Сравнительная эффективность использования первичной эксергии в теплоэнергетических установках различных видов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 620.92:662.997:621.31

А. К. Ильин, Р. А. Ильин

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПЕРВИЧНОЙ ЭКСЕРГИИ В ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ

Введение

Экономически эффективный потенциал возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в России эквивалентен ~ 25 % внутреннего энергопотребления страны. Однако в настоящее время, при безусловно положительном отношении к возможности и необходимости использования в РФ нетопливных установок на нетрадиционных и возобновляемых источниках энергии, препятствием к этому является их большая металлоемкость, а следовательно - и большая стоимость. Поэтому сравнительная оценка эффективности теплоэнергетических установок различных видов весьма актуальна [1-7 и др.]. Это особенно важно для транспортных, в том числе для энергетических установок морского флота, вследствие необходимости перемещать большие запасы топлива [3].

В настоящей работе кратко изложены результаты сравнительной оценки эффективности установок по основным термодинамическим (эксергетическим) параметрам [3-5]. Рассмотрены установки, вырабатывающие электрическую энергию: традиционные топливные теплоэнергетические установки (парогазовые ПГУ-ТЭС, ДВС, газотурбинные ГТУ-ТЭС, паротурбинные ПТУ-ТЭС, ТЭС на основе двигателя Стирлинга (ДС) и теплоэнергетические установки на ВИЭ (солнечные различных видов и геотермальные). Цель анализа - показать, что по основному, конечному, ценовому (в рублях) параметру, установки на ВИЭ вполне конкурентоспособны по отношению ко всем традиционным топливным установкам.

Сравнительная оценка по коэффициенту затрат первичной эксергии

Важный параметр - затраты эксергии на получение полезной эксергии (электрической энергии) - коэффициент затрат эксергии, который в общем виде в данной работе соответствует понятию

^общ = (-^•^первич + ^хт )/Ехэл , (1)

где Ехпервич - затраты первичной эксергии (топлива в традиционных установках Е/ или природной эксергии Еп в установках на ВИЭ), кДж; Ехт - затраты эксергии на создание установки, кДж, Ехэл - полученная полезная эксергия, кДж, т. е. для топливных установок и установок на ВИЭ соответственно:

к/ =(Ех/ + Ехт Еэл, (2)

Кп =(ЕХп + Ехт )/ЕХэл . (3)

Для получения укрупненного, принципиального результата в затратах на топливные установки учтены только максимальные из затрат - на топливо. Для установок на ВИЭ учтены, как основные, затраты эксергии на создание установок; затраты на топливо отсутствуют. При этих условиях коэффициенты затрат эксергии по (2) и (3) приобретают вид:

к / = Ех / /Ехэл, (4)

кт.ВИЭ = Ехт.ВИЭ/Ехэл . (5)

Результаты расчетного анализа по коэффициентам затрат эксергии к/ и ктВИЭ на основе выражений (4) и (5) представлены соответственно на рис. 1 и 2. На рисунках видно, что затраты эксергии на единицу получаемой полезной эксергии в установках на ВИЭ в 2-4 раза больше, чем в топливных. Это объясняется низким энергетическим потенциалом первых (по температуре), меньшим КПД установок, и, соответственно, большими затратами на создание установок.

5,5

5.0

3.0

2,0

1,0

кДж/кДж *

- макс 1

макс 2 .. ■•‘•Ті: а ;М Г: : : : Виды установок

1 2 3 * ▲

1 6 7 , 4 1

. 5 .

Рис. 1. Затраты первичной эксергии (топлива) на получение полезной эксергии в виде электроэнергии в различных традиционных теплоэнергетических установках:

1 - ПГУ; 2 - ДВС; 3 - ТЭС паротурбинные на угле, газе, мазуте; 4 - ГТУ; 5 - ДС; 6 - ТЭС на водороде, получаемом путем электролиза; 7 - физический (термодинамический максимум для ТЭС на синтетических топливах, при получении которых затрачивается эксергия, равная эксергии полученного топлива; макс 1 - максимальная величина параметра к/ теплоэнергетических установок, которые могут эксплуатироваться после реструктуризации объектов энергетики (соответствует максимальному КПД = 0,4 традиционных паротурбинных ТЭС); макс 2 - то же для проектируемых и вновь создаваемых установок; А - рекомендуемая область значения величины параметра к/ для вновь создаваемых или модернизируемых теплоэнергетических установок

кДж/кДж

Виды установок

6

3

1

3

2

4

Рис. 2. Затраты первичной природной эксергии на получение полезной эксергии в виде электроэнергии в теплоэнергетических установках на ВИЭ: 1 - СЭС на основе цикла Ренкина;

2 - ГеоТЭС, включая комбинированные геотермально-парогазовые установки;

3 - СЭС на солнечных прудах; 4 - фотоэлектрические СЭС из обычных и новых материалов

Однако сравнительная оценка по этому параметру имеет в основном теоретический характер, отражающий необходимость учесть потоки эксергии на топливные и нетопливные установки. Практически же при использовании в последних природной энергии нельзя считать ее затрачиваемой нами. Поэтому в выражении (1) нужно принять Ехпервич и Ех/ равными нулю при анализе по коэффициенту затрат первичной эксергии. Данные же по к/ на рис. 2 показывают косвенно, что габариты и масса установок на ВИЭ должны быть существенно больше, чем в топливных установках.

Сравнительная оценка по сроку эксергетической окупаемости

Для установок на ВИЭ коэффициент ктВИЭ по (5) можно представить в виде

кт.ВИЭ = Ж • т ■ ех0.т / Ж ' Сех, (6)

где Сех - срок эксергетической окупаемости, с; № - полезная мощность установки (в выражении (6) сокращается); т - удельная масса установки, кг/кВт полезной мощности; ех0т - удельные затраты эксергии на создание установки, кДж/кг.

Таким образом, появляется возможность по (6) определять срок эксергетической окупаемости установок на ВИЭ в зависимости от их удельной массы и удельных затрат эксергии на создание установок (последние в значительной степени определяются качеством применяемых материалов, техническим и технологическим уровнем элементов установок). Эксергетическая окупаемость соответствует условию

кт.ВИЭ = 1 (7)

т. е. когда количество полученной эксергии становится равным количеству затраченной.

По (6) и (7) определены и представлены на рис. 3 сроки эксергетической окупаемости теплоэнергетических установок на ВИЭ в широком диапазоне параметров. Очевидно, что сущест-

вуют зоны, где величины Сех имеют вполне приемлемые для практики значения.

Рис. 3. Срок эксергетической окупаемости Сех теплоэнергетических установок на ВИЭ с учетом затрат эксергии только на создание установок в зависимости от их удельной массы и при различных удельных затратах эксергии ех0т, кДж/кг. Линии:

.......- предел инвестиционной и инновационной привлекательности; “ ■ “ ■ ~ - предел

технико-экономической целесообразности в настоящее время. Зона «Б» выше линии — ■ — ■ — зона неэффективного сочетания удельной массы и качества материалов установок

Сравнительная характеристика по коэффициенту затрат эксергии при реальном сроке использования установок на ВИЭ

Из (6) очевидно, что при увеличении срока использования установок на ВИЭ коэффициент затрат эксергии ктВИЭ будет уменьшаться. Большое значение при этом будут иметь величины параметров ех0т и т. Результаты расчетного анализа влияния на этот коэффициент указанных параметров приведены на рис. 4, на котором видно, что сочетание параметров может дать величину коэффициента ктВИЭ от 0,02 до 0,60.

© © кт.ВИЭ , кДж/кДж —► @ @

Рис. 4. Зависимость коэффициента затрат эксергии £т.ВИЭ на создание теплоэнергетических установок на ВИЭ от удельной массы установок т и срока их использования С при различных удельных затратах эксергии на создание установок:

1 - ех0т = 0,2 • 106 кДж/кг; 2 - 0,1 • 106; 3 - 0,05 • 106; 4 - 0,01 • 106

При таком диапазоне изменения величины очевидна необходимость сравнительного анализа при создании установок по материалам, по простоте конструкторских решений, по планируемому сроку использования и по виду установок. Это анализ не представляет трудностей из-за простоты аналитической зависимости (6) и выполняется на этапе выбора вида установок для определенных объектов, условий, географического назначения и т. п.

Сравнение по финансовым затратам

Представляет интерес сравнение топливных установок и установок с использованием ВИЭ по финансовым затратам на их работу: для топливных установок это затраты на топливо, а для нетопливных установок - первоначальные затраты на создание установок, отнесенные к такому же сроку использования, что и для топливных установок. Сравниваются параметры установок при одинаковой полезной мощности (1 МВт) и одинаковом сроке использования (20 лет).

На рис. 5 приведены затраты на топливо для топливных установок в ценах 2009 г. и затраты на 2010 и 2020 гг. при условии увеличения цен на топливо (природный газ) по прогнозам авторов [1]. На рис. 6 приведены затраты на создание установок на ВИЭ, отнесенные к одному году их использования.

Рис. 5. Результаты расчетов годовых затрат на топливо (природный газ, Qнр = 36 000 кДж/(н • м3) для теплоэнергетических установок при мощности 1 МВт и стоимости газа 2 000 руб./1 000 н • м3 -линия 2009; области 2010 и 2020 г. соответствуют прогнозным ценам на газ по [1]:

- по минимальным оценкам,..........- по максимальным оценкам

Рис. 6. Затраты на создание теплоэнергетических установок мощностью 1 МВт на ВИЭ в зависимости от удельных затрат, руб./кВт, и от удельной массы установок, кг/кВт, отнесенные к одному году использования установок (при общем сроке использования 20 лет)

Результаты сравнения представлены в табл. 1. Они достаточно ясно подтверждают тезис, что при выборе видов теплоэнергетических установок для определенных объектов и условий необходимо в число вариантов установок включать и установки на ВИЭ.

Таблица 1

Расчетные сравнительные характеристики (в ценах 2009 г.) топливной теплоэнергетической установки и установки на ВИЭ при одинаковой полезной мощности (1 МВт) и одинаковом сроке использования (20 лет)

Характеристики, млн руб./год Обозна- чения Г оды использования

1 2 3 4 с 5 по 20

Топливная установка (ПГУ)

Затраты на топливо Т 5 5 5 5 По 5 в год

Затраты на создание установки, отнесенные к сроку использования (по [1]) К 0,9 0,9 0,9 0,9 По 0,9 в год

Доход от реализации электроэнергии при 2 руб./(кВт • ч), с учетом коэффициента загрузки Д 14 14 14 14 По 14 в год

Прибыль: П = Д - Т - К П 8,1 8,1 8,1 8,1 По 8,1 в год

Общая прибыль за период использования = 162 млн руб.

Установка на ВИЭ

Затраты на топливо Т 0 0 0 0 0

Затраты на создание установки, отнесенные к сроку использования К 4 4 4 4 По 4 в год

Доход от реализации электроэнергии (при 2 руб./(кВт • ч) с учетом коэффициента загрузки Д 14 14 14 14 По 14 в год

Прибыль: П = Д - Т - К П 10 10 10 10 По 10 в год

Общая прибыль за период использования = 200 млн руб.

Выводы

В качестве выводов представлена табл. 2.

Таблица 2

Основные важные сравнительные свойства топливных теплоэнергетических установок и установок на ВИЭ

Характеристики Т опливные установки Установки на ВИЭ

Затраты на создание Существенно меньше В несколько раз больше

Затраты на топливо Существенная доля от дохода Отсутствуют

Удельная масса установок, кг/кВт полезной мощности Существенно меньше В 4-6 раз больше

Срок окупаемости Меньше Больше в 1,5-2 и более раз

Отторгаемая территория До 40 и выше МВт/км2 с учетом территорий на добычу, переработку, хранение и др. и вида топлива 40 до 100 МВт/км2

Потери потенциальной природной энергии (солнечной) вследствие занимаемой территории Теряется полностью Используется для получения электроэнергии

Затраты эксергии на получение полезной эксергии, кДж/кДж Не менее 0,8 Существенно меньше (рис. 4)

Общая прибыль за период 20 лет (Ж = 1 000 кВт) 162 млн руб. 200 млн руб.

Безусловно, при подробном финансово-экономическом анализе, кроме сравнения технико-экономических данных (табл. 1 и 2), учитывается финансовое состояние инвестора, условия кредитования, энергетическая ситуация в районе, где создается источник энергии, отсутствие других источников энергии, экологические ограничения и др.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сравнительная эффективность развития генерирующих источников / Р. З. Аминов, А. Ф. Шкрет, М. В. Гариевский, Е. Ю. Бурденкова // Проблемы совершенствования топливно-энергетического комплекса. - Вып. 5. - Саратов: Изд-во СГУ, 2008. - С. 37-44.

2. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии России / П. П. Безруких, Ю. Д. Арбузов, Г. А. Борисов и др. - СПб.: Наука, 2002. - 314 с.

3. Ильин А. К., Ильин Р. А. Термодинамическая эффективность нетопливных теплоэнергетических установок // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. - 2009. - № 1. - С. 176-180.

4. Ильин Р. А., Ильин А. К. Рейтинг современных теплоэнергетических установок // Академия энергетики. - 2009. - № 3. - С. 90-93.

5. Ильин Р. А. Сравнительная эффективность комбинированных теплоэнергетических установок // Промышленная энергетика. - 2009. - № 10.

6. Макаров А. А. Сверхзадача - «Учение об энергетике» // Изв. РАН. Энергетика. - 2008. - № 6. - С. 3-14.

7. Янтовский Е. И. Сумма удельных затрат эксергии как критерий эффективности преобразования энергии // Системы преобразования энергии океана. - Владивосток: ДВНЦ АН СССР, 1985. - С. 70-83.

Статья поступила в редакцию 31.09.2009

COMPARATIVE EFFICIENCY OF USE OF PRIMARY EXERGY IN HEAT-AND-POWER INSTALLATIONS OF VARIOUS KINDS

A. ^ Ilyin, R. A. Ilyin

The comparative analysis of exergic efficiency of fuel heat-and-power installations of various kinds and installations on renewed energy sources is made. High economic competitiveness of these installations is shown.

Key words: heat-and-power installations, fuel, renewed energy sources, exergic efficiency, comparative economic analysis, competitiveness.