CC BY
16Энергетика
УДК 519.816
КОМПЛЕКСНЫЙ АНАЛИЗ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ОСНОВНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ГЕНЕРИРУЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ И РАСХОДОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ НА СОБСТВЕННЫЕ НУЖДЫ
Н.В. Дилигенский1, А.А. Гаврилова, А.Г. Салов, В.К. Гаврилов
Самарский государственный технический университет 443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244
Исследуется системная эффективность функционирования генерирующего оборудования ТЭС. Выявлена закономерность роста относительной величины собственных нужд в условиях работы оборудования в нерасчётных режимах. Установлено, что эффективность функционирования энергетического предприятия в целом существенно зависит от соотношения производства тепла на технологические нужды и отопление. Обоснована целесообразность проведения мероприятий по повышению тепловой нагрузки генерирующих предприятий.
Ключевые слова: эффективность, генерирующее предприятие, режимы, баланс, электроэнергия, тепловая энергия, комбинированная выработка, собственные нужды
Произошедшее в период структурной перестройки экономики снижение объемов производства теплоэлектроцентралями (ТЭЦ) тепловой и электрической энергии, изменение нормативных и расчетных соотношений между выработкой тепловой и производимой на ее основе электрической энергии привело к вынужденной эксплуатации как основного, так и вспомогательного оборудования в нерасчетных режимах.
На рис. 1 приведена динамика отпуска тепловой, электрической энергии и суммарного ее производства энергосистемой Самарской области.
Анализ представленных характеристик показывает, что в 1988-1993 гг. произошло резкое сокращение генерации энергии: тепловой на 40,5% и электрической на 22,1%, что привело к общему снижению производства энергии на 36,5%.
Постоянная в течение года базовая тепловая нагрузка теплоэлектроцентралей в виде производственного пара, имевшая место в 1976-1988 гг., частично заместилась сезонной тепловой нагрузкой в виде горячей воды, идущей на отопление и горячее
1 Дилигенский Николай Владимирович, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой. Салов Алексей Георгиевич, кандидат технических наук, доцент/
Гаврилова Анна Александровна, кандидат технических наук, доцент.
Гаврилов Валерий Константинович, аспирант. e-mail: usat@samgtu. ru и incenter@samgtu. ru
водоснабжение. В 1990 г. паровая нагрузка энергосистемы в 1,28 раза превышала тепловую нагрузку по горячей воде, а в 1994 г. она стала в 1,74 раза ниже расхода тепла на отопление.
После 1996 г. характер изменения выработки суммарной энергии практически соответствует изменениям производства тепловой энергии. В целом потребление тепловой энергии в последние годы медленно растет за счет жилищного строительства городов.
¥г У к
7^ ч“\\
^ У * Л ~п с: ■к V __
■Ж'
*?по п
5150
шо
157Я |СДП 1ЙЙ4 15ЙЙ 15^ ■ 9=6 ?ППи 7ПСН 7С™
Р и с. 1. Энергосистема 1976-2007 гг.:
Yt - отпуск тепловой энергии, Ув - отпуск электроэнергии, Уя - суммарный отпуск энергии, млн ГДж
Такая ситуация создала неблагоприятные условия для совместной выработки тепловой и электрической энергии. Часть оборудования ТЭЦ энергосистемы выведена из эксплуатации, а оставшаяся используется в нерасчетных режимах. Ухудшились технико-экономические показатели функционирования ТЭЦ: повысились удельные расходы топлива, увеличилась себестоимость энергии. Эксплуатация оборудования в нерасчетных режимах привела в числе других негативных последствий к увеличению расходов электрической энергии на собственные нужды. К этим расходам относятся в основном затраты на привод вспомогательных механизмов, обеспечивающих работу основного оборудования станции (ТЭЦ).
На рис. 2 прредставлены статистические данные по собственным нуждам энергосистемы за период с 1988 по 2007 гг. Среднее значение величины собственных нужд ТЭЦ при работе её оборудования в расчетных режимах соответствует 6% [1]. Падение производства тепловой и электрической энергии при неизменном количестве эксплуатируемого вспомогательного оборудования привело к росту затрат на собственные нужды более чем в два раза. После 1995 г., когда общее производство энергии стабилизировалось на уровне 63-64% от уровня производства 1989 г., среднегодовой расход электроэнергии на собственные нужды установился в пределах 11,613%. После 1995 г. динамика колебания среднегодовых расходов на собственные
нужды соответствует характеру изменения общего производства энергии.
При пониженной нагрузке вспомогательное оборудование потребляет почти такое же количество энергии, что и при номинальной производительности из-за отсутствия эффективных систем регулирования производительности вспомогательного оборудования (различных насосов и тягодутьевых механизмов). Это обстоятельство обусловливает рост относительной величины собственных нужд.
Р и с. 2. Динамика изменения собственных нужд энергосистемы по годам
Ситуацию усугубляет и то обстоятельство, что из-за отсутствия должного финансирования в переходный период не проводилось текущих и капитальных ремонтов вспомогательного оборудования в необходимых объемах, поэтому реальные рабочие характеристики оборудования не соответствуют заводским, нормативным.
Для теплоэлектроцентралей, составляющих Самарскую энергетическую систему и работающих на газе, расход электрической энергии на собственные нужды по группам вспомогательного оборудования в процентах распределяется следующим образом [2]:
• конденсатно-питательный комплекс 43-49
• тягодутьевой комплекс 26-30
• циркуляционное водоснабжение 10-12
• теплофикационная установка 5,5-7
• водоподготовка 1,2-2,5
• топливоподача 0,3-0,5
• прочие 5-6
Анализ приведённых данных показывает, что конденсатно-питательный и тягодутьевой комплексы, а также теплофикационная установка потребляют основное количество энергии, идущей на собственные нужды, что в сумме составляет 74-86%.
Проведём анализ временных графиков изменения текущей мощности энергосистемы в течение года: тепловой, электрической и суммарной, а также относительных затрат электрической энергии на собственные нужды. На рис. 3 представлены ус-
редненные статистические данные этих значений за период 2000-2007 гг.
Наблюдаются значительное снижение производства энергии в летний период вследствие того, что основной тепловой нагрузкой для ТЭЦ является отопительная, и летом тепловая нагрузка системы падает до 27% среднего значения зимнего отопительного периода. Электрическая нагрузка в среднем снижается меньше - до 49%, поскольку энергосистема является дефицитной по электроэнергии. В летний период оборудование обеспечивает нагрузку в конденсационном режиме с коэффициентом полезного действия 23-24%. В целом глубина спада суммарной нагрузки составляет 30% (рис. 3, в).
20,0 | 1 Уя, < 1 д т.ГД 1 2
\ /
\ / /
\ к , х /
1 1 2 > ' 5 4 ^ 5 > 6 Г 8 1 9 > 2 0 2 2 2
йл*
иль
ИМ
ом
Ш1ХТД * к
*4
\ Ч II /
\ ч Л >
Р и с. 3. Динамика изменения текущей мощности энергосистемы в течение года: а - тепловой Yt, б - электрической Ув , в - суммарной Уз и г - затрат электрической энергии
на собственные нужды N0
б
а
в
г
На рис. 3, а - г Yt - тепловая мощность энергосистемы, дес. тыс. ГДж; Ув -электрическая мощность энергосистемы, дес. тыс. ГДж; Уз - суммарная мощность энергосистемы, дес. тыс. ГДж; N0 - затраты электрической энергии на собственные нужды, дес. тыс. ГДж; т - время, мес.
Процентное изменение средней величины расхода электрической энергии на собственные нужды (СН) в течение года приведено на рис. 4.
Анализ приведённых данных показывает, что величина собственных нужд в течение всего периода колеблется в пределах от 12,9 до 16,2% и разброс значений составляет 21%. Характер изменения величины собственных нужд в течение года отличается от кривых изменения производства тепловой, электрической и суммарной энергии.
Проанализируем причину незначительных изменений относительных величин собственных нужд по сравнению с произведённым общим количеством энергии в различные периоды года. На рис. 5 представлены графики изменения среднемесячных значений выработки пара котельным цехом одной из станций Самарской области Отэс ср с номинальной производительности котлов Оном и среднемесячные значения нагрузки работающих котлов Оср котлов.
Р и с. 4. Расход электрической энергии на собственные нужды в течение года
Базовым оборудованием является котельное оборудование производительностью 420 тонн пара в час. В зимние месяцы, когда тепловая нагрузка станции максимальна, котельное оборудование работает с производительностью 60-71% от номинальной нагрузки. При снижении нагрузки котла производительность тягодутьевых механизмов регулируется с помощью шиберов. Такая система регулирования изменяет производительность установки, практически не снижая расхода электрической энергии на её привод. Это обстоятельство привело к тому, что относительная величина расхода электроэнергии на собственные нужды возросла до 12-13% (см. рис. 2).
Существенное снижение паровой производительности котельного цеха до 5556% в летний период, обусловленное окончанием отопительного сезона, практически не влияет на относительную величину собственных нужд. Это объясняется тем, что снижение общей паровой производительности осуществляется путем отключения оборудования, а не изменением его нагрузки. Колебания средней нагрузки котла в течение года составляют около 20%, что соответствует изменениям относительной величины расхода электрической энергии на собственные нужды. Следует отметить, что колебания паропроизводительности котлов и величины собственных нужд происходят в противофазе. С марта по июнь средняя нагрузка котлов сначала снизилась на 16%, а затем возросла на 10%, в это же время относительная величина собственных нужд увеличилась на 11%, а затем упала практически до начальной величины. Аналогичные изменения средней производительности и относительной величины собственных нужд имеют место и в конце года.
Проанализируем, как изменяется производительность группы питательных насосов и среднемесячная производительность одного питательного насоса. Питательный узел этой станции состоит из восьми питательных насосов одинаковой производительности. Привод каждого осуществляется электродвигателем мощностью 4 МВт.
Р и с. 5. Графики изменения среднемесячных значений выработки пара котельным цехом, номинальной производительности котлов и среднемесячные значения нагрузки
работающих котлов
Р и с. 6. Графики изменения среднемесячных значений производительности группы питательных насосов, номинальной производительности одного насоса и среднемесячной нагрузки работающих насосов
На рис. 6 даны графики изменения среднемесячного количества питательной воды, подаваемой питательными насосами Отэе , номинальная паспортная производительность одного питательного насоса Оном и фактическая среднемесячная производительность одного питательного насоса ОСр.
Производительность группы насосов обеспечивает паровую производительность котлов и непрерывную продувку, которая при эксплуатации котлов колеблется в пределах 2% от производительности. Таким образом, производительность группы насосов превышает паровую производительность котельного цеха на величину непрерывной продувки, а их кривые, приведённые на рис. 5, идентичны.
Средняя производительность питательного насоса изменяется в пределах 39%. Резкое снижение производительности в летний период отрабатывается также уменьшением числа работающих насосов. Так как производительность питательных насосов регулируется задвижкой на напоре, то потребление электрической энергии на привод насоса практически не меняется при снижении производительности.
С целью разработки мероприятий по снижению затрат электрической энергии на собственные нужды проведен анализ режимов работы оборудования тягодутьевых, конденсатно-питательных комплексов и теплофикационных установок и оценена эффективность применения на них регулируемого привода.
Для определения затрат на привод тягодутьевых механизмов разработана методика, позволяющая оценить потребляемую ими электрическую мощность при различных режимах работы с учетом реального технического состояния котлов. Было установлено, что котлы работают в переменных режимах, на которых можно получить экономию электрической энергии при использовании частотно-регулируемого привода и гидромуфт. Проведённые оценочные расчеты по срокам окупаемости регулируемых приводов показали, что на настоящий момент использование гидромуфт для привода дымососов котлов высокого давления производительностью 420 т/час окупится в течение 5,4-6,4 лет. Для дутьевых вентиляторов этот срок на два года больше.
Применение регулируемого привода увеличивает ресурс технологического оборудования, уменьшает эксплуатационные расходы, а применение современного оборудования обеспечивает требуемое качество электроэнергии.
Анализ режимов работы группы однотипных питательных насосов ТЭЦ мощностью 4 МВт позволил сделать вывод о необходимости использования регулируемого привода на трех насосах из восьми, что позволит обеспечить экономичность регулирования подачи питательной воды в диапазоне 250-4000 м /час.
Теплофикационные установки ТЭЦ работают по закрытой схеме горячего водоснабжения. Анализ режимов их работы в течение отопительного сезона показал, что производительность сетевых насосов изменяется в пределах 10% от номинальной производительности и что в этих условиях применение регулируемого привода нецелесообразно. Установлено также, что ряд насосов имеет номинальную производительность, превышающую необходимую на 40-50%, при этом режим их работы в течение отопительного сезона постоянен. В этих условиях экономия электрической энергии на собственные нужды достигается путем замены электрического двигателя повышенной мощности на двигатель, отвечающий потребляемой насосом мощности.
В целом выявлены значительные отклонения реальных нагрузок работы оборудования энергосистемы от номинальных, что существенно увеличивает относитель-
ные затраты электрической энергии на собственные нужды. Изменение соотношения в выработке тепловой энергии в сторону увеличения производства тепловой энергии
на отопление привело к существенным колебаниям в выработке суммарного количе-
ства энергии в течение года и аналогичным колебаниям расхода электрической энергии на собственные нужды.
Проанализируем на основе статистических данных влияние величин выработки энергии генерирующим предприятием на величину собственных нужд.
В качестве исследовательского аппарата используем производственную функцию (ПФ) в виде зависимости величины собственных нужд Бп от отпускаемых генерирующим предприятием тепловой Yt и электрической мощностей Ув :
Бп = ^ (Л,У^Ув); (1)
Бп = AYt аУвЬ, (2)
где А - масштабный коэффициент, а и Р - коэффициенты эластичности, являющиеся функциями логарифмической чувствительности величины собственных электрических нужд к изменению отпускаемых мощностей:
Yt дБп д 1п Бп 0 Ув дБп д 1п Бп
а =---------=------- и р =--------=-------.
Бп дYt д 1п Yt Бп дУв д 1п Ув
Коэффициенты эластичности численно характеризуют степень влияния тепловой Yt и электрической Yв мощности на величину собственных нужд. Значения эластичностей а и Р показывают, на сколько процентов изменится расход электроэнергии на собственные нужды Бп при увеличении соответствующих мощностей Yt и Yв на 1%.
Коэффициенты модели А, а и Р идентифицируем по модели (2) методом наименьших квадратов [3], минимизируя отклонения расчетных модельных значений от фактических данных, приведённых на рис. 3, г.
Значения параметров и показателей качества модели (2)
Характеристики Численные значения
А 0,1074
а 0,4847
Р 0,1848
1 0,6690
DW 2,0792
Я2 0,9942
и -104,1
1а 9,3
2,0
Б 950,9238
о 0,0271
Качество модели и её параметров оцениваем значениями коэффициентов детерминации Я , ^критерием Стьюдента, ^-критерием Фишера, среднеквадратичным отклонением о и критерием Дарбина-Уотсона ОЖ . Идентифицированные параметры и показатели качества исследуемой модели приведены в таблице. На рис. 7 пред-
ставлено сопоставление результатов расчета по модели (2) с реальными величинами расхода электрической энергии на собственные нужды. Видно, что построенная модель практически точно описывает значения величин расходов на собственные нужды станции в течение года. Среднеквадратичная ошибка погрешности расчётов составила 2,71%, коэффициент детерминации Я значим по статистике Фишера и достигает 0,994.
Модель (2) обладает высокими прогнозными свойствами - критерий ОЖ равен 2,08, что свидетельствует об отсутствии автокорреляции остатков [3]. Все идентифицированные параметры модели значимы по критерию Стьюдента.
Полученные параметры модели (2) а = 0,49 и Ь = 0,19 показывают, что влияние тепловой нагрузки на величину собственных нужд в 2,67 раза больше влияния электрической. Увеличение тепловой мощности на 1% увеличивает расход на собственные нужды на 0,49%, а увеличение электрической мощности - только на 0,19%.
Р и с. 7. Собственные нужды, средние по месяцам за 2004-2007 гг.:
8п - реальные данные, 8пт3 - расчетные по модели Бп = AYt aYвР
Таким образом, можно сделать выводы о том, что уменьшение доли выработки тепловой энергии значительно снизило комплексную эффективность совместного производства тепловой и электрической энергии; для повышения эффективности необходимо восстанавливать баланс выработки, который позволит эксплуатировать существующее основное и вспомогательное оборудование в режимах, более близких к расчетным. При этом целесообразны мероприятия, направленные на увеличение тепловой нагрузки в летний период, на повышение доли ГВС.
Заключение
1. Выявлена закономерность роста относительной величины собственных нужд в условиях работы оборудования в нерасчетных режимах.
2. Показано, что рост производства тепловой энергии в виде горячей воды по сравнению с производством тепла на технологические нужды снижает эффективность функционирования генерирующего предприятия в летний период.
3. Обоснована целесообразность действий по повышению тепловой нагрузки генерирующих мощностей.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Рыжкин В.Я. Тепловые электрические станции. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 327 с.
2. Теплотехнический справочник. Изд. 2-е, перераб. / Под ред. В.Н. Юренёва и П.Д. Лебедева. - Т.1. - М.: Энергия, 1975. - 744 с.
3. Дилигенский Н.В., Гаврилова А.А., Цапенко М.В. Построение и идентификация математических моделей производственных систем. - Самара: Офорт, 2005. - 126 с.
Статья поступила в редакцию 1 сентября 2008 г.
UDC 519.816
COMPLEX ANALYSIS OF RUNNING REGIMES OF CAPITAL EQUIPMENT OF GENERATING PLANTS AND OF AUXILIARY POWER REQUIRMENTS COST
N. V. Diligensky1, A. A. Gavrilova, A. G. Salov, V.K. Gavrilov
Samara State Technical University 244, Molodogvardeyskaya str., 443100
System performance of generating equipment of heating and power stations is researched. In the article is shown a regularity growth of relative value of auxiliary when equipment works in of-design conditions. Performance of generating plant in toto considerably depends on correlation of heat production for technological needs and firing. Reasonability of applications realization to extend heat load of cogeneration plants is validated.
Key words: efficiency, generating plant, conditions, balance, heat energy, combined generation, auxiliaries
1 Nicolay V. Diligensky, Doctor of Technical Sciences, Professor.
Аnna А. Gavrilova, Candidate of Technical Sciences, Associate professor.
Аleksey G. Salov, Candidate of Technical Sciences, Associate professor.
Valeriy ^ Gavrilov, Postgraduate student.
