Методы повышения энергоэффективности теплогенерирующих установок

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
Статья научная