CC BY
4
МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИХ УСТАНОВОК
И.А. Поспелов, аспирант
Ухтинский государственный технический университет (Россия, г. Ухта)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-9-5-16-20
Аннотация. В статье рассмотрена техническая эффективность и эффективность ТЭЦ с точки зрения системных операторов и потребителей. Обсуждаются и сравниваются характеристики с точки зрения моделирования ТЭЦ, целей оптимизации, ограничений и алгоритмов и т.д. Исследование полезно для обеспечения более экономичной работы КЭС и более прибыльной эксплуатации системы ТЭЦ системными операторами и владельцами установок.
Ключевые слова: эффективность, ТЭЦ, мощность, стоимость электроэнергии, оптимизация.
Чтобы справиться с глобальным изменением климата и сократить выбросы углекислого газа, требуется высокая доля возобновляемых источников энергии в первичном энергоснабжении. Традиционно возобновляемые источники энергии получили широкое развитие в секторе электроэнергетики. В последние годы предлагаются концепции интеграции возобновляемых источников энергии в интегрированную энергетическую систему (ИЭС), которая представляет собой интеграцию различных энергетических секторов [1]. Среди различных энергетических технологий, которые объединяют различные отрасли энергетики, теплоэлектроцентраль (ТЭЦ) имеет большое значение благодаря своей высокой эффективности. Как правило, ТЭЦ, работающая на газе и вырабатывающая тепло и электроэнергию, является хорошим примером интеграции секторов газоснабжения, электричества и отопления. Различные технологии и размеры ТЭЦ могут удовлетворить различные потребности в электроэнергии и тепле, такие как централизованная ТЭЦ, подключенная к системе централизованного теплоснабжения (ЦТ) и сети на уровне передачи, децентрализованная ТЭЦ, подключенная к ЦТ и сети на уровне распределения, и микро-ТЭЦ на уровне здания. Кроме того, ТЭЦ, подключенные к сети централизованного теплоснабжения, могут обеспечивать отопление помещений и горячее водо-
снабжение. Эффективность - это способность энергоблока или системы реагировать на изменение спроса и предложения. Техническая эффективность электростанций - это возможность изменять выходную мощность и обеспечивать физическую эффективность системы. Для того чтобы оптимально использовать возникающую техническую эффективность, необходимы адекватное регулирование системы и структура рынка [2]. Техническая эффективность оценивается с точки зрения их способности способствовать повышению эксплуатационной гибкости системы, такой как интеграция возобновляемых источников энергии, безопасность и экономичность функционирования энергетической системы, а также получение прибыли на различных рынках. Таким образом, оптимальная стратегия эксплуатации ТЭЦ может обеспечить прибыльную и безопасную работу как электроэнергетического, так и теплового секторов. Повышая эффективность ТЭЦ за счет интеграции тепловых аккумуляторов, электрических котлов и тепловых насосов, можно еще больше увеличить распространение возобновляемых источников энергии в секторе электроэнергетики.
Было изучено несколько обзоров литературы по эксплуатации и технологиям ТЭЦ. В работе [3] представлен всесторонний обзор проблемы диспетчеризации ТЭЦ с использованием эвристических и
мета-эвристических методов оптимизации. Исследование проводилось в рамках стратегии минимизации общих затрат на топливо для энергетических и отопительных установок. Был проведен анализ эффективности различных эвристических методологий. В работе [4] обобщены методологии, которые используются для оценки энергетических характеристик, результатов полевых испытаний и оптимальной операционной системы систем ТЭЦ. Технологии ТЭЦ сгруппированы по различным масштабам систем ТЭЦ. Представлен всесторонний обзор планирования и оптимизации эксплуатации. В статье основное внимание уделялось алгоритму оптимизации и типам целевых функций, при этом меньше внимания уделялось правилам диспетчеризации. В рассмотренных обзорных исследованиях редко обсуждались об-
Процентная доля поставок ЦТ от ТЭЦ
Эстон ич Швеция Чехия Хорватия
Румыния Россия Гсльша Литва Латвия
Германия ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
Болгария Австрия
: 2: 40 6: во км
Рис. 1. Процентная доля поставок ЦТ от ТЭЦ
ТЭЦ могут обеспечивать теплом и электроэнергией до 90% и 66% ЦОД и энергосистемы соответственно. Существует большой потенциал для увеличения мощностей ТЭЦ во всем мире. DH может помочь электроэнергетической системе повысить уровень использования возобновляемых источников энергии и сбалансировать выработку электроэнергии благодаря взаимодействию между двумя энергетическими системами, такими как ТЭЦ и электронагревательные установки.
Результаты исследования
Первичные двигатели ТЭЦ используются для сжигания топлива и выработки механической энергии для приведения в действие генераторов для выработки электроэнергии. Теплообменники используют тепло, выделяемое первичным двигателем
ласти применения и техническая эффективность систем ТЭЦ с точки зрения их размеров и технологий. Кроме того, систематически не анализировалась взаимосвязь между операционной системой системы ТЭЦ и ограничениями энергетической системы, рыночными стимулами и арбитражными возможностями.
Характеристики теплоэлектроцентралей
Являясь ключевым компонентом, соединяющим ЦОД и электроэнергетическую систему, ТЭЦ играют важную роль как в ЦОД, так и в электроэнергетических системах с высокой эффективностью выработки электроэнергии. На рисунке 1 и 2 показана доля ТЭЦ в ЦОД и электроснабжении для разных стран на 2020 год, соответственно.
^^^ Доля поставок электроэнергии от ТЭЦ
Рис. 2. Доля поставок электроэнергии от ТЭЦ
и генератором, в качестве тепловой мощности. Технологии ТЭЦ, классифицированные по типам первичных двигателей, включают поршневые двигатели, газовые турбины, паровые турбины, топливные элементы (ТЭ) и микротурбины. В зависимости от области применения, существуют три группы ТЭЦ: промышленные ТЭЦ, небольшие коммерческие и бытовые ТЭЦ и ЦТ-ТЭЦ. Техническая эффективность ТЭЦ, которую они могут обеспечить, заключается в минимальной нагрузке, времени запуска и скорости нарастания мощности. Технические данные, финансовые показатели, характеристики гибкости и области применения поршневых двигателей, газовых турбин, паровых турбин, FCS и микротурбин представлены и сопоставлены в таблице 1.
Таблица 1. Технологии и характеристики ТЭЦ [5]
Характеристики Технология
Поршневой двигатель Газовая турбина Паровая турбина Топливная ячейка Микротурбина
Технические характеристики
Мощность 10 кВт-10 МВт Простая: 30 кВт-450 МВт комбинированная: 100-500 МВт 500 кВт-500 МВт 1 кВт-3 МВт 50-250 кВт
Электрическая эффективность (%) 30-45 24-36 5-40 30-50 22-28
Общая эффективность (%) 77-83 66-71 80-90 70-90 63-70
Топливо природный газ, биогаз природный газ, мазут уголь, биомасса, отработанное топливо водород, природный газ, метанол жидкое топливо
Финансовые данные
Капитальные затраты, тыс. р. 150-290 120-330 67-110 500-650 250-430
Стоимость ввода в эксплуатацию, р./Мвт-ч 900-2500 900-1300 600-1000 3200-3800 900-1300
Эффективность
Минимальная нагрузка (% от полной нагрузки) 20-30 25-40 18-45 около 20 около 50
Время запуска, мин 1,8-3 15-150 15-600 180-2880 1,2-60
Скорость нарастания (% в минуту) 100 15-25 4-10 100 100
Применение промышленное/коммерческое /жилое/ЦТ промышленное/ЦТ промышленное/ЦТ коммерческое/жилое коммерческое/жилое
Разработана ценоориентированнная операционная система (ЦООС), основанная на стоимости, для максимизации прибыли генерирующих установок. Диспетчерская служба определяет предложения каждой генерирующей установки на рынке электроэнергии. Оператор рынка определяет, какие предложения принимать, и рыночные цены с помощью рыночного аукциона. Таким образом, системы ТЭЦ имеют возможности выбора между тепловой и
электрической энергией, энергозатратами и мощностями, основанные на ценообразовании.
На рисунке 6 показана структура ЦООС. Параметры нагрузки, требования к безопасности, такие как системные резервы, предельные значения выбросов, технические данные и данные о стоимости каждого энергоблока, предоставляемые владельцем станции, являются исходными данными для расчета объема поставок.
Вход
Загрузка профиля Требования безопасности Лимит выработки Данные по техническим хара ктер исти кам и стоимости
Неопределенность
Оптимизация
Базовые обязательства и
экономичное
распределение нагрузки
Учет
неопределенностей
Планирование по
скользящим
показателям,
Устойчивость,
стохастическая
оптимизация
Крупномасштабные неопределенности
Коммерческие предложения
Декомпозиция и
итерационные
алгоритмы
Рис. 3. Структура ЦООС
В некоторых исследованиях исследуются базовые затраты на единицу продукции и экономичное распределение без учета неопределенности и решаются непосредственно с помощью коммерческих предложений. При учете и обновлении таких неопределенностей, как выработка энергии ветра, профили нагрузки и температуры, используются скользящий горизонт, стохастическая и надежная оптимизация для обеспечения более безопасной и экономичной диспетчеризации, приближенной к реальному времени.
Алгоритмы декомпозиции и итерации используются для решения крупномасштабных задач оптимизации и нелинейных задач, связанных с перетоками энергии в сетях, а также взаимосвязью тепловой и электрической энергии.
Выводы.
Однако с ростом использования возобновляемых источников энергии ТЭЦ сталкиваются со многими проблемами как технического, так и экономического характера. ЦООС необходима для обеспечения безопасной и экономичной работы, а также для получения владельцами установок оптимальной прибыли. Исходя из технической гибкости, работа ЦООС сводится к следующим аспектам: целевые функции, сетевые ограничения, моделирование, арбитраж на рынках, алгоритмы оптимизации и поставщики гибких услуг. Таким образом, данное исследование полезно для обеспечения более безопасной работы и рентабельной эксплуатации системы ТЭЦ системными операторами и владельцами установок.
Библиографический список
1. International Renewable Energy Agency (IRENA), Renewable energy: a key climate solution, Tech. rep. (2017).
2. Романова В. В. Проблемы и тенденции правового регулирования рынка тепловой энергии в Российской Федерации и правового обеспечения конкуренции на рынке тепловой энергии // Вестник Университета имени ОЕ Кутафина. - 2020. - № 3 (67). - С. 24-30.
3. Erixno O. et al. Energy management of renewable energy-based combined heat and power systems: A review // Sustainable Energy Technologies and Assessments. - 2022. - T. 51. -C.101944.
4. Zhang J., Cho H., Mago P.J. Energy conversion systems and Energy storage systems // Energy Services Fundamentals and Financing. - Academic Press, 2021. - C. 155-179.
5. Tajjour S., Chandel S.S. A comprehensive review on sustainable energy management systems for optimal operation of future-generation of solar microgrids // Sustainable Energy Technologies and Assessments. - 2023. - T. 58. - C. 103377.
METHODS OF INCREASING THE ENERGY EFFICIENCY OF HEAT-GENERATING PLANTS
I.A. Pospelov, Postgraduate Ukhta State Technical University (Russia, Ukhta)
Abstract. The paper examines the technical efficiency and effectiveness of CHP plants from the perspective of system operators and consumers. The characteristics are discussed and compared in terms of CHP modeling, optimization objectives, constraints and algorithms, etc. The study is useful for ensuring more economical operation of the CHP plant and more profitable operation of the CHP system by system operators and plant owners.
Keywords: efficiency, thermal power plant, capacity, cost of electricity, optimization.
