Расчет эффективности тепловых схем включения ГТУ

К ЗАЩИТЕ ДИССЕРТАЦИЙ

УДК 621.18

РАСЧЕТ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОВЫХ СХЕМ ВКЛЮЧЕНИЯ ГТУ

М.А. ТАЙМАРОВ, Н.А. КОРОБИЦИН

Казанский государственный энергетический университет

Предложена методика оценки эффективности тепловых схем с применением ГТУ при модернизации котельных

Для промышленно-отопительных котельных, вырабатывающих для собственного производства и отпускающих на сторону только тепловую энергию, как правило, разрабатываются методические указания к расчету техникоэкономических показателей по затратным статьям тарифа на отпускаемую тепловую энергию. Для котельных, реконструируемых с применением газотурбинных установок (ГТУ) в ТЭЦ малой мощности, таких разработок нет. Использование в этих целях методики определения технико-экономических показателей паросиловых ТЭЦ нельзя считать приемлемым [1]. Поэтому существует необходимость в разработке методик определения эффективности тепловых схем, используемых при модернизации котельных с применением ГТУ.

Определенные оценки конкурентоспособности возможных типов ГТУ - ТЭЦ можно сделать по результатам сопоставления показателей их энергетической эффективности. К числу основных показателей энергетической эффективности ГТУ - ТЭЦ можно отнести:

- эффективный КПД ГТУ;

- удельные расходы топлива на производство электро - и теплоэнергии;

- коэффициент полезного использования тепла топлива;

- удельную выработку электроэнергии на тепловом потреблении.

Однако такая оценка не отражает инвестиционную деятельность предприятия, внедряющего ГТУ - ТЭЦ. В настоящее время наибольшее распространение в западно-европейских странах и США получили следующие методы оценки эффективности инвестиций, основанные на дисконтировании, которые принимаются в качестве показателей эффективности инвестиций:

• чистый дисконтированный доход (NPV);

• рентабельность или индекс прибыльности (PI);

• внутренняя норма рентабельности (IRR);

• дисконтированный период окупаемости (DPB).

Расчет этих показателей выполняется по вариантам установки ГТУ, выбранным предварительно на основе разработанного алгоритма. По результатам расчетов определяется наиболее предпочтительный вариант как по показателям коммерческой эффективности, так и по другим показателям (наиболее привлекательные условия финансирования, условия поставки оборудования и приобретения запчастей, удобство эксплуатации и т.п.). Для этого варианта выполняются проектные проработки и разрабатывается бизнес-план, на

© М.А. Таймаров, Н.А. Коробицин Проблемы энергетики, 2004, № 9-10

основе которого принимается окончательное решение по реализации проекта инвестиций или отказа от него [2].

На основании вышеизложенного, авторы статьи предлагают методику расчета оценки эффективности тепловых схем включения ГТУ в котельных, которая включает уравнения тепловых и материальных балансов ГТУ - ТЭЦ.

1. Уравнения тепловых балансов

С целью упрощения уравнений рассматривается работа ГТУ-ТЭЦ в идеальном цикле, т.е. без потерь в процессах сжатия, подвода тепла и расширения, а также при пренебрежении конечными скоростями течения в характерных сечениях за каждым из ее агрегатов [3].

Согласно закону сохранения энергии для свободной турбины (СТ), входящей в состав ГТУ, запишем уравнение

0-т + Qвх = N э + 0вст,

где 0т и 0вх - подведенная тепловая энергия от топлива и воздуха соответственно; 0вст - тепловая энергия газов на выхлопе из СТ; N - мощность на валу СТ.

Для определения 0т запишем уравнение теплового баланса камеры сгорания газотурбинного двигателя

0т = 0з - 02,

где 02 - тепло воздуха за компрессором; 03 - тепло газов перед турбиной ГТД.

Для определения 0вых запишем уравнение теплового баланса объекта утилизации - это газовый подогреватель воды (ГПВ) или котел (водогрейный или паровой), после которых продукты сгорания выбрасываются в атмосферу,

0у = °вст — °ву = °пр — °об ,

где 0у - тепло газов утилизированное (отданное); 0ву - тепло газов на выходе;

0пр - тепло воды на выходе; 0об - тепло воды на входе.

Следовательно, уравнения (1) - (3) определяют полный тепловой баланс ГТУ - ТЭЦ.

Из уравнений (1) - (3) получаем коэффициент использования тепла топлива в ГТУ-ТЭЦ [2]

К и = 1 -

или

Ки = 1 -

где а = Св /(тЬо) - коэффициент избытка воздуха в камере сгорания ГТД; Св -расход воздуха; С т - расход топлива; Ьц - теоретически необходимое количество воздуха для полного окисления 1кг топлива; Срг , Срв - удельные теплоемкости

© Проблемы энергетики, 2004, № 9-10

газа и воздуха; Тд, Тн - температуры газа за теплоутилизатором и наружного

воздуха; - низшая теплотворная способность топлива; j - коэффициент

полноты сгорания топлива.

Следует отметить, что если ГТУ - ТЭЦ работает при Тн = const по дроссельной характеристике, то теоретический

Китах = 1 - СрвТн / Qbp j .

Для различных тепловых схем, когда тепло Q^t направляется параллельно (последовательно) и в ГПВ, и в котел, необходимо учитывать параметры (температуру, расход газа) его отдельных составляющих, т.е. Qвых = f (вхг,Qвхк), где Qвхг - тепло, отданное в ГПВ; Qвхк - тепло, отданное в котел.

Если Qвхк недостаточно для потребителя, то схема может усложняться за счет внесения в котел дополнительного топлива, которое сжигается или в составе газа, или с дополнительным воздухом (содержание кислорода должно быть не менее 15 %).

Однако при выборе типоразмера ГТУ для совместной работы с котлом предлагается [4, 5] примерное равенство объемных расходов газа за ГТУ и котла в автономном режиме. При этом котлы спроектированы для работы с разрежением в газоходе, поэтому дымосос в схеме сохранен.

Для определения удельных расходов топлива на тепло- и электроэнергию в [3] получена формула, где при разделении затрат топлива в ГТУ на производство тепла и электроэнергии расход топлива на выработку электроэнергии максимальный:

Ьэ = Ьт = 1/ Q^ Ки,

где Ки определяется из уравнения (5).

2. Уравнение материального баланса и методы оценки инвестиций.

Методы оценки эффективности инвестиций основаны на дисконтировании. Чистый дисконтированный доход - это разница между дисконтированным денежным доходом от инвестиционного проекта и единовременными затратами на инвестиции.

Дисконтированные денежные доходы в данном случае понимаются как разность между стоимостью продукции (тепло-, электроэнергии) по продажным (тарифным) ценам и издержками (затратами) на ее производство.

Экономическая эффективность реконструкции котельной в ГТУ - ТЭЦ может быть определена по величине прироста интегрального эффекта по сравнению с вариантом до реконструкции. Это и есть ее балансовое уравнение:

ДЭинт = ^^2инт — Л^1инт ,

где

Тел

NV2*m = - И2t)t -ДК*t ];

t=0

сл

NV!инт = ![ -И1,)t];

t=0

Тсл - срок службы, лет; t - год получения дохода от инвестиционного проекта; ^К1инт и ^^2инт - интегральные эффекты до и после реконструкции котельной или чистые стоимости денежных средств за весь срок использования оборудования; Rlt, R2t - соответствующие результаты, представляющие выручку от реализованной продукции, т.е. денежные доходы в год £; И2t и

И 2£ - эксплуатационные затраты; а ( =(1 + E)-1 - коэффициент

дисконтирования; Е - норма дисконта; ДК = N (крек - ккэс^) - разность капиталовложений в реконструкцию котельной и дополнительную мощность в энергосистеме; крек, ккэс - удельные капиталовложения в ГТУ с учетом

строительных, монтажных работ в установку нового дымососа, экономайзера, реконструкции газоходов котельной и дополнительной мощности конденсационного блока энергосистемы; к - коэффициент, учитывающий потери электроэнергии в линиях электропередачи.

При этом обоснование нормы дисконта - самый важный момент при расчете чистого дисконтированного дохода. За норму дисконта, как правило, принимается минимальная норма прибыли, которая отражает минимальный уровень доходов, ниже которого предприятие считает нецелесообразным вкладывать свой капитал в реализацию инвестиционного проекта. В зависимости от класса инвестиционного проекта Е = 6 - 20 % [6].

При определении отпущенной продукции обязательно учитывается потребление ее на собственные нужды котельной.

Для определения рентабельности используется следующее уравнение:

где Д^2иин - общая сумма дисконтированного дохода за весь срок реализации инвестиционного проекта; К - инвестиционные затраты на реализацию инвестиционного проекта.

Внутренняя норма рентабельности (IRR) определяется из условия, при котором чистый дисконтированный доход становится равным нулю. Однако на практике нахождение IRR требует сложных расчетов, поэтому она может быть определена приближенно (по сумме инвестирования проекта, денежному доходу и сроку реализации инвестиционного проекта). Дисконтированный период окупаемости (DPB) - это срок, в течение за которого окупятся первоначальные затраты на реализацию проекта за счет доходов, дисконтированных по заданной норме дисконта на текущий момент времени.

1. Разработана методика расчета оценки эффективности тепловых схем включения ГТУ в котельных, учитывающая как энергетическую, так и материальную стороны.

Iд = ^2ИИн / К ,

Выводы

2. Предложенная методика обеспечит совместный расчет основных энергетических параметров и показателей эффективности инвестиций для различных вариантов ГТУ - ТЭЦ.

3. В определении показателей эффективности инвестиций следует учитывать возможности варьирования энергетических параметров ГТУ при заданных тепловых нагрузках в широком диапазоне, что позволит получить для установки в действующих котельных оптимальный состав ГТУ - ТЭЦ.

Summary

The technique of an estimation of efficiency of the thermal circuits with application GTU is offered at modernization of boiler

Литература

1. Лебедев В.М., Усманов Ю.А., Олькова С.В. Технико-экономическая эффективность ТЭЦ малой мощности // Промышленная энергетика. - 2000. -№1. - С. 6-8.

2. Смирнов И.А., Хрилев Л.С. Определение эффективности ввода газотурбинных агрегатов на площадках действующих котельных // Теплоэнергетика. - 2000. - №12. - С. 16-21.

3. Таймаров М.А. Энергетические машины: Учебное пособие. - Казань: КГЭУ,

- 2003. - 112 с.

4. Степанов И.Р. Котлы с предвключенными газотурбинными установками // Теплоэнергетика. - 1995. - №4. - С. 41-43.

5. Хлебалин Ю.М., Антропов Г.В., Николаев Ю.Е., Андреев Д.А. Выбор рациональных типоразмеров ГТУ при реконструкции котельных в малые ТЭЦ // Промышленная энергетика. - 1999. - №4. - С. 40-44.

6. Крылов Э.И., Журавкова И.В. Анализ эффективности инвестиционной и инновационной деятельности предприятия - М.: «Финансы и статистика», 2001. - С. 384.

Поступила 09.09.2003