CC BY
18ПРОБЛЕМЫ
НЕФТЕГАЗОВОЙ И УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
PROBLEMS OF OIL, GAS AND COAL INDUSTRY
Статья поступила в редакцию 15.05.10. Ред. рег. № 806 The article has entered in publishing office 15.05.10. Ed. reg. No. 806
УДК 662.641
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ МИНИ-ТЭС, РАБОТАЮЩИХ НА ТВЕРДОМ ТОПЛИВЕ
О.В. Афанасьева, С. С. Вандышева, Г.Р. Мингалеева
Исследовательский центр проблем энергетики Учреждения Российской академии наук Казанского научного центра РАН 420111 Казань, ул. Лобачевского, д. 2/31, а/я 190 Тел.: (843)273-05-71; факс: (843)273-92-31; e-mail: eccolga@mail.ru
Заключение совета рецензентов: 05.06.10 Заключение совета экспертов: 15.06.10 Принято к публикации: 20.06.10
В данной работе представлены результаты оценки эффективности схем мини-ТЭС, работающих на угле и торфе. В качестве основных параметров выступают электрическая мощность, которую необходимо обеспечить потребителям, и характеристики топлива, которое планируется сжигать на мини-ТЭС. Определение показателей эффективности проводится посредством эксергетического и термоэкономического анализа. Эксергетический КПД для мини-ТЭС на угле составил 25,5%, коэффициент термоэкономической эффективности 24,9%, на торфе - 28 и 27,9% соответственно.
Ключевые слова: мини-ТЭС, твердое топливо, термодинамический анализ, эксергия, термоэкономическая эффективность.
ESTIMATION OF EFFICIENCY MINI-THERMAL POWER PLANTS OPERATING ON FIRM FUEL
O.V. Afanasjeva, S.S. Vandysheva, G.R. Mingaleeva
Research Center for Power Engineering Problems, Russian Academy of Sciences 2/31 Lobachevskogo str., Kazan', 420111, Russia Tel.: (843)273-05-71; fax: (843)273-92-31; e-mail: eccolga@mail.ru
Referred: 05.06.10 Expertise: 15.06.10 Accepted: 20.06.10
In the given work results of an estimation of efficiency of schemes mini-thermal power plants, working on coal and peat are presented. Basic parameters act electric capacity which it is necessary to provide to consumers and characteristics of fuel which is planned to burn on mini-thermal power plants. Definition of indicators of efficiency is spent by means of exergetic and the thermoeconomic analysis. The exergetic efficiency for mini-thermal power plant on coal has makes 25,5%, factor of ther-moeconomic efficiency - 24,9%, on peat - 28% and 27,9% accordingly.
Keywords: mini thermal power-plant, solid fuel, thermodynamic analysis, exergy, thermoeconomic effectiveness.
Ольга Валерьевна Афанасьева
Сведения об авторе: аспирант Исследовательского центра проблем энергетики КазНЦ РАН.
Образование: инженер, факультет пищевой инженерии Казанского государственного технологического университета им. Кирова (2006 г.).
Область научных интересов: малая энергетика, теплоэнергетические системы, термодинамический анализ, газификация, энергосбережение, экология.
Публикации: 24.
Светлана Сергеевна Вандышева
Сведения об авторе: аспирант Исследовательского центра проблем энергетики КазНЦ РАН.
Образование: инженер, факультет инженерных систем и экологии Казанского государственного архитектурно-строительного университета (2008 г.).
Область научных интересов:
газификация твердого топлива, теплоэнергетические системы, термодинамический анализ, энергосбережение, экология.
Публикации: 6.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 6 (86) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
Сведения об авторе: канд. техн. наук, зав. лабораторией Моделирования систем производства энергии Исследовательского центра проблем энергетики КазНЦ РАН.
Образование: инженер-физик, факультет двигателей летательных аппаратов Казанского государственного технического университета им. Туполева (1992 г.).
Область научных интересов: энергетика, системы подготовки твердого топлива, химическая термодинамика.
Публикации: 82, включая 1 монографию, 1 патент, статьи в центральных рецензируемых журналах и сборниках докладов научных российских и международных конференций.
Гузель Рашидовна Мингалеева
Введение
Современное промышленное производство характеризуется усилением тенденций энерго- и ресурсосбережения. Особенно это актуально для России, поскольку энергоемкость производства продукции в нашей стране в 3 и более раз выше, чем в промыш-ленно развитых странах. Одной из причин такой ситуации являются значительные потери при передаче энергии от производителей потребителям, которые могут быть практически ликвидированы при организации собственного источника энергоснабжения для отдельного промышленного предприятия или жилого комплекса - малой тепловой электростанции (ми-ни-ТЭС), предназначенной для комбинированной выработки тепловой и электрической энергии.
Анализ многочисленных технических решений в области проектирования и использования мини-ТЭС показывает, что в качестве топлива в основном выбирается природный газ. Однако при этом вряд ли может быть обеспечена действительная автономность данного энергоисточника в связи с необходимостью «привязки» к магистральным газопроводам, поскольку для подавляющего большинства регионов газ является привозным топливом.
Альтернативным решением для мини-ТЭС является выбор твердого топлива - каменного и бурого угля, торфа, горючих сланцев, древесины и др. Данные виды твердого топлива являются в основном местными, а затраты на их транспортировку - минимальными.
Экологические проблемы, возникающие при использовании твердого топлива на мини-ТЭС, связаны как с выбросами в атмосферу, так и с образованием твердых отходов - золы и шлака. Основная масса этих отходов улавливается в золоуловителях или системах золо- и шлакоудаления и направляется на золоотвалы, которые со временем переполняются и начинают представлять угрозу для окружающей среды, поэтому необходимо проведение мероприятий по обезвреживанию отходов, выбросов и стоков при использовании твердого топлива [1]. Для комплексного решения этих задач необходимы такие технологии, при внедрении которых тепловая электростанция становится многопрофильным предприятием, производящим не только электроэнергию, но и утилизирующим твердые, жидкие и газообразные выбросы и отходы в полезное
сырье для последующего использования в различных отраслях промышленности.
Для того чтобы решение о создании мини-ТЭС было обоснованным и работа ее в течение многих лет являлась эффективной и выгодной для потребителя, необходимо учитывать такие важные факторы, как доступность, взаимозаменяемость и динамика цен на различные виды твердого топлива, возможность утилизации побочных продуктов и отходов.
Целью данной работы является оценка эффективности мини-ТЭС, работающих на угле и торфе.
Теоретическая часть
Использование угля и торфа в малой энергетике
Уголь является одним из главных источников получения тепловой энергии, а также представляет собой ценное сырье для химической переработки с целью получения необходимых для промышленности продуктов. По данным Минэнерго РФ, добыча угля в России в 2009 г. составила 212,5 млн т. Основные запасы угля в России сосредоточены в нескольких бассейнах: Ленском (1647 млрд т), Тунгусском (2345 млрд т), Канско-Ачинском (601 млрд т) и Кузнецком (725 млрд т). Роль того или иного угольного бассейна в территориальном разделении труда зависит от количества и качества ресурсов, степени их подготовленности для промышленной эксплуатации, размеров добычи, особенностей транспортно-географи-ческого положения и др. По совокупности этих условий выделяются основные межрайонные угольные базы - Донецкий, Кузнецкий, Карагандинский и Печорский бассейны.
На энергетическом рынке в сложившихся в мировом масштабе условиях торф необходимо рассматривать как стратегический ресурс России, и в ближайшее время в соответствии с Федеральной программой «Энергетическая стратегия России на период до 2030 года» он вновь должен стать одним из широко используемых видов топлива [2].
В настоящее время торф рассматривается в первую очередь как ценное сельскохозяйственное удобрение. Однако запасы его велики, к тому же он относится к категории возобновляемых горючих ископаемых (при правильном регулировании жизни торфяных болот, где идет его непрерывное накопление), поэтому торф и в дальнейшем может рассмат-
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 6 (86) 2010 © Научно-технический центр «TATA», 2010
риваться как энергетическое топливо, особенно при переходе к комплексному его использованию [3].
Известно, что Российская Федерация по запасам торфа является богатейшей страной в мире. До 1958 г. добыча торфа постоянно развивалась и с 1913 г., когда добывалось 1688 тыс. тонн торфа, к 1940 г. увеличилась в 18 раз, а в 1958 г. - в 25 раз, достигнув значения 42500 тыс. тонн в год [4]. В начале 90-х годов Россия занимала ведущие позиции в мировом масштабе по его добыче и использованию. Объем добычи достигал 150 млн тонн в год, из которых 30 млн тонн использовалось в энергетике в качестве топлива. В настоящее время добыча торфа составляет 2,5 млн тонн, а из 80 энергообъектов, работающих на торфе, осталось 11 электростанций и 3 ТЭЦ [5].
В то же время такие страны, как Финляндия, Швеция, Канада, обогнали Россию по производству торфа и используют его как топливо местного значения.
Торф характеризуется высокой влажностью, достигающей в мокрой залежи 95% и в сухой 80-85%. Зольность торфа составляет 3-17% в зависимости от условий образования залежи. В зависимости от способа добычи различают торф кусковой и фрезерный. Наиболее частое применение находит фрезерный торф.
Несомненно, использование угля и торфа представляется наиболее перспективным для потребителей, непосредственно примыкающих к местам его добычи, поскольку затраты на транспорт от торфо- и угледобывающих предприятий и себестоимость топлива уменьшаются благодаря небольшому расстоянию до места потребления. Более того, повышается надежность энергоснабжения, так как потребители не будут зависеть от привозного топлива.
Использование угля и торфа в качестве топлива для мини-ТЭС позволяет создать условия автономности, так как для их поставки на электростанцию не требуется прокладка специализированных коммуникаций, трубопроводов, а топливо может доставляться на станцию различными видами транспорта (железнодорожным, автомобильным, речным и морским). Склад топлива может располагаться в непосредственной близости от электростанции.
Определение эксергетической и термоэкономической эффективности мини-ТЭС, работающих на твердом топливе При оценке эффективности производства энергии в технологических схемах необходимо основываться на экономических и термодинамических показателях. Наиболее перспективно для этой цели применение термоэкономического принципа. Основной идеей термоэкономического метода является использование для оценки изменений, происходящих в термодинамической системе, некоторых обобщенных характеристик, обеспечивающих получение конечного заданного эффекта. Полученные на основе термодинамического и термоэкономического анализа показатели дают возможность оценить параметры, влияющие на эффективность, а также сравнивать различные схемы
мини-ТЭС с последующим выбором наиболее эффективной и экономически целесообразной.
Определение эффективности технологической схемы мини-ТЭС условно можно разделить на следующие этапы:
- определение структуры мини-ТЭС на твердом топливе;
- подбор типового серийно выпускаемого оборудования в зависимости от электрической мощности, которую необходимо обеспечить потребителям (условно примем, что в качестве основного исходного параметра выступает электроэнергия, в то время как тепловая энергия является побочным продуктом);
- определение расхода генераторного газа для основного оборудования в зависимости от его теплоты сгорания;
- вычисление расхода исходного топлива;
- определение теплового и эксергетического КПД аппаратов и всей схемы;
- определение термоэкономической эффективности с учетом цены топлива и дальности его доставки.
Термодинамический анализ, основанный на I и II законах термодинамики, наиболее часто применяется для анализа энергетических систем. Основной задачей термодинамического анализа является исследование процессов, которые происходят с объектами вследствие внешнего энергетического воздействия. Определяемыми показателями в этом случае выступают конечное состояние объекта, достигаемое в результате проведения процесса, произведенная тепловая и электрическая энергия.
В качестве инструмента для оценки термодинамической эффективности выступает эксергетиче-ский анализ, состоящий в определении эксергетиче-ских балансов как для каждого аппарата, так и для всей схемы. В качестве критерия эффективности выбран эксергетический коэффициент полезного действия - Пех.
Степень технико-экономического совершенства Ф, или коэффициент термоэкономической эффективности, представляет собой отношение стоимости единицы введенной эксергии к стоимости единицы полученной эксергии [6]:
ф = c1/c2.
(1)
Поскольку полная стоимость эксергии на выходе из системы включает в себя затраты на доставку и подготовку топлива, можно записать:
Е2 с2 = Е1с1 + ^ (к + Э) + ЗД
(2)
где с - стоимость единицы введенной эксергии, руб./кДж-год; с2 - стоимость единицы полученной эксергии, руб./кДж-год; Е\ и Е2 - введенная и полученная эксергия соответственно, кДж/кг; п - количество блоков в системе, к - удельные капитальные затраты, руб./год, Э - эксплуатационные затраты, руб./год, Зд - затраты на доставку топлива, руб./год.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 6 (86) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
Тогда коэффициент термоэкономической эффективности можно рассчитать по формуле
Ф = -
Пе
1+ |£ (к+Э) + Зд/Ес
(3)
где Пех - эксергетический КПД.
Величина ф возрастает с увеличением эксергети-ческого КПД и снижается при увеличении затрат
X (к + Э),..
Практическая часть
Описание технологической схемы мини-ТЭС, работающей на твердом топливе
Ввиду относительно малого интереса к исследованиям в области малой энергетики, использующей твердое топливо, в литературе встречаются лишь отдельные разработки технологических схем мини-ТЭС.
Согласно [4] в Финляндии разработаны и выпускаются энергетические установки мощностью до 25 МВт. В основном это паротурбинные электростанции, где торф сжигается в котлах для получения пара высокого давления, который затем направляется в силовую турбинную установку, вращающую электрический генератор. Однако наиболее перспективной в этом плане представляется идея получения энергии в небольших установках от 50 до 2000 кВт путем газификации угля и торфа и сжигания газа в дизельных установках. Теплота сгорания генераторного газа, полученного из торфа с применением паровоздушного дутья, составляет 5400-6500 кДж/нм3 [3]. Вместе с тем основными недостатками торфа являются небольшая механическая прочность, высокая зольность и легкоплавкость золы, ввиду чего в камере газификации накапливается много мелочи и шлака, которые необходимо удалять.
Принципиальная схема мини-ТЭС, работающей на твердом топливе: 1 - система подготовки топлива; 2 - газогенератор; 3 - циклон; 4 - теплообменник; 5 - скруббер; 6 - дизель-генератор; 7 - котел; 8 - дымосос; 9 - труба The basic scheme of mini thermal power plant operating on firm fuel: 1 - system of fuel preparation; 2 - gas-generator; 3 - cyclone; 4 - heat exchanger; 5 - scrubber; 6 - dieselgenerator; 7 - boiler; 8 - smoke exhauster; 9 - funnel
В данной работе в качестве примера для проведения анализа выбрана мини-ТЭС [7, 8], работающая на твердом топливе, оборудованная дизель-генератором, принципиальная схема которой приведена на рисунке. Электрическая и тепловая мощность для рассматриваемой мини-ТЭС составляет 2,7 и 2,4 МВт соответственно.
В качестве топлива для дизель-генератора в схемах используется генераторный газ, получаемый при газификации торфа и угля. Определение эксергети-ческой эффективности мини-ТЭС, работающей на твердом топливе, проводится посредством основных зависимостей, которые представлены в [9, 10].
Характеристики угля и торфа, а также состав генераторного газа, получаемого при их газификации, приведены в табл. 1.
Таблица 1
Характеристики топлива и получаемого из него генераторного газа
Table 1
Characteristics of fuel and generator gas received from it
Показатель Торф фрезерный Уголь
Расход топлива, кг/с 0,43 1,1
С, % 57,9 70,0
Н, % 5,25 4,8
О2, % 35,1 23,6
Б, % 1,10 0,8
А, % 5,5 9,0
Ш, % 50 37,7
Уг, % 70 47,0
внр, кДж/кг 22614 14455
Генераторный газ
Расход генераторного газа, кг/с 1,53 3,3
СО2, % 8 15,1
Н2Б, % 0,1 -
СиИ2И, % 0,4 -
О2, % 0,2 0,4
СО, % 28 15,6
Н2, % 15,0 15
СН4, % 3 2,3
ы2, % 45,3 51,6
вн , кДж/м3 4729 4016
Расход шлака, кг/с 0,15 0,25
При расчете схемы мини-ТЭС необходимо определить характеристики теплоносителей, подводимых к системе (вода, воздух, топливо) и отводимых от нее потоков: тепловой и электрической энергии, продуктов сгорания и сетевой воды. В качестве полезных составляющих эксергии всей схемы учитывается эксергия тепловой и электрической энергии, в качестве затрат - эксергия топлива, воздуха, необходимых для проведения процессов в схеме.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 6 (86) 2010 © Научно-технический центр «TATA», 2010
Для мини-ТЭС, работающей на угле, выражение для определения эксергетического КПД пех можно представить в виде
^+Е Е'в_
Пех =
E +У E + E +У L + У E' + Е + E'
у ^^ в п ^^ ^^ св мех са
(4)
где Еу - эксергия угля; ЬдГ - электрическая мощность дизель-генератора; ^ Е'в - суммарная эксергия сетевой воды на входе; ^Ес" - суммарная эксергия сетевой воды на выходе; ^ Ев - суммарная эксергия воздуха; Еп - эксергия пара; ^ Ь - суммарная электрическая мощность аппаратов; Емех - эксергия теплового потока, выделяющегося при работе мелющих органов мельницы, Ес'а - эксергия сушильного агента, поступающего в мельницу.
Для схемы мини-ТЭС, работающей на торфе, уравнение пех примет следующий вид:
Пех =
L^ + £ e:
E +У E +У L + У E'
т ^^ в ^^ ^^ св
(5)
где Ет - эксергия торфа, остальные обозначения - как в формуле (4).
Результаты эксергетического анализа представлены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты эксергетического анализа мини-ТЭС на торфе и угле
Table 2
Results of exergetic analysis for mini thermal power plant on peat and coal
Наименование аппарата Фрезерный торф, % Уголь, %
Газогенератор 62 60
Охладитель 90 92
Дизель-генератор 41 25
Утилизационный теплообменник 35 20
Вся схема 28 25,5
Полученные значения эксергетических КПД находятся на уровне для мини-ТЭС, работающих на твердом топливе, рассчитанных ранее [11, 12].
Согласно расчетам, коэффициент термоэкономической эффективности для мини-ТЭС, работающей на торфе, составляет 27,9%, с учетом доставки на расстояние 100 км - 0,37%, на угле - 24,9% и 0,3% соответственно. Полученные значения показывают, что для данной схемы мини-ТЭС и соотношения цен на уголь и торф как 2:1 использование торфа выгоднее. Равные значения показателя термоэкономической эффективности достигаются при транспортировке угля только на небольшое расстояние в 6 км.
Заключение
Предложенная в работе последовательность определения эффективности технологических схем мини-ТЭС методами эксергетического и термоэкономического анализа позволяет провести сравнительную оценку подобных схем, использующих в качестве энергоресурса различные виды твердого топлива. В качестве основных показателей, от которых будет зависеть структура схемы, ее аппаратурное оформление, выбор того или иного окислителя для проведения процесса газификации и, соответственно, балансовые зависимости, будут выступать электрическая мощность, которую необходимо обеспечить потребителям, и характеристики топлива, которое планируется сжигать на ми-ни-ТЭС.
Работа выполнена при финансовой поддержке Федерального агентства по образованию (гос. контракт № П 763) и Федерального агентства по науке и инновациям (ГК № 02.740.11.0062, № 02.740.11.0685) в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.
Список литературы
1. Бухонов Д.Ю. Эффективность многоцелевого использования твердого топлива на ТЭС // Теплоэнергетика. 2003. № 3. С. 65-67.
2. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года. М.: ГУ ИЭС, 2009.
3. Белосельский Б.С., Барышев В.И. Низкосортные энергетические топлива: особенности подготовки и сжигания. М.: Энергоатомиздат, 1989.
4. Лешин Г.И. Возможности использования торфа в энергетике // Теплоэнергетика. 2004. Вып. 1-2. С. 87-90.
5. Лаптев А.Г., Лапчедульче Н.К., Сергеева Е.С. Комплексное использование торфа в энергетике // Труды Академэнерго. 2007. № 4. С. 28-31.
6. Мартыновский В. С. Анализ действительных термодинамических циклов. М.: Энергия, 1972.
7. Солнцев Е. Б., Соснина Е. Н. Альтернативные источники энергоснабжения сельских школ // Энергоэффективность: опыт, проблемы, решения. 2005. Вып. 23. С. 55-57.
8. Боровков В.М., Зысин Л.В. Основные направления развития мини-ТЭЦ на основе современных парогазовых технологий // Известия АН. Энергетика. 2001. № 1. С. 100-105.
9. Бродянский В.М., Фратшер В., Михалек К. Эксер-гетический метод и его приложения. М.: Энергоатомиз-дат, 1988.
10. Шаргут Я., Петела Р.М. Эксергия. М: Энергия, 1968.
11. Афанасьева О. В., Мингалеева Г. Р. Эксергетиче-ская эффективность угольных мини-ТЭС как критерий перспективности их широкого использования // Химия твердого топлива. 2009. № 1. С. 64-69.
12. Афанасьева О. В. Сравнительный анализ термодинамической эффективности мини-ТЭС различных типов // Матер. докл. VI Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством акад. РАН В.Е. Алемасова. 2008. С. 362-365.
ГхП — TATA —
CXJ
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 6 (86) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
