ІНСТИТУТ ЗАГАЛЬНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ
ІНСТИТУТ ЗАГАЛЬНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ
НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ
ДУБОВСЬКИЙ СЕРГІЙ ВАСИЛЬОВИЧ
УДК 620.9/621.1
ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ
ЕНЕРГОЕКОНОМІЧНОГО АНАЛІЗУ СПОЛУЧЕНИХ СИСТЕМ
ГЕНЕРАЦІЇ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ І ТЕПЛОТИ
05.14.01 – Енергетичні системи та комплекси
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Київ – 2008
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Інституті загальної енергетики НАН України, м. Київ
Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, старший науковий співробітник
Білека Борис Дмитрович,
Інститут технічної теплофізики НАН України, м. Київ,
завідуючий відділу технологій комбінованого
вироблення енергії
доктор технічних наук, професор
Карп Ігор Миколайович,
Інститут газу Національної академії наук України,
м. Київ, радник директора
доктор технічних наук, професор
Кєсова Любов Олександрівна,
Національний технічний університет України
“Київський політехнічний інститут”, м. Київ,
професор кафедри теплових енергетичних установок
теплових і атомних електростанцій
Захист відбудеться "_19_" _червня______ 2008 р. о _1000__ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.223.01 в Інституті загальної енергетики НАН України за адресою: 03680, м. Київ, вул. Антоновича, 172, тел. (044) 220-16-70
З дисертацією можна ознайомитись в Інституті загальної енергетики НАН України
за адресою: 03680, м. Київ, вул. Антоновича, 172
Автореферат розісланий "_13 " _травня______ 2008 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Л. П. Мельничук
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ.
Актуальність теми. Всі процеси перетворення енергії, що відбуваються у технічних та природних системах, супроводжуються виділенням або поглинанням теплоти. Це дозволяє використовувати їх для супутнього одержання корисної теплоти або холоду. Реалізація таких можливостей призводить до появи двох корисних продуктів перетворення енергії без додаткових витрат на одержання супутнього продукту. Завдяки цьому двопродуктовий або комбінований процес може заміщувати відповідні однопродуктові процеси із зниженням сумарних витрат на одержання їх цільових продуктів. Крім того, з’являється можливість довільного об’єднання двопродуктових процесів між собою та з однопродуктовими процесами із утворенням просторово розосереджених систем спільної генерації двох та більше видів корисної енергії. Змінюючи типи та напрями проведення елементарних процесів перетворення, технологічні зв’язки між ними, можна спрямовано змінювати кількісні та якісні властивості сполучених систем. Це дає змогу підсилювати енергозберігаючі властивості елементарних двопродуктових процесів, розв’язувати проблеми регулювання відпуску кожного з продуктів системи, які виникають на рівні двопродуктових процесів внаслідок жорстокого зв’язку між обсягами утворення їх продуктів, вирішувати інші актуальні проблеми, що виникають під час створення та експлуатації таких систем.
Сполучені системи генерації електричної і теплової енергії вже багато років використовуються на практиці, довівши свою ефективність. До них відносять системи комбінованого виробництва (когенерації) електричної енергії і теплоти на електричних станціях, що являють собою характерний приклад просторово суміщеної системи сполученої генерації. У багатьох країнах світу, зокрема Данії, Росії, Бельгії, Німеччині, Болгарії, Люксембурзі, такі системи відіграють роль основних джерел енергії тепло- та електропостачання. Комбіноване виробництво теплоти і електричної енергії на ТЕЦ, КЕС та АЕС широко використовується і в Україні, покриваючи третину навантажень систем централізованого теплопостачання міст та промислових центрів та до 10% навантажень електроенергетичної системи. Існуючі системи комбінованого виробництва електричної енергії і теплоти дозволяють на 20-30% знизити сумарні витрати на їх одержання порівняно з роздільним виробництвом на КЕС та котельних. Тому кількісний та якісний розвиток таких систем є одним з найбільш дієвих напрямів підвищення енергоефективності національних економік.
Поряд з технологіями когенерації, усе більшу роль в енергетиці світу відіграють електричні генератори теплоти на основі зворотних термодинамічних циклів (теплові насоси, теплофікаційні компресори та ін.), що використовують електричну енергію, одержану на електричних станціях, для вилучення теплоти оточуючого середовища, підвищення її температурного рівня та віддачі у системи теплопостачання. Цей характерний приклад просторово розосередженої системи спільної генерації дозволяє на 30-100% зменшити витрати первинної енергії на генерацію теплоти порівняно із котельними на органічному паливі та у 3-5 рази порівняно з електричними котельними. Перспективність технологій генерації теплоти на базі електричної енергії в умовах України визначається наявністю довготривалих світових тенденцій щодо підвищення вартості та дефіцитності вуглеводневих палив – основного первинного ресурсу для систем теплопостачання, зростанням ролі вугільної та ядерної електроенергетики та ВДЕ у загальному виробництві електричної енергії, загостренням проблем скорочення викидів парникових газів з продуктами згоряння викопних видів палива.
Ключовою проблемою енергетичного та економічного аналізу сполучених систем генерації електричної енергії і теплоти, теплоти і холоду є об’єктивне визначення витрат енергії на їх одержання в умовах комбінованого виробництва. Сутність цієї проблеми полягає у неможливості прямих вимірювань зазначених витрат на практиці. У зв’язку з цим виникає необхідність їх визначення розрахунковим шляхом з використанням термодинамічних закономірностей процесів перетворення енергії.
Вирішення цієї проблеми відкриває можливості оцінки фактичного конкурентного потенціалу технологій сполученої генерації на ринках електричної енергії і теплоти, визначення перспектив та пріоритетів розвитку таких систем у складі електроенергетичного комплексу, об’єктивного визначення вартості виробництва електричної енергії і теплоти у залежності від температурного потенціалу, критеріїв та напрямів технічного удосконалення технологій комбінованого виробництва.
Сучасна методологія енергетичного та економічного аналізу систем сполученої генерації на основі першого та другого законів термодинаміки розвинена в останні десятиріччя у працях Я. Шаргута. Г. Нітча, А. І. Андрющенко, В. М. Бродянського, Г. П. Гохштейна, В. С. Мартиновського, Є. І. Янтовського, Ю. В. Пустовалова,
Разом з тим чималий обсяг знань, вже накопичених за цією проблемою, залишає місце для подальших теоретичних досліджень, зокрема у напрямі пошуку і висвітлення загальних закономірностей розподілу витрат енергії між продуктами прямих та зворотних технологій спільної генерації довільного ступеню необерненості, створення на їх основі теоретичних основ енергетичного і економічного аналізу електричних станцій та установок спільної генерації, методів та моделей енергоекономічної оптимізації функціонування та прогнозування розвитку систем сполученої генерації, як підсистеми електроенергетики, з урахуванням інвестиційних, ринкових та екологічних чинників та обмежень.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тематика та розділи цієї роботи ввійшли до складу фундаментальних і прикладних досліджень, які були виконані в Інституті загальної енергетики НАН України за тематикою наукових досліджень НАН України, Державних науково-технічних програм з пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки: “Дослідження і розробка методів та засобів енергоекономічного аналізу і оптимізації структури та режимів сумісного виробництва, транспортування та споживання електричної і теплової енергії”
(ДР № U000744), “Розроблення методологічних основ і засобів прогнозування розвитку теплової енергетики України та їх уніфікація з урахуванням європейської інтеграції” (ДР № U001374), “Прогнозування напрямів та обсягів реконструкції і розвитку електростанцій та установок комбінованого виробництва електричної і теплової енергії в Україні з урахуванням фінансових, екологічних та ринкових обмежень” (ДР № U001373), “Розробка методології та удосконалення оптимізаційних моделей та програмних засобів прогнозування розвитку теплової енергетики на основі концепції інтегрованого планування з урахуванням мережних обмежень” (ДР № U000574), “Визначення доцільних напрямів та обсягів впровадження в Україні екологічно чистих систем децентралізованої енергетики на основі концепції інтелектуальних мереж” (ДР № U000573), “Дослідження напрямів та оптимізація обсягів використання технологій в розвитку паливно-енергетичного комплексу (ДР № U003753), “Створення методичних підходів та математичних моделей, дослідження пріоритетних напрямів використання енергоефективних технологій в галузях енергокомплексу України”
(ДР № U002336), “Розроблення оптимальної структури енергозберігаючих теплоджерел систем теплопостачання країни на період до 2030 року”
(ДР № U009487) за програмою: “Науково-технічні основи вирішення проблем енергозбереження”, “Розробка наукових основ та методології визначення оптимальної архітектури керування ОЕС України з метою забезпечення вимог UCTE щодо надійності і сталості її роботи” за програмою “Науково-технічні проблеми інтеграції енергетичної системи України в Європейську енергетичну систему” (ДР № U009489), “Розробка напрямів та оптимізація обсягів використання новітніх систем комбінованого виробництва електричної та теплової енергії з метою підвищення надійності, економічності та екологічної чистоти енергозабезпечення” (ДР № U006498), прикладних НДР з розробки матеріалів до Енергетичної стратегії України до 2030 року.
Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягала у розробці теоретичних основ, методів і засобів енергоекономічного аналізу систем спільної генерації електричної енергії і теплоти на основі досліджень об’єктивних закономірностей поділу витрат енергії по продуктах комбінованих тепломеханічних процесів методами термодинаміки, визначенні раціональних напрямів і обсягів впровадження технологій спільної генерації у системах теплопостачання та електропостачання України.
Об’єкт дослідження – електроенергетичний комплекс, включаючи електричні генератори теплоти.
Предмет дослідження – закономірності поділу приводної енергії між видами продукції просторово суміщених процесів тепломеханічного перетворення, установок і систем сполученої генерації електричної енергії і теплоти, роль і місце таких систем в електроенергетичному комплексі України.
Методи дослідження.
Ексергетичний метод термодинамічного аналізу та метод циклів використовувалися у якості відправної бази для розробки методичного підходу та визначення основних співвідношень щодо об’єктивного розподілу витрат енергії між видами продукції прямих та зворотних процесів сполучених виробництв енергії та теплоти.
Числові методи аналізу та розрахунку термодинамічних властивостей робочих тіл та циклів використовувалися у ході досліджень показників ефективності сполучених систем на базі паротурбінних, газотурбінних та поршневих теплових машин.
Математичні методи техніко-економічного аналізу та оптимізації використовувалися у розробках методології системного аналізу сполучених систем, прогнозуванні раціональних напрямів та обсягів їх використання у перспективних системах теплової енергетики України.
Відповідно до мети досліджень основну увагу у роботі приділено вирішенню наступних задач:
· теоретичні узагальнення існуючих методів енергоекономічного аналізу сполучених систем генерації електричної і теплової енергії;
· розроблення наукової концепції щодо роздільного визначення витрат енергії між продуктами просторово суміщених сполучених систем генерації електричної енергії і теплоти у рамках термодинамічного підходу;
· дослідження основних закономірностей поділу енергії у прямих та зворотних сполучених процесах спільної генерації довільного ступеню необерненості;
· розвиток теорії термодинамічного поділу витрат енергії між продуктами бінарних просторово суміщених процесів спільної генерації та виведення загальних співвідношень для обчислення енергоємності продуктів таких процесів;
· розвиток теоретичних основ визначення показників теплової економічності та собівартості комбінованого виробництва електричної енергії і теплоти на електричних станціях;
· розвиток теоретичних основ прикладного енергоекономічного аналізу паротурбінних та газотурбінних установок електричних станцій комбінованого виробництва електричної і теплової енергії;
· розвиток теоретичних основ енергоекономічного аналізу технологій спільної генерації у напрямі створення методів та загальних математичних моделей технологічних об’єктів спільної генерації;
· апробація методів та моделей на прикладі системного співставлення технологій просторово суміщених та роз’єднаних систем спільної генерації електричної і теплової енергії у широкому діапазоні варіювання цін на електричну енергію, паливне та енергетичне обладнання у рамках комплексних досліджень Інституту загальної енергетики НАН України з проблем прогнозування розвитку систем електроенергетики та теплопостачання України на період до 2030 року.
Наукова новизна одержаних результатів.
1. Запропоновано нову наукову концепцію поділу витрат енергії між продуктами просторово суміщених процесів тепломеханічного перетворення з довільним ступенем необерненості у рамках термодинамічного підходу.
2. Визначені основні закономірності поділу витрат енергії між продуктами прямих та зворотних просторово суміщених процесів тепломеханічних перетворень. Встановлено, що поділ енергії між продуктами таких процесів підпорядкований закону збереження та перетворення механічної енергії, що діє відносно ексергії приводної енергії процесу. При цьому приводна ексергія еквівалентно переходить у механічну енергію процесу і навпаки, а витрати ексергії відносяться на тепловий вихід процесу.
3. Розвинуто теоретичні основи термодинамічного поділу витрат енергії між продуктами реальних сполучених процесів тепломеханічного перетворення та визначені загальні співвідношення для поділу витрат енергії, виходячи з сумарних витрат енергії та ексергії процесу та енергетичних еквівалентів одержаних продуктів.
4. Розвинуто теорію інтегрального та диференціального енергоекономічного аналізу енергетичних установок та електричних станцій комбінованого виробництва. Визначені загальні співвідношення для розрахунку енергоємності та вартості одержання електричної енергії і теплоти на електричних станціях та установках комбінованого виробництва за даними їх зовнішнього паливно-енергетичного балансу за початковими параметрами робочих циклів.
5. Розвинуто теорію прикладних інженерних розрахунків показників теплової економічності практично важливих типів установок комбінованого виробництва (паротурбінних та газотурбінних) термодинамічним методом. Одержані універсальні емпіричні залежності для спрощення інженерних розрахунків таких установок.
6. Розвинуто теорію енергоекономічного аналізу технологічних напрямів розвитку сполучених систем генерації електричної і теплової енергії. Розроблено математичні моделі технологічного об’єкту просторово суміщених та розділених сполучених систем генерації електричної енергії і теплоти у секторах виробництва та споживання енергії. Визначено економічні межі їх доцільного використання у залежності від цін на електричну енергію та органічне паливо.
Практичне значення одержаних результатів.
Результати досліджень створюють достатню наукову базу для проведення інженерних розрахунків установок та систем сполученої генерації електричної енергії і теплоти, що дає змогу більш виважено підійти до вибору напрямів науково-технічного прогресу у відповідних галузях техніки.
Результати роботи можуть бути корисними у прикладному енергетичному аналізі систем енергетики, нормуванні показників енергоємності комбінованих виробництв теплоти та енергії, визначенні та аналізі фактичної собівартості одержання енергетичної продукції на КЕС, ТЕЦ, когенераційних та компресорних установках та станціях, установках сумісного виробництва теплоти та холоду.
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 34.09.100-2003 “Витрати палива на відпущену електричну та теплову енергію при їх комбінованому виробництві на теплових електростанціях. Методика визначення”.
Особистий внесок здобувача.
З опублікованих у співавторстві робіт здобувачем використано тільки ті результати, які отримані ним самостійно. У роботі [1] автор розробив методичні питання ексергетичного аналізу комбінованих виробництв. У роботі [4] автором виконано енергоекономічні дослідження перспективності термоелектричної когенераційної установки на базі низькоемісійних реакторів. У роботі [6] автором виконано енергетичний аналіз ГТ-над-будови АЕС. У роботі [11] автору належать окремі розділи з питань екології, законодавства та тарифоутворення у тепловій енергетиці України. У роботах [12-14] автор приймав участь у постановках задач і аналізі їх результатів. У роботі [17] автору належить розділ з методології та результатів техніко-економічного аналізу установок когенерації малої і середньої потужності. У роботі [18] автор приймав участь у розробленні заходів щодо розвитку комбінованого виробництва та електроопалення на базі теплових насосів. У роботі [29] автором розроблено питання розвитку сполучених систем генерації.
У роботі [30] автором надано таблиці лімітних значень коефіцієнту термодинамічного поділу витрат палива між електричною і тепловою енергією. У роботі [31] автор приймав участь у висвітленні змісту ”Енергетичної стратегії України до 2030 року” щодо питань розвитку сполучених систем генерації електричної енергії і теплоти.
Апробація результатів дисертації.
Основні результати дисертації оприлюднені на 10 міжнародних наукових конференціях та симпозіумах, 5 наукових семінарах, робочих нарадах, круглих столах з актуальних питань розвитку енергетики, зокрема: міжнародній школі-семінарі “Эксергетический метод анализа технических систем и экономия энергетических и материальных ресурсов” (м. Запоріжжя, 1992), 3-й міжнародній конференції з нових енергетичних систем та перетворювачів (м. Kaзань, 1997), конгресі з енергоресурсозбереження “Ресурс’97” (Київ, 1997), VII конференції країн СНД “Проблемы экологии и эксплуатации объектов энергетики” (м. Севастополь, 1997), міжнародній конференції “Региональные проблемы энергосбережения при производстве и потреблении энергии” (м. Київ, 1999), міжнародній конференції “Региональные проблемы энергосбережения в децентрализованной теплоэнергетике” (м. Київ, 2001), міжнародній конференції “Енергетична безпека Європи. Погляд у 21 століття” (м. Київ, 2000), науково-практичній конференції “Мала енергетика – шляхи та перспективи розвитку і безпека навколишнього середовища” (м. Київ, 1999), міжнародній конференції “Основні положення Енергетичної стратегії України та науково-технічне забезпечення її реалізації” (АР Крим, 2003), науково-технічних нарадах Мінпаливенерго України, НКРЕ України, АК “Київенерго” щодо впровадження стандартної методики розподілу витрат палива на ТЕЦ, КЕС та АЕС (м. Київ, 2000-2004), міжнародній конференції “Когенерация в промышленности и коммунальной энергетике” (м. Київ, 2004) та ін.
Публікації.
За тематикою дисертаційної роботи опубліковані статті: 25 – у провідних наукових журналах, 7 – у збірниках наукових праць та матеріалах конференцій, 1 – у офіційному галузевому стандарті України.
Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів основного тексту, висновків, списку використаних джерел із 172 найменувань на 18 сторінках та 2 додатків. Обсяг дисертації – 251 стор. основного тексту, у т.ч. дисертація містить 71 ілюстрацію та 47 таблиць.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ
У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету за задачі дослідження, викладено наукову новизну та практичну цінність одержаних результатів; зазначено особистий внесок здобувача у наукових працях, вказано кількість публікацій, наведено відомості про апробацію результатів дисертаційної роботи.
Перший розділ містить огляд літературних джерел за темою дисертаційної роботи. Надані основні визначення та стисла класифікація систем сполученої генерації електричної і теплової енергії. Виконаний огляд стану та перспектив розвитку систем сполученої генерації на базі когенерації, теплових насосів та теплоакумуляційних систем електричного опалення у провідних країнах світу та в Україні, науково-технічних публікацій з питань методичного забезпечення їх розвитку. На підставі цього визначений перелік задач досліджень за темою дисертаційної роботи. Встановлено, що розвиток сполучених систем генерації дозволяє вирішувати такі актуальні проблеми енергетики, як підвищення енергетичної ефективності виробництва електричної енергії і теплоти за рахунок зниження теплових втрат у довкілля та залучення теплоти довкілля у енергетичний баланс, ефективне регулювання електричних навантажень енергетичних систем з використанням акумулювання теплоти, зменшення викидів шкідливих і парикових газів у довкілля, зниження рівня енергетичної залежності національної економіки за рахунок витіснення з енергетичного балансу імпортних енергоносіїв. Сполучені системи генерації набули значного розвитку у США, Японії, країнах ЄС і впровадження таких систем дедалі розширюється. Структурний розподіл сполучених систем за джерелами генерації теплоти характеризується істотним розмаїттям. Він визначається особливостями паливних баз окремих країн, структурою джерел виробництва енергії, кліматичними відмінностями та співвідношенням цін на електричну енергію та палива, що переважають у структурі виробництва теплоти. В умовах зростання цін на газ економічна ефективність когенераційних технологій знижується, а теплонасосних – зростає. Існуючі тенденції щодо збільшення цін на імпортовані вуглеводні сприяють впровадженню найбільш ефективних систем когенерації та суттєвому зростанню попиту на ефективні системи електричного опалення.
Сучасну теоретичну базу енергоекономічного аналізу сполучених систем становлять методи, засновані на використанні другого початку термодинаміки. Основний вклад у її розвиток внесли Л. Л Гінтер, Г. А. Аронс, Ж. Л. Танер-Таненбаум, А. Н. Румянцев, А. І. Прайб, А. С. Горшков, А. І. Андрющенко, Д. П. Гохштейн, Г. П. Верхівкер, Я. Шаргут, Р. Петела, Р. Нітч, В. С. Мартинов-ський, В. М. Бродянський, Є. І. Янтовський, В. С. Степанов, Ю. В. Пустовалов, A.G. Tsatsaronis і багато інших дослідників.
Подальший розвиток теорії сполучених систем на основі термодинаміки пов’язаний із пошуком та розробкою принципових підходів щодо об’єктивного поділу енергії між продуктами її перетворення у прямих та зворотних процесах, дослідженням основних закономірностей її поділу, створенні на їх основі адекватних математичних моделей, методів та засобів оцінювання ефективності та прогнозування розвитку окремих технологій спільної генерації як складової частини паливно-енергетичного комплексу (ПЕК).
Другий розділ присвячений теоретичному узагальненню існуючих та пошуку принципових нових підходів до об’єктивного поділу витрат між видами продукції прямих та зворотних процесів систем сполученої генерації. Узагальнення методів оцінки витрат на одержання теплоти і енергії у процесах тепломеханічного перетворення на основі аналізу їх метрологічної достовірності дозволило виділити як найбільш достовірні ексергетичні методи, засновані на поділі витрат, виходячи з ексергії продуктів. Однак подальший аналіз цих методів вказує на наявність при їх обґрунтуванні довільного припущення щодо поділу між продуктами втрат ексергії процесу. Ця вада ексергетичного підходу призводить до необхідності пошуку більш загальних підходів до вирішення задачі у рамках термодинамічної теорії з урахуванням загальних вимог метрології щодо об’єктивності фізичних вимірювань.
З використанням методу уявного експерименту доведена принципова здійсненність прямих вимірювань витрат енергії на одержання теплоти та роботи бінарного процесу перетворення.
Розглянуто довільний бінарний процес 1 розширення робочого тіла з одержанням роботи, що здійснює перетворення енергії U або еквівалентної кількості теплоти (Qo=U) з одержанням двох продуктів – механічної роботи W та теплоти Q, які відводяться до відповідних споживачів 2 і 3. Приводна енергія процесу надходить від зовнішнього джерела 4. Процес здійснюється у певному оточуючому середовищі 5, що має постійну температуру Та і може виконувати функції приймання теплоти, зокрема від споживачів енергії або віддавання теплоти з постійною температурою.
Необхідно довести, що взаємодоповнюючі частки приводної енергії , що витрачаються на одержання кожного з продуктів процесу (у подальшому – парціальні витрати) є об’єктивними фізичними величинами.
Згідно із визначеннями загальної метрології та теорії вимірювань для цього достатньо довести принципову можливість їх вимірювань на досліді. Принципові схеми уявного експерименту, що дозволяють довести можливість вимірювання парціальних витрат, було запропоновано вперше у роботі [3].
Ідея експерименту, принципову схему якого наведено на рис. 1, полягає у тому, що механічну роботу W, яку одержують у бінарному процесі 1, повністю використовують у допоміжному процесі 6, що перетворює її із залученням теплоти A’ оточуючого середовища у певну кількість приводної енергії та подає на вхід бінарного процесу.
Рис. 1. Схема уявного експерименту з роздільного визначення витрат енергії на вироблення механічної енергії і теплоти у бінарному комбінованому процесі.
1 – бінарний комбінований процес; 2 – споживач механічної енергії;
3 – споживач теплоти; 4 – джерело енергії; 5 – оточуюче середовище;
6 – допоміжний процес перетворення механічної енергії у теплоту;
7 – допоміжний процес вироблення механічної енергії.
Перетворена енергія заміщує відповідну кількість приводної енергії так, щоб приводна енергія бінарного процесу залишилась незмінною. Витрата енергії від зовнішнього джерела зменшиться при цьому на величину і становитиме . Таким чином вихідний бінарний процес перетворюється у простий однопродуктовий процес генерації теплоти із споживанням на це приводної енергії . Результат вимірювання цієї величини, за умови коректного проведення експерименту, буде являти собою розшукувану витрату енергії на одержання теплоти у бінарному комбінованому процесі.
Коректне проведення експерименту, згідно з основним визначенням фізичної метрології, є можливим тільки за умов відсутності впливу вимірювань на оточення. Це означає, що всі параметри власне бінарного процесу, джерела приводної енергії, постачання корисної енергії і теплоти споживачам, як і параметри оточуючого середовища, повинні залишатися у процесі вимірювання сталими.
Виконання цієї умови стає можливим за рахунок використання допоміжного процесу 7, який здійснює перетворення приводної енергії у роботу W’ та її передачу до споживача роботи 2. Теплота А процесу 7 передається в оточуюче середовище. Кількість приводної енергії, що відводиться у допоміжний процес 7, визначається з умови сталості приводної енергії вихідного бінарного процесу.
З розгляду енергетичних та ентропійних балансів вихідного процесу та всіх процесів, включених у схему вимірювання, можна встановити, що порушення стану оточення, джерела енергії та споживачів теплоти та роботи у процесі вимірювань може бути виключеним тільки тоді, коли наробіток ентропії в обох допоміжних перетворювачах буде дорівнювати нулю. Саме такі властивості цих перетворювачів забезпечують цілковиту достовірність вимірювань.
Вимога до ідеальності вимірювальних процесів 6 і 7 не означає нездійсненності описаного експерименту, який може бути проведено і неідеальними засобами, якщо їх властивості заздалегідь відомі. У цьому разі результат вимірювання буде одержаний з контрольованою похибкою, як і у будь якому іншому теплофізичному експерименті.
Таким чином, об’єктивні вимірювання роздільних витрат енергії на продукти бінарного процесу слід вважати принципово здійсненними. Це означає, що парціальні витрати енергії на одержання продуктів комбінованого бінарного процесу є об’єктивно існуючими фізичними величинами. Крім цього, з умови відсутності втрат ексергії у перетворювачі 7 випливає, що приводна ексергія, яку він споживає, у точності дорівнює роботі, яку продукує комбінований процес. Таким чином, витрати ексергії приводної енергії на вироблення механічної енергії у комбінованому процесі мають дорівнювати одержаній роботі. Виходячи з цього, витрати приводної енергії на одержання роботи і теплоти становлять:
U=Uo*W/Exo , (1); U=Uo*W/Exo, (2)
де U – приводна енергія ; W– механічна робота; Exo – приводна ексергія.
Знайдені співвідношення виражають точний фізичний закон, який дозволяє проводити дотичні вимірювання дійсних парціальних витрат на основі натурних вимірювань потоків енергії і ексергії з нульовою методичною похибкою. Одержані висновки підтверджено у роботі описом додаткового уявного експерименту, у якому реалізовано принцип еквівалентного заміщення вихідного комбінованого процесу сукупністю простих однопродуктових процесів, властивості яких визначають з умови повного повторювання ними функцій вихідного процесу. У результаті проведених порівнянь встановлено, що повна відповідність схеми заміщення вихідному комбінованому процесу має місце лише за умови повної термодинамічної оберненості цільового процесу генерації механічної енергії. Це прямо приводить до формул (1) – (2) для поділу витрат енергії.
Розглянуто проблему визначення парціальних витрат роботи на одержання стисненого газу та теплоти стиску у теплофікаційній компресорній установці, що здійснює стиснення та наступне охолодження газу з відведенням теплоти охолодження стороннім тепловим споживачам.
Встановлено, що витрати приводної роботи на одержання стиснутого охолодженого газу дорівнюють його ексергії, а залишки приводної роботи являють витрати на одержання корисної теплоти стиску.
Надане доведення теореми про еквівалентне представлення реального адіабатичного процесу, що призводить до генерації роботи і залишкової теплоти, сукупністю прямого та зворотного адіабатичних процесів, пов’язаних з оточуючим середовищем, кожний з яких призводить до одержання роботи або теплоти.
Наведено узагальнені формулювання основних закономірностей поділу витрат у процесах комбінованого виробництва теплоти і роботи, виявлених за результатами досліджень:
1. Приводна ексергія комбінованого процесу перетворюється у його роботу в еквівалентній кількості незалежно від форми приводної енергії, ступеню оберненості та напрямку здійснення цього процесу.
2. Втрати ексергії комбінованого процесу відносяться на його тепловий вихід.
3. Перетворення ексергії процесу у продукти підпорядковано закону збереження і перетворення енергії незалежно від форми приводної енергії.
4. Парціальні витрати енергії процесу на одержання корисної роботи пропорційні одержаній роботі і обернено пропорційні приводній ексергії.
5. Парціальна витрата енергії на одержання теплоти пропорційна сумі ексергії отриманої теплоти та втрати ексергії у процесі.
Наведені теоретичні порівняння співвідношень (1) – (2), що одержали умовну назву термодинамічного методу (ТМ) поділу витрат, з енергетичним (фізичним) та ексергетичним методами. У частковому випадку високотемпературних тепломеханічних процесів ТМ асимптотично наближується до енергетичного методу поділу, а у частковому випадку процесів з малим тертям – до ексергетичного методу.
Для більшості реальних комбінованих процесів енергетичний (фізичний) метод завищує витрати на генерацію теплоти, а ексергетичний – на генерацію роботи у порівнянні з ТМ, що природно пояснюється дією концептуальних припущень, що були покладені в основу розробки енергетичного та ексергетичного методів поділу.
Третій розділ роботи присвячений розробці теоретичних основ енергоекономічного аналізу паротурбінних теплофікаційних установок.
Специфічною особливістю робочих процесів парових турбін є те, що ексергія робочої пари у будь-якій точці робочого процесу кількісно співпадає із значенням ізоентропійного теплопадіння, що відраховується від даної точки процесу до ізобари, яка відповідає тиску насичення за температури оточуючого середовища.
Тому, згідно з основними співвідношеннями термодинамічного методу поділу, парціальні витрати на виробіток зовнішньої роботи та корисної теплоти процесу розширення у теплофікаційній паровій турбіні із протитиском p визначають за формулами:
Qe = Q0*Hw/Ho (3) QT = Q0*Hq/Ho (4)
де Ho – ізоентропійне теплопадіння від початкового тиску до ізобари, що відповідає тиску pa насиченої пари за температурою довкілля; Hw – дійсне теплопадіння, пропорційне потужності на валу турбіни; Hq=Ho-Hw – частина ізоентропійного теплопадіння, що відноситься на виробіток теплоти.
Встановлено, що розділення витрат згідно з (3) – (4)може бути виконане графічно у діаграмі Мольє (h-s діаграмі води і водяної пари), як це показано на рис. 2.
Рис. 2. Графічний поділ витрат у діаграмі Мольє.
Принцип термодинамічного поділу витрат енергії на паротурбінній ТЕЦ ілюстрований прикладом порівняння найпростіших схем паротурбінних установок, що здійснюють комбіноване (рис. 3) і роздільне виробництво електричної енергії й теплоти (рис. 4) відповідно. Схема на рис. 3 відрізняється від традиційної схеми роздільного виробництва з відпуском редукованої пари від котлів наявністю парового ежектору, що відсмоктує пару з конденсатору турбіни, використовуючи для цього ексергію пари, яка втрачається у процесі редукції пари за традиційною схемою роздільного виробництва.
На рисунках 3 і 4 прийняті наступні позначення: 1 – парогенератор; 2 – паро-паровий ежектор; 3 – бойлер; 4 – конденсатор; 5 – живильний насос; 6 – парова турбіна.
Показано, що у разі ізоентропійного розширення пари у конденсаційній турбіні 6 (рис. 4), схема роздільного виробництва є повністю тотожна схемі комбінованого виробництва. Це дає змогу достатньо просто розділити сумарні витрати робочого тіла на складові, що відносяться до виробництва електричною енергії та теплоти у паровій турбіні, з використанням рівнянь матеріального балансу схеми рис. 4:
Do=W/Ho=Do*Hw/Ho, (5) Dq=Do*Ho/H (6)
Рис. 3. Спрощена схема паротурбінної теплофікаційної установки. | Рис. 4. Спрощена схема роздільного виробництва електричної енергії ї теплоти.
Оскільки витрати тепла пропорційні відповідним витратам робочого тіла, останні співвідношення збігаються з рівняннями (5) і (6).
Одержані рівняння поділу дозволяють визначити важливий параметр роботи теплофікаційних парових турбін – відношення вартості одержання одиниці теплоти до вартості виробництва теплового еквіваленту механічної енергії: щ=qТ/qе=1-Та(sо-sа)/(i-iа), де qТ – питома витрата приводної теплоти на одержання корисної теплоти; qе – питома витрата приводної теплоти на виробництво механічної енергії; sо – ентропія пари перед турбіною; – ентальпія пари, що відпускається з турбіни тепловим споживачам; Та – температура охолоджуючої води; К; sа, iа – ентропія та ентальпія охолоджуючої води. Це відношення умовно йменується у роботі коефіцієнтом термодинамічної цінності теплоти (КТЦ).
КТЦ теплоти формально подібний до температурної ексергетичної функції, але завжди є більшим за неї внаслідок врахування втрат енергії процесу розширення пари в турбіні.
В результаті обробки великого масиву довідкових даних з номінальних параметрів роботи серійних парових турбін у роботі запропоновано логарифмічну залежність КТЦ від відносного тиску пари, що відпускається на потреби теплофікації з парової турбіни: щ(р)= що+Аln(po/p), де: А – індивідуальна константа типу парової турбіни; щo=1-Та(sо-sа)/(iо-iа)– КТЦ теплоти пари на вході в парову турбіну.
Розрахунки емпіричних коефіцієнтів проведені на ЕОМ з використанням програмного комплексу “Steam”, що включає підпрограму відтворення термодинамічних властивостей води і водяної пари згідно стандартних міжнародних таблиць та значення ексергії води і водяної пари. Встановлено, що для обчислення КТЦ парових турбін з похибкою до 2% можуть використовуватися однакові значення індивідуальної константи.
На рис. 5 наведені співставлення універсальної емпіричної залежності (неперервні лінії) зі значенням КТЦ, що розраховані за довідковими даними номінальних режимів конденсаційних і теплофікаційних парових турбін (крапки) чотирьох ступенів початкових тисків – 3,43 МПа (35 ата); 8,82 МПа (90 ата); 12,74 МПа (130 ата); 23,5 МПа (240 ата).
Рис. 5. Співставлення емпіричних і точних розрахунків коефіцієнтів термодинамічної цінності теплоти пари серійних парових турбін за довідковими даними номінальних режимів.
Оскільки КТЦ визначають термодинамічно обумовлену диференціацію витрат на одержання теплоти за параметрами її відпуску з парових турбін, використання цих коефіцієнтів дозволяє диференціювати вартість виробництва теплоти паротурбінними установками у вигляді пари та гарячої води у залежності від тиску та температури відпуску цих енергоносіїв відповідно.
Це створює основу для обґрунтування енергозберігаючих систем тарифів на відпуск теплоти споживачам, спрямованих на зниження ексергетичних та теплових втрат у процесах транспортування та споживання теплоти. Не менш важливою є можливість використання коефіцієнтів цінності для аналізу та оптимізації теплових схем складних паротурбінних установок теплофікаційного та конденсаційного типів, зокрема з метою мінімізації вартості ступеневого підігріву мережної води і конденсату систем регенерації.
Результати, одержані на прикладі найпростішої бінарної парової турбіни, були покладені в основу методології енергоекономічного аналізу складних паротурбінних установок, що здійснюють відпуск теплоти за рахунок відбору пари з кількох точок проточної частини турбіни, конденсатору, систем охолодження, редукційно-охолоджувальних установок, утилізаторів котлів та ін. на потреби зовнішнього відпуску технологічної пари та гарячої води, у систему регенераційного підігріву живильної води, на власні потреби електростанції.
Для поділу витрат палива на виробництво електричної енергії і теплоти брутто термодинамічним методом одержано залежності:
М М
Beбр=B*Е /( Е +УQi*щi), (7) BTiбр=Qi*щi /( Е +УQi*щi) , (8)
і=1 і=1
де E – виробіток електричної енергії; B – витрата палива на енергетичні котли; – кількість точок відбору теплоти з циклу установки на зовнішні та технологічні потреби; і – умовний номер точки відпуску теплоти; Qi – відпуск теплоти з кожної точки робочого циклу; щi – КТЦ даної точки відпуску. Для виробництв теплоти за рахунок електричної енергії (нагрівання у насосах, утилізація теплоти систем охолодження турбін, генераторів, трансформаторів та ін.) КТЦ приймається рівним одиниці. Для точок відбору теплоти з котлів щ= щo.
Відповідні витрати на виробництво електричної енергії і теплоти нетто (товарний відпуск енергії) визначають при цьому за формулами:
L L
BeН= B*Qвідп* щj/( Евідпj +УQвідпj*щi) (9) BTjН= B*Qвідпj* щj/( Евідпj +УQвідпi*щi) (10)
і=1 і=1
де j – умовний номер виду енергоносія, що відпускається від установки (технологічна пара різних ступенів тиску, гаряча вода та ін.); L – кількість видів товарного відпуску теплоти; Qвідпj, щi– фактична кількість та середньозважений КТЦ потоків теплоти, що формують кожний товарний відпуск теплоти згідно з конкретною технологічною схемою установки.
Середня вартість відпуску теплоти від установки визначається за формулою:
BTН= B*Qвідп* щср/( Евідп +Qвідп*щср), (11)
де щср – середньозважена сума КТЦ всіх точок відпуску теплоти на зовнішні потреби.
Наведені формули доцільно використовувати для проведення узагальненого техніко-економічного аналізу роботи паротурбінних установок та електричних станцій, визначення виробничої вартості видів товарної продукції. Такий аналіз базується на даних технологічного обліку роботи установки, передбачених чинними стандартами статистичної звітності і може виконуватися персоналом ТЕЦ і КЕС.
Проведене порівняння термодинамічного методу з іншими методами оцінки теплової економічності комбінованого виробництва електричної енергії і теплоти. Введене визначення термодинамічних мінімумів витрат енергії на одержання електричної енергії і теплоти: bemin=860/(7*щo) [г у.п./кВт.год], bTmin=1000*ф/(7*щo) [кг у.п./Гкал], де ф – ексергетична температурна функція нагрітого теплоносія.
У якості бази порівнянь обрані відомі методи, засновані на поділі між продуктами економії палива, яка виникає внаслідок комбінованого виробництва. Вони описуються загальними залежностями:
Qe(m)= Qeo+mД Q , (12) QT(m)= QTo+mД Q , (13)
де Д Q – економія теплоти, що виникає внаслідок комбінованого виробництва; m – коефіцієнт віднесення економії на теплоту; Qeo, QTo – витрата тепла на виробіток електричної енергії та теплоти за фізичним методом.
На підставі співставлення формул для визначення економії тепла термодинамічним методом та методом коефіцієнтів цінності (Я. Я. Рубинштейн, М. И. Щепетильников «Исследование реальных тепловых схем ТЭС и АЭС». – М.: Энергоиздат, 1982. – 270 с.) у роботі одержано аналітичну залежність для розрахунку коефіцієнтів віднесення економії теплоти у вигляді:
M=(1-k) / (1-о), (14)
де о – коефіцієнт цінності тепла відбору; k= щ / щo – коефіцієнт відносної термодинамічної цінності теплоти, що визначає здешевлення теплоти відпрацьованої пари порівняно з теплотою пари на вході в турбіну.
На великому масиві даних щодо параметрів роботи парових турбін з використанням відомих емпіричних залежностей для коефіцієнтів цінності теплоти проведені розрахунки коефіцієнтів віднесення економії палива на електричну енергію і теплоту для різних параметрів відпуску тепла з відборів та значення питомої витрати палива на виробництво тепла за різними методами поділу витрат. Співставлені різні методи поділу витрат по розрахункових значеннях питомої витрати палива на відпуск теплоти (кг у.п./Гкал) для різних значень тиску відбору пари та однакових значень ККД парогенератору (брутто) – 90%, ККД теплового потоку – 98%.
Результати порівняння показують, що найбільше наближення до термодинамічного методу дає метод рівного поділу економії між продуктами. Разом з тим встановлено, що для установок на низькі початкові тиски пари ( 4 МПа) та понадкритичні тиски метод рівної економії може призводити до похибок у визначенні показників ефективності на рівні . У зв’язку з цим для визначення показників економії палива рекомендовано використовувати термодинамічний метод.
Розроблено методику обчислення коефіцієнту розподілу витрат теплоти Kop=m*ДQ/ Qвідп для формування поправки до фізичного методу визначення витрат теплоти на виробництво електричної енергії:
Qe= Qeo+Kpo* Qвідп. (15)
Надано розрахункову таблицю для обчислення коефіцієнтів розподілу у залежності від початкових параметрів пари та тиску пари у відборах парових турбін електричних станцій, яку було включено у галузевий стандарт ГКД 34.09.100-2003, розроблений спільно АТ „ЛьвівОРГРЕС” та ІЗЕ НАН України.
Запропоновано інтегральну модель паротурбінної установки комбінованого виробництва електричної і теплової енергії, засновану на понятті граничного циклу Ренкіна. Граничний цикл являє собою теоретичний (термічний) конденсаційний цикл Ренкіна з передачею теплоти за температури Та оточуючого середовища (охолоджувальної води).
Різниця витрат теплоти спалювання, підведеної у дійсний теплофікаційний цикл паротурбінної установки та граничний цикл
