Методы повышения энергоэффективности теплогенерирующих установок
Автор: Поспелов И.А.
Журнал: Международный журнал гуманитарных и естественных наук @intjournal
Рубрика: Технические науки
Статья в выпуске: 9-5 (96), 2024 года.
Бесплатный доступ
В статье рассмотрена техническая эффективность и эффективность ТЭЦ с точки зрения системных операторов и потребителей. Обсуждаются и сравниваются характеристики с точки зрения моделирования ТЭЦ, целей оптимизации, ограничений и алгоритмов и т.д. Исследование полезно для обеспечения более экономичной работы КЭС и более прибыльной эксплуатации системы ТЭЦ системными операторами и владельцами установок.
Эффективность, тэц, мощность, стоимость электроэнергии, оптимизация
Короткий адрес: https://sciup.org/170207312
IDR: 170207312 | DOI: 10.24412/2500-1000-2024-9-5-16-20
Текст научной статьи Методы повышения энергоэффективности теплогенерирующих установок
Чтобы справиться с глобальным изменением климата и сократить выбросы углекислого газа, требуется высокая доля возобновляемых источников энергии в первичном энергоснабжении. Традиционно возобновляемые источники энергии получили широкое развитие в секторе электроэнергетики. В последние годы предлагаются концепции интеграции возобновляемых источников энергии в интегрированную энергетическую систему (ИЭС), которая представляет собой интеграцию различных энергетических секторов [1]. Среди различных энергетических технологий, которые объединяют различные отрасли энергетики, теплоэлектроцентраль (ТЭЦ) имеет большое значение благодаря своей высокой эффективности. Как правило, ТЭЦ, работающая на газе и вырабатывающая тепло и электроэнергию, является хорошим примером интеграции секторов газоснабжения, электричества и отопления. Различные технологии и размеры ТЭЦ могут удовлетворить различные потребности в электроэнергии и тепле, такие как централизованная ТЭЦ, подключенная к системе централизованного теплоснабжения (ЦТ) и сети на уровне передачи, децентрализованная ТЭЦ, подключенная к ЦТ и сети на уровне распределения, и микроТЭЦ на уровне здания. Кроме того, ТЭЦ, подключенные к сети централизованного теплоснабжения, могут обеспечивать отопление помещений и горячее водо- снабжение. Эффективность - это способность энергоблока или системы реагировать на изменение спроса и предложения. Техническая эффективность электростанций - это возможность изменять выходную мощность и обеспечивать физическую эффективность системы. Для того чтобы оптимально использовать возникающую техническую эффективность, необходимы адекватное регулирование системы и структура рынка [2]. Техническая эффективность оценивается с точки зрения их способности способствовать повышению эксплуатационной гибкости системы, такой как интеграция возобновляемых источников энергии, безопасность и экономичность функционирования энергетической системы, а также получение прибыли на различных рынках. Таким образом, оптимальная стратегия эксплуатации ТЭЦ может обеспечить прибыльную и безопасную работу как электроэнергетического, так и теплового секторов. Повышая эффективность ТЭЦ за счет интеграции тепловых аккумуляторов, электрических котлов и тепловых насосов, можно еще больше увеличить распространение возобновляемых источников энергии в секторе электроэнергетики.
Было изучено несколько обзоров литературы по эксплуатации и технологиям ТЭЦ. В работе [3] представлен всесторонний обзор проблемы диспетчеризации ТЭЦ с использованием эвристических и мета-эвристических методов оптимизации. Исследование проводилось в рамках стратегии минимизации общих затрат на топливо для энергетических и отопительных установок. Был проведен анализ эффективности различных эвристических методологий. В работе [4] обобщены методологии, которые используются для оценки энергетических характеристик, результатов полевых испытаний и оптимальной операционной системы систем ТЭЦ. Технологии ТЭЦ сгруппированы по различным масштабам систем ТЭЦ. Представлен всесторонний обзор планирования и оптимизации эксплуатации. В статье основное внимание уделялось алгоритму оптимизации и типам целевых функций, при этом меньше внимания уделялось правилам диспетчеризации. В рассмотренных обзорных исследованиях редко обсуждались об- ласти применения и техническая эффективность систем ТЭЦ с точки зрения их размеров и технологий. Кроме того, систематически не анализировалась взаимосвязь между операционной системой системы ТЭЦ и ограничениями энергетической системы, рыночными стимулами и арбитражными возможностями.
Характеристики теплоэлектроцентралей
Являясь ключевым компонентом, соединяющим ЦОД и электроэнергетическую систему, ТЭЦ играют важную роль как в ЦОД, так и в электроэнергетических системах с высокой эффективностью выработки электроэнергии. На рисунке 1 и 2 показана доля ТЭЦ в ЦОД и электроснабжении для разных стран на 2020 год, соответственно.
Процентная доля поставок ЦТ от ТЭЦ

Рис. 1. Процентная доля поставок ЦТ от ТЭЦ
ТЭЦ могут обеспечивать теплом и электроэнергией до 90% и 66% ЦОД и энергосистемы соответственно. Существует большой потенциал для увеличения мощностей ТЭЦ во всем мире. DH может помочь электроэнергетической системе повысить уровень использования возобновляемых источников энергии и сбалансировать выработку электроэнергии благодаря взаимодействию между двумя энергетическими системами, такими как ТЭЦ и электронагревательные установки.
Результаты исследования
Первичные двигатели ТЭЦ используются для сжигания топлива и выработки механической энергии для приведения в действие генераторов для выработки электроэнергии. Теплообменники используют тепло, выделяемое первичным двигателем
Доля поставок электроэнергии от ТЭЦ
I Швеция ^^™
Чехия ^^^^м
Хорватия ^^^^^^н
Финляндия ^^^^^^^^^^^м^^^^^^ж
Румыния ^^н
Россия ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^™
Польша ^^^^^^^^^^
Л итва ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ш Латвия ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ш Дания ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
Германия ^^^^^^^^^^м
Болгария ^^^^"
Австрия ^^"^^^^^
О 10 20 30 40 50 60 70
Рис. 2. Доля поставок электроэнергии от ТЭЦ и генератором, в качестве тепловой мощности. Технологии ТЭЦ, классифицированные по типам первичных двигателей, включают поршневые двигатели, газовые турбины, паровые турбины, топливные элементы (ТЭ) и микротурбины. В зависимости от области применения, существуют три группы ТЭЦ: промышленные ТЭЦ, небольшие коммерческие и бытовые ТЭЦ и ЦТ-ТЭЦ. Техническая эффективность ТЭЦ, которую они могут обеспечить, заключается в минимальной нагрузке, времени запуска и скорости нарастания мощности. Технические данные, финансовые показатели, характеристики гибкости и области применения поршневых двигателей, газовых турбин, паровых турбин, FCS и микротурбин представлены и сопоставлены в таблице 1.
Таблица 1. Технологии и характеристики ТЭЦ [5]
Характеристики |
Технология |
||||
Поршневой двигатель |
Газовая турбина Паровая турбина |
Топливная ячейка Микротурбина |
|||
Технические характеристики |
|||||
Мощность |
10 кВт-10 МВт |
Простая: 30 кВт-450 МВт комбинированная: 100-500 МВт |
500 кВт-500 МВт |
1 кВт-3 МВт |
50-250 кВт |
Электрическая эффек тивность (%) |
30-45 |
24-36 |
5-40 |
30-50 |
22-28 |
Общая эф фективность (%) |
77-83 |
66-71 |
80-90 |
70-90 |
63-70 |
Топливо |
природный газ, биогаз |
природный газ, мазут |
уголь, биомасса, отработанное топливо |
водород, природный газ, метанол |
жидкое топливо |
Финансовые данные |
|||||
Капитальные затраты, тыс. р. |
150-290 |
120-330 |
67-110 |
500-650 |
250-430 |
Стоимость ввода в эксплуатацию, р./Мвт∙ч |
900-2500 |
900-1300 |
600-1000 |
3200-3800 |
900-1300 |
Эффективность |
|||||
Минимальная нагрузка (% от полной нагрузки) |
20-30 |
25-40 |
18-45 |
около 20 |
около 50 |
Время запуска, мин |
1,8-3 |
15-150 |
15-600 |
180-2880 |
1,2-60 |
Скорость нарастания (% в минуту) |
100 |
15-25 |
4-10 |
100 |
100 |
Применение |
промышлен-ное/коммерческое /жилое/ЦТ |
промышлен-ное/ЦТ |
промышлен-ное/ЦТ |
коммерче-ское/жилое |
коммерче-ское/жилое |
Разработана ценоориентированнная операционная система (ЦООС), основанная на стоимости, для максимизации прибыли генерирующих установок. Диспетчерская служба определяет предложения каждой генерирующей установки на рынке электроэнергии. Оператор рынка определяет, какие предложения принимать, и рыночные цены с помощью рыночного аукциона. Таким образом, системы ТЭЦ имеют возможности выбора между тепловой и электрической энергией, энергозатратами и мощностями, основанные на ценообразовании.
На рисунке 6 показана структура ЦООС. Параметры нагрузки, требования к безопасности, такие как системные резервы, предельные значения выбросов, технические данные и данные о стоимости каждого энергоблока, предоставляемые владельцем станции, являются исходными данными для расчета объема поставок.

Рис. 3. Структура ЦООС
В некоторых исследованиях исследуются базовые затраты на единицу продукции и экономичное распределение без учета неопределенности и решаются непосред- ственно с помощью коммерческих предложений. При учете и обновлении таких неопределенностей, как выработка энергии ветра, профили нагрузки и температуры, используются скользящий горизонт, стохастическая и надежная оптимизация для обеспечения более безопасной и экономичной диспетчеризации, приближенной к реальному времени.
Алгоритмы декомпозиции и итерации используются для решения крупномасштабных задач оптимизации и нелинейных задач, связанных с перетоками энер- гии в сетях, а также взаимосвязью тепловой и электрической энергии.
Выводы.
Однако с ростом использования возобновляемых источников энергии ТЭЦ сталкиваются со многими проблемами как технического, так и экономического характера. ЦООС необходима для обеспечения безопасной и экономичной работы, а также для получения владельцами установок оптимальной прибыли. Исходя из технической гибкости, работа ЦООС сводится к следующим аспектам: целевые функции, сетевые ограничения, моделирование, арбитраж на рынках, алгоритмы оптимизации и поставщики гибких услуг. Таким образом, данное исследование полезно для обеспечения более безопасной работы и рентабельной эксплуатации системы ТЭЦ системными операторами и владельцами установок.
Список литературы Методы повышения энергоэффективности теплогенерирующих установок
- International Renewable Energy Agency (IRENA), Renewable energy: a key climate solution, Tech. rep. (2017).
- Романова В. В. Проблемы и тенденции правового регулирования рынка тепловой энергии в Российской Федерации и правового обеспечения конкуренции на рынке тепловой энергии // Вестник Университета имени ОЕ Кутафина. - 2020. - № 3 (67). - С. 24-30. EDN: SKQXFP
- Erixno O. et al. Energy management of renewable energy-based combined heat and power systems: A review // Sustainable Energy Technologies and Assessments. - 2022. - Т. 51. - С. 101944. EDN: OYWCHP
- Zhang J., Cho H., Mago P.J. Energy conversion systems and Energy storage systems // Energy Services Fundamentals and Financing. - Academic Press, 2021. - С. 155-179.
- Tajjour S., Chandel S.S. A comprehensive review on sustainable energy management systems for optimal operation of future-generation of solar microgrids // Sustainable Energy Technologies and Assessments. - 2023. - Т. 58. - С. 103377. EDN: NWFUBJ