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
Раздел 1. Постановка задачи
Раздел 2. Обзор методов
Раздел 3. Новый метод расчета удельных расходов условного топлива
Раздел 4. Сравнение методов
Список литературы
Оглавление раздела
4. Сравнение методов
4.1. Сравнение термодинамических методов
4.1.1. Принцип сравнения методов
4.1.2. Эффективность, достоинства и недостатки методов
4.1.3. Сравнение численных результатов
4.2. Сравнение экономических методов
4.2.1. Принцип сравнения методов
4.2.2. Эффективность, достоинства и недостатки методов
4.2.3. Сравнение численных результатов
Заключение
Все рассмотренные ниже методы расчета удельных расходов условного топлива реализованы в MS Excel приложении к статье /sites/default/files/Chuchueva-Fuel-Rate.xlsx.
4. Сравнение методов
Поскольку термодинамические и экономические методы расчета удельных расходов условного топлива разработаны для достижения различных целей, раздельно проводим сравнение методов указанных групп.
4.1. Сравнение термодинамических методов
4.1.1. Принцип сравнения методов
Наиболее важной особенностью термодинамических методов является возможность учета
- неэквивалентности тепловой и электрической энергий,
- неэквивалентности различных видов тепловой энергии.
Сравнение термодинамических методов производим в два этапа.
На первом этапе для каждого метода устанавливаем, позволяет ли он учесть указанные неэквивалентности. Если метод позволяет учесть обе неэквивалентности, то считаем его эффективным; если позволяет учет только одного вида неэквивалентности — менее эффективным; методы, которые не позволяют учесть обе неэквивалентности, считаем неэффективными.
На втором этапе упорядочиваем методы внутри соответствующей подгруппы (эффективные, менее эффективные, неэффективные) по мере сокращения их применимости.
4.1.2. Эффективность, достоинства и недостатки методов
Результаты сравнения термодинамических методов расчета удельных расходов условного топлива на основании изложенного принципа представлены в табл. 2.
Таблица 2. Результаты сравнения термодинамических методов
| № | Метод | Учет неэквивалентн. электроэнергии и тепловой энергии | Учет неэквивалентн. различных видов тепловой энергии | Механизм учета неэквивалентн. | Эффективность |
|---|---|---|---|---|---|
| 1) | Эксергетический метод (п. 2.2.2) | Позволяет | Позволяет | Эксергия | Эффективные методы |
| 2) | Метод, учитывающий недовыработанную электроэнергию (п. 2.2.4) | Позволяет | Позволяет | Технические характеристики оборудования ТЭЦ | |
| 3) | Метод, основанный на линеаризованной расходной характеристике паровой турбины (п. 3) | Позволяет | Позволяет | Коэффициенты линеаризованной расходной характеристики | |
| 4) | Метод пропорционального распределения от компании ОРГРЭС (п. 2.2.3) | Не позволяет | Позволяет | Коэффициенты ценности различных видов пара | Менее эффективные методы |
| 5) | Метод, учитывающий тепловую ценность пара (п. 2.2.5) | Не позволяет | Позволяет | ||
| 6) | «Физический» метод (п. 2.2.1) | Не позволяет | Не позволяет | Неэффективный метод |
1) Эксергетический метод (п. 2.2.2, 2.3.1) считают наиболее широко применимым, «справедливым» (“fair”) и точным термодинамическим методом [2], [4], поскольку он позволяет учесть неэквивалентности различных видов энергий при помощи эксергии. Его главным недостатком является сложность вычислений и большое число дополнительных исходных данных [2], [4].
2) Метод, учитывающий недовыработанную электроэнергию (п. 2.2.4), является одним из наиболее широко применяемых термодинамических методов, поскольку позволяет учитывать неэквивалентность различных видов энергий при помощи расходных характеристик оборудования ТЭЦ [2], [4]. Главными недостатками данного метода являются сложность вычислений и большое число дополнительных исходных данных [2], [4].
3) Метод, предложенный в настоящей работе, позволяет учесть неэквивалентности различных видов энергий при помощи коэффициентов линеаризованной расходной характеристики турбины. К достоинствам данного метода также стоит отнести простоту вычислений. Недостатком метода является необходимость решения задачи определения указанных коэффициентов (п. 3.2).
4) Достоинством метода пропорционального распределения от компании ОРГРЭС (п. 2.2.3) является учет энергетического качества различных видов тепла при помощи специальных коэффициентов. Его недостатком считают отсутствие сопоставления электрической энергии и тепла. Другие недостатки данного метода заключаются в сложности вычислений и большом числе дополнительных исходных данных [4].
5) Метод, учитывающий тепловую ценность пара (п. 2.2.5), аналогичен методу пропорционального распределения от компании ОРГРЭС и обладает схожими достоинствами и недостатками [4].
6) «Физический» метод (п. 2.2.1) является наиболее критикуемым в литературе методом расчета [3], [4], [8]. Метод не позволяет учитывать неэквивалентность различных видов энергий и не соответствует Второму закону термодинамики [4], [8]. Согласно автору [4]: «Использование этого метода позволило искусственно уменьшить удельные расходы топлива на производство электроэнергии ТЭЦ и без каких-либо технических преобразований добиться передовых позиций в мировой энергетике». Применение данного метода в качестве официального приводит к искусственному завышению тарифов на тепло [3]. Единственным достоинством данного метода является его простота [4].
4.1.3. Сравнение численных результатов
В настоящей работе были реализованы все рассмотренные выше термодинамические методы расчета удельных расходов условного топлива. Исходные данные для расчета взяты из методических указаний [4]. Результаты представлены в файле /sites/default/files/Chuchueva-Fuel-Rate.xlsx.
Полученные значения удельных расходов условного топлива на отпуск продуктов ТЭЦ при комбинированном производстве представлены в табл. 3 и иллюстрирующем ее рис. 1.
Таблица 3. Результаты расчетов удельных расходов условного топлива при комбинированной выработке продуктов ТЭЦ
| № | Метод | Удельный расход условного топлива на отпуск продуктов ТЭЦ, т.у.т./МВт·ч | ||
|---|---|---|---|---|
| Электроэнергия | Промышленный пар | Тепло | ||
| 1) | Эксергетический метод (п. 2.2.2) | 0,331 | 0,117 | 0,065 |
| 2) | Метод, учитывающий недовыработанную электроэнергию (п. 2.2.4) | 0,362 | 0,110 | 0,050 |
| 3) | Метод, основанный на линеаризованной расходной характеристике паровой турбины (п. 3) | 0,411 | 0,093 | 0,037 |
| 4) | Метод пропорционального распределения от компании ОРГРЭС (п. 2.2.3) | 0,320 | 0,112 | 0,083 |
| 5) | Метод, учитывающий тепловую ценность пара (п. 2.2.5) | 0,425 | 0,090 | 0,030 |
| 6) | «Физический» метод (п. 2.2.1) | 0,218 | 0,134 | 0,133 |
Для рассмотренных методов величина bN лежит в диапазоне от 0,218 до 0,425 т.у.т./МВт·ч; величина bП — в диапазоне от 0,090 до 0,134 т.у.т./МВт·ч; величина bТ — в диапазоне от 0,030 до 0,133 т.у.т./МВт·ч. Таким образом, в зависимости от применяемого метода значения удельных расходов условного топлива на отпуск продуктов различаются, практически, в два раза.
Отметим, что минимальное значение удельного расхода условного топлива на электроэнергию получено при расчете «физическим» методом (№6), а максимальное — при расчете методом, учитывающим тепловую ценность пара (№5). Оба этих метода являются наименее эффективными термодинамическими методами (табл. 2). Кроме того, из рис. 1 следует, что «физический» метод является единственным термодинамическим методом, не позволяющим учитывать неэквивалентность энергий промышленного пара и тепла.
Укажем экономические последствия применения «физического» метода для формирования тарифов на тепло и цен на электроэнергию. Во-первых, повышенный тариф на тепло позволяет ТЭЦ неэффективно работать на ОРЭМ, перекладывая часть расхода топлива и, как следствие, часть затрат с электрической энергии на тепловую. Во-вторых, повышенный тариф на тепло снижает конкурентоспособность тепловой энергии ТЭЦ по сравнению с котельными [3]. Таким образом, применение «физического» метода для решения экономических задач установки тарифов на тепло и формирования заявок на ОРЭМ приводит к торможению развития рыночных отношений в сфере электро- и теплоэнергетики.
4.2. Сравнение экономических методов
4.2.1. Принцип сравнения методов
Наиболее важной особенностью экономических методов расчета удельных расходов условного топлива является возможность перераспределения экономии между продуктами ТЭЦ. Сравнение экономических методов производим в два этапа.
На первом этапе устанавливаем, позволяет ли метод перераспределять экономию топлива между продуктами ТЭЦ. Если метод позволяет гибко перераспределять экономию в зависимости от рыночных ожиданий, то считаем его эффективным; если метод не обеспечивает указанную возможность, но разносит экономию между разными продуктами в заданной пропорции, то считаем метод менее эффективным; методы, относящие экономию лишь на один продукт ТЭЦ, считаем неэффективными.
На втором этапе упорядочиваем методы внутри подгруппы эффективных методов по мере уменьшения числа переменных, позволяющих перераспределять экономию; для подгруппы неэффективных — по мере сокращения их применимости.
4.2.2. Эффективность, достоинства и недостатки методов
Результаты сравнения экономических методов расчета удельных расходов условного топлива представлены в табл. 4.
Таблица 4. Результаты сравнения экономических методов
| № | Метод | Перераспределение экономии между продуктами ТЭЦ | Механизм перераспределения | Эффективность |
|---|---|---|---|---|
| 1) | Метод разнесения экономии и риска (п. 2.3.7) | Позволяет гибкое перераспределение в зависимости от рыночных ожиданий | Переменное значение КПД водогрейного котла, величина ожидаемого рыночного изменения цены на электроэнергию | Эффективные методы |
| 2) | Метод альтернативного производства тепла (п. 2.3.4) | Позволяет гибкое перераспределение в зависимости от рыночных ожиданий | Переменное значение КПД водогрейного котла | |
| 3) | Метод разнесения экономии (п. 2.3.6) | Не позволяет перераспределение, разносит экономию топлива между продуктами в установленной пропорции | Учет альтернативного производства как тепла, так и электроэнергии | Менее эффективный метод |
| 4) | Метод альтернативного производства электроэнергии (п. 2.3.5) | Не позволяет перераспределение, относит всю экономию на тепло | Неэффективные методы | |
| 5) | Энергетический метод (п. 2.3.3) | Не позволяет перераспределение, относит всю экономию на электроэнергию |
1) Метод разнесения экономии и риска (п. 2.3.7) является наиболее гибким, его достоинством является возможность учета риска изменения рыночной цены на электроэнергию [2]. Метод позволяет перераспределять экономию топлива между продуктами ТЭЦ в зависимости от рыночных ожиданий. Недостатком данного метода является существенное повышение волатильности (изменчивости) рыночных цен при его широком применении, что недопустимо в странах со слабо развитыми рынками электроэнергии и тепла [2].
2) Метод альтернативного производства тепла (п. 2.3.4) является одним из наиболее широко применяемых методов расчета. Изменение величины КПД водогрейного котла позволяет гибко перераспределять экономию топлива между теплом и электроэнергией в зависимости от рыночных ожиданий [2]. Эта гибкость является достоинством метода. Широкое применения данного метода приводит к повышению волатильности рыночных цен, что можно отнести к его недостаткам.
3) Метод разнесения экономии (п. 2.3.6) также широко применяется в странах с развитыми рынками электроэнергии и тепла. Недостатком метода является отсутствие гибкости перераспределения экономии топлива в зависимости от рыночных ожиданий, поскольку экономия разносится на электроэнергию и тепло в установленной пропорции. Разделение экономии между продуктами ТЭЦ считают достоинством данного метода [2].
4) Метод альтернативного производства электроэнергии (п. 2.3.5) менее широко применяется на практике. Его недостатком является полное отнесение экономии топлива на тепловую энергию, что снижает конкурентоспособность ТЭЦ на рынке электроэнергии. Достоинством данного метода является его простота [2].
5) Энергетический метод (п. 2.3.3) — наименее гибкий экономический метод. Его единственным достоинством считают простоту вычислений [2], [6].
4.2.3. Сравнение численных результатов
В работе были реализованы все рассмотренные выше экономические методы расчета удельных расходов условного топлива. Исходными для расчета были те же данные, что и для расчета термодинамическими методами (п. 4.1.3). Полученные значения представлены в табл. 5 и на рис. 2.
Таблица 5. Результаты расчетов удельных расходов условного топлива при комбинированной выработке продуктов ТЭЦ
| № | Метод | Удельный расход условного топлива на отпуск продуктов ТЭЦ, т.у.т./МВт·ч | ||
|---|---|---|---|---|
| Электроэнергия | Промышленный пар | Тепло | ||
| 1) | Метод разнесения экономии и риска (п. 2.3.7) | 0,241 | 0,134 | 0,114 |
| 2) | Метод альтернативного производства тепла (п. 2.3.4) | 0,219 | 0,134 | 0,132 |
| 3) | Метод разнесения экономии (п. 2.3.6) | 0,293 | 0,109 | 0,108 |
| 4) | Метод альтернативного производства электроэнергии (п. 2.3.5) | 0,422 | 0,067 | 0,067 |
| 5) | Энергетический метод (п. 2.3.3) | 0,159 | 0,153 | 0,153 |
Напомним, что при расчете экономическими методами значения топливных составляющих себестоимости приведены к удельным расходам условного топлива при помощи зависимостей (44) – (46). В методе альтернативного производства тепла использован номинальный КПД водогрейного котла, равный 93% (п. 2.3.4). В методе разнесения экономии и риска принято значение ожидаемого рыночного изменения цены на электроэнергию (п. 2.3.7).
Для экономических методов аналогичные диапазоны величин удельных расходов условного топлива имеют значения: bN — от 0,159 до 0,422 т.у.т./МВт·ч; bП — от 0,067 до 0,153 т.у.т./МВт·ч; bТ — от 0,067 до 0,153 т.у.т./МВт·ч. Заметим, что экономические методы расчета не учитывают различное качество энергий промышленного пара и тепла — значения bП и bТ для большинства методов одинаковы.
Заключение
В работе получены следующие результаты.
1) Выполнен обзор наиболее часто применяемых в России, а также в странах с развитыми рынками электроэнергии и тепла методов расчета удельных расходов условного топлива на отпуск продуктов ТЭЦ при комбинированном производстве. Методы разделены на две группы: термодинамические и экономические.
2) Предложен новый термодинамический метод расчета удельных расходов условного топлива на отпуск продуктов ТЭЦ, основанный на использовании линеаризованной расходной характеристики паровой турбины. Метод позволяет учитывать неэквивалентность энергий всех продуктов ТЭЦ. Разработанный метод устраняет недостаток эффективных термодинамических методов — упрощает вычисления и уменьшает число исходных данных.
3) Выполнено сравнение термодинамических и экономических методов на основе сформулированных принципов и численных расчетов. Показано, что наиболее эффективными термодинамическими методами являются эксергетический метод и метод, учитывающий недовыработанную электроэнергию. Их главными недостатками являются большое число исходных данных и сложность вычислений. Наиболее эффективными экономическими методами являются метод разнесения экономии и риска, а также метод альтернативного производства тепла. Основным недостатком этих методов считают повышение волатильности рыночных цен при широком применении данных методов.
4) Показано, что применение наименее эффективного термодинамического метода — «физического» метода — для оценки себестоимости продуктов тормозит развитие рыночных отношений в сфере электро- и теплоэнергетики.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- проведен обзор российских методов расчета удельных расходов условного топлива, а также методов, применяемых в странах с развитыми рынками электроэнергии и тепла;
- разработан новый термодинамический метод расчета удельных расходов условного топлива, основанный на использовании линеаризованной расходной характеристики паровой турбины;
- выполнено сравнение эффективности термодинамических и экономических методов на основе сформулированных принципов и результатов расчетов.
Перспективными направлениями развития работы являются.
- Разработка формальных критериев эффективности для каждой группы методов, оценка существующих методов на основании этих критериев.
- Пересмотр границ применимости методов. Для внутренней оценки качества режимов работы ТЭЦ целесообразно применять термодинамические методы расчета. Для формирования тарифов на тепловую энергию, а также заявок на ОРЭМ — экономические методы.
Все рассмотренные выше методы расчета удельных расходов условного топлива реализованы в MS Excel приложении к статье /sites/default/files/Chuchueva-Fuel-Rate.xlsx.
Раздел 1. Постановка задачи
Раздел 2. Обзор методов
Раздел 3. Новый метод расчета удельных расходов условного топлива
Раздел 4. Сравнение методов
Список литературы