научная статья по теме OЦEHKА ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ РОССИИ Энергетика

Текст научной статьи на тему «OЦEHKА ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ РОССИИ»

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Энергетика»