CC BY
71
УДК 620.92:662.997:621.31
А. К. Ильин, Р. А. Ильин
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ НЕТОПЛИВНЫХ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК (НА ПРИМЕРЕ ОКЕАНСКИХ ТЕПЛОВЫ1Х ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ)
На основе понятия о коэффициенте эксергоотдачи выполнен анализ эффективности нетопливных теплоэнергетических установок на примере океанских теплоэнергетических станций (ОТЭС), данные по которым достаточно обширны [1-5, 10 и др.].
В настоящее время, при безусловно положительном отношении к возможности и необходимости использования в РФ нетопливных установок на нетрадиционных и возобновляемых источниках энергии [1-4, 6, 8], как основное препятствие в этом направлении отмечается их большая металлоемкость, а следовательно, и стоимость.
Однако практика использования таких установок во многих странах показывает, что металлоемкость и стоимость существенно уменьшаются во времени с шагом до 10 лет. Этому способствуют как общий научно-технический прогресс, так и, особенно, наличие и реализация крупных и хорошо финансируемых государственных программ. В частности, в 2009 г. в США расширяются работы по практическому использованию нетрадиционных и возобновляемых источников энергии.
Тезис о снижении материалоемкости и стоимости нетрадиционных нетопливных установок и стоимости электроэнергии подтверждается, в частности, данными табл. 1 и 2 и рис. 1-3, где ОТЭС - это теплоэнергетические установки, использующие:
— в тропических районах - разность температур верхних слоев океана (30 °С) и глубинных, до 1 000 м, слоев (4 °С) [1, 4];
— в арктических районах в зимнее время - разность температур морской воды (-1.. .-1,5 °С) и атмосферного воздуха (-30.-35 °С) [3, 4].
Таблица 1
Стоимость ОТЭС мощностью 50 МВт при использовании различных материалов для трубок парогенератора и конденсатора, долл./кВт [2]
Рабочее вещество станции Материал
Титан Алюминий Медно-никелевый сплав
Метиламин 1 530 1 700 1 530
Этиламин 1 660 1 880 1 650
Метилформат 1 810 2 080 1 820
Метилхлорид 1 910 2 130 1 910
Таблица 2
Срок окупаемости ВЭС*, лет, при удельной стоимости оборудования з = 1 000 долл./кВт [3]
Стоимость электроэнергии Сэ, цент/(кВт ■ ч) Коэффициент использования установленной мощности, %, среднегодовой
100 70 50 40 30
2 7,98 13,0 - - -
5 2,58 3,75 5,92 7,98 12,3
10 1,21 1,78 2,58 3,33 4,70
’Ветроэнергетическая станция.
В таблицах и на рисунках видно, что, например, удельная стоимость ВЭС и стоимость электроэнергии всего в два раза больше таковых у традиционных топливных энергоустановок, а срок окупаемости ВЭС соответствует сроку окупаемости топливных установок (табл. 1). Аналогичные и близкие данные характерны и для ОТЭС (табл. 2, рис. 2), но при этом необходимо
учесть, что масса парогенератора (III ) составляет до 25 % массы ОТЭС. Необходимо учесть и массу вспомогательных устройств. Металлоемкость морских ВЭС примерно на 30 % выше, чем металлоемкость ОТЭС, а металлоемкость приливных электростанций - на 30 % ниже. Для энергетических установок на основе солнечных прудов удельная металлоемкость составляет до 40-100 кг/кВт [9] и более при температуре нижнего и верхнего слоев воды соответственно 90 и 30 °С.
Рис. 1. Изменение удельной стоимости установленной мощности и стоимости электроэнергии ВЭС по зарубежным данным [2]
Рис. 2. Зависимость стоимости электроэнергии тропических ОТЭС от мощности по обобщенным данным [4]
Рис. 3. Масса ПГ ОТЭС с титановыми трубами в зависимости от мощности-брутто [2]:
1 - ОТЭС 100 кВт для арктических районов, рабочее вещество фреон-12 (ТОИ ДВНЦ АН СССР);
2 - ОТЭС 500 кВт, фреон-22 (ТОИ); 3 - ОТЭС 2 500 кВт, фреон-22 (Япония);
4 - ОТЭС 1 000 кВт, аммиак (США); 5 - ОТЭС 14 200 кВт, аммиак (Япония); 6 - ОТЭС «Советская Арктика» 10 МВт, фреон-12 (ТОИ); 7 - ОТЭС 125 МВт, аммиак (США, фирма ТРВ); 8 - ОТЭС 100 МВт, аммиак (Япония); 9 - ОТЭС 240 МВт, аммиак (США, фирма «Локхид»). 1, 2, 6- [1-3].
Линия соответствует удельной массе т = 10 кг/кВт
Для остальных типов нетопливных установок удельная масса непосредственно установок составляет (без учета неметаллических материалов), кг/кВт:
солнечные электростанции
с низкопотенциальным термодинамическим циклом
солнечные фотоэлектрические преобразователи
из современных материалов (без систем слежения)
то же из новых материалов
солнечные водонагревательные установки
гидроэлектростанции
приливные электростанции
геотермальные электростанции
электростанции на биотопливе
тепловые топливные электростанции (для сравнения) реакторы АЭС
150-200
100-150 и более
до 100
50-80
100-150
150-200
100 и более
70-90
40-50
30-50
Масса вспомогательных устройств зависит от конкретных условий, связанных с величиной единичной мощности, назначением станций, районом размещения, наличием или отсутствием аккумулирования энергии и др.
В разрабатываемой методике термодинамической оценки эффективности топливных теплоэнергетических установок [5, 8] учитываются потери эксергии при преобразовании тепловой энергии в электрическую, затраты эксергии на создание установок и затраты эксергии на создание топлива для установок. При анализе нетопливных установок, к которым принадлежат и ОТЭС, нужно учитывать только затраты эксергии на создание установок [8 и др.] на основе коэффициента эксергоотдачи «строительной» эксергии К , который равен отношению эксергии, полученной за период работы установки, к эксергии, затраченной на создание установки из определенного сочетания материалов:
Кстр = V ■ С/еХстр ■ т , (1)
где V = 1 кВт - единичная мощность в расчетах по этой формуле; С - срок работы установки, с; ехстр - удельные затраты эксергии на создание 1 кг массы установки, кДж/кВт электрической мощности; т - удельная масса установки, кг/кВт.
В качестве С в (1) могут использоваться: срок эксергетической окупаемости установки Сех, определяемый из (1) при Кстр = 1; срок службы Ссл установки (моторесурс), который для нетопливных установок - до 30 лет; любой срок работы, меньше Ссл, определяемый по коммерческим или другим конъюнктурным обстоятельствам.
С использованием (1) определен срок эксергетической окупаемости нетопливных теплоэнергетических установок в зависимости от удельной массы и удельных затрат эксергии на создание установок (последнее в значительной степени определяется применяемыми материалами). Результаты, представленные на рис. 4, показывают достаточно широкие возможности влияния на эксергетическую окупаемость установок при предпроектном анализе и выборе вариантов.
■| Диапазон т для топливных установок —► Для нетопливных установок
Рис. 4. Срок эксергетической окупаемости Сех теплоэнергетических установок с учетом затрат эксергии только на создание установок в зависимости от их удельной массы т, кг/кВт, и при различных удельных затратах эксергии ехстр , кДж/кг. ......- предел инвестиционной привлека-
тельности в настоящее время; — ■ — ■ — - предел технико-экономической целесообразности в настоящее время. Зона А выше линии — ■ — ■ — - зона неэффективного сочетания массы, вида и качества материалов установок. Другие ограничения см. на рис. 5
В качестве примера определены коэффициенты эксергоотдачи нетопливных установок в зависимости от их удельной массы (рис. 5). Линии от а до/показывают определенные ограничения возможностей установок и в то же время возможности выбора, как упоминалось выше.
Рис. 5. Величина коэффициента эксергоотдачи нетопливных теплоэнергетических установок в зависимости от удельной массы и срока службы установок при ехстр = 0,2 • 106 кДж/кг
Таким образом, в нетопливных теплоэнергетических установках отсутствуют потери эк-сергии при преобразовании природной энергии в электрическую и затраты эксергии на создание топлива. Но так как эти установки используют низкопотенциальную природную энергию, то:
1. Коэффициент преобразования природной энергии в электрическую имеет весьма небольшую величину.
2. Как следует из п. 1, масса установок по отношению к 1 кВт получаемой электрической энергии существенно больше массы топливных установок. Именно с учетом этого второго показателя необходимо учитывать эффективность нетопливных теплоэнергетических установок, в частности, и по коэффициенту эксергоотдачи, т. е. при разработке ТЭО на создание установок.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Акуличев В. А., Ильин А. К. Тепловые энергетические ресурсы тропических районов Мирового океана // Преобразование тепловой энергии океана. - Владивосток: ДВНЦ АН СССР, 1984. - С. 3-17.
2. Ильин А. К. Технико-экономические характеристики систем преобразования тепловой энергии океана // Технико-экономические и экологические аспекты использования энергии океана. - Владивосток: ДВНЦ АН СССР, 1986. - С. 89-111.
3. Ильин А. К. Особенности преобразования тепловой энергии океана в арктических районах // Преобразование тепловой энергии океана. - Владивосток: ДВНЦ АН СССР, 1982. - С. 18-55.
4. Ильин А. К. Состояние развития и основные направления повышения эффективности океанских тепловых электростанций // Эффективность систем преобразования энергии океана. - Владивосток: ДВО АН СССР, 1987. - С. 4-43.
5. Янтовский Е. И. Сумма удельных затрат эксергии как критерий эффективности преобразования энергии // Системы преобразования энергии океана. - Владивосток: ДВНЦ АН СССР, 1985. - С. 70-83.
6. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии России / П. П. Безруких, Ю. Д. Арбузов, Г. А. Борисов и др. - СПб.: Наука, 2002. - 314 с.
7. Малая энергетика Севера / И. Ю. Иванова, Т. Ф. Тугузова, С. П. Попов, Н. А. Петров // Проблемы и пути развития. - Новосибирск: Наука, 2002. - 188 с.
8. Ильин Р. А. Эксергетическая окупаемость солнечных установок // Проблемы совершенствования топливно-энергетического комплекса. Вып. 4. - Саратов: СНЦ РАН, 2006. - С. 128-131.
9. Ильин А. К., Ильина С. А. Моделирование процесса охлаждения солнечного пруда // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 2008. - № 6 (47). - С. 56-60.
Статья поступила в редакцию 3.02.2009
THERMODYNAMIC EFFICIENCY OF NON-FUEL HEAT POWER INSTALLATIONS (BY THE EXAMPLE OF OCEAN THERMAL POWER STATIONS)
A. ^ Ilyin, R. A. Ilyin
Conditions of the efficient application of electric power installations on the basis of renewable energy sources are defined by means of methods of the thermodynamic analysis.
Key words: electric power installations, renewable energy sources, thermodynamic analysis, efficient application.
