Методика оценки эффективности когенерации электрической и тепловой энергии

Methods of Assessing the Efficiency of Cogeneration of Electricity and Heat

Postolaty V.M.

Institute of Power Engineering of the Academy of Sciences of Moldova Chisinau, Republic of Moldova

Abstract: A method that allows calculating the primary energy savings of fuel cogeneration of electricity and heat as compared to separate methods produce the same amount of these types of energy. An analytic expression relating the energy consumption of fuel for production of electricity and heat, taking into account efficiency with the technologies of production of electricity and heat separately, and the total efficiency when these types of energy cogeneration. The results are illustrated by the example. Based on these results it is recommended to amend the Law on thermal energy and cogeneration of electricity and heat in methodologies for calculating performance of these types of energy cogeneration.

Keywords: cogeneration of electricity and heat, total efficiency, cogeneration efficiency assessment methodology.

Metodologia de estimare a eficientei cogenerarii energiei electrice termice

Postolatii V.

Institutul de Energetica al Academiei de §tiinte a Moldovei Chi§inau, Republica Moldova Rezumat. Metodica elaborata permite efectuarea calculelor privind cota de economisire a resurselor energetice primare ( in unitati ale energiei privind consumul de la producerea energiei electrice §i termice prin cogenerare in comparare cu tehnologia de producere separata a acelea§i volume de energie electrica §i termica. S-a obtinut relatia analitica privind consumul echivalentului de energie pe care o poseda combustibilul primar utilizat pentru producerea energiei electrice §i termice, tinand cont de randamentul de conversie a combustibilului in forma solicitata de energie: la producerea separata a energiei electrice §i termice §i la producerea acestor tipuri de energii prin cogenerare. Rezultatele aplicatiei acestei relatii de calcul este elucidata in baza unui calcul privind o situatie concreta. in baza rezultatelor prezentate in lucrare se recomanda modificare a compartimentului Legii energiei termice in care se expune metodica de calcul a indicatorilor de eficienta energetica a cogenerarii pentru tipurile de energie mentionate.

Cuvinte-cheie: cogenerare, energie electrica §i termica, randamentul global, metodologie calcul eficientei cogenerarii.

Методика оценки эффективности когенерации электрической и тепловой энергии

Постолатий В.М.

Институт энергетики Академии наук Молдовы Аннотация: Разработана методика, позволяющая рассчитывать экономию энергии первичного топлива при когенерации электрической и тепловой энергии по сравнению с раздельными способами производства такого же количества данных видов энергии. Получено аналитическое выражение, связывающее расход энергии топлива на производство электрической и тепловой энергии с учетом коэффициента полезного действия (к.п.д.): при раздельных технологиях производства электрической и тепловой энергии в отдельности и суммарного к.п.д. при когенерации данных видов энергии. Результаты иллюстрируются на конкретном примере. На основании полученных результатов рекомендуется внести изменение в Законе о тепловой энергии и когенерации электрической и тепловой энергии, касающееся методики расчета показателей эффективности когенерации указанных видов энергии. Ключевые слова: когенерация электрической и тепловой энергии, суммарный к.п.д., методика оценки эффективности когенерации.

Введение

Рассмотрение вопроса об оценке эффективности когенерации электрической и тепловой энергии по сравнению с раздельными способами производства данных видов энергии связано с выходом «Закона о тепловой энергии и когенерации» [1]. Одной из основных целей указанного закона является продвижение когенерации и систем централизованного теплоснабжения, эффективных с энергетической

точки зрения. Эффективность когенерационных технологий производства электрической и тепловой энергии показана в ряде отечественны и зарубежных работ [2-13], что свидетельствует о целесообразности развития данного направления работ в энергетике.

В тексте «Закона о тепловой энергии и когенерации» [1] приводится методика расчета эффективности когенерации электрической и тепловой энергии и определения преимуществ

когенерации по сравнению с раздельными традиционными способами производства данных видов энергии.

В качестве основного показателя оценки эффективности когенерации принято определение величины экономии объема первичной энергии топлива, полученной в результате производства электрической и тепловой энергии в когенерационном режиме, по сравнению с раздельными традиционными технологиями производства данных видов энергии. Величину экономии первичной энергии указано определять в процентах.

Однако воспользоваться приведенной в [1] методикой при выполнении конкретных расчетов и оценивать преимущества когенерации не представляется возможным, из-за того, что данная методика не учитывает ряд факторов, в связи с чем получаемые результаты являются недостоверными.

Настоящая статья имеет своей целью изложить новую методику расчета эффективности когенерации электрической и тепловой энергии, дающую правильные результаты. При этом начальная постановка задачи идентична той, которая изложена в [1].

При выполнении настоящей работы частично использованы результаты, содержащиеся в работе [2].

Основы новой методики оценки эффективности когенерации

При разработке новой методики расчета эффективности когенерации электрической и тепловой энергии и сопоставления с раздельными способами производства электрической и тепловой энергии приняты следующие условия:

• величины производственной в чистом виде электрической энергии при когенерации и при раздельном способе (Эээ) равны по величине;

• аналогичное условие относится и к величинам производимой тепловой энергии (Этэ), как при когенерации, так и при раздельном способах;

• суммарная величина энергии (Э2=Эээ+Этэ), произведенная путем когенерации и при раздельных технологиях, одинаковы.

При дальнейшем изложении принято условие, что произведенная электрическая энергия выражена в виде теплового эквивалента. Имеется в виду, что 1 Гкал = 1,163 МВт-ч, или 1 МВт-ч=0,8598 Гкал.

Выработанная при раздельной технологии производства электроэнергия, выраженная в тепловых единицах, определяется выражением:

эээ=еээ • Nээ

где:

Эээ - количество выработанной электроэнергии раздельным способом, выраженное в тепловом эквиваленте (в тепловых единицах измерения);

Отээ - количество тепловой энергии топлива, затраченное на выработку электроэнергии в тепловых единицах;

К,.

- значение к.п.д. установок по

производству электроэнергии, отн. ед.

Аналогично можно записать выражение количества тепловой энергии (Этэ), произведенной при раздельной технологии:

Э = О N

тэ ттэ тэ

где:

Этэ - количество выработанной раздельным способом тепловой энергии, выраженное в тепловых единицах;

Оттэ - количество тепловой энергии топлива, затраченное на выработку тепловой энергии раздельным способом, выраженное в тепловых единицах;

Ктэ - значение к.п.д. установок (котельных) по производству тепловой энергии при раздельном способе, отн. ед.

Суммарная величина тепловой энергии топлива, затраченная на раздельную выработку электрической и тепловой энергии составит:

Э£ Эээ+Этэ

Долевое отношение энергии топлива, затраченной на производство электрической и тепловой энергии в отдельности к суммарному объему можно записать из (3) в виде, соответственно:

В = Э33.

3

Э

Втз 3.

Из выражений (4), (5) могут быть получены зависимости:

Эээ

Этэ = Э • Б

т

Далее, из выражений (1) и (2) получаем значение тепловой энергии топлива, затраченной на производство электрической и тепловой энергии в отдельности, соответственно:

3

О = —

ОТ33 N

14 33

э

О —_Т3_

От33 N

Суммарная тепловая энергия топлива, затраченная на производство электрической и тепловой энергии раздельным способом с учетом (8), (9) будет равна:

33

О — 33 , "Т3

^Траз~ N33

Выражение (10) с учетом (4), (5) можно записать в виде:

О

Т. раз.

3 в 3 в

33 втз

N3

Или

ОТ. раз. — 3.

N..

В33 ВТ3

N

v зз

N.

Из выражения (12) находим:

От

3.— в

--Т. раз.

зз втз

N N

14 33 14 Тэ

3 + 3

N — _ 33 Т иТэ

3.

От

От

откуда:

Qт

3

N.

где Эээ - электрическая энергия, выработанная при когенерации, приведенная к тепловым единицам измерения;

Этэ - тепловая энергия, выработанная при когенерации, измеряемая в тепловых единицах;

3.

Для объективной оценки эффективности когенерации и возможности сравнения с раздельным производством электрической и тепловой энергии необходимо соблюсти сопоставимые условия, а именно, количество произведенной энергии (как электрической, так и тепловой и их сумма) должно быть одинаковым для обоих способов производства. Эффективность когенерации определять по величине разности затрачиваемого топлива, или (что, методически, то же самое) количества тепловой энергии затраченного топлива.

Выше были введены обозначения:

От раз - количество тепловой энергии топлива,

затраченное при раздельном способе производства электрической и тепловой энергии;

От коген - количество тепловой энергии топлива, затраченное при когенерации электрической и тепловой энергии.

Очевидно, что их разность (ДОт), отнесенная к большему из них, и будет показателем оценки эффективности сопоставляемых технологий. Полагаем, что Отжоген < От.раз При этом можно записать:

Полученные выражения (12), (13) определяют зависимость величин затрат тепловой энергии топлива на производство электрической и тепловой энергии, их суммы, долевого соотношения величин энергии и к.п.д. при раздельном производстве данных видов энергии.

При когенерации (совместном производстве) электрической и тепловой энергии используется понятие суммарного к.п.д. (N2), упоминаемое в Законе о когенерации (называемого глобальным к.п.д.), [1].

Выражение суммарного к.п.д. при когенерации может быть записано в следующем виде:

ДОт —

Г От - От Л

.раз. Х-1 .коген

От

Т. раз.

100%,

суммарная энергия, выработанная при

когенераци, измеряемая в тепловых единицах измерения;

Откоген - суммарная тепловая энергия затраченного топлива при когенерации.

где энергию ДОт, выраженную в %, можно трактовать как экономию первичной энергии топлива при когенерации электрической и тепловой энергии по сравнению с технологией раздельного их производства.

Величина ДОт будет положительной в случае большей эффективности когенерации, или отрицательной в случае, если раздельное производство одного и того же количества энергии потребует меньшего количества первичной энергии топлива.

Отметим главную особенность когенера-ционной технологии выработки электрической и тепловой энергии, а именно то, что при этом физический смысл имеет общий (суммарный, глобальный) к.п.д. (N2) использования первичной энергии топлива. Величина суммарного к.п.д. зависит от долевого соотношения вырабатываемых при когенерации видов энергии в их суммарном измерении.

Значения, в пределах которых может изменяться величина (N2), зависят от режима работы когенерационной установки.

Характерными предельными режимами являются: • режим при минимальном производстве тепловой энергии и максимальной выработке электрической энергии, при этом к.п.д. будет иметь минимальное значение (^тт);

• режим при минимальном производстве электрической энергии и максимальной выработке тепловой энергии, при котором к.п.д. будет иметь максимальное значение

Лхшах).

Анализ применяемых когенерационных технологий показывает, что нижнему пределу соответствует режим при выработке только электроэнергии. В случае применения газотурбинных установок (ГТУ) режим при выработке только электроэнергии (Эээ=1, а Этэ=0), т.е. при отсутствии утилизации тепловой энергии сбросных продуктов сгорания топлива, для целей отопления и горячего водоснабжения, характеризуется значением коэффициента полезного действия, находящемся в минимальных пределах (26-35)%, что может быть обозначено, как (Л^щ). При утилизации теплоты сбросных продуктов сгорания к. п. д. установки возрастает. При установке дополнительно к газовой еще и паровой турбины, т. е. реализации технологии (ПГУ) и применении мер по максимальному использованию тепловой энергии сжигаемого топлива значение суммарного к.п.д. установки может быть достигнуто значений 70-75%. В случае, если когенерационная установка используется только для выработки тепловой энергии, т.е. при Эээ=0, а Этэ=1), к.п.д. использования первичной энергии топлива может достигнуть значении 90-92%, т.е. как на лучших котельных. Это значение к.п.д. может быть обозначено как (Лшах). Зависимость суммарного к.п.д. когенерационной установки во всем диапазоне изменения соотношения производимой электрической и тепловой энергии к общей может быть различным. Реальная зависимость величины суммарного к. п. д. когенерационной установки от Э

отношения —ЭЭ может быть определена

ЭТЭ

экспериментальным способом.

Частным случаем изменения суммарного к.п.д. от соотношения производимых видов энергии является линейная зависимость, т.е.:

^ = Ns mm + ((

у - NУ .

У max У min

Э

У ^ТЭ

Э

у

ЭУ = Q Ny .

У ¿w .коген. У

В выражениях (13) и (19) левые части равны друг другу (согласно принятому выше условию).

Следовательно, можно приравнять и правые части выражений (13) и (19). В результате получим:

Q

T. раз.

• = QT Ny

-s^i .коген. У

N N

J ' QO -lit.

Преобразуем формулу (20) к виду:

sT. раз.

QT

= Ny

r о.ЭЭ + DT3 ^

N v ээ

Nt

ТЭ У

или

Qt

Q

T. раз.

Ny

D„

DT.

N„ Nt.

По выражению (22) можно определить снижение затрат энергии топлива при использовании когенерации по отношению к раздельному производству электрической и тепловой энергии в относительных единицах.

Для того, чтобы определить экономию топлива при когенерации по отношению к раздельной выработке электрической и тепловой энергии в процентах можно, записать с учетом (22) следующее выражение:

AQt =

1 -

1 -

r Q л

¿--Т .коген V QT раз. у

•100% =

Л

N \ ^ЭЭ. + DТЭ

Укоген. \ ^

Nээ Ntэ

•100%

где:

или

N = Ny . +

У У min V У max У min / ТЭ' V /

где Dra - определяется из выражения

Э

D =-ТЭ.

ТЭ ^ • ЭУ

Из формулы (14) находим:

N= Ny . + (NУ - NУ . ) DT4

У У mm V У max У mm/ ТЭ

В формуле ( 24) обозначено:

Э

D'тэ

Эу

Проверка:

1

-

При -ЭЭ = 0:

ЭЕ

N= NЕ . + (Ny - Ny . )«0 = N . .

Е Еmin V Еmax Еmin' Еmin

—

При ^ = 1:

ЭЕ

NЕ = Nmin + (Nmax - NЕmin)'1 = Nmax

Далее выполним иллюстрационный расчет на конкретном примере.

В качестве исходных примем следующие условия:

Э2 = 1; Жтш=0,35 (к.п.д. конденсационной электростанции, вырабатывающей только электроэнергию); Жтах =0,9 (к.п.д. котельной,

производящей только тепловую энергию).

Расчет выполнен в табличном виде и проиллюстрирован на рис.1.

Таблица 1.

№ п/п Показатели Вариант 1 при NImin Вариант 2 Вариант 3 Вариант 4 Вариант 5 при NЕ max

1 Эх 1 1 1 1 1

2 Эээ, отн. ед. 0 0,75 0,5 0,25 0

3 Этэ, отн.ед. 0 0,25 0,5 0,75 1

4 — DT— = —, отн. ед. ЭЕ 0 0,25 0,5 0,75 1

5 Ny - Ny . Е max Е min 0,9-0,35==0,55 0,55 0,55 0,55 0,55

6 (Nе - Ny i У D— V Е max Е min / ТЭ 0 0,137 0,275 0,412 0,55

7 Ny Екоген. 0,35 0,487 0,625 0,762 0,9

8 D = ^ээ ЭЕ 1 0,75 0,5 0,25 0

9 Э D =ГТ1. ^ТЭ — ЭЕ 0 0,25 0,5 0,75 1

10 DЭЭ DЭЭ N-Э 0,35 2,85 2,14 1,42 0,714 0

11 DTЭ = DTЭ NT3~ 0,9 0 0,277 0,55 0,833 1,11

12 DЭЭ | DTЭ NЭЭ Nt— 2,85 2,417 1,97 1,547 1,11

13 (D D л Ny D-— + Dt— Е N N v ээ тэ / 0,997 1,17 1,23 1,178 0,999

14 [1 :(п.13)] ~1 0,854 0,813 0,848 1

15 1-(п.14) 0 0,146 0,187 0,152 0

16 (п.15)-100=А0т, % 0 14,6 18,7 15,2 0

ЗАВИСИМОСТЬ ЭКОНОМИИТСПЛОВОН энергии первичного топлива при ногекервцми мипричеямй и тепловой ан+ртми, К

о c^s as >•>'>

Oimquivmuv : - "" '

Рис.1.Зависимость экономии тепловой энергии при когенерации

Как видно из приведенных результатов расчетов при принятых исходных данных наибольшая экономия энергии первичного топлива для рассматриваемого примера когенерации электрической и тепловой энергии по сравнению с раздельным их производством достигает величины 18,7%, при соотношении объемов вырабатываемых видов энергии на уровне 0,5. При других долевых соотношениях объемов вырабатываемых электрической и тепловой энергии этот эффект по сравнению с раздельным производством данных видов энергии изменяется в пределах 0^18,7%.

Выводы

1. Предложена методика определения экономии энергии первичного топлива при когенерации электрической и тепловой энергии по сравнению с технологиями раздельного производства того же количества указанных видов энергии.

2. В основу методики положено новое аналитическое выражение, определяющее зависимость расхода тепловой энергии первичного топлива на производство электрической и тепловой энергии при производстве раздельными способами и при их когенерации с учетом соответствующих значений к. п. д.

3. Использование предложенной методики проиллюстрировано на конкретном примере, на котором показано, что максимальный эффект экономии энергии первичного топлива при когенерации электрической и тепловой энергии при принятых расчетных условиях достигает величины порядка 18,7%, по сравнению с затратами энергии первичного топлива на производство того же количества электрической и тепловой энергии при их раздельном производстве.

4. Полученные результаты и проведенный анализ свидетельствуют о том, что предложенная методика дает логически обоснованные результаты и может быть использована при проведении расчетов показателей эффективности применения когенерации электрической и тепловой энергии.

5. Основываясь на положениях разработанной новой методики, рекомендуется внести соответствующее изменение в Законе о тепловой энергии и продвижении когенерации [1].

Литература

[1] Zakon o teplovoi energii i prodvijenia kohgeneratii [Law of thermal energy and cogeneration]. Law № 414 of Republic of Moldova, № 1220-VII, Kishinau, 30 iunie 2014.

[2] Postolatii V.M., Bycova E.V. Podhod k sopostavleniiui viboru tipov istocinikov electriceskoi i teplovoi energii c uciotom udelinih rashodov topliva [The approach to the preparation and the choice of types of sources of electricity and heat, taking into account the specific fuel consumption]. Problemi regionalinoi energeticki energetici, 2012, nr 3. (in Russion).

[3] Melenüev L.A. Izbranie trudi. Naucinie osnov! teplofikatii i energosnabjenia gorodov b promislenih predprieatii. [Selected works. Scientific bases of district heating and energy supply cities and industrial enterprises]. Moscow 1993.

[4] Melentiev L.A. Vibor sootnosenii elektriceskih i teplobih moscnostei teplofikationih sistem [Selection of the ratio of electric and thermal power cogeneration systems.]. M.: Gosenergoizdat, 1952.

[5] Doinikov Ia.P., Melentiev L.A. Osnovnie metodiceskie voprosi opredelemnia ekonomicinosti teploficatii. [Key methodological issues determining the efficiency of district heating] Moscow, 1961.

[6] Melentiev L.A. e.a.. Oblasti ekonomiceskogo primenenia shem kombinirovannogo i razdelinigi energosnabjenia [Areas of economic considerations for the combined and separate power supply]. M.: Gosenergoizdat, 1961.

[7] Klimenko V.N., Mazur A.I., Sabashuk P.P. Kogenerationnie sistemi c teplobimi dvigateleami. Spravocinoe posobie. V 3-h ciasteah [Cogeneration systems with heat engines: A Reference Guide. - In 3 parts; Part 1], Kiev, 2008.

[8] Podkovalikov S.V., Senderov S.M. Stennikov V.A. Energetica XXI veka: sistemi energetiki i upravlenie imi. [Energy XXI century: energy systems and management], Kiev 2004.

[9] Siegler D., Lerchner B., Leevuen I.V. Pegus 12. World's Most Efficient Power Station. Trasactions of ASME. October. 1990.

[10] Quantensprung bei gasturbion Spart Energie // VDI Nachricten 24. September 1993. p.36.

[11] Boardman R., White A., Wusterbarth M. Seondchon Comes on line record time. Modern Power Systems. August 1993.

[12] Viereck D, Weicht U, Seelinger H, Wettstein H.E. Combined Plants based on GTI3E2 Gas Turbines ABB Power Generation, 1993.

[13] Stirikovici M.A. Teplotehnika I teplofizika. Ekonomika energetiki i ekologia [Heat and thermal physics. Economy Energy and Environment]. Moscow, 2002.

Сведения об авторе.

Постолатий Виталий Михай-* лович, д.х.т.н, академик, заведующий лабораторией управляемых электропередач Института энергетики АНМ. Сфера научных интересов: управляемые, гибкие, компактные электропередачи, современные средства регулирования, энергетическая безопасность E-mail:postolati@rambler.ru