CC BY
118
т е п л о э н е р г е т и к а
УДК 621.003.19
ТОПЛИВНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТЭЦ КАК ПОКАЗАТЕЛЬ ЕЕ ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
Докт. техн. наук, проф. ПИИР А. Э.
Архангельский государственный технический университет Докт. техн. наук, проф. КУНТЫШ В. Б.
Белорусский государственный технологический университет
В рыночных условиях хозяйствования для ряда комбинированных энергоустановок остро встала проблема сбыта энергии из-за ее высокой стоимости: сначала тепловой, вычисленной по физическому методу разделения общего расхода топлива, затем электрической, вычисленной по эк-сергетическому методу, а то и обоих видов продукции ТЭЦ, стоимость которых была вычислена по компромиссному методу ОРГРЭС 1996 г.
После продолжительной дискуссии для выхода из кризиса было решено
[1] изменить принцип формирования тарифов на ТЭЦ, а именно - отделить решение задачи прогнозирования цены энергии от результатов оценки эффективности производственной деятельности ТЭЦ. Это позволяет отказаться от условных показателей тепловой экономичности ТЭЦ на основе действующих с 1996 г. методических указаний ОРГРЭС в пользу термодинамических строгих и простых показателей.
Авторы предлагают предельно упростить определение показателей тепловой и экономической эффективности ТЭЦ:
• рассматривая комбинированную установку как генератор эксергии, которая отпускается с шин и коллекторов ТЭЦ с потоками различных энергоносителей (пара, горячей воды, электронов);
• отказываясь от условного деления оборудования на относящееся к выработке электроэнергии или теплоты, поскольку турбина, электрические генератор и трансформатор столь же необходимы для выработки пара в отопительном отборе, как сетевой насос и сетевой подогреватель для выработки электроэнергии на тепловом потреблении.
Ранее было показано [2], что удельные расходы условного топлива на ТЭЦ можно определить по температурам цикла Ренкина без привлечения дополнительных условий, таких как коэффициент отнесения расхода топ-
лива по видам продукции или использование специальных функций, эк-сергия или коэффициент ценности теплоты.
Покажем, что объективные термодинамические характеристики комбинированной установки [3] вытекают из ее энергетического баланса. Запишем тепловой баланс паровой турбины с промышленным Qп и отопительным Qо отборами пара [4]
ПпкПгрВОУ = ж + Qп + Qо + Qк, (1)
где Ву, Qу - расход и теплота сгорания условного топлива; п ш, п тр - КПД
парового котла, трубопроводов; Ж - электрическая нагрузка турбогенератора; Qк - непревратимая в работу теплота, переданная окружающей среде в конденсаторе.
Тепловому балансу турбины соответствует эксергетический баланс [5]
= Ж + Еп + Ео + 0, (2)
где Пс = ПпкПтЛЛсэмП^ - электрический КПД паросиловой установки в конденсационном режиме; Еп = пШПо/ПэмОП - максимальная работа, которую можно получить у потребителя пара из теплоты производственного отбора; Е = пОПоЛ^о - максимальная работа, которую можно получить у потребителя пара из теплоты отопительного отбора; пО, Пэм - относительно-внутренний КПД цикла и электромеханический КПД турбогенератора; пкп ,
ПО, Г^ - термические КПД цикла Карно, Ренкина для производственного, отопительного и конденсационного потоков пара.
Из баланса эксергии (2) найдем зависимость расхода топлива от электрической и тепловых нагрузок производственного и отопительного отборов [6]
Ж + П ООО + По ОО=
nэQ Пэ ПпкПтр Пэ ПпкПтр
В =Ж + Пп^^у + По Уо'Уу = ш+и0 +Ъ0 (3)
В П О + ППП + ППП ЪэЖэ + Ъп0п + Ъо0о. ^
Расчетные зависимости для удельных расходов условного топлива, определяющие тепловую экономичность комбинированной установки по выработке электроэнергии, производственного пара и горячей сетевой воды составляют:
Ъэ = 0,123 , кг у. т./(кВт • ч); Ъ = —341—, кг у. т./ГДж; э Пэ ЬЪп ФпПтрПпк
Ъо = 341 , кг у. т./ГДж, (4)
о ФоПтрПпк
где уп и уо - коэффициенты трансформации теплоты свежего пара в теплоту отборного [7],
г£ = 1 - Гк/т . ^ = 1 - VТ (5)
= Пп = 1-Тк/Тп ; = По = 1-Тк/То , (5)
где Т, Тп, То, Тк - абсолютная температура насыщения пара в паровом котле, производственном и отопительном отборах, в конденсаторе паровой турбины, К.
Обратимая трансформация теплоты свежего пара в теплоту отборного является источником экономии топлива на ТЭЦ по сравнению с получением пара в котельной за счет теплоты продуктов сгорания топлива.
Вычислим удельные расходы условного топлива брутто на ТЭЦ с турбоустановками ПТ-50-130/13, начальные параметры пара: давление -13,0 МПа, температура составляет 565 °С:
• на выработку электроэнергии
Ь =_0,123_=_°Д23_= 0356 кг у. т./(кВт • ч); (6)
Ь ПпЛрПЖм 0,9 •0,97 • 0,510,8 •0,97 0,36
• на выработку теплоты, отпущенной с технологическим паром в производственном отборе, давление - 1,3 МПа:
Ь =_341_=_34,1_= 273 кг у. т./ГДж; (7)
Ь ПпкПтрФп 0,9 • 0,97 1,43 27,3 > ^
• на получение теплоты, отпущенной с паром в отопительном отборе, давление - 0,12 МПа:
Ь = 34,1 =_341_= 161 кг у. т./ГДж. (8)
Ь ПпкПтрФо 0,9 • 0,97 • 2,43 161 * ^ и
С учетом паровых эквивалентов теплоты для производственного и отопительного отборов (рр = 0,382 т/ГДж и ро = 0,444 т/ГДж) удельные расходы условного топлива на выработку пара в производственном и отопительном отборах равны:
Ьп = ЬТ /рр = 27,3/0,382 = 71,6;
Ьо = Ь /ро = 16,1/0,444 = 36,2. (9)
С целью подтверждения полученных величин удельных расходов (6), (9) определим их для паротурбинной установки марки ПТ-50-130/13 по техническим данным [8]. Запишем и решим систему уравнений В = АЫ, Вп, Во) для нагрузок в номинальном режиме, конденсационном режиме и в режимах с максимальными производственным и отопительным отборами, откуда получим паровую характеристику турбоустановки:
Вбр = 10 + 3,6Ы + 0,73Вп + 0,35Во; (10)
N = 0,14Вп + 0,243Во + 0,34Вк,
где Вбр - общий расход свежего пара на турбину, т/ч; Вп, В0 - расход пара из производственного и отопительного отборов, т/ч; Вк - расход пара в конденсатор, т/ч.
Из теплового баланса системы «котел - турбина» найдем связь расхода условного топлива в паровом котле и потребления пара турбинами ТЭЦ с начальным давлением 14 МПа
ВУ =(1 + 2 а)Л/ = 1,05 601 • 4,18 = Э Ппк^у 0,9 7000 • 4,18 ' , (11)
где 2 а - доля потерь производительности паровых котлов с расходом
пара на собственные нужды от утечек и продувки; Д - расход теплоты в котле на получение перегретого пара из питательной воды, кДж/кг.
Расход условного топлива в котельной ТЭЦ при выработке электроэнергии Ж, МВт • ч, и отпуске пара из отборов в количестве Оп, Оо, т/ч, составит в течение 1 ч
В = 0,Ш = 1,0т + 0,36 Ж+ 0,07Шп + 0,035Д, т у. т. (12)
Здесь коэффициенты Ьэ = 0,36 т у. т./(МВт • ч); Ьп = 0,071 т у. т. /т; Ьо = = 0,035 т у. т./т представляют удельные расходы условного топлива на выработку продукции, Ьх = 1 т у. т./ч - расход условного топлива турбоуста-новкой на холостом ходу; т - число часов холостого хода.
Коэффициенты топливной характеристики ТЭЦ (3), найденные по техническим данным турбоустановки, аналогичны по смыслу и совпадают по величине с удельными расходами топлива, вычисленными по формулам (6)-(9), исходя из термодинамических параметров цикла, а значит, они объективно отражают тепловую экономичность установки.
Эксплуатационные удельные расходы топлива нетто легко вычислить с учетом расхода энергии на собственные нужды и потерь в цикле станции. Топливная характеристика ТЭЦ с турбоустановками разных марок может быть получена на основе сложения паровых характеристик турбин с учетом их «удельного веса» [9].
С экономической точки зрения, общим для КЭС и ТЭЦ показателем эффективности производственной деятельности по преобразованию теплоты продуктов сгорания топлива в эксергию может служить удельная себестоимость производства энергии с, равная отношению годовых издержек производства И к годовому расходу условного топлива Ву:
с = И/Ву = ст + И'/Ву, руб/т у. т., (13)
где И' - постоянная составляющая годовых издержек.
Величина удельной себестоимости производства энергии на 50-75 % определяется стоимостью топлива ст.
Удельная себестоимость энергоносителей, отпущенных с шин и коллекторов ТЭЦ, пропорциональна удельному расходу условного топлива и будет равна:
электроэнергии сэ = Ьэс, руб/(кВт • ч);
теплоты промотбора сп = Ьпс, руб/ГДж; (14)
теплоты отопительного отбора со = Ьос, руб/ГДж.
При разделении вопросов определения показателей тепловой экономичности и определения тарифов последняя задача легко решается экономическими методами из условия рентабельности ТЭЦ. Например, в Германии, Дании и Франции [10] по фиксированной цене на электроэнергию вычисляют выручку от ее продажи, затем выручку вычитают из издержек общего производства и остаток относят на производство тепловой энергии.
Тарифы на продукцию ТЭЦ должны обеспечить компенсацию затрат производителя и получение прибыли, быть конкурентными, т. е.
ТэЖ + тпеп+ттет=и (1+р), (15)
где р - уровень рентабельности.
Цена электроэнергии на рынке энергоресурсов Тэр определяется ее тарифом у самого дешевого оптового производителя. Тариф на теплоту из производственного отбора найдем из соотношения Тп/Тт = сп/ст = Ьп/Ьт. Тариф на теплоту, отпущенную с сетевой водой, найдем по остаточному принципу [11] из выражения
Т _ (1 + р)и - трж
Т _ ОьЫЬ + О • (16)
Рассмотрим методику и пример расчета показателей эффективности ТЭЦ на основе термодинамического подхода.
Исходные данные. На городской ТЭЦ с четырьмя турбогенераторами Т-100-130 планируется годовая выработка теплоты в отопительных отборах Qот = 16,7 • 106 ГДж (4 • 106 Гкал), пиковыми водогрейными котлами Qвк = 4,18 • 106 ГДж (1 • 106 Гкал) при трех вариантах отпуска электроэнергии Ж = 1,5; 2; 2,5 • 106 МВт • ч. Стоимость топлива ст = 1000 руб/т у. т., стоимость электроэнергии на оптовом рынке сэ = 0,5 руб/(кВт • ч), постоянная составляющая годовых издержек И' = 0,7 • 109 руб.
Расчет удельных расходов топлива, себестоимости продукции и тарифов для ТЭЦ. По техническим данным турбоустановки Т-100-130 [8] найдем ее паровую характеристику
В = 3,6Л/бр + 0,274 ГР = 3,6^р + 0,51 ОР, т/ч, (17)
где В - расход пара на турбины, т/ч; ^6р - электрическая мощность турбин, МВт; ГГР - отпуск пара из отопительного отбора, т/ч.
Преобразуем паровую характеристику в топливную. Из условия Ву = = 0,1В получим
Ву = 0,36 ИЭбр + 0,051 О . (18)
С учетом расхода 11 % электроэнергии, 18 % тепловой энергии на собственные нужды ТЭЦ при расходе топлива на пиковые водогрейные котлы Впк = 0,16Qпк топливная характеристика примет вид
Ву _ 0,4^ + 0,06Оот + 0,16Опк _
(19)
_ 0,4^ + 0,06 • 4+ 0,16 •1 (От + Опк) _ 0,4^ + 0,08(Оот + Опк).
Из топливной характеристики ТЭЦ следует, что удельные расходы условного топлива нетто составляют ¿в = 0,4 кг у. т. /(кВт • ч); ¿¡Т = = 19,1 кг у. т. /ГДж (80 кг у. т. /Гкал). Дальнейший расчет показателей приведен в табл. 1.
Как видно из расчета, удельная себестоимость производства энергии с, руб/т у. т., является главным показателем, определяющим как себестоимость энергии, так и величину прибыли и тарифов. Удельная себестоимость производства энергии снижается с ростом тепловой и электрической нагрузок ТЭЦ. Увеличение конденсационной выработки электроэнергии
на ТЭЦ выгодно как ее производителю (снижается себестоимость продукции, растет прибыль), так и потребителю теплоты (снижается величина ее тарифа).
Таблица 1
Расчет экономических показателей ТЭЦ
№ п/п Показатель Размерность Отпуск электроэнергии Ш Э • 10-6 МВт • ч
1,5 2 2,5
1 Расход условного топлива Ву = 0,4 Ш + 0,08(бот + бпк) х106 т у. т. 1 1,2 1,4
2 Себестоимость производства энергии с = ст + И'/Ву руб/кг у. т. 1,70 1,58 1,3
3 Себестоимость производства электроэнергии сэ = Ьэс руб/(кВт • ч) 0,68 0,632 0,6
4 Себестоимость производства теплоты ст = Ьтс руб/ГДж 32,5 30,1 28,7
5 Общие годовые издержки производства И = сВ млрд руб 1,7 1,84 2,1
6 Прибыль П = 0,1И млрд руб 0,17 0,184 0,21
7 Необходимый доход предприятия Д = 1,1И = И + П млрд руб 1,87 2,02 2,31
8 Рыночный тариф на электроэнергию Тр руб/(кВт • ч) 0,5 0,5 0,5
9 Тариф на отпущенную теплоту Тт руб/ГДж 53,5 51,6 50,6
При этом интересы городских ТЭЦ и АО «Генерация» вступают в противоречие с интересами мощных ГРЭС, вынужденных либо сокращать выработку и объем продажи электроэнергии на федеральном оптовом рынке, либо снижать ее стоимость. Таким образом, конкуренция городских ТЭЦ и районных КЭС будет служить естественным регулятором тарифов на электроэнергию.
В Ы В О Д Ы
1. Топливная характеристика ТЭЦ является объективным показателем тепловой экономичности энергоустановки. Ее просто определить как при планировании работы, так и по результатам производственной деятельности ТЭЦ.
2. Величины удельных расходов условного топлива на выработку теплоты и электроэнергии в комбинированной электроустановке, вычисленные на основе термодинамического анализа цикла Ренкина или эксергети-ческого баланса турбоустановки, а также по справочным техническим данным паровой турбины, идентичны.
3. Необходимо отказаться от условных показателей тепловой и экономической эффективности ТЭЦ в пользу простых и термодинамически строгих.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Р е ш е н и е научно-практической конференции специалистов ФЭК России, РАО «ЕЭС России», АО-Энерго по теме «Вопросы формирования тарифов на электрическую тепловую энергию, производимую на ТЭЦ». - Жаворонки Моск. обл., 28-30 марта 2000.
2. П и и р, А. Э. Эффективность выработки тепла и электроэнергии на ТЭЦ / А. Э. Пи-ир, В. Б. Кунтыш // Энергетика... (Изв. вузов). - 1976. - № 12. - С. 127-131.
3. Ф о р м и р о в а н и е тарифов на ТЭЦ в рыночных условиях / В. А. Малофеев [и др.] // Теплоэнергетика. - 2003. - № 4. - С. 55-63.
4. П и и р, А. Э. Термодинамические закономерности производства тепла и работы в комбинированной установке / А. Э. Пиир, В. Б. Кунтыш // Проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов на промпредприятиях и ТЭС: межвуз. сб. тр. / СПб. ГТУРП. -1995. - Ч. 2 - С. 37-44.
5. Г о х ш т е й н, Д. П. Современные методы термодинамического анализа энергетических установок / Д. П. Гохштейн. - М.: Энергия, 1969. - 367 с.
6. П и и р, А. Э. Термодинамические основы трансформации теплоты на ТЭЦ / А. Э. Пиир, В. Б. Кунтыш // Энергетика. (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). - 2003. - № 1. - С. 65-72.
7. Г л а д у н ц о в, А. И. По поводу энергетического обеспечения действующего способа распределения расхода тепла на ТЭЦ / А. И. Гладунцов, Ю. В. Пустовалов // Теплоэнергетика. - 1989. - № 2. - С. 52-53.
8. Ш л я х и н, П. Н. Краткий справочник по паротурбинным установкам / П. Н. Шля-хин, М. Л. Бершадский. - М.; Л.: Госэнергоиздат, 1961. - 128 с.
9. П и и р, А. Э. Топливная характеристика ТЭЦ как показатель эффективности ее работы. Совершенствование энергетических систем и технологического оборудования: сб. науч. тр. / А. Э. Пиир, В. Б. Кунтыш. - Архангельск, 2002. - С. 130-132.
10. С р а в н и т е л ь н а я оценка отечественных и зарубежных методов разделения расхода топлива и формирование тарифов на ТЭЦ / Л. С. Хрилев [и др.] // Теплоэнергетика. - 2003. - № 4. - С. 45-54.
11. П и и р, А. Э. Оценка эффективности ТЭЦ без разделения расхода топлива по видам продукции / А. Э. Пиир, В. Б. Кунтыш // Энергетика. (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). - 2005. - № 1. - С. 64-69.
Представлена кафедрой промышленной теплоэнергетики АГТУ Поступила 14.02.2006
УДК 669.27:519
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НЕЯВНОЙ ЧИСЛЕННОЙ СХЕМЫ ТРЕХМЕРНОГО УРАВНЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ В ЗАДАЧАХ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
Докт. физ.-мат. наук, проф. ЧИЧКО А. Н., асп. БОРОЗДИН А. С.
Белорусский национальный технический университет
Одной из важнейших задач в технологии термической обработки является выбор режимов нагрева заготовок [1]. В настоящее время использование численных методов при расчете режимов нагрева практически не проводится из-за отсутствия специальных программных средств на предприятиях. Для расчета температурных полей для заготовок простой формы
