразности выбора того или иного типа источника может быть выполнено на основании расчета суммарного к.п.д., который может быть достигнут при заданном соотношении потребной электрической и тепловой энергии.

Целью настоящей работы является сопоставление значений удельных расходов на производство электрической и тепловой энергии на различных установках в зависимости от долевого соотношения вырабатываемой ими электрической и тепловой энергии.

Постановка задачи. Выбор типа системы энергоснабжения (электро- и теплоснабжения) следует делать на основе анализа баланса потребностей энергии и их видов в общем потреблении. Так как потребителям нужна и тепловая и электрическая энергия, то надо искать способы рационального получения той и другой энергии, учитывая затраты на ее производство и фактические значения к.п.д. Затраты на выработку должны включать текущие, эксплуатационные затраты, стоимость топлива и др., а также капитальные вложения, приведенные к одинаковым временным расчетным условиям. Стоимость топлива должна включать транспортные расходы и его фактическую калорийность (теплоту сгорания).

Анализ составляющих затрат при производстве энергии. На этапе предварительного технико-экономического обоснования строительства тепловых электростанций малой мощности можно ограничиться учетом следующих составляющих:

- топливной составляющей (стоимости топлива и его калорийности);

- капитальных затрат, приведенных к одному году;

- транспортных затрат (наличие железных дорог, газопроводов и др.);

- соотношений к.п.д. установок;

- другие затраты, если они специфичны для выбранного цикла (например, затраты на ремонт, если они существенно отличаются от затрат на ремонт других типов установок, учет долговечности и технического ресурса основного оборудования и др.).

Дальнейший методический подход основан на принятии условия необходимости удовлетворения запросов потребителей, как в электрической, так и тепловой энергии. Принимается условие, что закупается определенное количество топлива (энергоносителя) для выработки электрической и тепловой энергии. Рассматривается энергоноситель - природный газ. Все дальнейшие рассуждения ведутся применительно к газу.

Энергия, извлекаемая при сжигании газа, является главной расчетной величиной. Первичной является тепловая энергия

Q = С_т · V,

где С_т - теплота сгорания газа (ккал/м³), для разных газов она имеет различные значения ;

V - объем сжигаемого газа (м³).

Для усредненных расчетов теплота сгорания природного газа в дальнейшем принята равной величине низшей теплоты сгорания метана, составляющей 8555 ккал/м³. С учетом того, что удельный вес метана равен 0,78 кг/м³ (1 кг газа соответствует 1/0,78=1,282 м³ газа), теплота сгорания 1 кг газа будет равна 10 968 ккал/кг.

В большинстве случаев электроэнергия вырабатывается на электростанциях конденсационного типа. Например, в Молдавской энергосистеме наиболее крупным производителем электрической энергии является Молдавская ГРЭС, работающая в конденсационном режиме.

Потребители покупают электроэнергию по тарифам, составленным с учетом себестоимости производства электроэнергии, которая в свою очередь в основном определяется величиной топливной составляющей (Тээ). Топливная составляющая достигает величины 80 % от себестоимости производства электроэнергии. Часть потребителей, расположенных в крупных городах, в которых имеются теплоэлектростанции (ТЭЦ) (например, в Кишиневе и Бельцах), получают тепловую энергию от данных ТЭЦ, работающих по теплофикационному циклу (с промежуточными отборами пара для подогрева сетевой воды системы централизованного отопления и горячего водоснабжения).

При комбинированной выработке электрической и тепловой энергии на ТЭЦ, при сложившихся пропорциях производства электрической и тепловой энергии (при приведении их к одному виду энергии), суммарно достигается снижение себестоимости около 15-20 % по сравнению с раздельным производством тех же количеств электрической энергии на конденсационных станциях и тепловой энергии на водогрейных котельных.

Теплофикационные циклы имеют, несомненно, преимущество перед конденсационными. Однако большинство потребителей тепловой энергии получают ее от обычных котельных с водогрейными или паровыми котлами при использовании на них в качестве топлива природного газа, являющегося высококалорийным топливом, температура сгорания которого достигает более 1000°С. К.п.д. водогрейных и паровых котлов достаточно высок. Его величина может достигать 0,8-0,9. Если предположить, что потребитель нуждается только в тепловой энергии, то, очевидно, что для него следует предусматривать котельные с водогрейными или паровыми котлами.

Другой крайний случай может иметь место, если потребитель не нуждается в тепловой энергии, а нуждается только в электрической энергии. Тогда для ее выработки необходимы соответствующие технологические циклы и энергетическое оборудование, которое обеспечит выработку только электроэнергии. Для выработки электрической энергии могут использоваться конденсационные паросиловые установки, или газотурбинные, или парогазотурбинные. Парогазотурбинные установки (ПГУ) являются наиболее экономичными. Чисто газотурбинные установки могут иметь к.п.д. на уровне 24-36%, паросиловые, как уже отмечалось, на уровне 33-35%. При применении парогазотурбинных циклов выработки электрической энергии к.п.д. могут достигать значений 47-53%, а при утилизации тепловых выбросов- и более высоких значений( более 60%).

В ПГУ, как известно, продукты сгорания газа из газовой турбины при температуре 420-550°С направляются в котлы-утилизаторы, где они отдают свое тепло на парообразование в паросиловом цикле. В котлах-утилизаторах может быть предусмотрено дополнительное сжигание топлива для обеспечения необходимых параметров пара по условиям работы паровой турбины, осуществляющей в паросиловом цикле производство дополнительной электроэнергии, а, при промежуточных отборах пара, и тепловой энергии для систем теплоснабжения.

Ниже проведен количественный анализ зависимости удельных расходов энергии первичного топлива электростанций различных типов при изменении соотношений вырабатываемой электрической и тепловой энергии.

Предположим, что электротеплоэнергетической установкой произведена электрическая энергия (Эээ), приведенная к тепловым единицам измерения, и тепловая энергия (Э тэ). Их сумма составляет:

Э_У=Э _ээ+Э _тэ (1)

Введем обозначения:

D ээ= Э ээ/ Э_У

D тэ= Э тэ/ Э_У , (2)

где D ээ- доля электрической энергии в общем объеме выработанной энергии;

D тэ -доля тепловой энергии в общем объеме выработанной энергии;

Очевидно, что

D ээ+ D тэ=1 (3)

Из выражений (2) следует:

Э_ээ = Э_У * D ээ (4)

Э_тэ = Э_У *D тэ (5)

На производство общего объема энергии затрачено топливо, общее количество которого, выраженное в тепловых единицах, определяется соответствующей суммой:

Qт=Q т ээ+Q т тэ, (6)

где Q т ээ- количество тепловой энергии топлива, затраченное на производство электрической энергии;

Q т тэ- количество тепловой энергии топлива, затраченное на производство тепловой энергии.

Различные энергетические установки характеризуются своими удельными расходами топлива (первичной энергии топлива) на выработку электрической (q ээ) и тепловой энергии (q тэ) .

Удельный расход топлива на выработку единицы энергии служит основой для определения к.п.д. энергоустановки, который, по существу, является отношением величины полезно используемой части энергии топлива на выработку единицы энергии к общей при этом затраченной.

Установим связь между к.п.д. и удельными расходами топлива на выработку энергии. В качестве топлива принимаем (кг.у.т.) с теплотворной способностью 7000 ккал/кг.

При различных значениях к.п.д. энергоустановок в полезную энергию (Э_пол) из 1 кг.у.т. превращаются следующие величины энергии:

При к.п.д.=0,8 (котельные) - Э_пол = 7000·0,8=5600 ккал;

При к.п.д.=0,35 (ТЭС) - Э_пол = 2450 ккал;

При к.п.д.=0,36 (ГТУ) - Э_пол = 2520 ккал;

При к.п.д.=0,6 (ПГУ) - Э_пол = 4200 ккал.

Выражение (6) с учетом различных к.п.д. электроэнергетических установок по производству электрической и тепловой энергии можно записать в следующем виде:

Qт= (Э т ээ / N ээ) + (Э т тэ / N тэ ) , (7)

Где Э т ээ- произведенная электрическая энергия, приведенная к тепловым единицам измерения;

Э т тэ- произведенная тепловая энергия;

N ээ- к.п.д. энергетической установки при выработке электрической энергии;

N тэ-к.п.д. энергетической установки при выработке тепловой энергии;

Выражение (7) с учетом (4-5) примет следующий вид:

Qт= Э_У *((D ээ / N ээ) +(D тэ / N ээ )) (8)

Из выражения (8) можно получить выражение среднего удельного расхода энергии первичного топлива (q ср), затрачиваемого на выработку единицы приведенной энергии:

q ср= (Qт/ Э_У )= (D ээ / N ээ) +(D тэ / N ээ ) (9)

Как видно из полученного выражения, средняя величина энергии первичного топлива, затрачиваемого на выработку приведенной к единым единицам измерения энергии, зависит от электрического и теплового к.п.д. энергоустановки и долевого соотношения вырабатываемой электрической и тепловой энергии.

Физический смысл выражения (9) становится ясным, если принять крайние случаи: 1-ый при D_ээ=0, или 2-ой при D_тэ=0. При D_ээ=0 осуществляется выработка только тепловой энергии при к.п.д. N_тэ. В этом случае q_ср есть не что иное как удельный расход топлива на выработку тепловой энергии при к.п.д. теплового цикла N_тэ. При D_ээ=1 - осуществляется выработка только электрической энергии, и q_ср - представляет собой удельные затраты топлива с учетом к.п.д. (N_ээ) цикла электростанции, вырабатывающей только электроэнергию.

При комбинированной выработке электрической и тепловой энергии часть тепловой энергии в термодинамическом цикле превращается в механическую, а затем в электрическую (турбина-электрогенератор), а оставшаяся часть тепловой энергии отдается внешнему потребителю для теплоснабжения.

Количество тепла, полезно превращаемое в электрическую энергию, зависит от типа электроустановки и ее к.п.д. Для обычных ГТУ величина к.п.д. не превышает 36 %, для паротурбинных установок - не более 35 %; для парогазотурбинных установок - до 60 % и более.

Выражение (9), в зависимости от величины к.п.д. N_ээ и N_тэ, характеризует величину удельного расхода топлива на единицу приведенной тепловой энергии, состоящей из доли электрической энергии, приведенной к размерности тепловой энергии, и доли тепловой энергии.

Для различных исходных данных были выполнены расчеты при изменении соотношения долей вырабатываемой электрической и тепловой энергии (D_ээ/ D_тэ). В расчетах также принято условие, что D_ээ+D_тэ=1. Если задается D_ээ, то D_тэ=1- D_ээ; а если задается Т_тэ, то D_ээ=1-D_тэ.

Полученные результаты расчетов позволили построить соответствующий график. На рис. 1 показаны зависимости среднего удельного расхода первичной энергии топлива на выработку единицы приведенной энергии для принятых исходных данных:

1) электрического к.п.д. паросилового цикла N_ээ=0,33 и к.п.д. теплового цикла N_тэ=0,9;

2) электрического к.п.д. ПГУ N_ээ=0,6 и к.п.д. теплового цикла на котельных N_тэ=0,9;

Как следует из приведенных зависимостей, при увеличении доли вырабатываемой электрической энергии по отношению к тепловой, величина удельного расхода топлива возрастает. Из приведенных зависимостей видно, что минимальные удельные расходы топлива на выработку единицы приведенной энергии обеспечиваются на установках типа ПГУ

Это свидетельствует о том, что, при прочих равных условиях, если необходимо обеспечить потребителей одновременно электрической и тепловой энергией, целесообразно применение установок комбинированной выработки электрической и тепловой энергии- парогазовых установок (ПГУ), а также теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) с использованием теплофикационного цикла.

Рис.1. Зависимость среднего удельного расхода первичной тепловой энергии топлива на выработку единицы суммарной энергии: электрической на ТЭС при к.п.д.=0.3 и ПГУ с к.п.д.=0,6, приведенной к тепловым единицам измерения, и тепловой энергии на котельных при к.п.д. =0.9 от их доли (Dээ- электрической и Dтэ- тепловой ) в общей энергии, о.е.

Выводы

1. Приведенные результаты являются иллюстрационными. Они показывают общую качественную картину. Их полезность состоит в том, что они наглядно показывают, какой установке или какому технологическому режиму следует отдать предпочтение в зависимости от того, в каком соотношении потребителям требуется электрическая и тепловая энергия. Сопоставление различных циклов показывает, что наиболее экономичным является применение парогазовых установок, работающих в теплофикационном режиме. Однако и для ПГУ имеют место безвозвратные потери тепловой энергии. Для дальнейшего повышения к.п.д. необходимо обеспечивать увеличение отвода тепла в термодинамическом цикле и осуществлять более глубокий отбор тепла от уходящих продуктов сгорания, выбрасываемых в атмосферу.

2. Выполненная работа и полученные результаты могут послужить основой для дальнейших практических работ по обоснованию проектирования и строительства на территории Республики Молдова высокоэффективных теплоэлектростанций, работающих на природном газе и обеспечивающих комбинированную выработку электрической и тепловой энергии с высоким суммарным к.п.д.

Литература

1. Л.А. Мелентьев. Научные основы теплофикации и электроснабжения городов и промышленных предприятий. Избранные труды. Москва, «Наука», 1993 г., 364 с.

2. К.Ф. Роддатис, А.Н. Полтарецкий. Справочник по котельным установкам малой производительности. Под ред. проф. К.Ф. Роддатиса. Энергоатомиздат. Москва, 1989 г., 487 с.

Размещено на Allbest.ru