Оценка влияния температуры наружного воздуха на эффективность работы ГТУ

Энергетические установки, базирующиеся на газотурбинных технологиях (ГТУ и ПТУ различных типов), находят широкое применение в энергетике многих стран, в том числе и странах с жарким климатом, т.к. эксплуатационные показатели ГТУ на электростанциях находятся на том же уровне, что и показатели традиционного энергетического оборудования. Для ГТУ характерна готовность к работе в течение 90% календарного времени, 2-3-летний ремонтный цикл, безотказность пусков 95-97%.

Преимущества энергоблоков на базе парогазовых установок - высокая эффективность и экономичность. Использование парогазового цикла позволяет достичь существенной экономии газа, снизить выбросы вредных веществ в атмосферу. Однако эффективности работы таких установок как ГТУ и ПТУ при работе в условиях высоких температур наружного воздуха снижается: во-первых, при повышении температуры потенциальная мощность, вырабатываемая ГТУ, уменьшается; во-вторых, при повышении температуры снижается кпд установки и, соответственно, изменяется расход топлива. Это необходимо учитывать, при планировании работы энергогенерирующей ус- тановки, т.к. повышение температуры приводит к снижению потенциальной выручки, росту издержек и появлению штрафов за невыработанную мощность. Это имеет значение и для целого ряда стран с жарким климатом, и для России в свете проблемы глобального потепления.

Поэтому разработка методики оценки экономической эффективности, учитывающей влияние температуры наружного воздуха на энергетическую и экономическую эффективность энергетических установок, основанных на газотурбинных технологиях, является актуальным вопросом в современной энергетике России.

Потери энергии и затраты при ее производстве. Эффективность работы энергосистемы характеризуются качеством и количеством выпускаемой продукции, затратами на выработку энергии и ее потерями во всем цикле. При снижении текущих эксплуатационных затрат и потерь энергии, при росте выработки энергетической продукции эффективность работы установки растет. В связи с этим рассмотрим составляющие структуры общих затрат при выработке единицы энергии (рис. 1).

Рис. 1. Структура себестоимости вырабатываемой электроэнергии

1 – затраты на топливо; 2 – затраты на замену масла; 3 – затраты на угар масла; 4 – затраты на запасные части; 5 – затраты на услуги производственного характера; 6 – административные затраты; 7 – амортизационные отчисления

По статьям калькуляции себестоимости электрической энергии и теплоты, топливная составляющая является основным элементом затрат для тепловой станции и составляет около 50-80% от суммы затрат на производство электрической энергии. При увеличении объема производства происходит снижение себестоимости и вследствие этого увеличение прибыли на единицу продукции, повышается рентабельность энергетического производства. Для получения более высокой прибыли в энергосистеме выгодно максимально загружать электростанции с высокой долей условно-постоянных затрат и наиболее низкими топливными издержками.

Эффективность работы энергосистемы. Влияние температуры наружного воздуха на работу установки. Большое влияние на работу и энергетические характеристики ПГУ оказывают климатические условия (температура, относительная влажность и давление наружного воздуха). Их изменения сказываются на экономичности, развиваемой электрической мощности, расходах рабочих сред и их параметрах. Объясняется это тем, что при изменении температуры изменяется плотность наружного воздуха. В результате снижается массовый расход забираемого из атмосферы воздуха и, как следствие, снижается мощность ГТУ и изменяются все ее характеристики. Исследование этой зависимости и создание методики оценки экономической эффективности реализации проектов с ГТУ актуально, так как это позволит более эффективно планировать производственные программы создаваемых энергогенерирующих объектов.

Температура наружного воздуха зависит от многих внешних факторов расположения объекта. В различных районах РФ в годовом разрезе колебания температуры могут быть от +45 до -65 °С. Это нужно учитывать при рассмотрении нерасчетных режимов работы ГТУ. В последние годы перепады температуры стали случаться довольно часто, что приводит к росту в несколько раз пиковых электрических и тепловых нагрузок. По оценкам метеорологов среднее потепление формирует отопительный сезон на несколько дней короче. Станциям необходимо подстраиваться под внешнее воздействие среды и каждый раз повышать эффективность использования электричества и тепла, чтобы не оказаться убыточными.

Известно что, при повышении температуры наружного воздуха происходит снижение мощности ГТУ. Также изменение температуры воздуха, при постоянном объёмном его расходе, приводит к пропорциональному изменению массового расхода через турбину. Кроме того, из-за уменьшения плотности воздуха уменьшается давление на выходе компрессора, что снижает потребляемую им мощность.

Ощутимые потери мощности ГТУ на станциях большой мощности связаны именно с высокой температурой наружного воздуха в летний период. Повышение температуры подаваемого в турбину воздуха на 20 °С приводит к снижению потенциально возможной к выработке мощности ГТУ на 25%. Следовательно, при увеличении номинальной температуры подачи воздуха в ГТУ на 1°С мощность уменьшается примерно на 1 МВт, что очень значительно. При увеличении температуры наружного воздуха на 1°С, плотность воздуха уменьшается приблизительно на 0,3%. Соответственно, мощность ГТУ за счет влияния этого параметра также снижается на 0,3%. Все перечисленное активно влияет и на экономические результаты деятельности генерирующей компании. В связи с недостаточной мощностью работы ГТУ вырабатывается меньше энергии, чем было запланировано, что ведет за собой штрафы и неустойку. По- этому учет степени влияния температуры наружного воздуха на потенциально возможную к выработке мощность при планировании снижает величину возможных штрафов.

Увеличение или уменьшение избытка воздуха также зависит от температуры воздуха, подаваемого в топку, и оказывает влияние на кпд котла. Сезонные изменения способствуют нестабильности данного фактора, в связи с этим применяют специальные автоматические системы стабилизации избытка воздуха. В таблице 1 приведена зависимость избытка воздуха от наружного воздуха.

Таблица 1. Зависимость избытка воздуха от температуры наружного воздуха

Температура воздуха, °С	Избыток воздуха, %
4,4	25,5
10,0	20,2
26,7	15,0
37,8	9,6
48,9	1,1

При неизменной номинальной мощности установки, понижение температуры наружного воздуха приводит к снижению темпе- ратуры газов перед турбиной и уменьшению частоты вращения вала ГТУ; КПД установки при этом повышается (рис. 2).

Из приведенной зависимости видно, что с повышением температуры наружного воздуха кпд установки снижается. Это объясняется тем, что при изменении плотности наружного воздуха снижается массовый расход воздуха, подаваемого в установку, а это влияет на полноту сгорания топлива.

Методика оптимизации установки с учетом изменения температуры наружного воздуха заключается в разработке решений по увеличению энергетической и экономической эффективности установки, которая включает в себя следующие этапы:

• 1)    Описание характеристик и параметров работу ГТУ (температура наружного воздуха, влажность и т.д.)

H (y, x к,Qр,tвх), где Н – выходные параметры установки; tвх – температуры наружного воздуха;

Ԛ р – теплотворная способность топлива;

х – влагосодержание в воздухе;

у – прочие внешние факторы (давление, запыленность воздуха и т.д.).

• 2)    Определение максимальной мощности установки в заданных характеристиках работы при разных температурах наружного воздуха

до max =      Н, где Ν j – максимально возможная полезная мощность установки.

• 3)    Определение годового отпуска электроэнергии

Эгодt =∑М™ахГ| , где Fj – продолжительность j-го периода работы с заданной мощностью, час/год.

• 4)    Определение годового расхода топлива при разных температурах наружного воздуха:

В год = ∑ Вчасj∙q где в час j – часовой расход топлива при заданной нагрузке, час/год

• 5)    Определение величины годовых затрат на топливо:

Ит t = Цгф ∙ Вд , где Цгф – фактическая цена топлива.

• 6)    Определение величины текущих постоянных затрат:

Ипостt = И_амt + Иремt + И_зпt + Ипрочt , где Иам_t – величина амортизационных отчислений, руб/год;

Ирем_t – затраты на ремонт, руб/год;

И_зпt – затраты на заработную плату, руб/год;

Ипроч_t – прочие текущие постоянные затраты, руб/год.

• 7)    Определение цены электроэнергии

Цэ = э(Итt, Ипостt, Эгодt ), где sэ – себестоимость электроэнергии.

• 8)    Определение значения чистого дисконтированного дохода

ЧДД = ∑tро Эд t (Эгодt,Цэ,Кt,Итt, Ипостt, Пштрt), где Tр – продолжительность расчетного периода, лет;

Кt – капиталовложения в установку за год t;

Пштр_t – величина штрафов за недовыработанную мощность за год t, руб/год.

Для проведения расчетов в работе была рассмотрена газовая турбина SGT-800 мощностью 45 МВт, которая использовалась во многих проектах при реализации энергетической программы г. Москвы, например, для ТЭЦ «Международная» (225 МВт), при реконструкции РТС «Строгино» (260 МВт) и электростанции «Внуково» (90 МВт), ГТЭС «Коломенское».

Газовая турбина SiemensSGT-800 – технические данные

Выходная мощность 45 МВт при базовом режиме работы (при температуре воздуха +15 град.С);

Топливо: природный газ / жидкое топливо / двухтопливная система; использование других типов топлива;

Частота тока: 50/60 Гц

Электрический КПД: 37,5%

Тепловая Мощность: 9 597 кДж/кВт-ч

Скорость     вращения     турбины:

6 608 об/мин

Коэффициент  давления  компрессора:

19:1

Поток/температура выхлопных газов:

131,5 кг/сек, 544 0С

Выбросы NOx (15% О2, сухой выброс):

• <=15 ppm

  При проведении расчетов было принято: – число часов работы в год 7000 час/год; – стоимость топлива 5000 руб./тыс.м³.

При вышеприведенных условиях было рассчитано значение ЧДД. Результаты расчета отражены на рисунке 3.

Рис. 3. Зависимость ЧДД от температуры наружного воздуха

В результате проведенных расчетов было мического аудита энергосбережения являет- установлено, что при повышении темпера- ся возможность просчитать и указать на- туры наружного воздуха в результате снижения прибыли за счет снижения выручки и повышения затрат на топливо снижается значение чистого дисконтированного дохода.

Заключение. В статье было изучено влияние температуры наружного воздуха на параметры работы установок и на эффективность работы ГТУ. Также рассмотрена методика оценки экономической эффективности выработки электроэнергии и представлены результаты расчета зависимости ЧДД от температуры наружного воздуха.

Так как проблема экономии энергии становится все более актуальной в мире и поэтому все мероприятия по её экономии имеют не только научное, но и важное практическое значение, то можно сделать вывод, что одной из главных задач эконо- правления снижения затрат средств и топлива. Учитывая все достоинства мероприятий по энергосбережению, нужно обращать внимание не только на модернизацию оборудования и разработку технических решений, которые бы сократили отрицательное воздействие высоких температур наружного воздуха на энергетическую и экономическую эффективность энергетических установок, но и на учет степени влияния различных факторов (в частности температуры наружного воздуха) на техникоэкономические показатели энергогенерирующих установок. Это позволит увеличить прибыль, снизить величину штрафов за недовыработанную мощность и повысить конкурентоспособность и финансовую устойчивость предприятия.