Показатели эффективности систем энергоснабжения и взаимосвязь между потерями в их элементах

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИ

УДК 697.34.

ПОКАЗАТЕЛИ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ И ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ ПОТЕРЯМИ В ИХ ЭЛЕМЕНТАХ

А.И. АНДРЮЩЕНКО

Саратовский государственный технический университет

Приведена методика определения эффективности использования теплоты топлива в системе энергоснабжения городов. Новым положением при составлении общеэнергетических балансов системы необходимо учитывать взаимосвязь и взаимозависимость между потерями теплоты в системе и ее отдельных элементах. Показан вывод соответствующих расчетных формул.

Необходимость в объективных показателях совершенства отдельных генерирующих установок и, в целом, систем энергоснабжения диктуется потребностью постоянного их совершенствования. Вместе с тем, разработка таких показателей часто представляет собой трудную, а иногда и непреодолимую задачу. Об этом свидетельствует, например, пресловутый КПД ТЭЦ, дискуссия о котором продолжается более 70 лет [1, 2]. Не менее сложной является и задача определения единого показателя эффективности системы энергоустановок, сетей и теплообменных узлов, обеспечивающих современное теплоснабжение города. Поэтому необходимо для каждой сложной системы составлять три баланса, соответствующих законам природы. Сюда входят: материальный баланс, отражающий закон сохранения массы вещества; энергетический (тепловой) баланс, отражающий закон сохранения энергии и баланс максимальной работы (эксергетический), составленный на основе второго закона термодинамики. Обычно уравнения материального баланса не записываются, а лишь учитываются при составлении энергетического баланса, поскольку количество каждого вида энергии всегда пропорционально массе исследуемого вещества. В тепловом балансе качество входящих в него энергий не отражается. Соблюдается лишь правило, что величины всех видов энергий измеряются в одних и тех же единицах (Джоулях). Здесь одинаковыми правами пользуются электроэнергия, отбросная теплота и высокопотенциальная энергия рабочих тел. Вместе с тем каждый из этих видов энергии имеет свою, отличительную от других, практическую ценность, измеряемую, как правило, возможностью совершения полезной работы. В общем случае под такой работой понимается [3] процесс превращения одного вида энергии в другой, приводящий к определенному полезному эффекту. Это может быть механическое перемещение какого-либо груза или химическое превращение одних химических элементов в другие и пр.

Величина возможной работы термодинамических систем и циклов [4] определяется с помощью соответствующих параметров рабочих тел (температуры, давления, энтропии и др.) и параметров окружающей среды, в качестве которой для паротурбинных установок принимается температура воды в

© А. И. Андрющенко Проблемы энергетики, 2005, № 1-2

открытых водоемах, а для ГТУ - температура наружного воздуха. При этом допускается, что полная энергия (Е) любых тел энергетической системы состоит как бы из двух частей: той ее части, которая может в данной системе совершать работу (эксергия Ех) и другой части, неспособной в данных условиях совершать

работу (анергия Ан). Последняя оказывается равной произведению абсолютной температуры окружающей среды То на величину энтропии данного тела (3). Соответственно

На основе зависимостей (2) и (3) составляются два балансовых уравнения: уравнение энергетического (теплового) баланса

Здесь 2под и Ьпод - подведенные, а Qис и Ьис - используемые в системе

окружающую среду; Д3с - суммарное приращение энтропии системы (алгебраическая сумма отдельных приращений).

В соответствии с этими уравнениями должны устанавливаться и показатели эффективности рассматриваемых систем или энергетических комплексов. В частности, из (4) вытекает формула общеэнергетического КПД системы, отдавшей потребителям выработанную энергию в форме электроэнергии, теплоты или механической работы:

Е = Е х + Ан

или

При этом полная эксергия всей энергетической системы

Е х =1Е і - То Е ь,

и полная энергия этой же системы

Ес=Е Е і •

Эпод + 2под + ^под ~ Эис + Qис + ^ис + Е 2пот и уравнение эксергетического баланса

теплота и работа; Е 2пот - суммарные тепловые потери, отводимые в

или

_ 1-----------ЕЙют------------------------------------------------------.

Эс + Ос + ьс

'-'по^ *£под т ^под

В том случае, когда источником подводимой энергии является сжигаемое топливо и отводится к потребителям только тепловая энергия, такой КПД называют тепловым. Например, для котельной установки

_ _ °от _ 1 Е Опот

п° _ —р _1------------^,

в • °н В • °н

где В- общий расход топлива; °н - удельная теплота сгорания.

Для теплоэнергетических установок, вырабатывающих только электрическую энергию, подобным показателем их эффективности является электрический КПД

Э

Пэ _----------------------------------------------------------------------р.

в • °1

В комбинированных установках, где одновременно производится выработка и электроэнергии (Э^) и теплоты (О^), подобный (6) показатель называют «коэффициентом использования теплоты топлива»:

Кит _ Э^+ ° .

в • °н

Подобно другим показателям, величина Кит называется «брутто», когда Э и О представляют собой всю выработанную в данной установке энергию. В случае, когда из них вычитаются ее расходы на собственные нужды, полученный Кит называют «нетто».

Таким же балансовым показателем может служить К^Г, определяемый для всей системы энергоснабжения в целом, где за счет сжигания топлива (Е В1) вырабатывается, транспортируется и затем отдается потребителям энергия в форме теплоты (Е ) и электроэнергии (ЕЭ;). Часть последней (дэ£н) используется в системе на ее собственные нужды. При этом

Кс ЕЭ;+ЕОj-ДЭ»

Кит _ Х-1 с р .

Е В • о*

Вместе с тем надо иметь в виду, что в отличие от широко применяемых «электрического» и «теплового» КПД одноцелевых энергоустановок (например, конденсационной электростанции и котельной), достаточно полно отражающих их

эффективность, величина Кит комбинированных установок таким свойством не обладает. В ряде случаев Кит может увеличиваться при ухудшении достигаемого эффекта в энергосистеме. По этой причине для определения действительной эффективности таких энергетических комплексов, кроме Кит, требуется [2] определять еще отношение количества выработанной комбинированным способом электроэнергии (Эком) к отданной в сеть теплоте:

УэТ = •

Полученный коэффициент иногда определяется не по общей величине отпущенной теплоты, а только по той его части (°ком), которая выработана комбинированным способом (с утилизацией теплоты отработавших газов или отборного пара). В этом случае имеем

-

ук°м = ^ком .

Qком

При наличии в исследуемом комплексе, кроме комбинированной, раздельной выработки теплоты и электроэнергии можно определять еще и

соответствующие ("Г, Праз^ КПД раздельной их выработки. При этом

необходимо учитывать существующую взаимосвязь между показателями (Кит, уэ, пэ), комплекса, зависящую от его структуры и режима работы. В

частности, при увеличении ук°м, что и определяет главную долю экономии топлива, величина Кит может ухудшаться.

Термодинамическая эффективность ТЭЦ, отражающая потери от необратимости всех процессов реального цикла, определяется эксергетическим КПД ТЭЦ [2], рассчитываемым по формуле

? =Эотп+ЕЕ 9, ,14)

в • ет

где Эотп - отданная в сеть электроэнергия, равная разности между выработанной (Эвыр) и израсходованной на собственные нужды ТЭЦ (ДЭсн); ЕЕ° - сумма

эксергий теплоты, отданной в тепловые сети.

В этих условиях, например, эффективность работы ТЭЦ, отдающей

потребителям одновременно тепловую и электрическую энергии (выработанные

как комбинированным, так и раздельным способами), определяется совместно

тл т раз раз тех тт

действующими показателями: Кит, уэ , Пэ , П° , Пех . При этом каждый из

них зависит от режима работы ТЭЦ и системы в целом.

Общий расход топлива на ТЭЦ при заданном режиме ее работы можно рассчитать по формуле

В = ^ком^ У к°м) + Эраз + -раз ,

ц китм • 2Р пГ • 2нр пЦТ • О?

где ураз - удельная выработка электроэнергии на тепловом потреблении; К^^ -коэффициент использования теплоты топлива теплофикационного потока пара; все значения Э и О определяются без учета расхода энергии на собственные нужды ТЭЦ, а все КПД рассчитываются как «брутто».

Соответственно этому значение коэффициента использования теплоты

топлива (китц) для всей ТЭЦ

ктэц = XЭвыр + X°выр - ДЭснц

Кит = р ,

-тэц • °н

где X Эвыр - суммарное количество выработанной электроэнергии как комбинированным, так и раздельным способами; XОвыр - то же, теплоты;

ДЭ^ - часть выработанной электроэнергии, израсходованная на собственные нужды ТЭЦ.

Учитывая, что К^тм близок к единице, а величина праз в два раза ее меньше, увеличение раздельной выработки электроэнергии Эраз всегда

уменьшает К”11. К сожалению, увеличение раздельной выработки теплоты Ораз ,

приводящее к значительной потере экономии топлива в системе, величину К™11

не уменьшает, а даже несколько увеличивает, поскольку пО»а3 всегда превышает

К^^. Еще более сложной является зависимость общесистемных показателей, в

частности К ит, от показателей эффективности отдельных элементов исследуемой системы.

Для примера рассмотрим современную систему централизованного энергоснабжения городов, состоящую из ТЭЦ, пиковой котельной, конденсационной электростанции (КЭС), тепловых и электрических сетей, тепловых подстанций и тепловых узлов. В тепловых сетях, кроме потерь теплоты

(оЛот ), имеются утечки сетевой воды и дополнительный расход электроэнергии

на работу сетевых насосов. Регулирование теплопотребления производится централизованно, что вызывает определенный «перетоп» зданий по сравнению с теплоснабжением от местных источников. Это касается и отопительной нагрузки и горячего водоснабжения. По этой причине количество отдаваемой в тепловых

узлах теплоты ^От ^ оказывается [2] больше фактически используемой (2ис) и составляет

£оут = Оис • «пт ,

где кпт - коэффициент перетопа, равный около 1,1 - 1,2.

Кроме того, для компенсации потерь с утечкой сетевой воды необходимо

будет расходовать электроэнергию (бЭдоп) и определенное количество теплоты

(52от) отборного пара на деаэрацию добавки воды. Наличие этих потерь в конечном итоге приводит к тому, что на ТЭЦ приходится вырабатывать больше тепловой энергии, чем при раздельном энергоснабжении от КЭС и местных котельных и еще больше, чем фактически используется потребителями.

Это превышение количества теплоты, отдаваемой от ТЭЦ в тепловые сети, над используемой, в общем случае, составит

2тэц — 2ис = Д2пт + Д2ш)т + ^бт.уз ,

где Д°пт = бис (кпт —1); Д2пот = бтэц (1 — П тс ); б^т.уз = бис  £ т.уз .

Здесь Птс - КПД тепловой сети и \ т. у3 - доля тепловых потерь в тепловых

узлах и подстанциях системы.

В реальных условиях эксплуатации действующих систем теплоснабжения КПД тепловой сети птс составляет от 0,9 до 0,8. Все это приводит к суммарному превышению выработки теплоты на ТЭЦ над используемым ее количеством до 20-30% и, хотя на такой же процент увеличится расход топлива, на ТЭЦ его перерасход в системе оказывается меньшим. Все зависит от того, как изменяется при этом выработка теплоты комбинированным способом и какова величина

уКом. Например, в период, когда отборы пара на ТЭЦ не загружены, увеличение тепловых потерь в сетях на Д2пот вызывает соответствующий прирост расхода отборного пара и увеличивает выработку электроэнергии комбинированным способом. Одновременно уменьшаются ее конденсационная выработка и тепловые потери в конденсаторах самой ТЭЦ, на КЭС энергосистемы. Соответственно уменьшается и перерасход топлива в системе (ДВс). При сохранении общего расхода острого пара на ТЭЦ и, следовательно, расхода топлива Втэц, выработка электроэнергии на ТЭЦ уменьшается на величину

(

ДЭтэц _ ДQп

Чот

мг ком - уэ

-ДЭс

где - внутренний адиабатный перепад при конденсационной выработке электроэнергии; пмг - КПД, отражающий механические и электрические потери © Проблемы энергетики, 2005, № 1-2

в паровой турбине и электрогенераторе; #от - теплота 1 кг отборного пара; у^ом - удельная выработка электроэнергии этим паром; Д2топ - дополнительный расход теплоты сжигаемого топлива, вызванный тепловыми потерями; ДЭсн -расход электроэнергии на перекачку дополнительного количества сетевой воды.

Такое же количество электроэнергии должно быть дополнительно выработано на КЭС, на что потребуется теплота топлива, равная ДЭтэц

^^топ

„кэс

Пэ

где Пэ - электрический КПД конденсационной выработки электроэнергии.

Соответственно этому, отношение дополнительного расхода теплоты топлива в системе к тепловым потерям составит

ДОт

ДО

кэс

Пэ

иГ п

Чот

мг ком - уэ

+ 5Эс

1

где 5Эсн =------ДЭсн----.

кэс кп пэ ‘ДОпот

ик

Например, при Пээс = 0,38; = 0,6; пмг = 0,95; у°т = 0,4 и 5Эсн = 0,02

Чот

имеем ДОтоп = 0,59. Из уравнения (19) следует, что перерасход топлива в Д°пот

энергосистеме, равный ДВс = Д~''°" , будет всегда тем меньше, чем больше

Пк • °н

уком уэ .

Вместе с тем, в зимний период времени, когда отборы пара загружены полностью и часть тепловой нагрузки покрывается паром от пиковых котлов, увеличение тепловых потерь в сетях вызывает прирост расхода теплоты топлива в количестве

Дг“п =—+8ЭСн,

ДОпот Лкот

где Пкот - тепловой КПД пиковой котельной.

По формулам (20) и (21) можно рассчитать перерасход топлива, вызванный тепловыми потерями от перетопа, а также в тепловых узлах и тепловых подстанциях.

Оценка термодинамического совершенства всей системы энергоснабжения производится с помощью эксергетического КПД системы, равного отношению

полезно использованной электрической энергии и эксергии теплоты всех теплоносителей к эксергии израсходованного топлива и других энергоносителей. Аналогично (14), эксергетический КПД всей системы энергоснабжения

с

Лех =

Эот + Е хОот

Вс • ЕI

Здесь Э^т и Е°от - суммарные количества отданных потребителям

электроэнергии и эксергии теплоты; Вс - приведенный расход топлива в системе энергоснабжения.

Напомним, что расчет эксергии теплоты необходимо производить с учетом изменения Т0 в течение года. Особенно это важно для ГТУ ТЭЦ, где Т0 представляет собой температуру наружного воздуха, изменяющуюся почти от 240 до 310 К.

Сравнивая (22) с (10) и (15), легко заметить их подобие. Отличаются они только учетом энергии теплоты (Ап = Т0^о ), вычитаемой из каждой величины

О. Этим самым учитываются потери возможной работы от всех необратимых процессов, происходящих в системе. При правильном определении значений Кит и эксергетического КПД расход топлива В!оп, рассчитанный по их величинам, будет одинаковым. По этой причине расчет Втсоп производят, как правило, по

величине Кит, т.е. на основе теплового (общеэнергетического) баланса системы. Эксергетический баланс и расчет пех нужно осуществлять обязательно для установок, где производится электрическая и тепловая энергии комбинированным способом и где в числе полезных результатов действия исследуемой системы является механическая работа и теплота.

Что касается таких распространенных показателей, как удельные расходы

топлива при комбинированной выработке электроэнергии ) и теплоты

(&этэц), построенных на тех или иных условностях, то ими можно пользоваться только как вспомогательными величинами, в частности, при сравнении режимов работы одной и той же ТЭЦ.

Выводы

1. В качестве объективных показателей эффективности систем

энергоснабжения должны совместно использоваться: электрической КПД

раздельной выработки электроэнергии; КПД раздельной выработки теплоты; коэффициент использования теплоты топлива; эксергетический КПД, а также другие общепринятые показатели эффективности отдельных элементов системы.

2. При наличии комбинированной выработки электрической и тепловой

энергии в исследуемой системе энергоснабжения величина Кит может неверно отражать ее эффективность и достигаемую экономию топлива от проводимых энергосберегающих мероприятий. В таких энергокомплексах необходимо обязательно определять дополнительный показатель - удельную выработку

электроэнергии комбинированным способом на базе, отпускаемой в сеть теплоты, являющейся одним из главных показателей, достигаемой экономии топлива.

3. Следует обязательно устанавливать взаимосвязь между тепловыми потерями в отдельных элементах системы энергоснабжения и перерасходом топлива в системе. Неучет этих взаимозависимостей может привести к грубым ошибкам.

Summary

The definitions technique ofperfection use fuels heat of burning in power supply system of cities is given. New position at drawing up energy balances of system to take into account interrelation and interdependence between losses of heat in system and its separate elements. The construction of the appropriate formulas is shown.

Литература

1. Якуб Б.М. Теплоэлектроцентрали. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1933. - 394 с.

2. Андрющенко А.И. О показателях термодинамической эффективности тепловых электростанций // Известия вузов и энергетических объединений СНГ.- Энергетика. - 1990.- № 11. - С. 3-9.

3. Андрющенко А.И. Основы технической термодинамики реальных процессов. -М.: Высшая школа, 1975. - 264 с.

4. Андрющенко А.И. Основы термодинамики циклов теплоэнергетических установок. - М.: Высшая школа, 1985. - 319 с.

5. Андрющенко А.И., Семенов Б.А. Оценка экономии топлива в системе энергоснабжения городов от снижения теплоэнергопотребления зданий / «Проблемы совершенствования топливно-энергетического комплекса». Вып. 1. Саратов: Изд. СГУ. - 2001. - С. 33-42.

Поступила 07.12.2004