Энергетический и эксергетический рейтинги теплоэнергетических установок

УДК 621.311.1

Р. А. Ильин

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ И ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ РЕЙТИНГИ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

О критериях оценки эффективности

Проблема эффективности - главная проблема современной теплоэнергетики [1-17 и др.].

Для оценки эффективности теплоэнергетических установок применяются различные критерии, в которых термодинамические потери учитываются совместно с потерями механическими, гидро- и аэродинамическими, тепловыми, химическими, с затратами на собственные нужды. Однако термодинамические потери, кроме того, что они являются наибольшими, имеют принципиальный характер и существенно различаются по коэффициенту использования тепловой эксергии, получаемой при сжигании топлива.

Из термодинамических КПД традиционно используется КПД установок как отношение получаемой электрической энергии к теплоте сгорания топлива. Применяется также эксергети-ческий КПД установок цех, который учитывает потери эксергии непосредственно в установке, но не учитывает степень использования тепловой энергии топлива. Эти показатели достаточно эффективны для определенных целей и определенных видов теплоэнергетических установок. Но с современных позиций они не обладают достаточной общностью и с этой точки зрения должны совершенствоваться.

В последние годы обсуждается показатель «коэффициент использования топлива», который вычисляется как отношение суммы электрической и тепловой энергии, вырабатываемых установкой, к теплоте сгорания топлива. Этот показатель достаточно критиковали, т. к. в его числителе суммируются различные виды энергии: электрическая и тепловая. Его величина в литературе оценивается как близкая к единице. Отсюда делается вывод о высокой, «предельной» эффективности топливных теплоэнергетических установок. К установкам других типов, нетопливных, он неприменим.

Заслуживает внимания введенный в [1, 12] прогрессивный критерий эффективности теплоэнергетических установок, который записывается, по [2], в виде

где Вт - расход топлива; Ор - удельная низшая теплота сгорания топлива; Ехотп - эксергия, отпущенная потребителям в другом виде, кроме электроэнергии. На основании этого критерия выполнен анализ термодинамических циклов некоторых теплоэнергетических установок «большой энергетики». Авторы [2] указывают, что Ехотп является «расходом эксергии, затрачиваемой на получение продукции производством с наиболее совершенной технологией». Однако понятие

о Ехотп требует дальнейшей разработки и представления как в общем, так и в расчетном виде.

Энергетический рейтинг 1

В то же время эффективность теплоэнергетических установок в настоящее время весьма недостаточна (это подтверждает рис. 1). На рисунке показано использование разности температур, которая возникает при сгорании топлива, в установках различных видов. В качестве максимальной температуры (Тт в термодинамической шкале, К) указана теоретическая температу-

ра адиабатного сгорания топлива в стехиометрических условиях (при начальной температуре топлива и воздуха 0 °С), которая для природных газов и жидкого топлива находится в пределах 2 000-2 100 °С. Возможностью более полного использования разности температур является комбинирование (совместная работа) различного вида установок, например - использование парогазовых установок (ПГУ), а также техническое совершенствование теплоэнергетических установок в целом и их элементов.

1 С участием д-ра техн. наук, профессора кафедры «Теплоэнергетика» АГТУ А. К. Ильина.

г, °С

Рис. 1. Использование разности температур в топливных теплоэнергетических установках: 1 - паротурбинная (ПТУ)-ТЭС; 2 - газотурбинная (ГТУ)-ТЭС; 3 - ПГУ-ТЭС;

4 - промышленная ГТУ-ТЭС без утилизационного котла (УК); 5 - то же с УК (ГТУ-мини-ТЭЦ);

6 - тепловой насос с питанием от ПТУ-ТЭС; 7 - отопительный котел; 8 - ПТУ-мини-ТЭЦ

Оценка эффективности работы теплоэнергетических установок по энергетическому коэффициенту полезного действия соответствует выражению

Пэнерг = (^отв + Qотв Vбт

где ботв - отведенное потребителю количество вырабатываемой тепловой и электрической ^отв энергии; бтопл — количество теплоты, полученное при сжигании топлива.

На рис. 2 на основе этого понятия представлен энергетический рейтинг топливных теплоэнергетических установок.

Лэнерг

—\ б в

«Простые» установки

Комбинированные установки

Рис. 2. Энергетический рейтинг теплоэнергетических установок: а - паровые котлы ТЭС; б - технологические котлы; в - отопительные котлы; г - солнечная водонагревательная установка

2 000

2

3

1 500

4

5

1 000

6

8

7

0

л

м

1,0

н

0,80

о

п

г

0,60

д

е ж

0,40

з

и

к

0,20

Из рисунка видно, что самыми энергоэффективными «простыми» установками являются котлы. Менее эффективны ГТУ, ДВС и установки, использующие возобновляемые источники энергии. Уровень энергетического КПД комбинированных установок достаточно высок. В то же время известно, что по современному показателю, по эксергетическому КПД, котлы весьма неэффективны вследствие больших потерь эксергии [10, 17 и др.]. Таким образом, энергетический КПД не дает полного представления об эффективности установок.

Эксергетический рейтинг 1

Нами используются и разрабатываются следующие термодинамические критерии оценки эффективности теплоэнергетических установок: цех - обычно применяемый эксергетический

1 С участием соискателя кафедры «Теплоэнергетика» В. А. Мовчана.

КПД непосредственно установки по параметрам на входе и выходе [17]; 5пех - введенный в [3, 4] коэффициент использования располагаемой тепловой эксергии топлива (на основе эксергетиче-ской функции в интервале температур То ...Тт, где То - температура окружающей среды, Тт -см. выше); пех0 - коэффициент эффективности использования «строительной» эксергии как отношение эксергии, произведенной за принятый срок службы или за срок «эксергетической окупаемости», к эксергии, затраченной на создание установки: эксергетический коэффициент потерь тепловой энергии при передаче и на собственные нужды; Пехполн - полный эксергетический КПД установки, который учитывает как эффективность преобразования энергии по 5пех, так и эффективность использования строительной эксергии цех 0.

Из приведенных понятий следует, что всегда

Пех полн < ^Лех ,

а общая функциональная зависимость имеет вид

Цех полн = /

которая для разного вида установок может быть представлена в виде конкретных расчетных

формул [3, 4, 6-15]. Например, для ГТУ с утилизационным котлом функциональная зависи-

мость по [3] для Пех полн

I = / (Тт ,То ,Т1,Т2, ТУК , ТУК , Тпотр , пех ГТУ , ПУК , еХ0, т,С ),

где Т1 и Т2 - абсолютная температура газа на входе и выходе ГТУ; ТУ/К и ТУК - температура газа на входе и выходе УК; Тпотр - температура на входе в потребитель тепловой энергии от УК; ПехГТУ - эксергетический КПД непосредственно ГТУ; пУК - энергетический КПД УК как теплообменника; т - удельная масса установки, кг/кВт; ех0 - затраты эксергии на создание установки, Дж/кг массы; С - срок использования установки.

На рис. 3 представлен эксергетический рейтинг теплоэнергетических установок различных видов [3, 6-15]. Использован только показатель 5пех - коэффициент располагаемой тепловой эксергии топлива, который связан с полным эксергетическим КПД установки зависимостями (3) и (4) и дает основной вклад в величину цех полн . В расчетах принято: То = 273 К,

Тт = 2 314 К (при коэффициенте избытка воздуха при горении а = 1 и его температуре 273 К),

5пех макс = 0,88. На рисунке видно, что по сравнению с энергетическим рейтингом произошли

существенные изменения в положении теплоэнергетических установок. Особенно это касается котельных технологий. Рейтинг позволяет наиболее объективно оценивать возможности и приоритеты в теплоэнергетике.

0,90

0,80

0,70

0,60

0,50

0,40

0,30

0,20

5%,

-5%*

9 10 11

20

14 15 16 17

19

21

2

4

6

12 1

Рис. 3. Рейтинг теплоэнергетических установок по использованию располагаемой эксергии:

1 - геотермальные источники вместе; 2 - котел + геотермальный источник; 3 - ПГУ; 4 - ДС + ГТУ;

5 - ДВС; 6 - ДС; 7 - ГТУ; 8 - ДВС + УК; 9 - котел + СВНУ; 10 - ГТУ + УК;

11 - ТОА в различных условиях; 12 - тепловой насос (ТН) + котел; 13 - мини-ТЭЦ (ПТУ);

14 - теплоснабжение от ТН; 15 - паровые котлы ТЭС; 16 - СВНУ; 17 - ПТУ; 18 - технологические котлы; 19 - отопительные котлы; 20 - (ГТУ + УК) + (котел + ПТУ); 21 - (ГТУ + УК) + котел

Пример

При переходе к оценке установок по полному коэффициенту использования располагаемой эксергии пех полн величина коэффициента несколько снижается вследствие влияния параметров т и ех0. В качестве примера этого влияния на рис. 4 приведены расчетные данные для паровых и водогрейных промышленных котлов.

Рис. 4. Коэффициенты цех полн для котлов паровых - • и водогрейных - X различной производительности, мощности и удельной массы при условии: ех0 = 50-106 кДж/кг, С = 40 лет. Состав котлов в зонах а... д: а - Е-50-40-Ц, БГМ-35-М, Е-35-40-Ц, Б-35-40; б - Е-25-14ГМ, ДКВр-35-13-250,

КВВА-12/15, ВВД-200-13, Е-10-14ГМ, КЕ-10-14-С, ДКВр-10-13, ДКВр-2,5-13; в - ДКВр-35-13, ДКВр-10-13, ДКВр-2,5-13; г - КВ-ГМ-30-150, КВ-ГМ-180-150, КВ-ГМ-6,5-150, КВ-ТС-50; д - КЭВ-10000/6, КЭВ-1000/6, КЭВ-1000/0,4; температура пара (воды) на выходе из котлов составляет в зоне а - 440 °С, б - 250, в - 194, г - 150, д - 130; котлы в зонах (точки) расположены по мере увеличения удельной массы т, кг/кВт тепловой мощности

Таким образом, в том числе на примере рис. 4, можно констатировать, что при использовании теплоэнергетического объекта имеется возможность выбирать нужный потребителю вариант сочетания параметров, обеспечивающий необходимую эффективность работы этого объекта, т. е. из поля точек, например, рис. 4, выбрать одну или несколько.

Важно отметить, что оценка эффективности установок и необходимость конкретного повышения их эффективности в настоящее время весьма важны еще и потому, что тарифы на тепловую и электрическую энергию практически достигают предела экономических возможностей населения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Андрющенко А. И. Показатели эффективности сложных систем энергоснабжения и взаимосвязь между ними // Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности: Материалы 4-й Рос. науч.-техн. конф. - Ульяновск: УГТУ, 2003. - С. 12-14.

2. Дубинин А. Б., Андрющенко А. И., Осипов В. Н. Эксергетический метод исследования как основа совершенствования теплоэнергетических установок // Вестн. Сарат. гос. техн. ун-та. - 2004. - № 3 (4). - С. 31-44.

3. Ильин А. К., Ильин Р. А. Термодинамический анализ парогазовых энергетических установок // Вестн. Воронеж. гос. техн. ун-та. Сер. Энергетика. - 2004. - Вып. 7. - 3. - С. 51-52.

4. Ильин А. К., Ильин Р. А. Анализ теплоэнергетических установок по термодинамическим параметрам // Вестн. Воронеж. гос. техн. ун-та. Сер. Энергетика. - 2004. - Вып. 7. - 4. - С. 45-49.

5. Ильин А. К., Курганова Е. А., Ильин Р. А. Обобщенные характеристики природных газов и водорода как топлива // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 2006. - № 3 (22). - С. 258-260.

6. Ильин Р. А., Ильин А. К. Об эффективности мини-ТЭЦ // Вестн. Воронеж. гос. техн. ун-та. Сер. Энергетика. - 2002. - Вып. 7. - 2. - С. 81-84.

7. Ильин Р. А. Эффективность использования утилизационных котлов в промышленной теплоэнергетике // Изв. высш. учеб. завед. Северо-Кавказ. региона. Технические науки. Прил. № 2. - 2006. - С. 59-63.

8. Ильин Р. А. Термодинамическая и техническая эффективность действующих солнечных установок // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 2006. - № 3 (32). - С. 250-252.

9. Ильин Р. А., Ильин А. К. Эксергетическая оценка эффективности использования тепловых насосов // Изв. высш. учеб. завед. Северо-Кавказ. региона. Технические науки. Прил. № 8. - 2006. - С. 43-46.

10. Ильин Р. А., Ильин А. К. Еще раз об эксергетической эффективности использования топливных котлов для теплоснабжения // Изв. высш. учеб. завед. Северо-Кавказ. региона. Технические науки. Прил. № 8. - 2006. - С. 49-51.

11. Ильин Р. А. Эффективность автономной работы ГТУ без утилизационного котла // Материалы нац. конф. по теплоэнергетике. - Казань: КазНЦ РАН, 2006. - Т. 2. - С. 81-82.

12. Ильин Р. А., Мовчан В. А. Термодинамическая классификация котельных установок по вариантам использования полезной эксергии // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 2007. - № 3 (38). - С. 147-149.

13. Ильин Р. А. Эксергетический рейтинг теплоэнергетических установок // Авиакосмические технологии АКТ-2007: тр. 8-й Всерос. конф. - Воронеж: ВГТУ, 2007. - С. 275-278.

14. Ильин Р. А., Ильин А. К. «Пиковый» котел в системе геотермального теплоснабжения // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Ч. 4. Возобновляемые источники энергии. Местные энергоресурсы. Экология: Тр. 6-й Междунар. науч-техн. конф. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2008. -С. 357-361.

15. Покусаев М. Н., Ильин Р. А. Эффективность теплоснабжения от котла с низкопотенциальным источником тепловой энергии // Проблемы развития централизованного теплоснабжения: материалы Ме-ждунар. конф. Т. 2. - Самара: Изд-во Самар. ГТУ, 2004. - С. 257-259.

16. РавичМ. Б. Топливо и эффективность его использования. - М.: Наука, 1971. - 358 с.

17. Эксергетические расчеты технических систем: справ. пособие / под ред. А. А. Долинского, В. М. Бродянского. - Киев: Наук. думка, 1991. - 264 с.

Статья поступила в редакцию 7.11.2008

ENERGY AND EXERGIC RATES OF HEAT POWER INSTALLATIONS

R. A. Ilyin

The exergic criteria of evaluation of heat power installations’ efficiency are offered. The energy and exergic efficiency of installations of various kinds are compared. The examples are given.

Key words: efficiency of heat power installations, energy efficiency, exergic criteria, comparison, examples.