ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ
ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ РОССИИ
П.Н. АЛЕКСЕЕВ, И.А. БЕЛОВ, Ю.Ф. ЧЕРНИЛИН (РНЦ "Курчатовский институт")
Основу энергетики составляют тепловые электростанции (ТЭС), использующие органическое топливо (уголь, газ, мазут, биотопливо), и атомные электростанции (АЭС), использующие ядерное топливо. Обычный способ получения электричества и тепла заключается в их раздельной генерации на электростанциях (ЭС) и котельных. Значительно уменьшить общее потребление топлива можно путем применения когенерации - совместного производства электроэнергии и тепла на тепловых электростанциях, отпускающих и электрическую и тепловую энергию -теплоэлектроцентралям (ТЭЦ).
Все тепловые электростанции делятся на станции с газотурбинными (ГТУ), паротурбинными (ПТУ) и парогазовыми установками (ПГУ).
КПД традиционных конденсационных электростанций (КЭС) с ПТУ обычно не превышает 43%, несмотря на максимально возможную регенерацию теплоты1. Общий КПД современной КЭС определяется КПД усовершенствованного термодинамического цикла Ренкина (0.5-0.55), внутренним относительным КПД турбины (0.8-0.9),
1 Гельтман А.Э., Будняцкий Д.М., Апатовский Л.Е. Блочные конденсационные электростанции большой мощности. М.-Л., 1964; Рыжкин В.Я. Тепловые электрические станции. М.-Л., 1967; Шредер К. Тепловые электростанции большой мощности, пер. с нем., т. 1-3. М.-Л., 1960-1964; Скротцки Б.Г., Вопат В.А. Техника и экономика тепловых электростанций, пер. с англ. М.-Л., 1963; Новое в российской электроэнергетике -Ежемесячный электронный журнал, 2008 г. № 11.
механическим КПД турбины (0.98-0.99), КПД трубопроводов пара и воды (0.97-0.99), КПД электрического генератора (0.98-0.99), КПД котлоагрегата (0.9-0.94).
К наиболее перспективным относятся парогазовые установки (ПГУ), в состав которых входят высокоэффективные газовые турбины с КПД 37-40%. Применение в тепловой схеме ТЭС многовальной или одновальной ПГУ позволяет повысить КПД до 56-60%. Следует отметить, что в схемах ПГУ используются в основном не карно-тизированные ГТУ с простым циклом Брайтона.
Основные типы котельных - водогрейные и паровые. Применяются также термомасляные котельные (рабочие температуры до 350°С), котельные на биотопливе и электрокотельные. КПД современных котельных достигает 90-92%.
Необходимо отметить, что в настоящее время все более широкое распространение в развитых странах получают так называемые конденсационные котлы (КК) - отопительные котлы с конденсацией влаги из дымовых газов, за счет чего их КПД достигает ~100%2. Широкого применения КК можно ожидать при существенном повышении стоимости топлива.
Эффективность производства энергии является важнейшей характеристикой и определяется в основном расходом топлива. Поскольку комбинированное производство энергии за-
2 Журнал "Газотурбинные технологии", 2007г., № 1
2
© П.Н. Алексеев, И.А. Белов, Ю.Ф. Чернилин
нимает значительную долю в энергоснабжении РФ без решения задачи разделения расхода топлива на отпускаемые от ТЭЦ электроэнергию и тепло корректная оценка эффективности использования топлива и возможностей ее повышения затруднительна. Особенно актуальна эта проблема применительно к системам энергоснабжения на природном газе ввиду его дефицитности и нерыночной стоимости на внутреннем рынке РФ. Низкая цена на газ, в то время как стоимость оборудования приближается к мировому уровню, обуславливает экономическую неэффективность капиталоемких мероприятий, даже если они приводят к существенной экономии топлива.
Теплоэлектроцентрали нашли широкое применение в России. Концепция развития тепло- и электроснабжения России на период до 2030 г. предусматривает увеличение доли ТЭЦ. На первый взгляд, с термодинамической точки зрения, ТЭЦ имеют очевидные преимущества - максимальное использование тепловой энергии топлива. Именно на этом основан выбор ТЭЦ в качестве базового энергоисточника. Однако этот вывод представляется недостаточно обоснованным и не может являться универсальным, если иметь в виду огромное разнообразие условий и требований задач теплоснабжения.
По мнению авторов, необходимо дополнительное обоснование термодинамической и экономической эффективности совместного или раздельного производства электроэнергии и тепла, что может привести к корректировке концепции развития тепло и электроснабжения России.
В статье приводится сравнительный анализ термодинамической и экономической эффективности когерентной (на ТЭЦ) и раздельной (на ЭС и котельных) выработки электрической и тепловой энергии, а также анализ возможных путей повышения эффективности энергообеспечения.
Термодинамический анализ эффективности совместной и раздельной генерации
Работа ТЭЦ на производство только одного вида энергии мало эффективна. С увеличением КПД ТЭЦ все более превращается в КЭС, так как уменьшается доля тепла в ее производстве. Продолжив тенденцию, получим, что "идеальная" ТЭЦ с максимальной выработкой электроэнергии на тепловом потреблении - это сверхвысокоэконо-мичная КЭС, например, на базе парогазовой установки утилизационного типа, с отоплением зданий станции, городка энергетиков - на большее просто не останется "тепловых хвостов".
Современные теплофикационные ПГУ производят больше электроэнергии, чем тепла. Причем из-за наличия ПГУ в составе станций КПД ПТУ-ТЭЦ меньше КПД ПГУ-КЭС, а из-за ГТУ коэффициент полезного использования теплоты сгорания (КИТТ) ПГУ-ТЭЦ меньше КПД котельной ввиду большого коэффициента избытка воздуха в камерах сгорания ГТУ и, соответственно, больших потерь тепла с уходящими газами. Причем ПГУ-ТЭЦ рассчитываются также и на работу в конденсационном режиме, а это влечет за собой дополнительный расход топлива, потребность в больших площадях под градирни, повышенный расход воды, дополнительную экологическую нагрузку на населенный пункт, дополни- б тельные капиталовложения в систе- "Г му, неэффективность охлаждения. По | этим причинам снижается КПД станций ° в конденсационном режиме. Электро- и-энергия, вырабатываемая ТЭЦ в усло- 1 виях плохого вакуума в конденсато- ® ре, не может конкурировать с электро- 1 энергией крупных КЭС. Так, проектный I КПД Северо-Западной ТЭЦ (Санкт- 1 Петербург) составляет КПД ПГУ- | ТЭЦтф = 45% при КИТТ ТЭЦ = 86%, в | конденсационном режиме - КПД ПГУ- ^ ТЭЦкд = 50-52%. При сравнении альтернативных вариантов энергоснабже-
3
ния в качестве КЭС рассматривается конденсационная ПГУ на базе тех же ГТУ У94.2 (КПД КЭС = 52%).
Эффективность работы ТЭЦ по сравнению с раздельной выработкой тепла и электроэнергии оценивается по нескольким методикам3. Наиболее объективной и общепринятой является методика с точки зрения экономии топлива:
вэс +вкот _ ^эц ^тэц _
~ + (1)
втэц ^эс ^кот где X - термодинамическая эффективность когенерации по сравнению с раздельной генерацией электрической и тепловой энергии, ВТЭ„ ВЭС, Вкот - расходы топлива на ТЭЦ, ЭС и котельной, соответственно,
= ^ - КПД ЭС,
hKOT
%ЭЦ :
B Qk
ЭС
КПД котельной,
ТЭЦ
B
КПД ТЭЦ по выработке
ТЭЦ
электроэнергии,
^ЭЦ
%ЭЦ :
B
КПД ТЭЦ по выработ-
ТЭЦ
ке тепловой энергии,
РТЭЦ и РЭС - электрические мощности (нетто) ТЭЦ и ЭС,
QТЭЦ и 0кот - тепловые мощности (нетто) Тэц и котельной.
Формула (1) получена при условии,
что РТЭЦ = РЭС и бтэц = бкот.
При Х > 1 расход топлива в раздельной генерации электрической и тепло-
вой энергии больше расхода топлива в когенерации, то есть когенерация более эффективна. При Х < 1 когенера-ция менее эффективна, чем раздельная генерация электрической и тепловой энергии.
Коэффициент полезного использования теплоты сгорания топлива ТЭЦ равен:
' = ^тэц + ^тэц • (2)
КИТТ
ТЭЦ
B
ТЭЦ
3 Institution Handbook for CHP. Production with District Heating. DASREC, 2002; Соколов Е.Я., Мартынов В. А. Эксергетический метод расчета показателей тепловой экономичности ТЭЦ // Теплоэнергетика, 1985. № 1. С. 49-53; Методика определения удельных расходов топлива на тепло в зависимости от параметров пара, используемого для целей теплоснабжения. РД 34.09.159-96. М.: СПО "ОРГРЭС", 1997;Журнал "Газотурбинные технологии", 2007, № 10 -О приоритетах развития энергетической газотурбинной техники. С.В. Жарков; Журнал "Новости теплоснабжения" 2000, № 2 http:// www.ntsn.ru.
Эффективность когенерации может быть оценена и по другой формуле, связанной с формулой (1):
, 1
^ = X • (3)
Следует отметить, что КПД ТЭЦ, ЭС и котельных могут быть рассчитаны не только по проектным показателям, но и по реальным эксплуатационным показателям, например, по среднегодовым значениям отпущенной электрической и тепловой энергии и среднегодовому расходу топлива. В этом случае электрический КПД ТЭЦ и ЭС может составить ~ 0.96-0.98 от проектных значений КПД, а тепловой КПД ТЭЦ и котельных ~ 0.7-0.96. Однако на эффективность, вычисляемую по формулам (1) или (3), это мало влияет.
Заметное влияние на эффективность может оказать учет потерь тепла и электроэнергии при их транспортировке от источника до потребителя. Так, например, транспортные потери тепла в среднем по России равны ~20%, но в некоторых регионах они достигают ~30-35%. Причем потери тепла от котельных из-за их более близкого расположения к потребителям существенно ниже, чем потери тепла от ТЭЦ, значительно более удалённых от потребителя.
Для приблизительной оценки можно принять транспортные потери тепла от котельных ~17% (пКот = 0.83), а транспортные потери от тЭц ~30% (пКот = 0.7).
Единая Энергетическая система СССР (ставшая позже РАО ЕЭС России) все генерирующие мощности которой были связаны линиями электропе-
4
KOT
Таблица 1 Сравнение термодинамической эффективности совместной и раздельной генерации электрической и тепловой энергии для различных типов энергоустановок
Раздельная выработка электрической и тепловой энергии на КЭС и котельной
КПД котельной КПД КЭС
0.9-0.92 (0.75-0.76)" 0.35-0.62
(0.28-0.5) Совместная выработка электрической и тепловой энергии на ТЭЦ
Электрический КПД ТЭЦ
Тепловой КПД ТЭЦ
0.35-0.478 (0.26-0.38) 0.41-0.57 (0.29-0.4) 0.8-0.97
Сравнение термодинамической эффективности
КИТТ
тэц
Эффективность
Вэс + Вкот ^тэц
1.04-1.47 (0.95-1.37)
В
тэц
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.