CC BY
89
УДК 621.438:621.311
Р. А. Ильин
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ КОМБИНИРОВАННЫХ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ПО НОВЫ1М ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИМ ПАРАМЕТРАМ
В данной статье применительно к характерным комбинациям «простых» видов теплоэнергетических установок, использующихся в энергетике и на транспорте, выполнен анализ их эффективности. В определенной степени использованы [1-10] и другие источники. Однако за основу приняты конкретные методы, уже использованные автором при термодинамическом анализе некоторых комбинированных установок при реальных параметрах [2-6]. В этих работах введены и используются для оценок: коэффициент использования располагаемой эксергии в установках Ъцех (отличается от обычного эксергетического КПД), условная экономия топлива 5В, относительный срок окупаемости 5С . Эти критерии оценки имеют общую термодинамическую основу и могут использоваться для теплоэнергетических установок, а также их отдельных элементов (теплообменные аппараты, котлы и др.).
Анализ выполнен для следующих комбинаций: газотурбинная (ГТУ) и паротурбинная (ПТУ) установки в составе одной парогазовой (ПГУ) установки; ГТУ + двигатель Стирлинга (ДС); ГТУ + утилизационный котел (УК); двигатель внутреннего сгорания (ДВС) + УК.
Оценка эффективности по коэффициенту использования эксергии
Для определения коэффициента использования располагаемой эксергии получены следующие зависимости:
- для ПГУ (ГТУ + ПТУ): 5^™ =Ф-Пмэ/тт + (1 -ф)-Пмэ • Пук • тпту/тт; (1)
- для ГТУ + ДС: 5пГТУ+ДС = ф • Пмэ/*т + Пе/Тт ; (2)
ех
- для ГТУ + УК: 5пГхТУ+УК =ф-пЛ + (1 -ф)-Пмэ • Пук • Тук/Тт. (3)
Зависимость для ДВС+УК аналогична (3).
Здесь ф = 1 - ТГтс / ТГ^Ту ; тт - эксергетическая температурная функция в интервале абсолютных температур То...Тт; тпту - то же, в интервале То...ТПТУ ; тук - то же, в интервале То...ТУК ; пмэ- коэффициент, учитывающий механические, гидравлические, электрические и другие потери в тепловом двигателе, в расчетах принята величина 0,8; Пук - энергетический КПД УК (принят 0,8); пе - эффективный энергетический КПД ДС (принят 0,8), в который входит в том числе и пмэ. Для всех установок: То = 273 К, Тт = 2 314 К (по [1-6]).
В расчетах по (1)-(3) принята следующая температура на входе и выходе элементов
комбинированных теплоэнергетических установок (табл. 1).
Таблица 1
Исходные данные для расчетов
Параметр ГТУ + ПТУ (ПГУ) ГТУ + ДС ГТУ + УК ДВС + УК
ГТУ ПТУ ГТУ ДС ГТУ УК ДВС УК
Абсолютная температура рабочего вещества, К: на входе, Т“ 1 623 823 1 450 800 1 623 923 1 973 673
на выходе, Гых 923 303 850 323 923 423 673 423
Оценка эффективности по условной относительной экономии топлива
Зависимости для определения условной экономии топлива получены на основе коэффициента использования располагаемой эксергии:
5В = (Вкомб - Вбаз )/Вбаз , (4)
где Вбаз - «базовый» расход топлива (в основном элементе комбинированной установки); Вкомб -расход топлива в комбинированной теплоэнергетической установке. В качестве базовой в анализе приняты ГТУ и ДВС. Так как расход топлива в комбинированной установке меньше, чем в базовой, то величина 5В имеет минус, который означает экономию топлива [4].
Зависимости имеют вид:
- для ГТУ + ПТУ: 5В = 1/[1 + пУК хПТу (1 - ф)/ф]-1; (5)
- для ГТУ + ДС: 5В = 1/[1 + Пе /(ф • Пмэ)] -1; (6)
- для ГТУ + УК: 5В = 1/[1 + пУК •тУК (1 - ф)/ф]-1. (7)
Оценка эффективности по относительному сроку окупаемости
Определение относительного срока окупаемости комбинированных установок (по отношению к базовым) также основано на коэффициенте использования располагаемой эксергии и соответствует общей зависимости [5]:
5С = Скомб /Сбаз, (8)
где Сбаз - срок окупаемости «базовой» установки; Скомб - срок окупаемости комбинированной теплоэнергетической установки.
Она дает следующие расчетные формулы:
- для ГТУ + ПТУ (ПГУ): 5С = (1 - Т0 /Э0 )/{1 - (Т0 /Э0) • [1 + Пук • %ту • (1 - ф)/ф]}; (9)
- для ГТУ + ДС: 5С = (1 - То / Эо )/{1 -(То / Эо )[1 + Пе ф Пмэ)]}; (10)
- для ГТУ + УК (ДВС+УК): 5С = (1 - То / Эо )/{1 -(То / Эо )[1 + Пук •^ук ^(1 -ф)/ф]}; (11)
где То - текущие затраты (год) в «базовой» установке; Эо - стоимость вырабатываемой энергии (всех видов энергии) за расчетную единицу времени (год). В расчетах использована характерная величина То / Эо = 0,8.
Результаты оценки эффективности по термодинамическим параметрам
Результаты расчетного анализа на основе зависимостей (1)—(11) представлены в табл. 2 и на рис. 1.
Таблица 2
Комбинированные установки 5г|ех для установки в целом 5г| ех для элементов установок Для установок в целом
ГТУ ПТУ ДВС ДС УК 5В 5С
ГТУ + ПТУ (ПГУ), переход от ГТУ к ПГУ 0,666 0,391 0,275 - - - -0,413 0,377
ГТУ + ДС, переход от ГТУ к ГТУ + ДС 0,681 0,375 - - 0,306 - -0,45 0,357
ГТУ + УК, переход от ГТУ к ГТУ + УК 0,537 0,391 - - - 0,146 -0,272 0,480
ДВС + УК, переход от ДВС к ДВС + УК 0,686 - - 0,60 - 0,086 -0,125 0,666
Рис. 1. Характеристики комбинированных теплоэнергетических установок: 1 - ПГУ; 2 - ГТУ + ДС;
3 - ГТУ + УК; 4 - ДВС + УК
Полученные зависимости и выполненные оценки эксергетической эффективности комбинированных установок позволяют сделать следующие выводы:
- термодинамическая эффективность комбинированных теплоэнергетических установок зависит от сочетания параметров составляющих их элементов;
- условная экономия топлива и относительный срок окупаемости установок зависят от коэффициента использования располагаемой эксергии в элементах установок и соотношения этих коэффициентов.
Учет затрат эксергии на создание установок и топлива
В эксергетическом анализе эффективности теплоэнергетических установок в последние 15-20 лет разрабатывается направление, в рамках которого при определении КПД установок, кроме потерь эксергии во всех их элементах, учитываются затраты эксергии на создание установок (создание материалов, изготовление деталей, монтаж узлов и агрегатов в целом), на транспорт и др. (А. И. Андрющенко, А. С. Дубинин, Р. А. Ильин, А. К. Ильин, В. С. Степанов, В. Ф. Симонов, Е. И. Янтовский, І. Воийіеа^ О. Б. Напсоск, I. 82а^и1;, 8. УашаисЫ, К. Биекі и др.).
Действительно, из [7, 8, 11-15], а также [2-6] следует, что затраты эксергии на создание конструкционных материалов достаточно велики (табл. 3) и должны учитываться при оценке эффективности.
Таблица 3
Эксергетическая характеристика некоторых металлов
Материал Химическая эксергия теоретическая ехотеор, 106 кДж/кг КПД реального производства 'Цех Реальная эксергия ехр , 106 кДж/кг ехр по отношению к стали, %
Сталь 0,007 0,15 0,047 100
Титан 0,018 0,02 0,90 1 910
Медь 0,025 0,032 0,78 1 660
Алюминий 0,035 0,096 0,36 766
Цинк 0,05 0,076 0,65 1 380
Никель 0,006 0,016 0,38 809
В табл. 3 еХр = ехотеор/Пр . Дальнейшие технологические затраты эксергии также велики
и могут быть проиллюстрированы на примере схемы для стали (затраты проведены по отношению к ехотеор):
-7 тео /• ЄХо
руда
химиче-
ская
эксергия
материала
► 6> ЄХотЄор -
реальные затраты на получение материала
3- ехотеор прокат стали
4 ехотеор
трубы
стальные
►еХстр —► (10... 20) • еХотеор
(машиностроение: изготовление деталей узлов, монтаж и т. п.)
Эффективность теплоэнергетических установок при эксергетическом анализе мы предлагаем определять по коэффициенту (частные случаи см. в [5, 12 и др.]:
5Пе
5Пех /
1 + 5"Пех/^стр І + 54ех^ топл + 5Пех / X к 1
(12)
где кстр I - коэффициент эксергоотдачи «строительной» эксергии, равный отношению эксергии, полученной за период работы установки, к эксергии, затраченной на создание установки из 1 количества материалов; ктопл - коэффициент эксергоотдачи, учитывающий затраты эксергии на получение (переработку, синтезирование или др.) топлива; к - коэффициенты эксергоотдачи других затрат эксергии (транспорт сырья, материалов, агрегатов, топлива и др.).
В настоящее время при использовании добываемых органических топлив основные затраты эксергии связаны с переработкой исходного сырья, и их величина такова, что они должны учитываться (табл. 4 - по статистическим и литературным данным)).
Таблица 4
Затраты эксергии на получение некоторых топлив при переработке исходного сырья
о
Параметр Мазут Дизельное топливо Природным газ Пропан Этан
Удельная теплота сгорания, 2рн, кДж/кг 40 000 40 000 36 000 45 200 63 800
КПД эксергетический переработки сырья для получения товарного топлива, доли 0,83 0,84 0,87 0,80 0,82
Затраты топлива на переработку сырья, кДж/кг 0,15 • 2рн 0,14 • 2рн 0,115 • 2рн 0,175 • Єрн 0,158 • Єрн
Необходимо отметить также затраты эксергии на добычу топливного сырья. Добыча нефти в настоящее время в России в 3-4 раза дороже, чем в Ираке и в 6 раз дороже, чем в Саудовской Аравии. Это вызвано в том числе и истощением крупных месторождений, обводнением месторождений. Добыча на мелких месторождениях обходится в 10-50 раз дороже, чем на месторождениях с запасами более 10 млн т. Затраты эксергии на транспорт топлива, например, на характерное для России расстояние - 4 000 км, составляют, % от эксергии топлива: нефть -1,5, газ - 18.
Таким образом, затраты на добычу топлива и его транспортировку находятся в достаточно широком диапазоне и могут учитываться при расчетном анализе для конкретных условий. Затраты на получение топлива (табл. 4 и уравнение (12)) должны учитываться в знаменателе (12) по ктопл . Это особенно важно при синтезировании топлив в случаях, когда эти затраты эксергии составляют значительную долю эксергии получаемого топлива или превышают ее (последнее, например, у водорода, имеющего статус «топлива будущего»). В этих случаях теплоэнергетические установки окупаться не могут.
Расчетный анализ по формуле (12) выполнен только с учетом кстр и ктопл и для характерных предельных значений величин 1/кстр и 1/ктопл . Эти условия обозначены на рис. 2.
Рис. 2. Результаты расчетного анализа эффективности теплоэнергетических установок на основе формулы (12) при различных вариантах неучета и учета затрат эксергии на создание установок и топлива для них: 1 - без учета затрат эксергии на создание установки и топлива (1/&о = 0, 1/£топл = 0);
2 - с учетом затрат на создание установки за срок С = 4Сэкс (Сэкс - срок эксергетической окупаемости);
3 - с учетом затрат на создание установки при Сок = Сэкс ; 4 - с учетом затрат на создание установки и затрат на создание топлива при Лтопл = 1,0; А - зона ниже теоретической линии 5^ех полн (при 1/&о = 0 и 1/ктопл = 1) невозможного использования топлива при искусственном синтезировании из химических элементов; В - зона величин 5^ех полн при реальных затратах эксергии на топливо при 1/&о = 1
На основе выполненного анализа можно сделать следующие выводы.
1. Оценка эффективности теплоэнергетических установок, в том числе комбинированных, по термодинамическим параметрам на основе коэффициента располагаемой эксергии может быть достаточно эффективной на стадии выбора типов и параметров установок.
2. Учет затрат эксергии на создание установок и топлива для них, как второй (после п. 1) этап оценки эффективности установок, позволяет более объективно и энергетически точно оценить соответствующее качество установок и устранить возможные при этом ошибки с точки зрения балансов энергии и эксергии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Андрющенко А. И. Методика расчета эксергетической эффективности технологических процессов и производств. - Саратов: СрПИ, 1989. - 68 с.
2. Ильин А. К., Ильин Р. А. Термодинамический анализ парогазовых энергетических установок // Вестн. Воронеж. гос. техн. ун-та. Сер.: Энергетика. - 2004. - Вып. 7.3. - С. 51-52.
3. Ильин А. К., Ильин Р. А., Мовчан В. А. Особенности использования ГТУ с утилизационным котлом // Малая энергетика-2004: тр. Междунар. конф. - М.: Минатом РФ, Минэнерго РФ, 2004. - С. 144-145.
4. Ильин Р. А., Ильин А. К. Условная экономия топлива при совершенствовании теплоэнергетических технологий // Проблемы совершенствования топливно-энергетического комплекса: сб. науч. тр. Вып. 3. - Саратов: СГУ, 2004. - С. 67-71.
5. Ильин Р. А., Ильин А. К. Методология термодинамической оценки эффективности теплоэнергетических технологий // Энергетика России в 21-веке: Развитие. Функционирование. Управление: докл. Всерос. конф. - Иркутск: ИСЭ им. Л. А. Мелентьева СО РАН, 2005. - С. 782-790.
6. Ильин Р. А., Ильин А. К. Эффективность использования двигателей Стирлинга в составе газо-газовых теплоэнергетических установок // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 2008. - № 5. - С. 182-185.
7. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: справ. / под ред. В. А. Григорьева, В. М. Зорина. -М.: Изд-во МЭИ, 2007. - 632 с.
8. Степанов В. С. Исследование термодинамической эффективности процессов с физико-химическими превращениями веществ // Вестн. Сарат. гос. техн. ун-та. - 2008. - № 1 (31), вып. 2. - С. 60-65.
9. Цанев С. В., Буров В. Д., Ремезов А. Н. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций. - М.: Изд. дом МЭИ, 2006. - 584 с.
10. Шишки Н. Д. Оценка эффективности энергосберегающих технологий нефтегазопромысловых объектов // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 2007. - № 6 (41). - С. 110-113.
11. Эксергетические расчеты технических систем / В. М. Бродянский, Г. П. Верхивкер, С. В. Дубовский и др.: справ. пособие. - Киев: Наук. думка, 1991. - 360 с.
12. Янтовский Е. И. Сумма удельных затрат эксергии как критерий эффективности преобразования энергии // Системы преобразования энергии океана. - Владивосток: ДВНЦ АН СССР, 1985. - С. 70-83.
13. Шаргут Я., Петела Р. Эксергия. - М.: Энергия, 1968. - 280 с.
14. BousteadI.., Hancock G. E. Hadbook of industrial energy analysis. - Engl. Chichester: Ellis Horwood h-td, 1979. - 421 p.
15. Yamauchi S., Fueki K. New thermodynamic functions relevant to conservation of energy: theta function and reference of elements // Proc. Int. CODATA Conf. - 1981. - 7. - P. 242-245.
Статья поступила в редакцию 21.01.2009
ESTIMATION OF EFFICIENCY OF COMBINED HEAT POWER INSTALLATIONS ACCORDING TO NEW EXERGY PARAMETERS
R. A. Ilyin
Comparative relative technical and economical criteria (thermodynamic, technical and economic parameters) for combined heat power installations (steam-turbines, gas-turbines, internal combustion engines, and recycling coppers (boilers)) are received. The estimation of their efficiency has shown that the account of exergy consumption to create these installations and fuel for them allows to estimate more objectively and energetically precisely the quality of installations, and to eliminate possible mistakes thus from the point of view of balances of energy and exergy.
Key words: combined heat power installations, efficiency, technical and economical criterions, account of exergy consumption.
