Постановка вопроса. 
Экономия топлива

Основной причиной непомерной продолжительности дискуссии по проблеме «эффективность ТЭЦ» или «распределение затрат топлива на ТЭЦ» представляется неадекватность подхода к ее решению физической (термодинамической) сущности проблемы. Наиболее четко такой подход выражает мнение, сформулированное более 50 лет тому назад: «…Методы распределения затрат… не могут вытекать из законов термодинамики и все попытки непосредственного термодинамического обоснования того или иного способа разнесения экономии топлива между видами полученной энергии лишены научного основания"[4].

Содержание данного тезиса, очевидно, выводит проблему за рамки научно-технической, тем самым косвенно признает несостоятельность теоретических основ технической термодинамики. При этом естественно, что критерии научной (термодинамической) обоснованности того или иного решения («метода») заменяются доводами в его защиту, которые отражают такие свойства «методов», как «удобство применения», «оптимальность», «понятность эксплуатационному персоналу», «заинтересованность» потребителей в получении энергии от ТЭЦ, «справедливость» решения и др. В перечисленных свойствах отсутствуют такие, которые отражали бы термодинамическую (теоретическую) обоснованность решения, т. е. могли бы быть строго доказаны. Иными словами, в сложившейся ситуации, при отсутствии адекватных критериев обоснованности, легко показать, что любой из «методов», по крайней мере, «не хуже других». Поэтому ни один из доводов, без его подкрепления термодинамическим обоснованием, не может служить основой для рекомендации к практическому использованию соответствующего «метода».

Вместе с тем, известно, что выработка электрической и тепловой энергии на ТЭЦ осуществляется в двухпродуктовом (теплофикационном, когенерационном, комбинированном) цикле в интервале заданных (известных) температур (параметров). Не должно вызывать сомнения и то, что законы преобразования энергии остаются неизменными в любых процессах, в том числе — в двухпродуктовом цикле. Если учесть, что энергетическая эффективность, как экономическая категория технологического процесса (термодинамического цикла), есть функция его температур (параметров), то становится очевидным, что проблема «распределения» заключается в поиске соотношений для расчета оценок эффективности: 1. двухпродуктового цикла в целом, 2. производства в нем электроэнергии, 3. теплоты (работоспособной части теплоты, отпускаемой потребителю), — как функций параметров данного цикла.

Исследование показало [5, 6], что корректное решение каждой из перечисленных трех задач требует предварительно ответа на вопрос о существенном и термодинамически объяснимом отличии двухпродуктовой схемы энергопроизводства от однопродуктовой, т.к. известно, что, при отсутствии внешних (видимых) отличий в изображениях соответствующих циклов в диаграмме h-S или T-S, двухпродуктовая схема (цикл) более эффективна, т. е. обеспечивает экономию топлива. Тем самым вопрос о существенном отличии схем сводится к вопросу о физической (термодинамической) природе экономии топлива. Проще, требуется ответ на вопрос: имеет ли место и каким образом формируется экономия топлива, если двухпродуктовая схема (ТЭЦ) работает изолированно от энергосистемы?

Уместно напомнить, что наиболее известное толкование природы экономии основано на «физическом» представлении о термодинамических особенностях комбинированного цикла и свойствах вырабатываемых видов энергии и отражено, соответственно, в «физическом» методе распределения затрат. Согласно данному представлению электроэнергия вырабатывается без потерь первичной энергии в холодный источник, а теплота, отпущенная тепловому потребителю, используется полностью; как следствие — КПД ТЭЦ (или некорректно подменяющий его «коэффициент использования топлива» [7]) и, соответственно, эффективность производства каждого вида энергии всегда, независимо от параметров отбираемого пара, оказываются равными (близкими — в реальных установках) 1. Отсутствие корректных соотношений для расчета КПД вызвало необходимость использования в практике понятий «замещаемых» или «замещающих» КЭС и котельных, и, соответственно, оценок эффективности данных установок для расчета экономии топлива на ТЭЦ, как косвенного показателя ее эффективности. Тем самым, эффективность ТЭЦ поставлена в зависимость от эффективности работы других установок, технологически не связанных с ТЭЦ. Последнее, очевидно, предопределяет условность получаемых численных значений экономии топлива. Таким образом, некорректность соотношений для оценок эффективности и экономии представляет собой следствие противоречия представления, положенного в основу «физического» метода, второму началу термодинамики, согласно которому электроэнергия не может быть выработана без компенсации, а теплота не может быть полностью использована.

Согласно «эксергетическому» методу каждая единица работы, выводимая из теплофикационного цикла (в виде электроэнергии и работоспособной части теплоты, отпускаемой тепловому потребителю), вырабатывается с одной и той же эффективностью («как по конденсационному циклу»), независимо от параметров отбираемого пара. Вместе с тем, очевидно, что, при фиксированных начальных и конечных параметрах цикла, электроэнергия вырабатывается всегда в более высоком интервале температур (при более высокой средней температуре преобразования), а работоспособная часть отпускаемой теплоты в более низком. При этом, согласно теории циклов, эффективность производства электроэнергии должна быть выше, а работоспособной части теплоты — ниже [7, 8]. Таким образом, оценки эффективности, полученные на основе «эксергетического» метода, также не отражают второго начала термодинамики, как и рассчитанные по «физическому», и, соответственно, не могут полагаться корректными.

Рисунок. Цикл преобразования энергии на ТЭЦ.