Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ современного состояния исследуемой проблемы 9
1.1. Этапы научных обоснований масштабов теплофикации в электроэнергетике 9
1.2. Обзор современного состояния энергетики Российской федерации 17
1.3. Особенности системы "источник (ТЭЦ) - система транспорта тепла - совокупность теплопотребителей" 30
1.4. Направления совершенствования схем отпуска тепловой энергии 37
ГЛАВА 2. Особенности и основные принципы математического моделирования сложных теплоэнергетических систем и установок 44
2.1. Система теплоснабжения от ТЭЦ как объект исследований 44
2.2. Системный подход к исследованию сложных объектов и сущность математического моделирования теплоэнергетических установок и систем 46
2.3. Методы выбора вариантов совершенствования и оптимизации систем теплоснабжения 58
2.4. Вопросы точности при построении математических моделей 60
ГЛАВА 3. Энергетические обследования для обоснования технологий совершенствования ТЭЦ 65
3.1. Особенности энергетических предприятий как объектов энергетического обследования 65
3.2. Исходная информация при ЭО. Разработка про граммного комплекса для автоматизированной об работки исходной информации
3.3.1. Информационные потоки при проведении энергетического обследования системы "источник тепловой энергии (ТЭЦ) - система транспорта тепла - теплопотребитель" ул
3.3.2. Разработка программного комплекса для автоматизированной обработки исходной информации на начальном
этапе энергетического обследования j-,
3.3. Выбор и анализ показателей энергоэффективности. Разработка и использование индикаторов при энергетическом обследовании сложных объектов энергетики 80
3.4. Научные и методические принципы проведения энергетических обследований энергетических предприятий 89
3.5. Обобщенный регламент проведения комплексных энергетических обследований 91
ГЛАВА 4. Методика оценки реального спроса на тепловую энергию 98
4.1. Методологические аспекты формирования реальных энергетических балансов систем теплоснабжения 98
4.2. Методика верификации баланса тепломагистрали
ГЛАВА 5. Исследование влияния внешних факторов на режимы работы оборудования ТЭЦ 118
ГЛАВА 6. Комплексная модель вариантов совершенствования схем отпуска тепла от тэц на основе энергетических обследований 129
Заключение 138
Список литературы
- Обзор современного состояния энергетики Российской федерации
- Системный подход к исследованию сложных объектов и сущность математического моделирования теплоэнергетических установок и систем
- Исходная информация при ЭО. Разработка про граммного комплекса для автоматизированной об работки исходной информации
- Методика верификации баланса тепломагистрали
Введение к работе
Россия обладает достаточными природными энергетическими ресурсами и имеет развитую энергетику, основы которой закладывались еще в начале века. Последние десятилетия энергетика занимает центральное место в экономической и политической жизни страны. В настоящее время изменились приоритетные направления развития общества и, следовательно, энергетики, что создало ряд проблем, связанных с несоответствием прежнего экономического механизма новым целям.
Характерной особенностью советской энергетики являлись крайне низкие цены на энергоресурсы и энергию, централизованное распределение всех ресурсов, приоритетное обеспечение энергией тяжелой и оборонной промышленности.
В условиях плановой экономики производители энергоресурсов были заинтересованы в экстенсивном развитии производства и в максимальном потреблении, обеспечивающем постоянный дефицит ресурсов. Потребителям не только было важно заключить договор на поставку максимально возможного количества ресурсов, но также их полностью истратить во избежание сокращения выделяемых ресурсов. Государственные властные структуры требовали сокращения потребления для достижения мировых стандартов, но не располагали надежными методиками учета и контроля.
Произошедшие в России изменения экономических отношений потребовали нового подхода к энергопроизводству и энергопотреблению, что, в свою очередь, потребовало коренных реформ в энергетическом секторе.
Резко возросшие цены на топливо, электрическую и тепловую энергию обусловили значительный рост стоимости энергии в себестоимости продукции промышленных предприятий, что привело к необходимости кардинального решения на государственном уровне проблемы повышения эффективности производства, транспорта и потребления энергии.
Моральное и физическое старение энергетического оборудования - естественный процесс. Несмотря на то, что теплоэнергетика является весьма инерционной отраслью промышленности, энергетическое оборудование постоянно усовершенствуется. Это и приводит к моральному старению, иными словами, устаревший объект имеет существенно больший расход топлива на выработку электроэнергии, худшие показатели надежности, меньшую маневренность, чем усовершенствованные энергоблоки.
В свете вышесказанного появляются две возможности:
продолжение эксплуатации при принятой системе ремонтов и технического обслуживания, постепенно сокращая время его работы, то есть постепенно переводя его из работы в базовой части графика нагрузки сначала в полупиковую, а затем и в пиковую;
постоянная реновация энергетических объектов, направленная на повышение технико-экономических показателей.
Одним из путей повышения эффективности процессов производства, передачи и потребления тепловой энергии является внедрение современных мероприятий и технологий на всех стадиях энергетического производства.
Объективный отбор эффективных вариантов затрудняется большим количеством намечаемых независимых и альтернативных мероприятий и, соответственно, большим объемом технико-экономических расчетов, требующих значительных затрат времени и денежных средств.
Помимо технологической и экономической оценки предлагаемых инновационных проектов необходимо проводить анализ внешних факторов, влияющих на режимы ТЭЦ.
В данной работе рассмотрены современные условия и режимы работы систем теплоснабжения с источником ТЭЦ.
Целью работы является исследование проблемы повышения энергоэффективности системы «источник теплоснабжения (ТЭЦ)- система транспорта тепловой энергии - совокупность теплопотребителей». В соответствии с поставленной целью решаются следующие задачи:
разработка методик оценки реальных условий работы ТЭЦ в системах тепло - электроснабжения промышленно-городских агломераций;
исследование влияния внешних факторов на показатели работы ТЭЦ;
разработка процедуры выбора вариантов совершенствования технологий схем отпуска тепла от ТЭЦ, соответствующих реальным условиям функционирования комплекса.
Методология исследований опирается на основные положения системных исследований в энергетике, на методы математического моделирования и методики проведения ЭО объектов энергетики.
Исследование базируется на вычислительном эксперименте с использованием комплекса математических моделей и результатах натурных ЭО систем теплоснабжения и их элементов.
Проведены многочисленные натурные обследования и теоретическое исследование проблемы повышения энергоэффективности системы «ТЭЦ -система транспорта тепла - совокупность теплопотребителей». Разработана методика оценки реальных условий работы ТЭЦ в системах тепло-электроснабжения промышленно-городских агломераций.
Автор выражает благодарность сотрудникам кафедры атомных и тепловых электростанций Томского политехнического университета за помощь в работе, критические замечания и ценные советы.
Особую благодарность автор выражает научному руководителю к.т.н., доценту А.В. Кузьмину и соруководителю к.т.н. С.А. Косякову за помощь и консультации при выполнении теоретической части работы.
Обзор современного состояния энергетики Российской федерации
Россия обладает достаточными природными энергетическими ресурсами и имеет развитую энергетику, основы которой закладывались еще в начале века. В настоящее время изменились приоритетные направления развития общества и, следовательно, энергетики, что создало ряд проблем, связанных с несоответствием прежнего экономического механизма новым целям [45].
Характерной особенностью советской энергетики являлись: крайне низкие цены на энергоресурсы и энергию, централизованное распределение всех ресурсов, приоритетное обеспечение энергией тяжелой и оборонной промышленности.
В условиях плановой экономики производители энергоресурсов были заинтересованы в экстенсивном развитии производства и в максимальном потреблении, обеспечивающем постоянный дефицит ресурсов [46]. Потребителям не только было важно заключить договор на поставку максимально возможного количества ресурсов, но также их полностью истратить во избежание сокращения выделяемых ресурсов.
Произошедшие в России изменения экономических отношений потребовали нового подхода к энергопроизводству и энергопотреблению, что, в свою очередь, потребовало коренных реформ в энергетическом секторе. Реформы обострили ряд проблем, наиболее тяжелые из которых: искаженные цены на энергоресурсы и энергию, кризис угольной промышленности, искаженная система расчета с потребителями энергоресурсов, устаревшее производственное оборудование, кризис неплатежей, монополия основных энергопроизводителей, неэффективное использование энергии в промышленности и в быту. Именно поэтому в энергетической стратегии России основными приоритетами развития отечественной экономики на среднесрочную перспективу определены реконструкция основных фондов, энергоэф фективность экономики и энергосбережение [47]. Эффективное развитие отечественной экономики невозможно без укрепления организационно-технической и финансово-экономической базы ТЭК страны и реализации государственной политики энергосбережения.
Проблема обеспечения надёжного и устойчивого теплоснабжения потребителей и, прежде всего населения в осенне-зимний период имеет ярко выраженную социальную направленность и предопределяет рассмотрение при её решении взаимодействия секторов теплоснабжения ТЭК и ЖКХ.
Подавляющее большинство крупных источников тепла в России - это ТЭЦ общего пользования, которые входят в состав региональных акционерных обществ энергетики и электрификации (АО-Энерго), а последние, в свою очередь, входят в холдинг РАО «ЕЭС России». Кроме указанных источников тепла в городах работает много промышленных ТЭЦ и котельных, которые входят в состав промышленных предприятий и снабжают тепловой и электрической энергией, прежде всего предприятие - собственника ТЭЦ (котельной) и прилегающие к нему жилые районы, где, как правило, проживают работники этих предприятий.
При этом если в системе централизованного теплоснабжения используется хотя бы одна ТЭЦ, то такая система обычно называется теплофикационной [48]. Они очень широко распространены в городах России. Структура покрытия тепловых нагрузок различными источниками приведена на рис. 1.1.
Крупные теплофикационные системы на базе ТЭЦ общего пользования построены и функционируют в основном в городах с расчетной тепловой нагрузкой (спросом на тепловую мощность) более 500 Гкал/ч (580 МВт). Рїх доля в суммарной тепловой мощности всех источников тепла составляет около 70%.
Системы централизованного теплоснабжения обеспечивают теплоснабжение около 75% всех потребителей тепла в России, включая сельские населенные пункты. При этом около 35% потребности в тепловой энергии обеспечивают теплофикационные системы, то есть системы, в которых источниками тепла служат ТЭЦ различной мощности.
В общей сложности крупными теплофикационными системами вырабатывается около 1,5 млн Гкал в год, из них 47,5% на твёрдом топливе, 40,7% на газе и 11,8% на жидком топливе.
Накопившиеся за многие годы проблемы в теплоснабжении отрицательно сказываются на нормальном функционировании не только жилищно-коммунального комплекса, но и ТЭК страны. Поэтому их решение и проводимая в настоящее время реформа ЖКХ должны быть организационно и экономически связаны с реструктуризацией РАО «ЕЭС России».
Около 50% объектов и инженерных сетей требуют замены, не менее 15% находятся в аварийном состоянии. Потери в тепловых сооружениях и сетях достигают 30%. Главные резервы экономии ТЭР сосредоточены у потребителя и в инженерных сетях, в том числе 25 - 60% по теплу и 15 - 25% по электрической энергии.
Причин такого состояния теплоснабжения много. Это дефицит финансов, износ оборудования и тепловых сетей, слабое управление и нерешённые вопросы разграничения зон полномочий и ответственности в коммунальной энергетике, отсутствие перспективных схем развития систем теплоснабжения и т.п.
Комбинированное производство электрической и тепловой энергии на ТЭЦ обеспечивает в настоящее время ежегодную экономию условного топлива в размере не менее 20 млн т. Однако эффективность теплофикации могла быть существенно выше в случае увеличения отпуска тепловой энергии и при сокращении выработки электроэнергии по конденсационному циклу оборудованием ТЭЦ [21].
Удорожание тепла, отпускаемого от ТЭЦ, привело к тому, что в настоящее время сложилась устойчивая тенденция к сооружению промышленными предприятиями собственных котельных и отказа от тепловой энергии ТЭЦ.
За 1990 - 1999 гг. при общем снижении отпуска тепла от ТЭЦ на 252 млн Гкал (34%) отпуск тепла от собственных источников теплоснабжения предприятий (как правило, от котельных) возрос на 52 млн Гкал.
Выработка электроэнергии на ТЭЦ по конденсационному циклу с 1990 г. удерживается на достаточно высоком уровне - 40%.
Около 3 млн кВт мощности турбин с противодавлением простаивают и переведены в ограничения из-за отсутствия тепловых нагрузок. При вводе оборудования в резерв электростанции несут дополнительные материальные затраты.
Для повышения конкурентоспособности ТЭЦ на рынке тепловой энергии с 1996 г. в отрасли был введен метод разделения затрат топлива, в соответствии с которым эффект от теплофикации относился на оба вида энергии.
Принятые в 1996 г. меры по совершенствованию распределения затрат топлива на ТЭЦ оказались недостаточными вследствие ряда причин (увеличения тарифов на тепловую энергию для предприятий в целях обеспечения льготных тарифов коммунально-бытовым потребителям, значительных потерь энергии в тепловых сетях и т.п.), и ожидаемых результатов достигнуто не было.
Системный подход к исследованию сложных объектов и сущность математического моделирования теплоэнергетических установок и систем
Теплоэнергетическая система, согласно [81], представляет собой единый технический комплекс разнородных элементов оборудования со сложной схемой технологических связей. В этом комплексе одновременно протекают и тесно взаимодействуют различные процессы. Совместно применяются различные фазы энергоносителей, разнообразные материалы.
Большая сложность внутренних взаимосвязей параметров, процессов и характеристик установки, а также внешних ее связей с другими объектами системы теплоснабжения является отличительной чертой современных теплоэнергетических установок. Поэтому для любой теплоэнергетической установки комплексный выбор ее оптимальных параметров и режимов зависит как от всех внешних физических и экономических факторов, так и от полного учета внутренних технических и экономических взаимосвязей при многочисленных факторах, действующих в конкретной специфике схемы и процессов теплоэнергетической установки.
При решении задачи математического моделирования возникают большие трудности, вызванные неоднозначность информации об условиях функционирования установки и всей системы теплоснабжения в целом. В реальной ситуации многие характеристики технологических процессов и связей элементов оборудования известны лишь приближенно. Очевидно, что разным условиям соответствуют свои оптимальные варианты реконструкции теплоэнергетической установки и поэтому дополнительно возникает задача выбора оптимальных вариантов для различных условий, а также определение таких вариантов для фактических режимов функционирования теплоэнергетической установки.
Учитывая вышеприведенные обстоятельства, представляется целесообразным при выборе оптимальных направлений реконструкции использовать методологию системного подхода к исследованию сложных систем.
Современный энергетический комплекс имеет очень сложную производственную структуру.
Для современного энергетического комплекса характерны следующие признаки, определяющие, согласно [82], требования к системному подходу при управлении его развитием и функционированием: - тесное взаимодействие составляющих и иерархическая структура; - многочисленные и сильные связи с другими отраслями народного хозяйства; - непрерывное развитие во времени; - развитие под действием детерминированных факторов, с одной стороны, и недетерминированных — с другой.
Несмотря на сильные связи внутри системы теплоснабжения, ее структура весьма неоднородна. Такая система состоит из достаточно явно выраженных образований, каждое из которых с полным основанием может выступать в качестве самостоятельного объекта исследования. Однако такая структуризация энергетики очень сложна и условна в том смысле, что состав выделяемых объектов различен в зависимости от того, рассматриваются ли технологические или территориальные связи, функционирование или развитие энергетики. Кроме того, структура каждого выделяемого объекта, в свою очередь, неоднородна и обычно столь же сложна. В целом же система теплоснабжения имеет многомерную - технологическую, территориальную и ситуационную структуру.
Важной особенностью энергетики является столь тесное переплетение ее внутренних связей с внешними, что зачастую трудно провести различие между ними.
Непрерывное развитие систем теплоснабжения во времени (динамичность) определяется изменением структуры формирующих систему элементов. Динамичность энергетики проявляется как в процессе длительного развития, так и в короткие отрезки времени (например, быстропротекающие переходные процессы в трубопроводных системах при больших возмущениях или суточные, недельные и сезонные колебания энергетических нагрузок, загрузки производственных мощностей и потоков энергии). В обоих случаях развитие идет под действием прямых и обратных динамических связей. Через прямые связи на развитие влияют его предыстория и достигнутое состояние, а через обратные связи — будущие условия.
Исходная информация при ЭО. Разработка про граммного комплекса для автоматизированной об работки исходной информации
Среди прочих проблем при проведении энергетического обследования системы "источник тепловой энергии (ТЭЦ) - система транспорта тепла -теплопотребитель" отдельное место занимает проблема достоверной информации обо всей системе и ее отдельных частях.
Свойство неполноты (неоднозначности, неопределенности) информации, которое присуще исследуемой системе, создает существенные трудности при проведении энергетических обследований, а также при выборе вариантов совершенствования [91, 92]. В большинстве задач неполнота информации приводит к неопределенности при принятии решений.
Должный учет неполноты информации, с одной стороны, отражается на самой методологии энергетического обследования, а с другой - требует применения специальных методов при проведении конкретных исследований.
Объективным фактором недостаточной достоверности информации является отсутствие достаточного количества приборов учета расхода энергетических ресурсов на источнике и у потребителя, либо низкий уровень класса точности данных приборов.
Объемы потребления энергетических ресурсов в таких случаях считаются по нормативам, методикам, принятым в далеком прошлом и не всегда корректно используемым в настоящее время [93]. Зачастую используется информация, получаемая «по наследству», из старых отчетов и т.п. Анализируя при проведении энергетических обследований ТЭЦ схемы теплоснабжения населенных пунктов, предприятий, объектов социальной сферы, достаточно часто можно встретить несоответствие проектных и фактических данных эксплуатируемого оборудования, тепловых сетей и т.п. Эта типовая ошибка возникает как на стадии строительства, так и в период эксплуатации.
Неудивительно, что при расчетных методах определения расходов ТЭР по данным объектам в основу закладываются первые проектные решения, принятые на бумаге, и это ведет в дальнейшем к систематической ошибке при эксплуатации данных систем.
Серьезными факторами, сказывающимися на достоверности информации, являются изменения в административно-территориальном делении региона. Образование новых муниципальных образований с административным выделением их из существующих, обратное воссоединение территорий приводит к хаосу информации. Вновь образованные, как правило, не имеют достаточной документации по своей собственности, оставшиеся вынуждены корректировать имеющиеся данные с учетом выбывших. Не всегда этот процесс проходит без ущерба в информационном плане. Органы статистики даже вынуждены вносить коррективы в структуру обрабатываемой информации. И самое неприятное, что существующие формы, принятые довольно давно, не всегда несут достаточную и достоверную информацию.
В рамках предлагаемого нового подхода к проведению энергетического обследования предлагаем использовать все возможные потоки для получения наиболее достоверной информации. Схема информационных потоков приведена на рис. 3.1.
1. Технико-экономические показатели объектов, энергетических ресур сов.
Технико-экономические показатели, равно как и другие сведения о степени энергоэффективности и научно-технического прогресса, являются результатом проектных, научно-исследовательских, наладочных работ и испытаний, которые проводятся специализированными организациями. При использовании этих источников информации не удается широко использо-вать статистические методы, то есть значительно большую роль играет математическое моделирование в сочетании с экспертным анализом. При этом точность данных вряд ли можно оценить достаточно надежно, ввиду влияния значительного количества внешних факторов, имеющих свойство динамического изменения. Один из подходов к заданию укрупненных технико-экономических показателей приведен в [94, 95], где для однородных энергетических объектов, сооруженных по типовым проектам, предлагается принимать показатели типового, серийно производимого оборудования. Очевидно, что при таком подходе будут иметь место отклонения от средних значений этих показателей и параметров, вызванные изменчивостью многочисленных местных факторов (например, величина фактического (реального) спроса [96, 97]).
2. Статистическая отчетность.
Статистические данные используются на всех уровнях временной и пространственной иерархии системы "источник тепловой энергии (ТЭЦ) -система транспорта тепла - теплопотребитель". Источником статистических данных являются отчетные производственные, финансовые, социологические и другие документы. При проведении энергетического обследования системы теплоснабжения от ТЭЦ возможно использование следующих данных, которые можно отнести к статистическим: - отчетная документация станции, выполненная в соответствии с отрас левыми РД и МИ; - договора между энергоснабжающей организацией и потребителями тепловой энергии, данные о нагрузках [98] и т.д.
Поскольку эта информация формируется в основном человеком, актуальным остается вопрос о ее достоверности и о погрешности составляющих такой информации.
3. Измерения
Под "измерениями" будем понимать контролируемые данные, характеризующие текущее состояние системы "источник тепловой энергии (ТЭЦ) -система транспорта тепла - теплопотребитель".
Эта информация особенно существенна не только при функционировании систем теплоснабжения, но, будучи обобщенной, она дает сведения и об условиях развития, что очень важно при проведении комплексного энергетического обследования.
Применительно к системе "источник тепловой энергии (ТЭЦ) - система транспорта тепла - теплопотребитель" измерения можно условно разделить на четыре группы.
Методика верификации баланса тепломагистрали
Для эффективного управления объектом требуется постоянная информация о его состоянии. Применительно к энергоснабжающим предприятиям и компаниям эта информация может быть получена на основе сравнения показателей работы предприятия (компании) с нормативными значениями в соответствии, например, с ГОСТ 27322-87 «Энергобаланс промышленного предприятия. Основные положения» и ГОСТ Р 51379-99 «Энергосбережение. Энергетический паспорт промышленного потребителя топливно-энергетических ресурсов. Основные положения. Типовые формы». Однако, такой вариант получения информации в настоящее время характерен недостатками: - трудоемкость получения значений показателей; - отсутствие возможности оперативного получения показателей; - крайне низкая достоверность рассчитанных нормативных значений показателей; - отсутствие ориентированной на решение определенных задач системы обработки показателей и их нормативных значений.
Несмотря на различные усилия по совершенствованию системы энергетических обследований, предпринимаемые, в частности, по инициативе РАО «ЕЭС России», в настоящее время получение достоверной обобщенной информации о работе предприятия (компании) сопряжено с большими материальными и временными затратами.
В связи с изложенным предпринята попытка выделения некоторых индикаторов, признаков, по которым было бы возможно судить о необходимости принятия руководством приоритетных действий в отношении тех или иных энергетических предприятий, где имеет место неэффективное использование топливно-энергетических ресурсов, в частности, необходимости проведения ЭО и по их результатам - планирования мероприятий по энергосбережению.
Для сложных объектов энергетики можно подобрать или разработать показатели энергоэффективности (индикаторы), с помощью которых можно говорить об эффективности функционирования объекта энергетики.
Требования к индикаторам: - количество индикаторов должно быть небольшим (ориентировочно -не более пяти); - должна быть предусмотрена возможность оперативного получения достоверных значений индикаторов; - индикаторы должны быть по возможности инвариантными для различных энергетических предприятий (компаний); - индикаторы должны интегрировать большой объем информации, и в то же время быть достаточно простыми и понятными.
Предлагаем несколько удобных для использования при энергетическом обследовании индикаторов.
1. Одним из таких индикаторов можно считать коэффициент эффективности использования топлива энергообъединения Ьэф (кг/МВт-ч).
На источниках, производящих два вида энергии (электрическую и тепловую), идет разделение входного энергоносителя (например, топлива) и # ряда технико-экономических показателей по видам отпускаемой энергии, что не позволяет в рамках АО-энерго оценивать по эффективности работы и сравнивать между собой разные объекты (источники и предприятия тепловых сетей, котельные). Представляется целесообразным формировать при едином входе (энергии сожженного топлива) единый выход на таких станциях (энергия отпускаемых со станции потоков). При этом оценивать общее количество отпускаемой энергии (как электрической, так и тепловой) # в одних единицах, т.е. формировать единый выход системы. В 1000 эф QT+N где В - фактический расход топлива (т.у.т.); QT - часовой отпуск тепловой энергии (МВт); N - отпуск электрической энергии (МВт-ч). Данный индикатор был использован при энергетическом обследовании АО "Томскэнерго". Результаты расчета на программном комплексе обработ ки исходной информации представлены в виде диаграммы, приведенной на рис. 3.2.
Следующим индикатором, разработанным в рамках работы, является коэффициент эффективности использования тепловой энергии в системе "источник тепловой энергии (ТЭЦ) - система транспорта тепла - совокупность теплопотребителей" Я эф .
