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

2. Обзор методов
2.1. Классификация методов
2.2. Методы решения задачи в России
2.2.1. «Физический» (тепловой, балансовый или энтальпийный) метод
2.2.2. Эксергетический метод
2.2.3. Метод пропорционального распределения от компании ОРГРЭС
2.2.4. Метод, учитывающий недовыработанную электроэнергию
2.2.5. Метод, учитывающий тепловую ценность пара
2.3. Методы решения задачи в странах с развитыми рынками электроэнергии и тепла
2.3.1. Эксергетический метод (exergy method)
2.3.2. Рабочий метод (work method)
2.3.3. Энергетический метод (energy method)
2.3.4. Метод альтернативного производства тепла (method of alternative way of heat supply)
2.3.5. Метод альтернативного производства электроэнергии (method of alternative way of electricity supply)
2.3.6. Метод разнесения экономии (benefit distribution method)
2.3.7. Метод разнесения экономии и риска (benefit and risk sharing method)

Все рассмотренные ниже методы расчета удельных расходов условного топлива реализованы в MS Excel приложении к статье /sites/default/files/Chuchueva-Fuel-Rate.xlsx.

2. Обзор методов

2.1. Классификация методов

Методы расчета удельных расходов условного топлива при комбинированной выработке разделяют на две группы [1], [2], [3], [6]:

• термодинамические;
• экономические.

Целью термодинамических методов является определение технической эффективности режимов работы ТЭЦ. Методы основаны на учете технологических (термодинамических) особенностей комбинированного производства тепловой и электрической энергий [4]. К этим методам относят:

• «физический» (тепловой, балансовый или энтальпийный) метод (п. 2.2.1);
• эксергетический метод (п. 2.2.2, 2.3.1);
• метод пропорционального распределения от компании ОРГРЭС (п. 2.2.3);
• метод, учитывающий недовыработанную электроэнергию (п. 2.2.4, 2.3.2);
• метод, учитывающий тепловую ценность пара (п. 2.2.5).

Целью экономических методов расчета удельных расходов условного топлива является повышение конкурентоспособности продуктов ТЭЦ на рынках электроэнергии и тепла [2], [3], [6]. Конкурентоспособность ТЭЦ на рынках определяется значением себестоимости ее продуктов: заявленная на рынок себестоимость должна быть ниже рыночной цены [5]. Себестоимость является экономическим показателем, основанным на величине удельного расхода условного топлива. К этим методам относят:

• энергетический метод (п. 2.3.3);
• метод альтернативного производства тепла (п. 2.3.4);
• метод альтернативного производства электроэнергии (п. 2.3.5);
• метод разнесения экономии (п. 2.3.6);
• метод разнесения экономии и риска (п. 2.3.7).

2.2. Методы решения задачи в России

Несмотря на развитие рыночных отношений в сфере электроэнергетики, в России задачу расчета удельных расходов условного топлива решают исключительно термодинамическими методами [3], [4], [9], [11]. Результаты таких расчетов используют для определения себестоимости отпуска 1 МВт·ч электроэнергии при формировании заявки на рынок на сутки вперед [5].

2.2.1. «Физический» (тепловой, балансовый или энтальпийный) метод

«Физический» метод расчета удельных расходов условного топлива на выработку электроэнергии, промышленного пара и тепла являлся официальным для России до 1996 года [3]. С 2013 года данный метод снова является официальным для России [9]. Иногда данный метод называют тепловым [9], балансовым [4] или энтальпийным [8].

Дополнительным исходным значением для расчета «физическим» методом является общий расход пара высокого давления Q₀, МВт·ч.

Согласно «физическому» методу расчет удельных расходов условного топлива производят в два шага.

1) Разнесение общего расхода условного топлива на продукты ТЭЦ

Расход условного топлива на выработку электроэнергии B_N задает выражение

(5)

где Q_N — расход пара на выработку электроэнергии, МВт·ч. Величину Q_N вычисляют на основании баланса пара:

(6)

Расход условного топлива на выработку промышленного пара и тепла находят по соответствующим формулам

(7)

(8)

2) Вычисление удельных расходов условного топлива

Удельные расходы условного топлива вычисляют по формулам (1) – (3).

2.2.2. Эксергетический метод

Эксергетический метод расчета удельных расходов условного топлива считают наиболее «справедливым» (“fair”) и корректным термодинамическим методом [2], [4], [6]. Понятие эксергия (exergy) применяют для оценки качества различных (неэквивалентных) видов энергий (quality of different forms of energy) [13]. Метод применяют в странах с развитыми рынками электроэнергии для оценки технической эффективности работы ТЭЦ [2], [6] (п. 2.3.1).

Метод расчета требует ряда дополнительных значений исходных параметров режима работы оборудования ТЭЦ:

• энтальпия и энтропия различных видов пара и их конденсата;
• температура окружающей среды.

Эксергетический метод решения задачи расчета удельных расходов условного топлива каждого продукта ТЭЦ состоит из трех шагов.

1) Определение общей эксергии продуктов ТЭЦ

Общую эксергию продуктов ТЭЦ E, МВт·ч, вычисляют по формуле

(9)

Значения эксергий различных продуктов ТЭЦ E_N, E_П, E_Т, МВт·ч, определяют выражения:

— эксергия электроэнергии

(10)

— эксергия промышленного пара

(11)

— эксергия тепла

(12)

Здесь T_env, К, – температура окружающей среды; T_П, T_Т, К, – средние температуры тепловых потоков промышленного пара Q_П и пара низкого давления, требуемого на нагрев сетевой воды Q_Т.

Величину T_П вычисляют по формуле

(13)

где H_П, S_П — энтальпия (кДж/кг) и энтропия (кДж/кг·K) промышленного пара в коллекторе; H_П^c, S_П^c — энтальпия и энтропия конденсата промышленного пара.

Значение T_Т определяет аналогичное выражение

(14)

где H_Т, S_Т — энтальпия и энтропия пара низкого давления, расходуемого для нагрева сетевой воды ; H_Т^c, S_Т^c — энтальпия и энтропия конденсата пара низкого давления.

2) Разнесение общего расхода условного топлива на продукты ТЭЦ

Расход условного топлива на выработку электроэнергии определяет зависимость

(15)

Расходы условного топлива на выработку промышленного пара и тепла равны соответственно

(16)

(17)

3) Расчет удельных расходов условного топлива

Удельные расходы условного топлива вычисляют по формулам (1) – (3).

2.2.3. Метод пропорционального распределения от компании ОРГРЭС

Метод был утвержден в качестве официального метода при составлении отчетности по экономичности работы оборудования ТЭЦ в период с 1996 по 2013 год [4], [14].

Метод расчета требует ряд дополнительных исходных данных:

• общий расход пара высокого давления;
• энтальпии различных видов пара;
• энтальпия основного конденсата;
• коэффициент учета регенеративного подогрева питательной воды k.

Рассматриваемый метод решения задачи состоит из четырех шагов.

1) Определение коэффициентов ценности паров

Коэффициент ценности промышленного пара определяет выражение

(18)

где H₀ и H₀^c — энтальпия пара высокого давления и его конденсата, кДж/кг. Значение коэффициента является справочным и зависит от типа оборудования ТЭЦ [14].

Аналогичным образом определяют коэффициент ценности пара низкого давления

(19)

2) Расчет удельного расхода условного топлива на отпуск электроэнергии

Расход условного топлива на выработку электроэнергии N вычисляют по формуле

(20)

где γ_dN — коэффициент расхода топлива на выработку электроэнергии. Коэффициент получают на основании зависимости

(21)

Здесь Q_N — расход пара на выработку электроэнергии, рассчитанный по «физическому» методу (6); ΔQ_N — дополнительный расход пара на выработку электроэнергии, МВт·ч, равный

(22)

Удельный расход условного топлива на отпуск электроэнергии вычисляют на основании зависимости (1).

3) Расчет удельного расхода условного топлива на отпуск промышленного пара

Удельный расход условного топлива на выработку промышленного пара определяет выражение

(23)

где b_ПТ — общий удельный расход условного топлива на выработку промышленного пара и тепла, т.у.т./МВт·ч; Δb_ПТ — снижение удельного расхода условного топлива на выработку промышленного пара, т.у.т./МВт·ч.

Общий удельный расход условного топлива на выработку промышленного пара и тепла вычисляют следующим образом:

(24)

Здесь B_ПТ — общий расход условного топлива на выработку промышленного пара и тепла, определяемый выражением

(25)

Величину B_N вычисляют на предыдущем шаге (20).

Снижение удельного расхода условного топлива на выработку промышленного пара задает выражение

(26)

Здесь Δb_ПТ — общее снижение удельного расхода условного топлива на выработку промышленного пара и тепла, т.у.т./МВт·ч; γ_ПТ — среднее значение коэффициента ценности промышленного пара и пара низкого давления. Значение Δb_ПТ вычисляют по формуле

(27)

Величину γ_ПТ определяет выражение

(28)

Удельный расход условного топлива на отпуск промышленного пара вычисляют следующим образом:

(29)

4) Расчет удельного расхода условного топлива на отпуск тепла

Удельный расход условного топлива на выработку тепла задает выражение

(30)

Здесь Δb_Т — снижение удельного расхода условного топлива на выработку тепла, т.у.т./МВт·ч, равное

(31)

Величины Δb_ПТ, γ_ПТ вычисляют по формулам (27), (28) соответственно.

Удельный расход условного топлива на отпуск тепла равен

(32)

2.2.4. Метод, учитывающий недовыработанную электроэнергию

Метод основан на учете недовыработки электроэнергии в результате отвода пара части высокого давления на производство промышленного пара и тепла [4]. Метод применяется в странах с развитыми рынками электроэнергии и называется work method [2] (п. 2.3.2).

Метод требует исходных данных по дополнительным режимам работы ТЭЦ, представленных в табл. 1.

Таблица 1. Данные дополнительных режимов работы ТЭЦ

Выработку электроэнергии N¹, N², N³ определяют на основании нормативно-технической документации по топливоиспользованию [15] для указанных в таблице значений расхода пара высокого давления, промышленного пара и выработки тепла.

Рассматриваемый метод решения задачи состоит из трех шагов.

1) Расчет удельного расхода условного топлива на отпуск электроэнергии

Расход условного топлива, отнесенный на выработку электроэнергии, определяет выражение

(33)

Удельный расход условного топлива на отпуск электроэнергии вычисляют на основании зависимости (1).

2) Расчет удельного расхода условного топлива на отпуск промышленного пара

Величина расхода условного топлива на выработку промышленного пара равна

(34)

В данном методе коэффициент γ_ПТ определяет соотношение расходов условного топлива на выработку промышленного пара и тепла. Значение этого коэффициента задает выражение

(35)

Значение B_ПТ вычисляют по формуле (25), удельный расход условного топлива на отпуск промышленного пара — по формуле (2).

3) Расчет удельного расхода условного топлива на отпуск тепла

Расход условного топлива на выработку тепла равен

(36)

Значение γ_ПТ рассчитано на предыдущем шаге.

Удельный расход условного топлива на отпуск тепла вычисляют по формуле (3).

2.2.5. Метод, учитывающий тепловую ценность пара

Метод основан на учете энергетического качества различных видов паров при помощи коэффициентов ценности паров, рассчитанных по методу пропорционального распределения от компании ОРГРЭС (п. 2.2.3).

Дополнительными исходными данными являются:

• общий расход пара высокого давления;
• энтальпии различных видов пара;
• энтальпия основного конденсата;
• коэффициент учета регенеративного подогрева питательной воды k.

Метод расчета состоит из четырех шагов.

1) Вычисление коэффициентов ценности паров

Коэффициенты ценности паров γ_П, γ_Т вычисляют на основании формул (18), (19) соответственно.

2) Расчет удельного расхода условного топлива на отпуск электроэнергии

Расход условного топлива, отнесенный на выработку электроэнергии, определяет выражение

(37)

где γ_BN, — коэффициент расхода топлива на выработку электроэнергии, вычисляемый следующим образом:

(38)

Удельный расход условного топлива на отпуск электроэнергии вычисляют на основании зависимости (1).

3) Расчет удельного расхода условного топлива на отпуск промышленного пара

Аналогично (37), расход условного топлива на выработку промышленного пара задает формула

(39)

где γ_BП — коэффициент расхода топлива на выработку промышленного пара, равный

(40)

Удельный расход условного топлива на отпуск промышленного пара вычисляют по формуле (2).

4) Расчет удельного расхода условного топлива на отпуск тепла

Расход условного топлива на выработку тепла определяет выражение

(41)

где γ_BТ — коэффициент расхода топлива на выработку тепла, его значение рассчитывают по формуле

(42)

Удельный расход условного топлива на отпуск тепла вычисляют по формуле (3).

2.3. Методы решения задачи в странах с развитыми рынками электроэнергии и тепла

В странах с развитыми рынками электроэнергии и тепла, главным образом, решают задачи разнесения затрат на топливо (cost allocation) и расчета себестоимости производства единицы продукции ТЭЦ (electricity cost, heat cost) [1], [2], [6]. Целью решения указанных задач является повышение конкурентоспособности ТЭЦ на рынках электроэнергии и тепла. Задача расчета себестоимости производства единицы продукции ТЭЦ является аналогом задачи расчета удельных расходов условного топлива.

В рамках настоящей работы западные методы решения задачи расчета себестоимости продуктов ТЭЦ были адаптированы для решения задачи расчета удельных расходов условного топлива, принятой в России (п. 1). При этом приняли следующие соглашения.

— Затраты на топливо и расход топлива связывает выражение

(43)

где C_B — затраты на топливо, руб.; Z_B — цена условного топлива, руб./т.у.т.

— Себестоимость продуктов ТЭЦ и удельный расход условного топлива на отпуск электроэнергии, промышленного пара и тепла связывают следующие формулы:

(44)

(45)

(46)

Здесь Z_N, Z_П, Z_Т — себестоимости отпуска продуктов ТЭЦ, руб./МВт·ч. Данные величины в России принято называть топливными составляющими себестоимости [5].

Поскольку учет затрат на отпуск промышленного пара в ряде работ не производится [2], [6], рассматриваемые в этих работах методы были дополнены исходя из следующих соображений:

• альтернативой комбинированному производству промышленного пара является выработка пара редукционной охлаждающей установкой;
• отпуск промышленного пара осуществляется по договорной цене, не подверженной рыночным рискам.

2.3.1. Эксергетический метод (exergy method)

Эксергетический метод, применяемый в странах с развитыми рынками электроэнергии и тепла, идентичен эксергетическому методу, применяемому в России (п. 2.2.2). Главным образом, метод используется для оценки технической эффективности работы ТЭЦ.

2.3.2. Рабочий метод (work method)

Рабочий метод идентичен методу, учитывающему недовыработанную электроэнергию, применяемому в России (п. 2.2.4). Главным образом, метод используется для оценки технической эффективности работы ТЭЦ.

2.3.3. Энергетический метод (energy method

Решение задачи данным методом состоит из двух следующих шагов [2].

1) Разнесение общего расхода условного топлива на продукты ТЭЦ

Расход условного топлива, отнесенный на выработку электроэнергии, рассчитывают по формуле

(47)

Расходы условного топлива на выработку промышленного пара и тепла задают выражения

(48)

(49)

2) Вычисление удельных расходов условного топлива

Удельные расходы условного топлива вычисляют по формулам (1) – (3).

2.3.4. Метод альтернативного производства тепла (method of alternative way of heat supply)

В рамках метода предполагают, что альтернативой комбинированной выработке тепла является выработка тепла Q_Т водогрейным котлом и промышленного пара Q_П — редукционной охлаждающей установкой [1], [2].

Дополнительными исходными данными являются:

• КПД водогрейного котла;
• КПД парового котла;
• КПД редукционной охлаждающей установки, который условно принимают равным 100%.

Решение задачи данным методом состоит из двух шагов.

1) Разнесение общего расхода условного топлива на продукты ТЭЦ

Расход условного топлива, отнесенный на альтернативную выработку тепла, задает выражение

(50)

где γ_тут — коэффициент, равный 0,123 т.у.т./МВт·ч.

Расход условного топлива на выработку промышленного пара вычисляют аналогичным образом:

(51)

Здесь η_ВК — КПД водогрейного котла, η_ПК — КПД парового котла.

Отметим, что КПД водогрейного котла является переменной величиной и может принимать значения в диапазоне от 92% до 112%, что позволяет гибко перераспределять расход топлива между теплом и электроэнергией в зависимости от рыночных ожиданий. Рекомендации по установке данного значения приведены в работе [2].

Расход условного топлива на выработку электроэнергии рассчитывают по формуле

(52)

2) Вычисление удельных расходов условного топлива

Удельные расходы условного топлива вычисляют по формулам (1) – (3).

2.3.5. Метод альтернативного производства электроэнергии (method of alternative way of electricity supply)

В основе этого метода лежит предположение, что альтернативой комбинированной выработке электроэнергии служит конденсационная выработка [1], [2].

Дополнительным исходным значением является расход пара высокого давления Q₀^c на конденсационную выработку электроэнергии N. Величину Q₀^c определяют на основании нормативно-технической документации по топливоиспользованию [15].

Решение задачи данным методом состоит из двух шагов.

1) Разнесение общего расхода условного топлива на продукты ТЭЦ

Расход условного топлива, отнесенный на выработку электроэнергии, определяет выражение

(53)

Расходы условного топлива на выработку промышленного пара и тепла равны соответственно

(54)

(55)

2) Вычисление удельных расходов условного топлива

Удельные расходы условного топлива вычисляют по формулам (1) – (3).

2.3.6. Метод разнесения экономии (benefit distribution method)

Метод основан на разнесении расхода условного топлива пропорционально расходу при альтернативной выработке всех продуктов ТЭЦ. Рассматриваемый метод является комбинацией методов альтернативного производства тепла (п. 2.3.4) и альтернативного производства электроэнергии (п. 2.3.5) [2].

Дополнительными данными для метода являются:

• КПД водогрейного котла;
• КПД парового котла;
• КПД редукционной охлаждающей установки, который условно принимают равным 100%;
• расход пара высокого давления на конденсационную выработку электроэнергии.

Решение задачи данным методом состоит из двух шагов.

1) Разнесение общего расхода условного топлива на продукты ТЭЦ

Расход условного топлива, отнесенный на альтернативную выработку электроэнергии, определяет выражение (53), расход условного топлива, отнесенный на альтернативную выработку промышленного пара, — зависимость (51), расход условного топлива, отнесенный на альтернативную выработку тепла, — формула (50).

Отметим, что в данном методе используют номинальное значение КПД водогрейного котла в отличие от метода альтернативного производства тепла, в котором эта величина является переменной [2], [6].

Общий расход на альтернативное производство трех продуктов имеет вид

(56)

Расход условного топлива на электроэнергию при комбинированном производстве определяет выражение

(57)

Расходы условного топлива на промышленный пар и тепло при комбинированном производстве вычисляют аналогично:

(58)

(59)

2) Вычисление удельных расходов условного топлива

Удельные расходы условного топлива вычисляют по формулам (1) – (3).

2.3.7. Метод разнесения экономии и риска (benefit and risk sharing method)

Метод позволяет учитывать риск изменения рыночной цены на электроэнергию [2]. Дополнительной в этом случае является величина ожидаемого рыночного изменения цены на электроэнергию r ∈ [-1;1], отражающая тенденции на рынке. Величина принимает положительное значение при ожидании роста цен на электроэнергию и отрицательное – при ожидании падения этих цен.

Поскольку в настоящей работе речь идет о задаче расчета удельных расходов условного топлива, величину учитываем в изменении удельных расходов. Напомним, что связь удельных расходов условного топлива и себестоимости продуктов ТЭЦ задают выражения (44)( – (46).

Решение задачи данным методом состоит из двух шагов.

1) Расчет удельного расхода условного топлива на продукты ТЭЦ

Расчет осуществляют по методу альтернативного производства тепла (п 2.3.4).

2) Изменение удельных расходов условного топлива электроэнергии и тепла

Для одновременного повышения конкурентоспособности на рынках электроэнергии и тепла осуществляют перераспределение расхода условного топлива между двумя этими рыночными продуктами. Основным продуктом является электроэнергия, поскольку ее рыночные цены наиболее волатильны (изменчивы). Значение r применяют для переоценки величины удельного расхода условного топлива на отпуск электроэнергии следующим образом:

(60)

Для соблюдения топливного баланса (4) производят корректировку удельного расхода условного топлива на тепла

(61)

Таким образом, при повышении удельного расхода условного топлива на отпуск электроэнергии снижают удельный расход условного топлива на отпуск тепла и наоборот. Величины b_N^M и b_Т^M являются основой для формирования заявок на рынки (market), значение b_П не изменяется.

Все рассмотренные выше методы расчета удельных расходов условного топлива реализованы в MS Excel приложении к статье /sites/default/files/Chuchueva-Fuel-Rate.xlsx.