О моделировании задачи оптимизации показателей экономичности когенерационных газопоршневых установок с учетом эксплуатационных затрат и показателей вредных выбросов Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 621.431.74

н. С. ТРОШИНА

Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск

О МОДЕЛИРОВАНИИ ЗАДАЧИ ОПТИМИЗАЦИИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ КОГЕНЕРАЦИОННЫХ ГАЗОПОРШНЕВЫХ УСТАНОВОК С УЧЕТОМ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ЗАТРАТ И ПОКАЗАТЕЛЕЙ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ_

Рассмотрен вопрос комбинированного производства тепловой и электрической энергии — когенерации. Приведена классификация когенерационных технологий и освещены их преимущества перед раздельным производством энергии. Основная часть работы включает модели показателей экономичности, которые необходимо использовать при решении задач оптимизации ко-генерационных установок.

Ключевые слова: когенерация, когенерационная установка, коэффициент полезного действия, тепловой баланс, двигатель внутреннего сгорания.

Оптимизация энергосистемы и проблемы энергоснабжения на стадии производства электрической и тепловой энергии тесно связаны. В современных экономических условиях энергетическое хозяйство разных видов предприятий, кроме основного электротехнического и тепломеханического оборудования, должно иметь в своем составе дополнительные аварийные и автономные установки для обеспечения предприятия электрической энергией и теплом [1—4].

Во многих промышленных странах политика правительств поощряет развитие комбинированного производства тепловой и электрической энергии [1]. Комбинированный процесс одновременного производства тепла и электроэнергии называют когенерацией. Зарубежный опыт последних лет показывает значительный рост автономных и когене-рационных установок на промышленных предприятиях и в коммунальном хозяйстве.

В России при генерации энергии участвуют две взаимосвязанные системы. Первая включает крупные тепловые, атомные и гидравлические электростанции, обеспечивающие энергомощност-ные балансы в энергосистемах. Вторая относится к территориальному уровню и называется системой когенерации энергии, в рамках которой осуществляется совместная выработка электрической и тепловой энергии.

Принцип когенерации лежит в основе различных современных технических и схемных решений, что обусловливает широкую область его применения (рис. 1).

Когенераторы — установки одновременного производства двух видов энергии, эффективно

используют первичный источник энергии, например, дизельный двигатель внутреннего сгорания и электрогенератор, для получения электрической и тепловой энергии.

Такие установки обладают следующими достоинствами: дешевой электрической и тепловой энергией, близким расположением к потребителю, отсутствием дорогостоящих линий электропередач и подстанции, экологической безопасностью и др. [2].

Использование когенераторов дает независимость от перебоев в снабжении электроэнергией или ее недостатка при совместном теплообеспече-нии. При тенденции ежегодного роста стоимости электрической энергии применение когенерато-ра дает значительный экономический эффект — снижение затрат на тепло и электроэнергию до 2,8 раза [3].

С использованием рассматриваемой технологии коэффициент полезного использования топлива (КПД) мини-ТЭЦ возрастает до 92 % (у классической электростанции он достигает 36 %) (рис. 2) [4].

Основные показатели эффективности когера-ционных установок (КГУ) представлены на рис. 3. Для каждой установки показатели свои, и они определяются энергетическим аудитом [5, 6].

Энергоэффективность использования топлива в различных схемных решениях совместной выработки тепловой и электрической энергии можно оценить при помощи теплового баланса. При этом определяются показатели энергетической эффективности [7].

К основным показателям энергетической эффективности относят:

Рис. 1. классификация когенерационных технологий

Рис. 2. Производство электроэнергии и тепла: а — раздельное; б — когенерация

электрический КПД:

Пэл =

N.

Лт ■ N

(1)

Птэ =

я т ■ и>г

— = — + —

^ тэ ^ к= п

кВт; — тезпловая мощность всей когенерацион-ной установки, кВт.

— эксэргетический КПД — учитывает оба начала термодинамики и характеризует степень совершенства про цесса:

где дТ — расход топлива кг/с; N — электрическая мощность установки; —Лр — с;уммарное подводимое тепло;

— тепловой КПД:

Пэкс

Е.

(4)

где Е и Е

эксэргия на входе и выходе сис-

(2)

(3)

коэффициент пспользования =еплоты топли-, определя ность установки:

ва Пкэу , определяет интегральную энергоэффектив

где Оку1 Огвп — тепыыват мощность соответственно котла-утилизатора эк. газотоздушного подогревателя,

Пэкс = —Ы +^ = Пэл + Птэ ■ (5)

Лт ■ —и

т

взо

98

Показатели эффективности когснсрационных установок

Результаты энергетического аудита

X

1 'Энергетические 1 Экономические Технологические

1. Электрический КПД 1. Себестоимость

1. Тепловой КПД геиловон энергии

3. Коэффициент 2. Себестоимость

Юпольдананин теплоты злекфн'кч кои энергии

топлива (КИТ) 3. Ксрок окупаемости

4. Эксергетический 4. Энсртнчсекнй

КПД рынок (ценовая

] политика)

эффект икноегь

жеплуагациоиных

докимов

тр

Классификация когенерациошюй

установки (закон о когенерацин)

. Эксплуатационный . Надежное! к 3. Массогаба^нтнн^^

Экологические

МО^СО^г. Ш !. Уривснтшуиа }. Уровень вибрнцы 1, Объем выбросив

Показатели инвестиционной привлекательности

денежный поток

стоимость_

ТТндёкс^даолПжтТП _инвестиций_|

Внутренняя норма

МИШ

I рчк

""ВГСТНИИЙ_

Рис. 3. основные показатели эффективности кгу

Для сложных интегрированных систем можно использовать значение коэффициента преобразования энергии:

I О

(6)

ваются зависимости технологических параметров системы от капиталтныт зктр)эк та устранение термодинамической неэффтьтивтости оборудования и эксплуатационные издержки. Эффективность этих затрат оценивактря по экскргоэкономическо-му фактору:

где Ц — с°у[мк электричкской энергии и экс-эргии «тепловых продуктов», вырабатываемых системой; НС КС — суммакное тепло, псдвпдимое к системе.

Для решения задач оптимизации параметров рабочих ттл, теплоносителей, характеристик оборудования, выКор а аациональной структуры интегрированных систем энертоснэЬжения, можно использовать термоэкономические методы, к которым относится эксэргоэкономический метод. Он состоит из двух эвапов:

1. Разбивки скстемы на отдельные энергопре-образующие компоненты.

2. Заиисо уравнения баланса стоимости:

1Нг,

к к нр в <УЧк к I у,

к к г к,

где Сек, С,к — соответственно входная и выходная стоимостк потоков ныьэрйси в компоненте;

С

стоимость потока эксэргии, связанная с затра-

И в

п к е : ьЬ

(8)

где г — стоимосто кепитальных затрат и расходов на обслуживание; с — сэоипость единицы эксэргии на входе в систему [°].

Рассмотрим чааыный еккчай ар оектирования и выбор параметров КГУ на базе двигателя внутреннего сгорания (рис. 0). В дан ном случае при проектировании ^итывают ряо параметров перечисленных ниже.

Потенциальная мощность (кВт), эквивалентная количеству теплоты, в веденной с топливом в единицу времени:

(7)

Р нНи С

36К к

той работы в компоненте; (бок — бтоымость потока эксэргии, связаннаяс выводом тепла из компонента; — стоимость капитыььныс ьатрат и расходов на обслуживании компонента.

Уравнение искалывает, ато сумма стоимостей, связанных с процессом трарспорта эксэргии, равна суммо стоимостей всзб сидов эксэргии плюс соответствующая стонмость капитальных затрат и расходов на обслуживание [8]. Уравнения балансов стонмости для всех компонентов образуют систему линейных уравнений, решение которой опррделяет стоимость кбрыого материального и энергетивеского потокв в ристеме. Также учиты-

где Ни — теплотворны]] с поьоОко сть т оп и/ ва, кДрк/кг; С{ — часовой расход, ег/ч.

Мощность дизель КВ6 с еВт:

]

Н : О

ГКККйР.

(10)

где и — напряже лие электро генератора, В; I — ток электрогенератора, р( рвн — КПДвлыктрыгенера-тора.

Электрическая мощность КГУ транспортного средства, кВт:

Ре в

и : О гккс

(11)

Тепловая мощн+сть КГУ транспортного средства, кВт:

Щ,

ЫСгтпл ' ПеУгепл (Т4 Т1) '

(12)

где С — теитюемПсо стт ■лепл-то)ителя (воды),

^ шепл > ^ '

кДж/(кг/К); С — ]т ас^^о^е, тсплотоситегя, кс/с.

Тепловая мощнссть тепжюаменника, утилизатора теплоты отработанных газов дисе;ш К, т]оа+с-портного среыства, кЫт:

Рог тЫтсл-СтесЖ - Т3) . (С3)

Тепловая мощность системы 04-лаждения дизеля КГУ, кВт:

с = с е т,

со сепл сесл\ 2

]Т2 - Т)'

(14)

Полная моыгентсст СТ=У, кВн

Рис. 4. Схема кгу на базе двигателя внутреннего огорания

Р = Р +Р .

пост швпл эл

(15)

Коэффициент испосьнования теплоты сгорания топлива, представляющ=й со бой еоло аепааты, подведенную с топливсн, прев^ьценную в электрическую и тепловую энергию:

щ

(16)

В качестве этгелоггческвно показатегн можно рассматривать экооомеческую эЮфеквивнгсоь КГУ как природоохра:лного меропрвятия (ПМ) [11, 10].

Эчо Ю ' З

(Ю2)

Эффективный КПД дизеся КГУ: 3С(Ь0

Пе

Ы,,

N.

Тепловой и элекПричеткейКПД КГУ:

Р

Р

П = — [эл с

СО м л 1

Ю ч Ю В зеег сг Э У гот г ^ г Неоз ^ •оуз

еде Р — экономмлескгй везультаг от гнедртния КГУ, руЧ.; 3 — затраты на установку КГУ, руб.

(17)

Л е /те4 м ЛУ,

]23]

(18)

(19)

гдл Ле — дополлочтллтый доход, получаемый вследсэтге внедрегия КГУ, руг./лед.; Лм — величина тредотвращелтчгл эконодтчтекого ущерба от загрязнения окружеюы ей среды (О С), руб.

ЛУ е^В У2

(24)

Для определения коэффициента использования теплоты сгорания топлива КГУ без применения электронагревателей применяют следующую формулу:

(20)

где а — относительное количество теплоты, те-

Юош

ряемойдазелем КГУ со стоих нлружныл поверхностей в окруыающую с]эеду конвекцией и излучением; 0тм — гоуриоа утилгзнции тепловой энергии, уносимой с отработанны ми газа ми дизеля КГУ.

Согласно работе [10], относительное количество теплоты, те;яемой дизелем КГУ со своих наружных поверхлостчй в оеузржаюглсгю сре,лу конвек-циейи изл^ мни ем, т осттвля тт] ,5 %, слздо вательно, можно треняеь а = 0,015.

о7р преотзавляет собой следующее выражение:

У1 — величина ущеыра ОС до установки КГУ, руб./ оод; У2 — величиле ултрба ОС после установки КГУ, руб./год;

У е ы-а-0• М1, У 2 еы-а-Л М2.

(25)

(26)

(21)

Ы — множитель, численное значение которого равно затратам, неоУходиыым для предотвращения ущерба от выброса 1 усл. тонны загрязняющих веществ, руб./усл. тонну; а — справочная величина, характеризующая относительную опасность загрязнения воздуха для территорий разных типов; — расчетная величина, учитывающая характер рассеивания примесей в атмосфере; М — приведенная масса годового выброса загрязнения из источника, усл. тонн/год (М1 — до установки КГУ, М2 — после установки КГУ) [13].

В состав экономических показателей когенера-ционной установки входит наличие рынка сбыта тепловой и электрической энергии по удовлетворяющим потребителя тарифам.

При определении этих показателей возникают трудности, обусловленные тем, что весьма непросто разделить топливо, используемое на выработку

П

разных видов энергии. В этом случае можно рассмотреть оценки и возможности системы показателей топливной эффективности эксплуатационных режимов когенерационных установок, предложенных в [14].

К технологическим показателям можно отнести эксплуатационный показатель эффективности, включающий в себя наличие современных систем АСУ ТП, возможность работы установки в различных технологических условиях, количество обслуживающего персонала и его квалификация.

Также в некоторых случаях используют показатель надежности, характеризующий ресурс работы установки до капитального ремонта и ремонтопригодность. Данные показатели КГУ зависят не только от типа, но и от фирм производителя, проектирования и монтажа [15].

Выводы:

1. Когенерация — оптимальный способ обеспечения потребителей тепловой и электрической энергией.

2. Когенерация может основываться на различных современных технических решениях производства теплоносителя, что обусловливает широкую область его применения.

3. Для успешного моделирования задачи оптимизации показателей экономичности когенераци-онных установок необходимо использовать такие показатели, как электрический и тепловой КПД, эксэргоэкономический фактор и коэффициент использования теплоты топлива.

Библиографический список

1. Keel М., Liik O., Tammoja H., Valdfa M. Optimal planning of electric generion in thermal power system // Oil Shale. 2005. Vol. 22, No. 2 S. P. 97-107. URL: http://www.kirj.ee/public/ oilshale/3_keel_liik_2_05.pdf (дата обращения: 17.10.2017).

2. Ведрученко В. Р., Крайнов В. В., Жданов Н. В., Кош-каров М. В., Кузнецова Д. К. Выбор схемы утилизации тепла отработавших газов поршневых ДВС и оценка полезного теплоиспользования в составе когенерационной установки // Омский научный вестник. 2015. № 1 (137). С. 114-119.

3. Кручинский П. В курсе. Экономика. В омской мэрии продолжают развивать идею когенерации // Ваш Ореол. 2013. 28 октября.

4. Быстрицкий Г. Ф., Бородич Е. А. Автономные и коге-нерационные установки энергоснабжения (справочные материалы) // Прил. к журн. «Энергетик». Вып. 3 (183). М.: НТФ Энергопрогресс, 2014. 112 с.

5. Клименко В. Н., Сабашук П. П., Клименко Ю. Г. [и др.]. Энергетические характеристики когенерационной установки на частичных тепловых нагрузках // Промышленная теплотехника. 1997. Т. 19, № 3. С. 51-56.

6. Клименко В. Н. Проблемы когенерационных технологий в Украине // Промышленная теплотехника. 2001. Т. 23, № 4-5. С. 106-110.

7. Долинский А. А., Басок Б. И., Коломейко Д. А. Эффективность когенерационных тепловых схем // Науковi пращ. 2006. Т. 61. Вип. 48. URL: http://docplayer.ru/28247356-Effektivnost-kogeneracionnyh-teplovyh-shem.html (дата обращения: 18.10.2017).

8. Тсатсароннс Д. Взаимодействие термодинамики и экономики для минимизации стоимости энергопреобразующей системы. Одесса: ООО «Студия «Негоциант», 2002. 152 с.

9. Баласанян Г. А., Мазуренко А. С. Эффективность интегрированных систем когенерации с абсорбционными тепловыми насосами // Интегрированные технологии и энергосбережение. 2006. № 4. С. 69-74.

10. Жидкостное охлаждение автомобильных двигателей / Под ред. А. Л. Новенникова. М.: Машиностроение, 1985. 176 с.

11. Временная методика определения предотвращенного экологического ущерба. Утв. Госкомэкологии РФ 09.03.1999 г. / Под рук. Вершкова Л. В., Грошева В. Л., Гаврилова В. В. URL: http://www.lawmix.ru/pprf/131828 (дата обращения: 20.10.2017).

12. Методика определения предотвращенного экологического ущерба. Утв. Председателем Государственного комитета РФ по охране окружающей среды В. И. Даниловым-Данилья-ном 30.11. 1999 г. / Под рук. Данилова-Данильяна В. И. URL: http://docs.cntd.ru/document/1200035561 (дата обращения: 06.11.2017).

13. Методика определения предотвращенного экологического ущерба. Справочник для уточнения значений коэффициентов / Сост. Л. В. Вершков, В. Л. Горшков, В. В. Гаврилов. М., 1999. 52 с.

14. Андрющенко А. И., Семенов Б. А. Система показателей для оценки топливной эффективности эксплуатационных режимов ТЭЦ // Промышленная энергетика. 2005. № 12. С. 2-7.

15. Басок Б. И., Базеев Е. Т., Диденко В. М. [и др.]. Анализ когерационных установок. Ч. I. Классификация и основные показатели // Промышленная теплотехника. 2006. Т. 28, № 3. С. 83-89.

ТРОШИНА Наталья Сергеевна, аспирантка кафедры «Теплоэнергетика».

Адрес для переписки: [email protected]

Статья поступила в редакцию 10.11.2017 г. © Н. С. Трошина

р

о