Теоретичні основи енергоекономічного аналізу сполучених систем генерації електричної енергії і теплоти

Значення коефіцієнтів надлишку повітря варіювалися у межах 2-5 для газотурбінних установок, 1-3 - для поршневих установок. Відношення тисків та ступеню стиску варіювалися у межах 5-30. Модельне паливо КГТУ та КГПУ - метан, КДУ - стандартне дизельне пальне. Розрахункові залежності ККД граничних циклів двигунів внутрішнього згоряння від відношень тисків або ступеню стиску за різними значеннями коефіцієнтів надлишку повітря за стандартними умовами наведені на рис. 8-10 у порівнянні з аналогічною залежністю для граничного ККД циклу Ренкіна.

Визначено, що ККД граничного циклу газових двигунів з похибкою до 1% визначаються емпіричною логарифмічною залежністю вигляду: , де - постійні коефіцієнти типу циклу, залежні від коефіцієнту надлишку повітря.

Для газотурбінних установок розрахунок ККД граничного циклу може виконуватися за аналітичною залежністю, що враховує зміни температури повітря:

з_o =1-ln(1+q)/(р^г*q),

де q=(B*Q_н^р)/(G*T₂)- безрозмірний параметр циклу; T₂- теоретична температура стиску. що обчислюється за формулою: T₂=T₁-р^m, де m=0,2817-3*10^-6*t_a-4*10^-4*р+ +4*10^-6*р².

Надано методику обчислення граничних ККД когенераційних установок прямого перетворення енергії. Зокрема, для термоелектричного перетворювача ККД граничного циклу визначається за формулою: з_o=1-T_a/T_г, де T_г - температура теплосприймаючого спаю термоелементу, для електрохімічного перетворювача - ККД струмостворюючої реакції за параметрами довкілля.

Встановлена придатність теорії граничних ККД для аналізу складних (бінарних) установок, що використовують теплоту первинних циклів для вторинного виробництва електричної енергії і теплоти.

П'ятий розділ роботи присвячений розробці теоретичних основ прикладного енергетичного та економічного аналізу сполучених систем генерації як складової частини ПЕК країни.

Оскільки сполучені системи суміщеної генерації належать до двох самостійних виробничих галузей ПЕК - електроенергетики та теплопостачання, оцінка їх ефективності повинна здійснюватися за показниками цільового призначення, що діють у кожній галузі. Це потребує умовного розділення (декомпозиції) систем спільної генерації на відповідні однопродуктові складові. На основі аналізу вартісних показників технологічних процесів комбінованого виробництва встановлено, що на рівні макроекономічного аналізу галузей ПЕК паливна складова виробничих витрат на одержання цільових продуктів, як і обсяги викидів шкідливих та парникових газів, повинні розділятися між видами товарної продукції так само, як і відповідні витрати палива. За відсутню інших пропозицій та згідно чинної практики, цей принцип розповсюджено у роботі на інші статті виробничих витрат.

На підставі цього запропоновано загальну форму моделі декомпозиції, що може використовуватися для проведення енергетичного, економічного та екологічного аналізу галузей ПЕК:

; ,

де Z - сумарне (фактичне або розрахункове) значення ресурсу або емісії шкідливої речовини, пов'язане з функціонуванням системи спільної генерації. Поділ на галузеві складові дозволяє визначити пріоритетність використання тієї чи іншої технології спільної генерації за критерієм мінімуму витрат ресурсу та/або емісії шкідливих речовин на одиницю продукції відповідної галузі. При цьому питомі витрати енергії, коштів або викиди на одиницю продукції кожного виду повинні бути меншими, ніж у кращих аналогів, що існують у кожній галузі. Зазначений диференційний підхід до оцінювання спільної генерації є більш жорстким, ніж традиційні оцінки за сумарним ефектом у обох галузях, однак він більш повно відповідає ринковим принципам функціонування ПЕК.

У роботі наведено результати порівняльних оцінок технологій комбінованого виробництва за показниками теплової економічності, включаючи існуючі паротурбінні ТЕЦ різних ступенів початкових тисків пари, газотурбінні, газопоршневі, дизельні та парогазові технології.

З використанням термодинамічного методу виконано обчислення питомих витрат палива нетто на виробництво електричної енергії і теплоти існуючими ТЕЦ (на тиски 3,33 - 24,5 МПа) за фактичними даними їх роботи на протязі календарного року та їх порівняння з відповідними показниками конденсаційних ТЕС та котельних. Відзначено, що термодинамічний підхід до оцінки ефективності ТЕЦ віддзеркалює не тільки переваги комбінованого виробництва електричної енергії і теплоти перед роздільним їх виробництвом на КЕС та котельних, але й вплив технологічного прогресу у галузі комбінованого виробництва на зростання його ефективності.

Одержані дані вказують на те, що існуючі паротурбінні ТЕЦ на тиски пари 12,8 МПа та 24,5 МПа мають значні конкуренті переваги перед котельними та КЕС.

Встановлено, що фактичні значення КТЦ паротурбінних ТЕЦ всіх ступенів початкового тиску з відпуску теплоти з гарячою водою коливаються у межах 0,3, а з відпуску технологічної пари - у межах 0,4.

Оцінки ефективності газотурбінних технологій когенерації виконувалися за наявними даними світового парку таких установок. Встановлено, що КТЦ теплоти, що може відпускатися такими установками для потреб теплопостачання, коливаються у межах 0,55 .

Характерна залежність показників теплової економічності брутто ГТУ-ТЕЦ від рівня технологічної досконалості (температура газів перед турбіною) ілюструється на прикладі модельного ряду когенераційних установок НВП “Зоря-Машпроект” (табл. 1).

Наведені дані показують, що ефективність ГТУ ТЕЦ із виробітку електричної енергії і теплоти зростає із збільшенням початкових температур газів та КВП.

Таблиця 1. Розрахунок показників теплової економічності брутто когенераційних ГТУ (НВП “Зоря-Машпроект”) у номінальному режимі.

Характерні результати розрахунку показників газопоршневих когенераційних установок на природному газі, метані звалищ та біогазі термодинамічним методом за даними провідних фірм виробників у діапазонах електричної потужності 10 - 100 кВт (фірма FG Wilson) та 300 - 700 кВт (фірма DEUTZ) за однакових значень КВП = 0,8 представлені на рис. 13.

Характерні значення КТЦ для КГПУ складають 0,7, зменшуючись із зростанням номінальної електричної потужності. Ефективність газопоршневих установок суттєво залежить від ступеню утилізації теплоти. У разі утилізації тільки теплоти вихлопу характерні значення питомої витрати палива на виробіток електричної енергії становлять для таких установок 250 - 270 г у.п./кВт.год, а на виробіток теплоти - 190 - 210 кг у.п./Гкал.

У цілому, за однаковим КВП з паротурбінними ТЕЦ, економічність когенераційних установок на базі ДВЗ з виробітку електричної енергії є більшою, а з виробітку теплоти з гарячою водою - меншою, ніж у паротурбінних ТЕЦ. Це пояснюється недовикористанням у таких установках термодинамічного потенціалу високотемпературного вихлопу. Підвищення ефективності когенерації на основі ДВЗ з виробітку теплоти з парою і гарячою водою можливе за рахунок впровадження утилізаційних електрогенеруючих установок паротурбінного циклу та газотурбінних і поршневих циклів Стірлінга. Впровадження каскадних установок такого типу призводить до зниження питомої витрати палива на відпуск теплоти за певного зростання питомої витрати палива на відпуск к електричної енергії.

Дослідження середньорічних значень теплової економічності когенераційних установок різних типів за фактичним графіками електричних і теплових навантажень існуючих паротурбінних ТЕЦ показали, що найбільш перспективними за показниками паливної ефективності є парогазові ТЕЦ з котлами-утилізаторами (КУ) без допалювання вихлопу та газопоршневі ТЕЦ.

Наведено структурну, енергетичну та економічну моделі електроенергетичної системи, що включає просторово суміщену та роз'єднану підсистеми системи сполученої генерації електричної енергії і теплоти.

Для вирішення задач системного аналізу та прогнозування розвитку систем електроенергетики та теплопостачання у роботі розроблено агреговані енергетичні та економічні моделі теплових електростанцій та установок комбінованого виробництва різних типів, що включають у себе: паливну характеристику B=B(E,Q); енергетичні характеристики та ; екологічні характеристики Vi=Vi(B) (і - умовний номер шкідливої речовини, Vi - обсяг її емісії); витратні характеристики (виробничі функції) С = С(E,Q), що враховують змінні та постійні складові виробничих витрат; рівняння поділу витрат між електричною і тепловою енергією. Параметри моделей паротурбінних ТЕЦ і КЕС уточнені на підставі аналізу фактичних показників роботи встановленого енергетичного обладнання ОЕС України.

На основі аналізу літературних даних запропоновані енергоекономічні моделі КЕС і ТЕЦ перспективних типів, а саме: парогазових ТЕЦ і КЕС на природному газі, вугільних ТЕЦ комбінованого виробництва на суперкритичні параметри пари (30 МПа, 600 - 620 ^оС).

Розроблені енергоекономічні моделі просторово розподілених систем сполученої генерації електричної енергії і теплоти на базі теплових насосів та теплофікаційних компресорів. Агреговану модель теплонасосної установки представлено функціональною залежністю споживаної електричної потужності від температур вилучення та передачі теплоти, що враховує витрати на транспорт низько- та високотемпературних теплоносіїв Зазначену модель доповнено рівняннями сезонних та добових коливань навантаження системи централізованого теплопостачання, що відтворюють фактичні навантаження систем теплопостачання житлово-комунального сектору. Аналогічним чином за результатами визначено модель теплофікаційного компресорної установки. Визначені необхідні та достатні умови економічної доцільності використання теплових насосів та теплофікаційних компресорів в умовах України.

Проведено порівняльний аналіз енергетичних та економічних характеристик суміщених та розподілених систем сполученої генерації у залежності від зовнішніх умов їх розвитку. Необхідні умови економічної доцільності використання зазначених систем визначені на прикладі енергоекономічного аналізу варіантів створення локальної системи тепло- та електропостачання. Встановлено, що відносна економія палива та коштів, що досягається за рахунок впровадження систем сполученої генерації, визначається їх властивостями та параметром зовнішніх цін

,

де: - ККД існуючих котельних; - ціни енергетичних еквівалентів електричної енергії та палива існуючих котельних.

Економічна ефективність просторово розділених сполучених систем, що виражається відносною економією коштів на їх функціонування порівняно з існуючою котельнею, із збільшенням параметру цін лінійно зменшується: , а просторово суміщених систем - лінійно зростає: , де - теплофікаційний коефіцієнт просторово суміщеної системи; - коефіцієнт перетворення просторово розділеної системи. Рівна економічність таких систем досягається за певним значенням параметру цін:

.

Можливі значення теплофікаційного коефіцієнту суміщених систем коливаються у межах (0,3 - 1), що відносяться до паротурбінних ТЕЦ низького тиску та парогазових ТЕЦ відповідно. Можливі значення коефіцієнту перетворення розділених систем змінюються у межах 3 - 5. Таким чином визначається певна зона рівної економічності систем сполученої генерації: 1,5 2,6, поза якої переважає та чи інша система.

На підставі цього розроблені рекомендації щодо раціонального вибору структури сполучених систем за даними прогнозу цін на електричну енергію та паливо.

Розглянуті питання використання розроблених моделей систем сполученої генерації у прогнозних дослідженням розвитку електроенергетичного комплексу.

Означені моделі доповнено прогнозними графіками добових та щомісячних електричних навантажень ОЕС України на перспективу до 2030 року, розроблених спільно з М. М. Куликом, П. П. Кобріним, типовими графіками теплових навантажень систем централізованого теплопостачання.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової проблеми об'єктивного визначення витрат енергії на одержання кожного з видів продукції сполучених процесів і систем генерації електричної енергії і теплоти, яка виявляється у неможливості прямих вимірювань означених витрат в умовах експлуатації, шляхом виявлення та теоретичного обґрунтування у рамках термодинамічного підходу загальних закономірностей та кількісних співвідношень, які визначають перехід приводної енергії у продукти її перетворення, що дозволило створити науково-методологічні основи, методи та засоби прикладного енергоекономічного аналізу технологічних процесів, установок і систем комбінованого виробництва електричної енергії і теплоти, його використання для проведення оптимізації функціонування та прогнозування розвитку структури тепло- та електрогенеруючих потужностей електроенергетичних систем і комплексів.

У процесі виконання роботи отримані наступні науково-технічні результати.

1. Визначені загальні підходи та виконане надійне наукове обґрунтування наявності об'єктивних закономірностей поділу приводної енергії між продуктами її тепломеханічного перетворення у сполучених системах генерації. Доведена можливість прямих вимірювань енергоємності кожного з продуктів сполучених виробництв.

2. На основі теоретичних досліджень сполучених процесів методами термодинаміки сформульовані нові принципи еквівалентного переходу приводної енергії у теплоту і роботу для прямих та зворотних процесів тепломеханічного перетворення.

3. Вперше встановлено, що перехід приводної ексергії у роботу та теплоту сполучених процесів підпорядкований закону збереження та перетворення механічної енергії незалежно від форми приводної енергії.

4. На основі кількох незалежних підходів вперше одержані загальні співвідношення, що дозволяють визначити дійсну енергоємність одержання теплоти і роботи у прямих і зворотних процесах спільної генерації на підставі вимірювання фактичних параметрів цих процесів.

5. Розроблені методи і засоби розрахунку абсолютних та питомих витрат палива на установках та електричних станціях комбінованого виробництва електричної і теплової енергії основних типів.

6. Визначені дійсні значення коефіцієнтів термодинамічної цінності теплоти порівняно з механічною енергію. Визначені залежності цього показника від температур та тисків відпуску теплоти.

7. Одержані універсальні емпіричні залежності для розрахунку коефіцієнтів цінності теплоти відборів парових турбін у залежності від тиску відбору та початкового тиску пари.

8. На прикладах оптимізації систем ступінчастого та регенеративного підігріву від паротурбінних установок обґрунтовано можливість використання коефіцієнтів термодинамічної цінності для аналізу та оптимізації теплових схем енергоустановок.

9. Виконані теоретичні та числові оцінки достовірності різних методів визначення показників теплової економічності теплофікаційних установок. Встановлено, що фізичний метод розподілу значно перебільшує, а ексергетичний метод - зменшує дійсну енергоємність одержання теплоти у процесах спільного виробництва електричної енергії і теплоти.

10. Визначені принцип та розрахункові співвідношення для визначення енергоємності виробництва стисненого газу та теплоти стиску у разі їх спільного виробництва теплофікаційним компресором.

11. На основі техніко-економічних порівнянь обґрунтовані межі доцільності та оптимального використання прямих та зворотних технологій сполученої генерації. Встановлено, що вони визначаються відношенням цін на електричну енергію та паливо.

12. Результати досліджень дозволяють більш об'єктивно, ніж раніше, порівняти переваги і недоліки технологій спільного виробництва електричної і теплової енергії, стисненого газу та теплоти стиску, теплоти та холоду між собою та з відповідними технологіями цільового виробництва зазначеної продукції. Це дає змогу більш виважено підійти до вибору напрямів науково-технічного прогресу у відповідних галузях техніки.

13. Результати роботи знайшли впровадження у розробках “Національної енергетичної програми України до 2010 року” (розділи “Теплопостачання”, “Нетрадиційні та відновлювальні джерела енергії”), “Енергетичної стратегії України до 2030 року” (розділ “Електроенергетика”), у галузевому стандарті Мінпаливенерго України ГКД 34.189-2003 “Розподіл витрат палива на електричних станціях між електричною та тепловою енергією при їх комбінованому виробництві”.

ЛІТЕРАТУРА

1. Дубовской C. В. Анализ эксергетического баланса теплоэнергетической подсистемы ТЭК СССР / C. В. Дубовской, Е. Т. Базеев, Е. И. Янтовский // Промышленная теплотехника. - 1990. - Т. 12. - № 6. - С. 71-75.

2. Дубовской C. В. Термодинамический метод разделения затрат в комбинированных энергетических процессах / C. В. Дубовской // Промышленная теплотехника. - 1995. - Т. 17. - № 1-3. - С. 85-92.

3. Дубовской C.В. Расчет показателей энергетической эффективности паротурбинных теплофикационных установок термодинамическим методом / C. В. Дубовской // Промышленная теплотехника. - 1996. - № 6. - С. 78-81.

4. Dubovskoy S. NOCO Reactor powered with thermoelectric generator for hydrogen production / S. Dubovskoy, A. Inovius // Proceeding of the 3-d International conference on new energy systems and conversions. 8-13 Sept. 1997, Kazan, Russia. - Р. 75-78.

5. Дубовской C. В. Закон распределения затрат работы между энергией сжатых газов и теплотой сжатия / C. В. Дубовской // Доповіді Національної академії наук України. - 1999. - № 4. - С. 102-107.

6. Дубовской C. В. О возможности продления срока службы действующих блоков АЭС с водоохлаждаемыми реакторами типа ВВЭР / C. В. Дубовской, Е. Д. Домашев, Л. И. Колыхан, В. А. [та ін.] // Промышленная теплотехника. - 1998. - Т. 20. - № 5. - С. 42-46.

7. Дубовской C. В. Термодинамические показатели эффективности ГТУ-ТЭЦ простого цикла / C. В. Дубовской // Промышленная теплотехника. - 2000. - № 1. - С. 101-106.

8. Дубовський C. В. Стан енергетики України / C. В. Дубовський, А. В. Симоненко, О. С. Дупак [та ін.] // Енергетика та електрифікація. - 1998. - № 8. - С. 1-12.

9. Дубовской C.В. Достоверность показателей тепловой экономичности комбинированного производства электрической и тепловой энергии / C. В. Дубовской // Проблеми загальної енергетики. - 2001. - № 4. - С. 12-17.

10. Дубовской C.В. Достоверность методов оценки показателей тепловой экономичности ТЭС с комбинированным производством электрической и тепловой энергии / C. В. Дубовской // Проблеми загальної енергетики. - 2001. - № 5. - С. 33-41.

11. Dubovskoy S. Economical, energy and ecological aspects of energy resource consumption in Ukraine / M. Kulik, N. Gnidiy, S. Dubovskoy // International Journal of Global Energy Issues. - 2003. - V. 19. - Nos. 2/3. - Р. 182-197.

12. Дубовской C. В. Термодинамический анализ эффективности схем комбинированного производства электрической и тепловой энергии / C. В. Дубовской, О. О. Фастовщук // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск: Енергозбереження в Україні: законодавство, теорія, практика. - 2003. - С. 23-26.

13. Дубовський C. В. Прогнозування графіків електричного навантаження ОЕС України методом суперпозиції графіків річного та добового електроспоживання / C. В. Дубовський, П. П. Кобрін // Проблеми загальної енергетики. - 2002. - № 7. - С. 21-24.

14. Дубовський C. В. Аналіз тенденцій зміни режимів електроспоживання в Україні / C. В. Дубовський, П. П. Кобрін // Технічна електродинаміка. - 2003. - № 3. - С. 73-77.

15. Дубовской C. В. Феноменологическая декомпозиция сложных процессов в системном анализе энергетических систем / Дубовской C. В. // Проблеми загальної енергетики. - 2003. - № 9. - С. 1-15.

16. Дубовський C. В. Стан і тенденції розвитку комбінованого виробництва електричної і теплової енергії в країнах Європейського Союзу / C. В. Дубовський // Проблеми загальної енергетики. - 2004. - № 10. - С. 12-19.

17. Дубовський C. В. Багатофакторний аналіз і вибір когенераційних теплоелектростанцій потужністю до 25 МВт для інвестиційних проектів / C. В. Дубовський, В. К. Туваржиєв, Є. А. Лєнчевський, В. С. Коберник // Праці ІЕД НАН України. - 2004. - № 1(7). - С. 99-108.

18. Дубовський C. В. Механізми та комплекс пріоритетних заходів щодо введення в дію енергетичної стратегії України / Б. С. Стогній, М. М. Кулик, C. В. Дубовський // Стан і майбутнє енергетики України. Погляд громадськості. - К.: НТСЕУ, ГРІФРЕ. - 2005. - № 2. - С. 66-73.

19. Дубовський C. В. Об'єктивні оцінки ефективності комбінованого виробництва електричної і теплової енергії за загальними даними статистичного обліку / C. В. Дубовський // Проблеми загальної енергетики. - 2005. - № 12. - С. 44-50.

20. Дубовський C. В. Стан та тенденції розвитку теплопостачання країн центральної Європи / C. В. Дубовський // Комунальна теплоенергетика України: стан, проблеми, шляхи модернізації. - К., 2007. - Т. 2. - С. 659-702.

21. Дубовський C. В. Структурні моделі енергоблоків і теплових електростанцій у технічному, економічному та екологічному аспектах / C. В. Дубовський, І. С. Соколовська, М. Є. Бабін [та ін.] // Проблеми загальної енергетики. - 2006. - № 13. - С. 63-66.

22. Дубовський C. В. Методичні особливості оцінки питомих характеристик теплофікаційних установок на базі газових двигунів / C. В. Дубовський // Проблеми загальної енергетики. - 2006. - № 14. - С. 42-49.

23. Дубовський C. В. Методи визначення та усунення можливих відхилень частоти у роботі об'єднаних енергосистем при раптовому порушенні балансу потужностей / C. В. Дубовський, Є. А. Лєнчевський, В. К. Туваржиєв // Проблеми загальної енергетики. - 2006. - № 13. - С. 50-56.

24. Дубовський C. В. Обґрунтування можливості забезпечення у ОЕС України процесів регулювання частоти у відповідності до норм, визначених UCTE / C. В. Дубовський, Є. А. Лєнчевський // Проблеми загальної енергетики. - 2007. - № 16. - С. 11-15.

25. Дубовський C. В. Оптимізація навантажень ТЕС за ціновим пріоритетом / C. В. Дубовський // Проблеми загальної енергетики. - 2007. - № 15. - С. 62-68.

26. Дубовський C. В. Сучасний стан, техніко-економічні передумови та перспективи розвитку систем низькотемпературного теплозабезпечення на основі теплових насосів / C. В. Дубовський // Відновлювана енергетика. - 2007. - № 4 (11). - С. 6-32.

27. Зведений прогноз науково-технологічного та інноваційного розвитку України на найближчі 5 років та наступне десятиліття / М. М. Кулик, О. В. Новосельцев, C. В. Дубовський, В. Д. Білодід. - К.: Фенікс, 2007. - 152 с. - (Центр досліджень науково-технічного потенціалу та історії науки ім. Г.М. Доброва НАН України).

28. Дубовской C. В. Термоэлектрические преобразователи энергии // Эксергетические расчеты технических систем: справочное пособие; под ред. А. А. Долинского и В. М. Бродянского. - К.: Наукова думка, 1991. - С. 197-201.

29. Дубовський C. В. Стратегічні напрями розвитку електроенергетики України до 2030 року та дальшу перспективу / М. М. Кулик, C. В. Дубовський, Б. А. Костюковський // Основні положення Енергетичної стратегії України та науково-технічне забезпечення її реалізації: матеріали Міжнародної конференції (АР Крим, 16-18 вересня 2003 р.). - К., 2003. - С. 30-39.

30. Витрати палива на відпущену електричну та теплову енергію при їх комбінованому виробництві. Методика визначення / Галузевий керівний документ ГКД 34.189-2003. - [Чинний від 2003-10-15]. - К.: Міністерство палива та енергетики України, 2003. - 25 с.

31. Дубовський C. В. Концептуальні положення довгострокового розвитку енергетики України / З. Ю. Буцьо, В. О. Мартинюк, C. В. Дубовський // Енергетична політика України. Погляд громадськості. - К., 2006. - № 3. - С. 398-402.

32. Дубовський C. В. Стратегія розвитку теплової енергетики України / C. В. Дубовський // Енергетична стратегія України: теплова енергетика та вугільна промисловість: (круглий стіл 17 червня 2003 р.). - К.: ВР України. - С. 8-14.

33. Дубовський C. В. Анализ состояния и перспектив развития технологий комбинированного производства электрической и тепловой энергии / C. В. Дубовський // Энергобизнес. - 2003. - № 5 (281). - С. 43-47.

Размещено на Allbest.ru