CC BY
117
УДК 620.92:662.997:621.31
Р. А. Ильин
АЛГОРИТМ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИ СОЗДАНИИ И ИСПОЛЬЗОВАНИИ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ
Нами разработана методология комплексной оценки эффективности теплоэнергетических топливных и нетопливных установок различных видов и параметров на этапе их выбора для конкретных условий использования [1-35 и др.].
В настоящее время эффективность теплоэнергетических установок оценивается чаще всего по термодинамическому КПД и определяет необходимые, и иногда кажущиеся, приоритеты. В частности, по этому параметру отодвигается «на перспективу» использование нетрадиционных и возобновляемых источников энергии. Однако, как правильно отмечено, например, в [36] и других источниках, давно назрела необходимость разработки единой методологии исследования процессов и установок, научно обоснованных показателей их энергетической эффективности.
Действительно, термодинамический КПД тепловых электростанций в настоящее время составляет: 0,04 (океанские тепловые электростанции), 0,30-0,35 (солнечные термодинамические, геотермальные, газотурбинные, паротурбинные, дизельные электростанции), 0,50-0,62 (парогазовые электростанции). Очевидно, что этого показателя недостаточно для комплексной оценки эффективности установок при их выборе для конкретного объекта и условий. Дополнительный учет удельной стоимости установок не решает проблему оценки, а усиливает методологический перекос. В частности, установки на возобновляемых источниках энергии дороже топливных, но при их использовании не затрачивается топливо. Отсутствие расходов на топливо может компенсировать недостатки этих установок по КПД и стоимости оборудования.
Существенно различается удельная масса теплоэнергетических установок, кг/кВт:
0,05-2,0 - теплообменные аппараты, 2,0-5,0 - паровые и водогрейные котлы, 3-10 - топливные электростанции различных видов, 50-100 и более - геотермальные, солнечные (термодинамические, фотоэлектрические, океанские и другие электростанции).
Пропорционально удельной массе увеличиваются затраты эксергии на создание энергетических установок, кДж/кВт полезной мощности.
Затраты эксергии на создание топлива для топливных энергетических установок составляют до 0,25-0,40 кДж на 1 кДж энергии, получаемой при сгорании олного килограмма топлива. Для нетопливных установок на природной энергии (солнца, воды, атмосферы) эти затраты отсутствуют.
Нами впервые на одной общей, термодинамической, основе с использованием эксергети-ческих методов получены и используются критерии, отражающие все основные свойства теплоэнергетических топливных и нетопливных установок различных (практически всех) видов.
Введен новый коэффициент использования располагаемой (первичной) эксергии б'Лет и применен для оценки эффективности различных установок [1-10, 13, 17, 18, 20, 22-24, 27, 30,
32, 33 и др.]. Он принципиально отличается от эксергетического КПД установок тем, что учитывает совместимость источника первичной эксергии и входных параметров потребителей этой эксергии (установок, аппаратов и т. п.). Этот коэффициент отражает основные термодинамические потери при преобразовании энергии и поэтому является базовым в нашей методологии.
В нетопливных установках имеют место существенные (повышенные) затраты эксергии на их создание, которые в методологии учитываются коэффициентом кстр. Эти затраты существенно меньше в топливных установках (см. выше), но они также учитываются [8, 12, 13, 15,
18, 19, 26-29, 32 и др.].
Затраты эксергии на создание топлива (на добычу, переработку, транспортировку и др.) учитываются (впервые) коэффициентом затрат эксергии на создание топлива ктопл [13, 26-29, 34 и др.]. Эти затраты можно принимать равными нулю для нетопливных установок. Для топливных установок затраты на создание топлива составляют 0,2-0,4 от удельной низшей теплоты сгорания топлива.
Коэффициенты 5^ех, кстр, ктопл входят в комплексный коэффициент оценки эффективности теплоэнергетических установок различных видов [26-29, 31, 32 и др.].
5Пех.полн = 5Пех/(і + 5Пех/кстр + 5пех/ктопл ) . (1)
В формуле (1) могут учитываться и другие, менее значимые затраты эксергии в виде отдельного члена в скобках [27].
По формуле (1) выполнен расчетный анализ с целью определения величин 5^ехполн при различных значениях 5^ех, кстр, ктопл и для характерных предельных значений величин 1/кстр и 1/ктопл, в том числе для установок: газотурбинных (ГТУ) и ДВС с утилизационными котлами (УК); парогазовых (ПГУ); газотурбинных с утилизационным двигателем Стирлинга (ДС) и др. Результаты расчета представлены на рисунке-номограмме, где Сэкс - срок эксергетической окупаемости [5, 27 и др.]; Сок - срок финансовой окупаемости. На рисунке видно: учет затрат эксергии на создание установок и топлива уменьшает величину 6^ехполн на 20-35 %, что весьма существенно и подтверждает необходимость учитывать затраты эксергии на создание установок и топлива для них.
Кроме базовых критериев оценки 5^ех.п0лн, 5^ех, кстр, ктопл, введены критерии «второго порядка», имеющие также термодинамическую основу: срок окупаемости установок, условная экономия топлива и др. [5, 6, 8, 12, 19, 31].
Результаты расчетного анализа эффективности теплоэнергетических установок на основе формулы (1) при различных и предельных вариантах неучета и учета затрат эксергии на создание установок и топлива для них: 1 - без учета затрат эксергии на создание установки и топлива (1/кстр = 0; 1/ктопл = 0), т. е. Цех.поШн = §Лех ; 2 - с учетом затрат на создание установки за срок С = 4-Сэкс;
3 - с учетом затрат на создание установки при Сок = Сэкс; 4 - с учетом затрат на создание установки и затрат на создание топлива при ктопл = 1,0; А - зона величин 5^ех.полн при реальных затратах эксергии
на топливо при 1/кстр = 1
Таким образом, вместо подхода к оценке эффективности установок по их КПД и по экономическим показателям предлагается следующий алгоритм оценки эффективности теплоэнергетических установок на стадии их выбора (выбора вариантов) и использования:
1. Для данного вида установок (или нескольких видов, как вариантов) принять в качестве оптимального коэффициент 5^ех на уровне, соответствующем современным (или перспективным) установкам данного вида, и ограничить количество рассматриваемых вариантов.
2. Определить коэффициенты кстр и ктопл.
3. Вычислить комплексный коэффициент эффективности 5^ех.ПолН и дополнительно ограничить количество рассматриваемых вариантов установок.
4. Ограничить количество и параметры установок по результатам вариантных расчетов по коэффициентам б'Лех.шшн.
5. Выбрать окончательный вариант (или два-три варианта) установок на основе техникоэкономических расчетов для конкретного объекта с учетом стоимости оборудования и топлива, предполагаемого срока использования, массогабаритных характеристик, экологических ограничений и др.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ильин Р. А. Анализ эффективности теплоэнергетических технологий. - Астрахань: Сарат. науч. центр РАН, Южный науч. центр РАН, 2003. - 88 с.
2. Ильин Р. А. Новые показатели эффективности тепловых насосов // Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: материалы Всерос. конф. - Екатеринбург: Минобразования РФ, Уральский ГТУ - УПИ, 2005. - С. 72-74.
3. Ильин Р. А. Методы оценки эффективности судовых энергетических установок // Транспортное дело России. - 2005. - № 4. - С. 11-13.
4. Ильин Р. А. Сравнительная термодинамическая эффективность использования возобновляемых источников энергии // Технические проблемы освоения Мирового океана: материалы Междунар. науч.-техн. конф. - Владивосток: ДВО РАН, Ин-т проблем морских технологий, 2005. - С. 317-318.
5. Ильин Р. А. Эксергетическая окупаемость солнечных установок // Проблемы совершенствования топливно-энергетического комплекса. - Вып. 4. - Саратов: СГУ, 2006. - С. 128-131.
6. Ильин Р. А. О коэффициентах использования энергии и эксергии в солнечных и геотермальных установках // Вузовская наука - региону: материалы 4-й Всерос. науч. конф. - Вологда: ВолГТУ, 2006. - С. 46-48.
7. Ильин Р. А. Эффективность использования утилизационных котлов в промышленной теплоэнергетике // Изв. высш. учеб. завед. Северо-Кавказ. регион. Техн. науки. Прил. № 2. - 2006. - С. 59-63.
8. Ильин Р. А. О коэффициентах энерго- и эксергоотдачи теплоэнергетических установок // Материалы национальной конференции по теплоэнергетике. - Казань: КазНЦ РАН, 2006. - Т. 2. - С. 245-246.
9. Ильин Р. А., Ильин А. К. Эффективность использования эксергии топлива в котлах различного назначения // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 2006. - № 3 (32). - С. 253-256.
10. Ильин Р. А., Ильин А. К. Эксергетическая оценка эффективности использования тепловых насосов // Изв. высш. учеб. завед. Северо-Кавказ. регион. Техн. науки. Прил. № 8. - 2006. - С. 43-46.
11. Ильин Р. А. О максимальной эффективности современных теплоэнергетических установок // Энергосберегающие технологии. Проблемы их эффективного использования: материалы Междунар. конф. -Волгоград: ВолгГСХА, 2007. - С. 102-104.
12. Ильин Р. А. Термодинамические номограммы для определения эффективности теплоэнергетических установок // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 2007. - № 2 (37). - С. 167-171.
13. Ильин Р. А. Эксергетический рейтинг теплоэнергетических установок // Авиакосмические технологии «АКТ-2007»: материалы 8-й Всерос. конф. (с междунар. участием). - Воронеж: Воронеж. ГТУ, Моск. гос. авиац. ин-т, 2007. - С. 275-278.
14. Ильин Р. А. Использование располагаемой эксергии в системе «источник тепловой энергии - теплообменный аппарат» // Автоматизация и энергосбережение машиностроительного производства: материалы Междунар. конф. Т. 1. - Вологда: ВоГТУ, 2007. - С. 131-135.
15. Ильин Р. А. Повышение эффективности теплообменного оборудования - резерв энергосбережения // Проблемы и основные факторы развития топливно-энергетического комплекса Юга России: материалы Рос. конф. - Ростов н/Д: ВертолЭкспо, 2007. - С. 43-44.
16. Ильин Р. А. Термодинамические условия эффективной работы котельных установок // Тр. Кубан. ГАУ. -2007. - № 5 (9). - С. 189-192.
17. Ильин Р. А. Эффективность совместного использования геотермальных источников с различным температурным потенциалом для теплоснабжения // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. - Ч. 4. - Возобновляемые источники энергии. Местные энергоресурсы. Экология: Тр. 6-й Междунар. науч.-техн. конф. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2008. - С. 353-356.
18. Ильин Р. А. Оценка эффективности теплообменных аппаратов // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2008. - № 6. - С. 12-14.
19. Ильин Р. А. О влиянии удельной массы на эффективность промышленных котлов и теплообменных аппаратов // Промышленная энергетика. - 2008. - № 10. - С. 37-39.
20. Ильин Р. А. Эффективность использования двигателей Стирлинга в составе газо-газовых теплоэнергетических установок // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 2008. - № 5 (46). - С. 110-113.
21. Ильин Р. А., Атдаев Д. И., Ильин А. К. Оценка некоторых направлений повышения эффективности геотермальных теплоэнергетических систем // Изв. вузов. Проблемы энергетики. - 2008. - № 9-10. - С. 28-35.
22. Ильин Р. А., Ильин А. К. Анализ совместной работы геотермального источника и теплового насоса // Актуальные проблемы освоения возобновляемых энергоресурсов: материалы II школы молодых ученых. - Махачкала: Ин-т проблем геотермии ДагНЦ РАН, 2008. - С. 123-125.
23. Ильин Р. А. Анализ совместной работы геотермального источника и котла // Актуальные проблемы освоения возобновляемых энергоресурсов: материалы II школы молодых ученых. - Махачкала: Ин-т проблем геотермии ДагНЦ РАН, 2008. - С. 126-128.
24. Ильин Р. А. Анализ возможностей комбинированного использования газотурбинных установок // Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-09»: материалы V Всерос. науч.-техн. конф. - Казань: Минобразования РФ, Академия наук РТ, КазГУ им. А. Н. Туполева, 2009. - Т. 1. - С. 234-238.
25. Ильин Р. А., Виноградов С. В., Мовчан В. А. Термодинамическая эффективность утилизационного котла в системе «ГТУ-котел» // Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-09»: материалы V Всерос. науч.-техн. конф. - Казань: Минобразования РФ, Академия наук РТ, КазГУ им. А. Н. Туполева, 2009. - Т. 1. - С. 239-241.
26. Ильин Р. А., Ильин А. К. Комплексная оценка эффективности комбинированных теплоэнергетических установок // Проблемы энерго- и ресурсосбережения: сб. науч. тр. - Саратов: СГТУ, 2009. - С. 233-241.
27. Ильин Р. А. Оценка эффективности комбинированных теплоэнергетических установок по новым эк-сергетическим параметрам // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. -2009. - № 1. - С. 181-186.
28. Ильин А. К., Ильин Р. А. Термодинамическая эффективность нетопливных теплоэнергетических установок (на примере океанских тепловых электростанций) // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. - 2009. - № 1. - С. 176-180.
29. Ильин Р. А. Сравнительная эффективность комбинированных теплоэнергетических установок // Промышленная энергетика. - 2009. - № 10. - С. 49-53.
30. Ильин Р. А., Ильин А. К. Рейтинг современных теплоэнергетических установок // Академия энергетики. Санкт-Петербург. - 2009. - № 3 (29). - С. 90-93.
31. Ильин А. К., Ильин Р. А. Сравнительная эффективность использования первичной эксергии в теплоэнергетических установках различных видов // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. - 2009. - № 2. - С. 146-151.
32. Ильин А. К., Ильин Р. А. Об учете затрат эксергии на создание топливных и нетопливных теплоэнергетических установок при сравнении их эффективности // Современное состояние, проблемы и перспективы использования возобновляемых источников энергии: материалы регион. науч.-практ. семинара. - Элиста: КГУ, 2009. - С. 145-148.
33. Ильин А. К., Ильин Р. А. О максимальной теоретической температуре горения водотопливных эмульсий // Изв. вузов. Проблемы энергетики. - 2010. - № 3-4. - С. 8-10.
34. Ильин А. К., Ильин Р. А. О структуре и качестве топливно-энергетического комплекса России // Проблемы энерго- и ресурсосбережения: сб. науч. тр. - Саратов: СГТУ, 2010. - С. 283-285.
35. Ковалев О. П., Ильин Р. А., Ильин А. К. Сравнительные характеристики плоских и вакуумных солнечных коллекторов / Проблемы энерго- и ресурсосбережения: сб. науч. тр. - Саратов: СГТУ, 2010. - С. 286-291.
36. Степанов Т. Б. Определение резервов энергосбережения и прогноз энергопотребления на основе термодинамического анализа технических систем // Вестн. Сарат. гос. техн. ун-та. - 2008. - № 1 (31). - Вып. 2. - С. 66-71.
Статья поступила в редакцию 7.09.2010
ALGORITHM OF AN ESTIMATION OF EFFICIENCY AT CREATION AND USE OF HEAT POWER INSTALLATIONS OF VARIOUS KINDS
R. A. Ilyin
The author devises the methodology of efficiency estimation, and on its basis - the algorithm of heat power installations choice for specific conditions of application. New incidental and complex thermodynamic criteria of efficiency estimation are offered. A universal monogram for accounting, including exergy expenses on the creation of installations and fuel for them, is shown in the paper.
Key words: fuel and non- fuel heat power installations, efficiency, complex estimation, comparison of installations of various kinds.
