Эксергетический анализ традиционной теплофикационной системы

Под теплофикацией, как известно, понимается централизованное теплоснабжение при комбинированной выработке электроэнергии и теплоты. Теплофикация получила наиболее широкое распространение в нашей стране в 1930-е и 1950-е годы. Ее массовое применение в эти годы обеспечивало громадную экономию топлива за счет ликвидации мелких котельных (с КПД 0,6 и ниже) и уменьшения тепловых выбросов на ТЭЦ по сравнению с КЭС. Однако в последующие годы, в связи с ростом КПД КЭС (от 20 % в 30-е годы до 40 % и выше в 90-е годы) и ростом КПД отопительных котельных (до 90 % и выше в связи с переводом их на природный газ), топливная и общая экономическая эффективность теплофикации значительно снизилась.

Кроме того, свою отрицательную роль сыграла неправильная методика определения удельных расходов топлива на ТЭЦ - отнесение всей экономии топлива только на электроэнергию и неучет потенциала отпускаемой теплоты. Все это привело во многих случаях к экономической невыгодности получения тепла от ТЭЦ для промпредприятий, а также для отопления. Отрицательное влияние на применение централизованного теплоснабжения от районных ТЭЦ оказывает также низкая надежность магистральных тепловых сетей, вызываемая внешней и внутренней коррозией стальных труб. Негативно сказываются и большие потери, вызванные некачественной изоляцией труб и утечками сетевой воды.

Все это требует создания новых систем теплоснабжения, где осуществлялось бы комбинированное производство тепловой и электрической энергии при минимальных потерях в сетях и максимальной величине . Необходима и разработка новых методов оптимизации теплофикационных систем, позволяющих учесть реальные потери эксергии как во всей системе в целом, так и в каждом ее элементе в отдельности. Требуются и новые системные показатели эффективности теплофикации, вытекающие из ее теплового и эксергетического балансов. Первым таким показателем эффективности системы теплоснабжения, отражающим ее тепловой баланс, может служить коэффициент использования теплоты топлива в системе

(3.4)

где - полученная всеми потребителями электроэнергия, рассчитываемая по формуле

(3.5)

- полученная всеми потребителями теплота, определяемая как

(3.6)

- потери электроэнергии и теплоты в системе, включая их расход на транспорт теплоносителей.

Другим показателем, отражающим эксергетический баланс этой же системы, является эксергетический КПД системы

(3.7)

где - полученная всеми тепловыми потребителями эксергия, равная разности отпущенной из ТЭЦ и котельных эксергии () и суммарных ее потерь ()

(3.8)

Важно при этом помнить, что эти два показателя () не исключают, а дополняют друг друга. В частности, первый показатель позволяет наиболее просто предварительно рассчитывать расход топлива в системе, поскольку непосредственно измеряются счетчиками у потребителей и, как правило, являются заданными

. (3.9)

Здесь в качестве принимают теплоту сгорания условного топлива (29,2 МДж/кг), что позволяет объединять различные виды топлив, сжигаемых в отдельных частях системы. Величину можно предварительно рассчитать на основе показателей реального цикла и вероятных потерь во всех элементах системы.

Вместе с тем экономия топлива от замены раздельной системы выработки энергии теплофикационнойне может быть определена только по величине расхода топлива на ТЭЦ или по какому-либо ее КПД. Для этого обязательно надо сравнить расход топлива в исследуемой системе с его расходом в раздельной системе при одинаковых количествах отпускаемых потребителям энергий. Однако недопустимо по величине коэффициента , рассчитанного только для ТЭЦ, судить о ее совершенстве, поскольку он не зависит от соотношения между электрической и тепловой выработками, а только от их суммы. Экономия же топлива по сравнению с раздельной системой очень сильно зависит от соотношения между этими выработками на ТЭЦ, т.е. от удельной выработки электроэнергии на тепловом потреблении . Поэтому часто бывает, что экономия топлива от работы ТЭЦ увеличивается и в случае уменьшения , если только при этом увеличилась .

Также невозможно определить величину экономии топлива, достигаемой в теплофикационной системе от комбинированной выработки электрической и тепловой энергии на ТЭЦ, только по величине эксергетического КПД самой ТЭЦ. В ряде случаев бывает, что эксергетический КПД ТЭЦ оказывается более низким, чем аналогичной КЭС, а экономия топлива в системе достигается большая. В этом случае определяет экономию топлива не прирост КПД ТЭЦ, а ликвидация отопительных котельных, эксергетический КПД которых намного меньше, чем ТЭЦ, даже и в том случае, когда тепловой КПД котельных будет больше .

Рассмотрим термодинамическую методику расчета экономии топлива, исключающую всякие условности и необходимость в распределении экономии топлива от работы ТЭЦ в системе. Типовой состав раздельной и теплофикационной систем приведен на рис. 3.1 и 3.2.

Рис. 3.1. Раздельная схема выработки электрической и тепловой энергии

Рис. 3.2. Комбинированная схема производства
электрической и тепловой энергии

Экономия топлива от замены раздельной системы теплоснабжения теплофикационной составит

(3.10)

где расходы топлива в раздельной системе () и в теплофикационной () определяются при одинаковой в каждой из них отдаче потребителям электрической и тепловой энергии.

В течение суток и года вырабатываемые количества энергии изменяются в соответствии с требованиями потребителей. По этой причине все системные балансы должны составляться по каждому виду энергии, отпускаемой за год, сутки и за час, а также по максимуму и минимуму ее отпуска в соответствии с заданными графиками.

Основным исходным вариантом нагрузок системы обычно принимается так называемый расчетный период, соответствующий минимальной среднесуточной температуре наружного воздуха за самые холодные дни зимнего периода. Например, для г. Москвы соответствующая этому периоду расчетнаятемпература воздуха принята - 30^оС, для г. Саратова - 25^оС. В этот период теплофикационная система должна отдавать потребителям максимальное количество теплоты (Q_max). Годовой график отпуска теплоты по продолжительности на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение (суммарно) приведен на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Годовой график отпуска теплоты по продолжительности

Здесь отношение (3.11)

называется коэффициентом теплофикации и обычно составляет 0,6 - 0,7.

Отношение Q_гт/Q_max, как правило, не превышает 0,25. В летний период это отношение» 0,2. Вместе с тем, учитывая, что горячее водоснабжение осуществляется в течение всего года (8700 часов), а отопление только n_от часов, отношение годового отпуска теплоты на горячее водоснабжение к общему отпуску теплоты в средней полосе России достигает 0,44.

В соответствии с приведенными схемами (рис. 3.1 и 3.2) раздельной и теплофикационной систем рассчитаем часовую экономию топлива в расчетный период. Она будет представлять разницу между расходами топлива в раздельной и теплофикационной системах, где расход топлива в раздельной системе представляет собой сумму расходов топлива на КЭС (В_кэс) и в отопительных котельных (В_кот). Каждый из этих расходов легко определяется по формулам

(3.12)

, (3.13)

где - количества электроэнергии и теплоты, вырабатываемых в раздельной системе; - эксергия этой теплоты; - эксергия сжигаемого топлива; -электрический КПД нетто КЭС; - КПД имеющихся в раздельной системе котельных, учитывающий также потери в распределительной тепловой сети; - эксергетический КПД котельной для тех же условий.

Расход топлива в теплофикационной системе (представленной на рис. 3.2), будет состоять из суммы его расходов на комбинированную выработку электроэнергии и теплоты на ТЭЦ, раздельную выработку недостающей части электроэнергии на замещаемой КЭС (или «конденсационными хвостами» теплофикационных турбин ТЭЦ), а также расхода в пиковых и замещающих котельных

(3.14)

Каждая из этих составляющих расхода топлива может быть рассчитана по формулам, вытекающим из теплового и эксергетического балансов.

Расход топлива на ТЭЦ определится как

(3.15)

где - всегда больше, чем получит этой теплоты потребитель, на потери в сетях.

Расход топлива на КЭС составит

. (3.16)

Расход топлива пиковых котельных при их расположении в тепловых узлах

(3.17)

Исходя из требований равного энергетического эффекта, т.е. одинаковой отдачи потребителям каждого вида энергии, должны выполняться следующие балансовые уравнения связи

(3.18)

(3.19)

где - расход электроэнергии на привод сетевых насосов; - уменьшение электрических потерь в системе, вызванное уменьшением расстояния от ТЭЦ до электропотребителей по сравнению с КЭС; - потери теплоты в тепловых сетях (в том числе с утечками воды).

С учетом формул (3.12) - (3.17) экономия топлива в системе от теплофикации составит по тепловому балансу

(3.20)

Отсюда с учетом балансовых уравнений связи (3.18) и (3.19) получим

, (3.21)

где и - определяются только для теплофикационного потока пара ТЭЦ.

Аналогично, на основании тех же зависимостей (3.12) - (3.17), но уже выраженных через эксергетические показатели, т.е. на основании эксергетического баланса, получим

(3.22)

С учетом того, что практически , а также зависимостей (3.10) - (3.15) уравнение (3.22) преобразуется к виду

(3.23)

где Ех^топ» а коэффициент представляет собой электрическую выработку теплофикационного потока, приходящуюся на единицу эксергии, выработанной комбинированным способом теплоты, и определяется по формуле

. (3.24)

При анализе влияния каждого фактора, определяющего величину экономии топлива в системе () по формуле (3.21) и по формуле (3.23), получены два различных вывода о термодинамической сущности теплофикации. Так, из формулы (3.21), с учетом практического равенства и их значений порядка 0,8 - 0,9, а также неравенства и , вытекает, что главным фактором, определяющим экономию от теплофикации, является ликвидация или уменьшение на ТЭЦ тепловых выбросов в конденсаторах, имеющихся на КЭС. Значительно снижают эту экономию () раздельная выработка электроэнергии в замещающих КЭС или «конденсационными хвостами» теплофикационных турбин ТЭЦ, а также расход электроэнергии на привод сетевых насосов и потери теплоты и воды в тепловых сетях. По этим отрицательным факторам, снижающим достигаемую экономию топлива, никаких разночтений в оценке их влияний из сравнений формул (3.21) и (3.23) не вытекает.

Однако по определению главного фактора достигаемой экономии, вывод из формулы (3.23) получается совершенно другим, чем из формулы (3.21). Дело в том, что эксергетический КПД теплофикационного потока ТЭЦ оказывается всегда очень близким к , а иногда даже меньше. Следовательно, с точки зрения эксергетического (термодинамического) совершенства происходящего преобразования теплоты топлива в полезную эксергию (которыми являются работа цикла и отданная в сеть эксергия теплоты), никакого улучшения на ТЭЦ по сравнению с КЭС не достигается.

Практическиэкономия топлива от теплофикации в энергосистеме достигается главным образом за счет ликвидации выработки теплоты в районных и отопительных котельных, эксергетический КПД () которых очень низкий. Причем оказывается всегда тем меньшим, чем ниже температура сетевой воды, отдаваемой тепловым потребителям, а экономия от комбинированной выработки теплоты - тем большей. Если же в местах ее потребления теплота Q_п будет каким-то образом выработана с высоким эксергетическим КПД (), то экономия топлива в системе может с учетом потерь и стать отрицательной.

Дата добавления: 2015-07-02