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.