Эксергетический анализ теплоэнергетического оборудования и определение тарифов в АО «Дальэнерго»

Вопросы энергосбережения в нашей стране, в связи с удорожанием всех видов топлива, становятся чрезвычайно актуальными. Для того, чтобы определить, где и в каком количестве можно уменьшить расход топлива, теплоты или электроэнергии необходимо проводить тщательный анализ совершенства энергоиспользования на каждом энергетическом предприятии и в каждом его технологическом процессе. Существует прямая связь между уровнем анализа экономичности и достигнутыми технико-экономическими показателями тепловых электростанций.

Исследование совершенства различных теплоиспользующих установок до настоящего времени проводится, как правило [1,2], посредством составления тепловых балансов, основанных на Первом законе термодинамики — законе сохранения и превращения энергии, включающем в себя принцип эквивалентности различных видов энергии.

При составлении энергетических балансов тепловых электростанций и проведении их сопоставления все виды энергии выражаются в эквивалентных энергетических величинах. Роль эквивалента выполняет энергия, как количественная мера различных движений материи, и виды энергии, входящие в энергетический баланс, выражаются в дж, ккал или кВт-ч.

Следует заметить, что несмотря на общепринятую системой СИ единицу измерения энергии — джоуль, до сих пор в методической [ 56 ] и прочей документации большее применение находят ккал и кВт-ч.

Развитие теплоэнергетика! привело к такому усложнению тепловых схем, что их анализ с использованием только энергетических балансов стал недостаточным.

Так на тепловой электростанции в процессах преобразования исходной энергии топлива в электроэнергию участвуют такие виды энергии, как: химическая энергия топлива, энергия потока тепла, энергия потока пара, механическая энергия и электрическая энергия — ценность которых с точки зрения возможности их практического использования различна.

Налагаемое Вторым законом термодинамики ограничение на превратимость теплоты в работу позволяет во всех теплоэнергетических установках дополнительно составить баланс работоспособной энергии (эксергетический баланс).

Поскольку энергетические процессы в любой термодинамической системе протекают в окружающей среде, параметры которой практически остаются неизменными, то используя Второе начало термодинамики, всегда можно определить максимальное количество работы, которое может быть получено при данных условиях любым энергетическим потоком, и тем самым оценить его работоспособную часть, названную эксергией.

Этот термин ввел в термодинамику в 1955 г. югославский ученый 3. Рант [ 3 ], чтобы разделить энергию на работоспособную и неработоспособную (анергию) части. Эксергия — это максимальное количество работы, которое может быть получено при переходе термодинамической системы обратимым путем в состояние равновесия с окружающей средой.

Эксергия характеризует энергию любого вида не только по ее количествуона дает возможность количественно оценить и качественную ее сторону, т. е. она представляет собой некоторую универсальную меру энергетических ресурсов" .

5].

В связи с тем, что действительная выработка механической или электрической энергии в теплоэнергетической установке прямо пропорциональна использованной работоспособности, эксергетический баланс позволяет выявить не только очаги потерь, но и степень влияния каждой потери на общую выработку энергии и расход топлива. Эксергетический баланс, при сравнении его с тепловым, дает возможность рационально оценить параметры отдельных потоков циркулирующего рабочего тела, а также дать оценку распределению потерь в отдельных звеньях тепловой электростанции.

Разработка теоретических основ эксергетического метода, начатая в XIX веке Д. Максвеллом, У. Томсоном, Ж. Гюи, А. Стодолой и др., получила завершение во второй половине XX века в обобщающих монографиях В. М. Бродянского [ 4, 17, 5 ], Г. Д. Бэра [ 18 ], Я. Шаргута [ 3 ]. Это послужило широкому приложению современного метода термодинамического анализа в различных отраслях техники. В теплоэнергетике хорошо известны работы А. И. Андрющенко [ 63 ] и Д. П. Гохштейна [ 6 ].

Анализ работы тепловых электростанций на основе понятия эксергии позволяет оценить влияние необратимости процессов на экономичность станций и выявить пути повышения их эффективности.

A.C. Горшков считает, что внедрение эксергетического подхода необходимо начинать с разработки конкретных методик нормирования показателей работы тепловых электростанций, расчета тарифов на отпуск электрической энергии и тепла, сравнительного анализа современных схем комбинированного производства энергии, т. е. постепенно [ 36 ].

А.И Андрющенко [ 39 ] указывает на сдерживание эксергетического метода тем, что до сих пор не разработаны соответствующие показатели и связи между ними.

При переходе экономики страны к рынку особенно актуальным стал вопрос распределения затрат производства между теплом и электроэнергией при их комбинированном производстве на ТЭЦ.

Теплофикация, т. е. комбинированная выработка электрической и тепловой энергии, стала внедряться в нашей стране с начала 30-х годов. Суммарные затраты топлива при комбинированной выработке электрической и тепловой энергии значительно ниже, чем при их раздельном производстве, но просто вычленить расходы топлива на каждый вид продукции невозможно. Поэтому с зарождения теплофикации ведутся поиски и разработки методов распределения затрат топлива между электроэнергией и теплом на ТЭЦ.

Для обоснования преимуществ теплофикации был директивно внедрен в в Министерстве электростанций (МЭС) «физический» метод распределения затрат топлива между теплом и электроэнергией при их совместном производстве [11], несмотря на его критику вследствие термодинамической несостоятельности.

Основным существенным недостатком этого метода является отсутствие неразрывной связи потоков тепла с их энергетической ценностью, т. е. практической пригодностью. Отпуск тепла от станции может осуществляться за счет тепла свежего, отборного и отработавшего в турбине пара, а удельные расходы топлива на отпуск тепла по методике, в основу которой положен «физический» метод, остаются неизменными. Согласно «физическому» методу распределения затрат топлива экономия от комбинированной выработки полностью относится к электрической энергии.

При переходе к новым условиям хозяйствования, с элементами рыночной экономики, потребители тепла, не видя никакой выгоды от комбинированного использования ТЭЦ, например, в Приморском крае начали расконсервировать свои старые, вводить новые котельные, устанавливать в массовом порядке южнокорейские бойлеры и даже паровозные топки в миникотельных.

Актуально в создавшихся условиях стало заинтересовать этих потребителей, предложив более низкие удельные расходы топлива, а соответственно и тарифы, на отпускаемое им тепло, побочно улучшая экологию населенных пунктов. Осуществить это можно только изменив принцип распределения затрат топлива на производимую энергию, что возможно при переходе на эксергетическую оценку выработки тепла от ТЭЦ.

Настоящая диссертационная работа выполнена на кафедре «Теоретической и общей теплотехники» Дальневосточного государственного технического университета, имеющей опыт применения эксергетического метода анализа в учебном процессе и технических приложениях [ 7, 79-=-81]. Выполнен ряд дипломных проектов по эксергетическому анализу систем пневмо-энергоснабжения пром-предприятий и тепловых электрических станций.

Перед автором диссертации была поставлена задача по разработке последовательного эксергетического анализа основного оборудования ТЭС с привлечением существующей нормативной базы и выходом на удельные расходы топлива и расчет тарифов на отпускаемые ТЭЦ тепло и электроэнергию на примере ГРЭС и ТЭЦ Дальневосточной энергосистемы [ Приложение 1].

Результаты работы оказались востребованными и весьма полезными при поиске выхода из энергетического кризиса в ТЭКе Приморского края [ 69, 70 ].

Для студентов теплоэнергетической специальности разработаны учебные пособия [ 77, 78 ] по эксергетическому анализу котельных агрегатов, турбин и определению удельных расходов топлива.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, списка литературы из 85 наименования и приложения, содержит 154 страницы текста, 22 рисунка и 41 таблицу.

Заключение

.

1. Существующие методы распределения затрат топлива в энергетическом производстве, включая последнюю методику Минтопэнерго [ 56 ], не учитывают в явном виде Второе начало термодинамики (качество энергии), а попытки учесть его косвенно приводят к введению условных поправочных коэффициентов, методику делают громоздкой и непонятной персоналу ТЭС.

2. Теоретические основы эксергетического метода позволяют выполнять эк-сергетическую оценку работы отдельных элементов теплоэнергетического оборудования, но анализ сложных схем и их оптимизация, создание инженерных методик эксергетического анализа требуют накопления материала и последующего его оформления подобно существующим нормативным методам теплового расчета.

3. На примере эксергетического анализа котлоагрегатов ТЭС АО 11 Дальэнерго" показана последовательность расчетов и дана численная оценка потерям эк-сергии в их отдельных элементах, причем видно, что в результате необратимости процессов горения и теплообмена теряется большая доля эксергии, подведенной с топливом: ТП-170−1 — 54,53%- БКЗ-160−100 — 58,41%- БКЗ-220−100 — 53,64%- БКЗ-210−140 — 51,79%- БКЗ-670−140 Приморской ГРЭС — 49,71%.

Определение эксергетического к.п.д. котлоагрегата не представляет особых затруднений, но дает принципиально иное представление о совершенности его работы. Эксергетический к.п.д. составляет: у ТП-170−1 — 38,9%- БКЗ-160−100 -37,27%- БКЗ-220−100 — 43,9%- БКЗ-210−140 — 44,4%- БКЗ-670−140 Приморской ГРЭС — 46Д6%, в то время как тепловой к.п.д.: ТП-170−1 — 86,1%- БКЗ-160−100 -88,43%- БКЗ-220−100 — 89,24%- БКЗ-210−140 — 87,74%- БКЗ-670−140 Приморской ГРЭС — 88,19%.

Котлоагрегат является звеном ТЭС, в котором имеют место наибольшие потери эксергии, а традиционная оценка его работы тепловым к.п.д. создает иллюзию его энергетического совершенства, не верно ориентируя инженерно-технических работников.

4. Котел БКЗ-670−140Ф Приморской ГРЭС, несмотря на низкокалорийное топливо, имеет более высокий эксергетический к.п.д., чем другие котлоагрегаты ТЭС АО «Дальэнерго» .

5. Сопоставление традиционных и эксергетических характеристик турбоагрегатов показало, что эксергетические к.п.д. проточной части выше внутренних относительных к.п.д. (для К-210−130 — т^ = 82,89%, -пех = 89,76%- Т-100−130 с номинальной тепловой нагрузкой — т|о1 = 79,66%, т|ех = 88,64%- К-100−90 — = 78,79%, т|ех = 84,92%), причем в большей степени у ЦВД и ЦСД, чем у ЦНДотношение недоиспользуемой эксергии к недоиспользуемому теплоперепаду падает от да 60% в первых ступенях до 0 к последним. Эксергетический анализ проточной части не дает принципиальных изменений в оценке эффективности ее работы, т.к. через адиабатный перепад учитывается, в основном, работоспособная энергия.

6. Эксергетически наиболее совершенна схема подогрева питательной воды у турбоагрегата К-100−90 (г|?" «в = 87,83%) за счет развитой регенерации низкого давления (т|» «д = 86,77%) и относительно высокого к.п.д. регенерации высокого давления (г|» «д = 92,02%). Эксергетические к.п.д. схем регенеративного подогрева у турбоагрегатов К-210−130 и Т-100−130 (с номинальным теплофикационным отбором) практически одинаковы. Относительно небольшие изменения объясняются тем, что в часть подогревателей из отборов или уплотнений турбин поступает перегретый пар.

7. Конденсационные турбоагрегаты не сопоставимы с теплофикационными по термическому к.п.д., но сопоставимы по эксергетическому к.п.д. (К-210−130 -ц, = 43,19%, лех = 84,43%- Т-100−130 — т^ = 80,42%, лех = 80,32%) и соответственно удельным затратам тепла и эксергии на выработанный кВт-ч (К-210−130 -qJ = 1991,1 ккал/кВт-ч, (ех)т = 1018,6 ккал/кВт-чТ-100−130 — qт = 1069,4 ккал/кВт-ч, (ех)т = 1070,7 ккал/кВт-ч).

Использование в качестве характеристик совершенства турбин затрат эксергии на производство электроэнергии позволяет наиболее полно оценивать их эффективность при сохранении всей имеющейся нормативной базы.

8. Среди турбоагрегатов, обеспечивающих конденсационную выработку электроэнергии в Приморском крае, наименьшие удельные затраты эксергии имеет турбоагрегат К-210−130 Приморской ГРЭС.

9. Удельные расходы условного топлива на отпуск электроэнергии, независимо от типа станции (КЭС или ТЭЦ), предложено определять по одной и той же формуле, учитывающей затраты эксергии на получение полезных продуктов энергетического производства. При этом удельный расход топлива на отпуск тепловой энергии от ТЭЦ значительно снижается.

По АО «Дальэнерго» нормативные удельные расходы условного топлива (по данным 1995 г.), рассчитанные для тарифов по разным методам, составили:

— по «физическому» методу — 380 г/кВт-ч, 184,4 кг/Гкал;

— по действующей (с 1996 г.) методике — 416,7 г/кВт-ч, 162,4 кг/Гкал;

— по эксергетическому методу 450,2 г/кВт-ч, 142,3 кг/Гкал.

10. Рекомендованное в 1996;97 г. г., в том числе и на основе эксергетическо-го анализа, предложение по преимущественной загрузке Приморской ГРЭС реализовано в 1998 г. созданием энергоугольной компании ЗАО ЛуТЭК на базе Приморской ГРЭС, что послужило первым шагом выхода ТЭК Приморского края из известного всей России энергетического кризиса.

11. Вторым существенным шагом по повышению эффективности работы системы АО «Дальэнерго» должно быть наращивание теплофикационной выработки на южных станциях Приморского края и введение дифференцированного тарифа по городам на отпускаемую тепловую энергию, в основу расчета которого предлагается взять выполненную эксергетическую оценку работы ВТЭЦ-2, Ар-темТЭЦ и Партизанской ГРЭС, что повысит заинтересованность потребителей в централизованном теплоснабжении.

12. Традиционную подготовку инженеров-теплоэнергетиков в вузах необходимо дополнить обязательным обучением эксергетическому анализу теплоэнергетического оборудования при курсовом и дипломном проектировании. При этом могут быть использованы разработанные учебные пособия по эксергетической оценке ТЭЦ и КЭС [ 77, 78 ].