Термодинамическая оптимизация параметров и схем ТЭУ и тепловых сетей.

В качестве критерия при термодинамической оптимизации теплофикационных установок и систем теплоснабжения используется относительная экономия топлива по сравнению с раздельной схемой энергоснабжения. Ниже рассмотрена задача оптимизации коэффициента теплофикации теплофикационной ГТУ.

Для обеспечения качественного теплоснабжения потребителей, повышения энергетической и экономической эффективности систем теплоснабжения, снижения тарифов на тепловую и электрическую энергию необходимо внедрение передовых технологий во всех звеньях теплового хозяйства. В качестве источников целесообразно использовать газотурбинные установки (ГТУ) с комбинированной выработкой электрической и тепловой энергии, обеспечивающих не только системную экономию топлива, но и снижение себестоимости производимых энергоносителей. Вместе с тем, использование разных типов ГТУ на ТЭЦ (без регенерации и с регенеративным подогревом воздуха) даст разный эффект. Так отношение электрической мощности к тепловой у ГТУ без регенерации составляет 0,6-0,8, поэтому для полезного использования отводимой теплоты эти установки целесообразно использовать для покрытия круглогодичной нагрузки горячего водоснабжения. Остальная часть теплового графика Россандера будет покрываться котлами. Годовая доля тепловой энергии, выработанная комбинированным способом, составит 0,4-0,45. Увеличение годовой выработки теплоты комбинированным способом до 0,8-0,85 потребует установки дополнительных агрегатов, которые будут последовательно отключаться по мере снижения тепловой нагрузки в отопительный период и сохранения в работе одного-двух агрегатов в летний период, что приведет к недоиспользованию установленной мощности ТЭЦ. Применение на ТЭЦ ГТУ с внутрицикловой регенерацией позволяет регулировать тепловую нагрузку, а избытки теплоты продуктов сгорания использовать на подогрев воздуха в регенераторе, обеспечивая повышение электрического КПД станции до 35-38%. При этом важным является вопрос о выборе оптимального расчетного коэффициента теплофикации при использовании на ТЭЦ регенеративных ГТУ. С одной стороны увеличение отпуска теплоты от ГТУ приводит к росту экономии топлива от теплофикации, с другой - снижается экономичность производства электроэнергии на ТЭЦ. Определим оптимальное значение коэффициента теплофикации на примере серийно выпускаемой регенеративной ГТУ марки ГТ-009м. В качестве критерия эффективности примем относительную экономию топлива от теплофикации по сравнению с раздельной схемой производства электрической и тепловой энергии. Принятие указанного критерия может быть оправдано в условиях эксплуатации ТЭЦ с такими типами турбин, поскольку капиталовложения в пиковые котлы и котельные раздельной схемы примерно одинаковы. При внедрении ТЭЦ ГТУ в существующие системы теплоснабжения пиковую тепловую нагрузку могут обеспечить вытесняемые котельные. В раздельной схеме предусматривается выработка электрической энергии на ТЭС с такими же как и на ТЭЦ регенеративными ГТУ, но без отпуска теплоты, а тепловой энергии – в котельных. Для обеспечения сопоставимости вариантов отпуск электрической и тепловой энергии сохраняется одинаковым. Тогда выражение критерия эффективности примет вид

, (1)

где , – экономия топлива от теплофикации и расход в раздельной схеме, кг у. т./год.

Экономия топлива от теплофикации представляет разность расходов в раздельной схеме и на ТЭЦ, которая может быть представлена в виде, кг у. т./год:

, (2)

, (3)

где – годовой отпуск теплоты от ТЭЦ комбинированным способом, кВт·ч/год; – КПД котельной; у – отношение электрической мощности ГТУ к тепловой; , – электрические КПД ГТУ при отпуске теплоты от котла-утилизатора (в теплофикационном режиме) и в раздельной схеме; – доля теплоты, использованной в котле-утилизаторе.

Расход топлива в раздельной схеме представим в виде, кг у. т./год:

, (4)

где – годовой коэффициент теплофикации.

Подставляя (2) и (4) в (1) получим, %:

. (5)

Для определения оптимального коэффициента теплофикации выполнены тепловые расчеты ГТ-009м в зависимости от степени регенерации ( ) и температуры наружного воздуха. Результаты расчетов показаны на рис. 1, 2.

Рис. 1. Зависимость электрического КПД теплофикационной ГТУ от степени регенерации: 1 – ^оС; 2 – ^оС; 3 – ^оС; 4 – ^оС

Рис. 2. Зависимость тепловой мощности котла-утилизатора от степени регенерации (обозначения приведены на рис. 1).

Как видно из рисунков значение изменяется в пределах 0,22-0,36, а – в диапазоне 8-23 МВт. Используя эти расчетные характеристики, годовой график коммунально-бытовой тепловой нагрузки и принимая расчетный коэффициент теплофикации ( ) в пределах 0,1-0,5 по (5) вычислялись значения относительной экономии топлива. При этом годовое значение коэффициента теплофикации изменялось в соответствии с его расчетной величиной по годовому графику тепловой нагрузки. В выражении (5) величины у, , принимались средневзвешенными за годовой период эксплуатации станции, изменяющиеся в зависимости от . В расчетах принято =0,92, КПД установок по производству электроэнергии в раздельной схеме 0,36 и 0,52. Результаты вычислений приведены на рис. 3. Как видно из рисунка, оптимальное значение коэффициента теплофикации находится в пределах 0,3-0,35, что на 30-40% ниже принятого ( =0,5) в серийно выпускаемых модулях на базе ГТ-009м. Увеличение КПД ТЭС раздельной схемы с 0,36 до 0,52 приводит к снижению достигаемой экономии топлива в 2,4 раза. Степень регенерации ГТУ при оптимальном расчетном коэффициенте теплофикации составляет 0,47-0,49 и увеличивается с понижением тепловой нагрузки до 0,8 в летний период.

Как показал предварительный анализ оптимальное значение коэффициента теплофикации по технико - экономическому критерию эффективности будет на 3-5% ниже величины, определенной по выражению (5), в результате влияния изменения стоимости котла-утилизатора.

Рис. 3. Изменение относительной экономии топлива от расчетного коэффициента теплофикации: 1 – при КПД ТЭС 36%; 2 – при КПД ТЭС 52%

В заключении следует отметить, что при внедрении в системы теплоснабжения городов малых ТЭЦ с регенеративными ГТУ на базе ГТ-009м расчетный коэффициент теплофикации следует принимать в пределах 0,3-0,35, степень регенерации около 0,5 . С понижением тепловой нагрузки степень регенерации увеличивается до 0,8. Покрытие пиковой тепловой нагрузки целесообразно обеспечивать существующими котельными.

Лекции 4,5