Статья опубликована в научном журнале «Наука и образование» 5 февраля 2016 года, PDF версия (0.8 MB).

Рабочее название статьи.

Удельные расходы условного топлива ТЭЦ на отпущенную электрическую и тепловую энергию в режиме комбинированной выработки. Анализ существующих методов расчета и разработка нового метода, основанного на использовании линеаризованной расходной характеристики паровой турбины

Оглавление раздела

Аннотация
Введение
1. Постановка задачи

Аннотация

В работе обсуждается задача расчета удельных расходов условного топлива ТЭЦ при комбинированном производстве тепловой и электрической энергий. Выполнен обзор методов, наиболее часто применяемых в России и в странах с развитыми рынками электроэнергии и тепла. Разработан новый термодинамический метод расчета удельных расходов условного топлива при комбинированном производстве, основанный на использовании линеаризованной расходной характеристики паровой турбины. Проведено сравнение рассмотренных методов расчета удельных расходов условного топлива на основании сформулированных принципов и результатов расчетов, выявлены наиболее эффективные методы.

Автор благодарит д.ф.-м.н., профессора МГТУ им. Н.Э. Баумана А.П. Карпенко за помощь в редактировании рукописи.

Введение

Теплоэлектроцентраль (ТЭЦ) комбинированно производит несколько продуктов: электроэнергию, промышленный пар, тепло в виде горячей воды. Комбинированное производство тепловой и электрической энергий экономичнее раздельного на 37% по оценке [1], на 25% — по оценке [2], на 30% — по оценке [3]. Величину снижения расхода топлива и, как следствие, затрат на топливо при комбинированном производстве в сравнении с раздельным производством называют экономией (benefit) [2], [4].

Задача расчета удельных расходов условного топлива на производство продуктов ТЭЦ состоит в определении объема сжигаемого топлива на единицу каждого из продуктов. Целями решения данной задачи являются

1. определение технической эффективности режимов работы ТЭЦ,
2. повышение конкурентоспособности ТЭЦ на рынках электроэнергии и тепла.

Для достижения первой цели разработан ряд термодинамических методов расчета удельных расходов условного топлива [2], [4]; для достижения второй цели — ряд экономических методов [1], [2], [3].

В условиях регулируемых экономических отношений в сфере электро- и теплоэнергетики установка тарифов на тепло и электроэнергию жестко привязана к оценкам технической эффективности ТЭЦ [2], [3], [4]. В условиях развитых рыночных отношений ценообразование не имеет жесткой связи с этими оценками. Контроль технической эффективности режимов работы станции является внутренней проблемой ТЭЦ. Уровень конкурентоспособности ТЭЦ определяет ее прибыль при работе на рынках электроэнергии и тепла и оказывает влияние на рыночные цены [1], [2], [3].

В России, несмотря на десятилетнее развитие рыночных отношений в сфере электроэнергетики и начало работы Оптового рынка электроэнергии и мощности (ОРЭМ) в 2006 году, формирование ценовых предложений ТЭЦ на рынок по-прежнему жестко связано с оценками технической эффективности [5]. Для определения этой эффективности в нашей стране широко применяют наименее корректный термодинамический метод расчета удельных расходов условного топлива — физический метод [3], [4]. Экономические методы расчета удельных расходов условного топлива для формирования рыночной стратегии при работе на ОРЭМ не применяют [5].

Цели работы заключаются в следующем.

1. Обзор наиболее часто применяемых в России, а также в странах с развитыми рынками электроэнергии и тепла методов расчета удельных расходов условного топлива.
2. Разработка нового термодинамического метода расчета удельных расходов условного топлива, основанного на представлении расходной характеристики паровой турбины в виде линеаризованной расходной характеристики.
3. Сравнение эффективности термодинамических и экономических методов на основе сформулированных принципов и численных расчетов.

В обзорной части работы рассмотрены пять наиболее часто применяемых термодинамических методов [1], [2], [3], [4]:

1. физический метод;
2. эксергетический метод;
3. метод пропорционального распределения от компании ОРГРЭС;
4. метод, учитывающий недовыработанную электроэнергию;
5. метод, учитывающий тепловую ценность пара
.

А также пять наиболее часто применяемых экономических методов [1], [2], [6], [7]:
1. энергетический метод;
2. метод альтернативного производства тепла;
3. метод альтернативного производства электроэнергии;
4. метод разнесения экономии;
5. метод разнесения экономии и риска
.

Разработанный метод расчета удельных расходов условного топлива, основанный на использовании линеаризованной расходной характеристики паровой турбины, позволяет учесть неэквивалентность энергий продуктов ТЭЦ [4], [8]. Другим достоинством данного метода является простота вычислений и небольшое число исходных данных.

Сформулированы принципы сравнения эффективности двух указанных групп методов. Проведены расчеты удельных расходов условного топлива каждым из этих методов. Результаты сравнения эффективности термодинамических и экономических методов показывают, что наиболее эффективными термодинамическими методами являются эксергетический метод и метод, учитывающий недовыработанную электроэнергию. Наиболее эффективными экономическими методами являются метод разнесения экономии и риска и метод альтернативного производства тепла.

Важным выводом работы является заключение о том, что официальный метод расчета удельных расходов условного топлива в России — «физический» метод — является наименее эффективным термодинамическим методом. Широкое применение данного метода и его жесткая связь с ценообразованием в условиях функционирования ОРЭМ тормозит развитие рыночных отношений в сфере электро- и теплоэнергетики.

Работа имеет следующую структуру. В первом разделе предложена постановка задачи расчета удельных расходов условного топлива. Второй раздел посвящен обзору наиболее часто применяемых методов расчета. Обзор состоит из двух частей: в первой части рассмотрены методы, применяемые в России, во второй — методы, применяемые в странах с развитыми рынками электроэнергии и тепла. Третий раздел содержит описание разработанного метода расчета удельных расходов условного топлива, основанного на использовании линеаризованной расходной характеристики паровой турбины. В четвертом разделе сформулированы принципы сравнения эффективности термодинамических и экономических методов, проведено сравнение методов на основании указанных принципов и результатов расчетов.

1. Постановка задачи

Сжигая топливо, ТЭЦ комбинированно производит несколько продуктов, основными из которых являются электроэнергия, промышленный пар и тепло. Часть произведенных продуктов ТЭЦ потребляет на собственные нужды. Отпуском продуктов ТЭЦ называют производство за вычетом потребления на собственные нужды [4], [5]. Рассмотрим подробнее основные продукты ТЭЦ.

— Электроэнергия N. Объем выработки электроэнергии ТЭЦ определяется рыночным механизмом на основании поданных данной ТЭЦ заявок [5]. В соответствии с правилами ОРЭМ формирование почасовых ценовых заявок на планирование выработки электроэнергии на рынке на сутки вперед специалисты ТЭЦ производят с учетом величины удельного расхода условного топлива на отпуск 1 МВт·ч [5], [9]. Оплата произведенной электроэнергии осуществляется в соответствии с правилами ОРЭМ [5]. Объем электроэнергии, потребляемый на собственные нужды N^СН, покупают на рынке [5].

— Промышленный пар Q_П. Пар давлением 6–35 атм и температурой 150–250⁰С потребляют, как правило, предприятия для технологических нужд. График отпуска промышленного пара является для ТЭЦ обязательным. Оплату отпущенного промышленного пара производят по цене договора между ТЭЦ и предприятием. Объем собственных нужд по промышленному пару обозначим Q_П^СН.

— Тепло в виде горячей воды Q_Т. Воду с температурой 50–120⁰С потребляют население и предприятия. График нагрева воды рассчитывают при помощи температурного графика [10]: чем ниже температура окружающей среды, тем выше тепловая нагрузка ТЭЦ. График производства тепла является обязательным для ТЭЦ. Оплату отпущенного тепла производят по тарифу, установленному на основании среднемесячных значений удельного расхода условного топлива на отпуск 1 Гкал. Тариф утверждается Федеральной службой по тарифам на заданный период времени [11]. Объем собственных нужд ТЭЦ по горячей воде обозначим Q_Т^СН.

Для производства указанных продуктов ТЭЦ используют различные виды топлива: природный газ, доменный газ, мазут, уголь, биомассу и т. п. [1]. В России с целью упрощения расчетов расходы различных видов топлива приводят к расходу условного топлива [4]. Теплотворная способность условного топлива является постоянной и равной 7000 ккал/кг [12].

Производство продуктов N, Q_П, Q_Т рассматриваем на некотором интервале времени. Этот интервал зависит от целей расчета: для расчета удельного расхода условного топлива на производство электроэнергии следует брать интервал времени, равный 1 часу; для расчета удельного расхода условного топлива на отпуск тепла — 1 месяцу.

В рамках работы собственные нужды ТЭЦ по электроэнергии N^СН относим на производство электроэнергии N, собственные нужды по промышленному пару Q_П^СН — на производство промышленного пара Q_П, собственные нужды по горячей воде Q_Т^СН — на производство горячей воды Q_Т.

При расчете удельного расхода условного топлива на отпуск единицы продукции при комбинированном производстве ставится задача — определить следующие величины:

— удельный расход условного топлива на отпуск электроэнергии

(1)

— удельный расход условного топлива на отпуск промышленного пара

(2)

— удельный расход условного топлива на отпуск тепла

(3)

Здесь B_N, B_П, B_Т — части общего расхода условного топлива B, отнесенные на выработку электроэнергии, промышленного пара, тепла соответственно. При определении значений B_N, B_П, B_Т должен быть обеспечен топливный баланс:

(4)

Основными исходными данными для расчета являются:

• значения общей нагрузки ТЭЦ N, N^СН, Q_П, Q_П^СН, Q_Т, Q_Т^СН;
• общий расход условного топлива B.

Дополнительные исходные данные зависят от применяемого метода расчета (п. 2).

В качестве единицы измерения для величин общей нагрузки ТЭЦ всюду используем МВт·ч, для расходов условного топлива – т.у.т. Таким образом, удельные расходы условного топлива b_N, b_П, b_Т имеют единицу измерения т.у.т./МВт·ч, которые при необходимости могут быть переведены в кг у.т./МВт·ч, г у.т./кВт·ч, г у.т./ГДж, кг/Гкал и ряд других [4], [9].