автореферат диссертации по энергетике, 05.14.01, диссертация на тему:Оценка полной эффективности энергетических систем на основе обобщенных показателей энергии - нетто

ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАН

На правах рукописи

ЛУКИНА Елена Владимировна

УДК 620.9

ОЦЕНКА ПОЛНОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ОБОБЩЕННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ-НЕТТО

Специальность 05.14.01 Энергетические системы и комплексы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА, 1992

н

Работа выполнена в Институте энергетических исследований РАН

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Янтовский Е.И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук В.С.Степанов; кандидат технических наук А.Я.Столяревский

Ведущая организация: Рабочая консультативная группа при Президенте РАН для разработки новых вопросов дальних перспектив развития энергетики

Защита состоится " 2-1" Сиух/^-Л 1992 г. в_час. на

заседании Специализированного совета Д 002.30.01 по присуждению ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.01 "Энергетические системы и комплексы" при Сибирском энергетическом институте СО РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СЭИ СО РАН

Автореферат разослан " Л /" л-с-С^Зй- 1992 г.

Ученый секретарь Специализированного совета

кандидат технических наук_А.М.Тришечкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность_проблемы. Решение основных

народнохозяйственных задач в нашей стране неразрывно связано с проблемой рационального использования энергоресурсов. Растущие потребности в энергии различных видов для промышленных и бытовых нужд не могут быть удовлетворены лишь за счет увеличения добычи сырья. Все более важными становятся экономия энергетических ресурсов, повышение эффективности энергетических установок и энергетического комплекса в целом.

В условиях современной экономической нестабильности и перехода к рыночным отношениям принятие перспективных решений в области энергетики не может опираться только на стоимостные показатели, обладающие существенной неопределенностью. Технико-экономические расчеты необходимо дополнять оценкой затрат, выраженных в энергетических единицах.

Такие оценки, чаще всего основанные на проведении расчетов по энергии-нетто, давно практикуются в промышленно развитых странах. Они обеспечивают выбор наиболее эффективной установки для получения энергии нужного качества. В нашей стране эти методы еще не нашли широкого применения.

В данной работе рассматриваются вопросы оптимизации энергетических объектов по энергии-нетто, то есть по полезной энергии за вычетом всех энергетических затат. Принимается во внимание не только непосредственный расход топлива на совершение работы или процесса, но и затраты, связанные с добычей природного сырья, доставкой и распределением природных энергоносителей, изготовлением энергетических объектов. Предлагаемая методика позволяет проанализировать по энергии-нетто эффективность любой энергетичееской системы, включая отрасли энергетики и топливно-энергетический комплекс в целом.

Таким образом, ориентация работы на проблемы экономии ресурсов является актуальной, что отражает одно из направлений исследований ИНЭИ РАН.

Целью работы является выбор показателей и создание единой методики, позволяющей оценивать эффективность произвольной энергетической системы по энергии-нетто, а также иллюстрация возможностей данного методического подхода на конкретных примерах.

Научная новизна работы. Сформирована система показателей, позволяющая оценивать эффективность отдельных энергетических объектов, энергосистем и комплексов на основе обобщенных показателей энергии-нетго. Предложено использовать понятие полной эксергетической эффективности и коэффициент эксергии-нетто как характеристики топливно-энергетического комплекса страны и применить эксергетический баланс для выявления возможностей энергосбережения. В качестве вспомогательной величины введен нормативный срок энергетической окупаемости, не превышающий нормативный срок в экономических расчетах. Рекомендуется применение коэффициента суммарной эксергетической эффективности (полного КПД), включающего эксергетические затраты на создание системы.

Практическая значимость. Методика расчетов по энергии-нетто применена для оценки полной эффективности энергетических объектов различной сложности. Впервые на ее основе проанализированы отечественные системы, включая такие крупные как газовая промышленность и топливно-энергетический комплекс в целом. Продемонстрирована возможность оптимизации электрической машины по энергетическим показателям, рассчитаны суммарные удельные затраты эксергии в системе "добыча газа - распределение электроэнергии и теплоты", определена суммарная энергетическая эффективность газовой промышленности стран бывшего СССР. Использованы показатели, дополняющие общепринятые технико-экономические расчеты, которые позволяют осуществить выбор наиболее рационального с энергетической точки зрения варианта.

Основные положения, вынесенные на защиту:

- методика расчета эффективности энергетических систем на основе обобщенных показателей энергии-нетто;

- расчет оптимальных параметров конструкции электрической машины (униполярного генератора) с минимальными энергетическими затратами;

- выбор варианта тепло- и электроснабжения по сумме удельных затрат эксергии;

- оценка полной эксергетической эффективности системы, объединяющей устройства передачи и трансформации энергоносителей от сжатого газа в недрах до распределительных сетей электроэнергии и теплоты;

- расчет коэффициента энергии-нетто и полной эффективности газовой промышленности;

- методика и расчет показателей энергии-нетто для топливно—энергетического комплекса на территории независимых государств бывшего СССР.

Апробация работы. Основные результаты исследований по теме работы докладывались и обсуждались на межвузовском семинаре (Саратов, 1988) и IV Всесоюзной школе-семинаре по эксергетическим методам анализа {Николаев, 1990).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы.

■ Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы и приложения. Основное содержание изложено на е., включает рис., таблиц.

I. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Проблема рационального использования топлива очень важна в настоящее время в связи с ухудшением условий добычи природного топлива и сильным влиянием энергетики на состояние окружающей среды. Необходимость активного энергосбережения заставляет обратиться к методам анализа, основанным на энергетических критериях.

За рубежом широкое распространение получили расчеты, названные анализом по энергии-нетго. Их цель - сопоставить полезную энергию, производимую установкой или системой, и затраченную как на совершение работы или процесса, так и на создание оборудования и его обслуживание. В нашей стране эта теория применяется мало и нуждается в методической проработке.

В диссертации был сделан анализ публикаций по данной теме. Он показал, что до настоящего времени нет единообразия в используемых обозначениях и применяемых формулах. Несмотря на простоту формулировок, каждый из применяемых показателей приобретает у разных авторов особые смысловые оттенки в зависимости от объекта исследований и целей работы.

Важные результаты, характеризующие эффективность затрат на создание и эксплуатацию энергетических объектов, были получены ранее с использованием стоимостных оценок. Их опыт также учитывался при выполнении настоящей работы.

Задачей данного исследования являлось выделение показателей, независимых от денежных измерителей. В соответствии с рассмотренной литературой, труды по теории энергии-нетто были разделены нами по трем направлениям, унифицированны и преобразованы для дальнейшего применения.

1. Энергетическая эффективность. Это понятие распространено в качестве критерия оценки при рассмотрении отдельных энергетических установок, а также целых систем и отраслей промышленности. Энергетическая эффективность (КПД) представляет собой безразмерный показатель, который может быть определен по соотношению полезной и затраченной энергии в данном процессе, или как отношение расхода энергии в реальном и идеализированном процессах. При этом авторы пользуются либо только первым, либо первым и вторым законами термодинамики и получают соответственно разные числовые значения эффективности ^ и .

^ иначе называют эксергетической эффективностью, так как он учитывает не только количественное, но и качественное превращение энергоносителя, т.е. его эксергию. Следует отметить, что для электрической и механической энергии /7< и одинаковы. Значительная разница между ними имеется в химических и тепловых процессах. Связь между ^ и р в последнем случае определяется коэффициентом Карно: й

% =(Т-Т0)/Т

где Т и Т0 _ соответственно температура энергоносителя и окружающей среды, К.

Можно согласиться с теми из авторов (Шаргут, Бродянский, Андрющенко, Эванс и т.д.), которые считают, что % более объективно, чем £ характеризует процесс преобразования энергии и возможности к усовершенствованию системы.

В то же время, как показывает практика, стремление повысить >у влечет за собой усложнение конструкции и увеличение ее материалоемкости, что связано с дополнительным расходом энергии. Так, в Англии и США (по данным английского исследователя Критопфа) необходимость капитальных затрат энергии снижает эффективность промышленных отраслей, связанных с добычей топлива и получением электроэнергии, в среднем на 2% абсолютных. Такие оценки потребовали введения показателя, учитывающего расход энергии на создание энергетического объекта.

2, Коэффициент энергии-нетто представляет собой отношение полезной энергии, производимой установкой, к полным затратам на ее получение. Для его обозначения используются различные термины: И, ИЕЙ, ЕЦ., ЕСН, и т.д. В данной работе этот показатель записывается в виде следующего наиболее общего выражения:

КЕ = еоте/ (Естр + Есн)

где Еотв - полная отведенная энергия за срок службы данной установки;

Естр - полные затраты энергии на создание установки;

Есн - расход энергии на собственные нужды за тот же срок.

Вопрос состоит в том, что понимается под полезной отведенной энергией и полными затратами. Так для электростанций за полезный выход принимается выработка электроэнергии, либо ее отпуск потребителю за вычетом собственных нужд, а иногда ее предлагают пересчитывать в первичное топливо, чтобы подчеркнуть качественное отличие электричества от сжигаемого энергоресурса.

Затраты же на получение энергии нужного качества включают в себя как собственные нужды агрегатов, так и расход энергоресурсов на создание конструкции. Имеются случаи, когда собственные нужды исключают из рассмотрения, и коэффициент энергии-нетто характеризует только энергетические затраты на создание установки (или строительные затраты).

В определении строительных затрат, связанных с расходом энергии на изготовление необходимого оборудования, содержится особая сложность. Одна из формул, предложенная для расчета расхода энергии на изготовление металлических конструкций Янтовским Е.И., включает в себя сумму произведений энергии, затраченной на совершение каждого из процессов (добычи руды, выплавки стали, обработки деталей и т.д.) и КПД этого процесса. Однако такое выражение для расчета Е носит общий характер, в нем вводится понимаемый неоднозначно КПД процесса и не оговариваются условия, при которых можно пренебречь дополнительными энергетическими затратами на создание оборудования в добывающей, металлургической и машиностроительной отраслях. При ускоренном темпе развития энергетики и соответственном росте потребности в оборудовании их величины перестают быть пренебрежимо малыми.

Стоимостная оценка изменения доли капитальных затрат в смежных с энергетикой отраслях в зависимости от динамики роста энергопотребления производилась Ю.Д.Кононовым.

Таким образом, имеются различия как в названии коэффициента, так и в описании входящих в формулу величин.

Обобщение в диссертации опыта более ранних исследований позволило унифицировать коэффициент энергии-нетто и подробно описать все его составляющие.

3. Срок энергетической окупаемости. Существенную неопределенность при вычислении энергии-нетто вносит присутствие периода "времени, в течение которого отпущенная энергия соизмеряется с затраченной. Обычно он принимается равным сроку службы рассматриваемой установки.

Для проектируемых возобновляемых источников энергии наиболее рациональным следует признать использование показателя -срок энергетической окупаемости 1ок; для них 1ок позволяет исключить энергетически невыгодный вариант. Установки, работающие на традиционных видах топлива, имеют малый срок окупаемости.

При выполнении расчетов по энергии-нетто целесообразно совместное использование показателей, описывающих долю эксплуатационных и строительных затрат в производимой полезной энергии. Поэтому представляется важным использование введенного Янтовским критерия сумма удельных затрат эксергии зЕх. Он объединяет два слагаемых, характеризующих удельные энергетические затраты на создание оборудования и удельные текущие энергетические затраты.

Показатель зЕх аналогичен удельным приведенным затратам в экономике, что позволяет осуществлять сравнение результатов энергетического и экономического расчетов.

Как показал произведенный нами анализ, наряду с зЕх сопоставлять различные варианты энергетических установок можно при помощи традиционного показателя коэффициент энергии-нетто, который уже вычислен для большого количества объектов. Однако модификация этого выражения, учитывающая работоспособность энергоносителей и называемая коэффициентом эксергии-нетто КЕх, более точно характеризует рассматриваемый объект. В этом случае все составляющие формулы (1.1) определяются величинами эксергии, как отведенной, так и затраченной при строительстве и эксплуатации, что и использовано нами при составлении методики.

Применение указанных критериев возможно при условии уточнения периода времени, в течение которого производится сопоставление полученной и затраченной энергии или эксергии. Он может быть назван нормативным сроком эксергетической окупаемости. Для окончательного выбора его величины требуется разработать специальный подход, однако можно с уверенностью сказать, что он не должен превышать 8 лет - норматива, принятого в экономике.

По результатам исследований ученых разных стран (Хэнкок, Шаргут, Степанов и др.) нами составлена сводная таблица энергоемкостей металлов, их сплавов, а также других материалов, которая облегчает расчет расхода эксергии на создание любого энергетического объекта.

Таким образом, выполненный обзор литературы позволил выделить основные направления современного энергетического анализа, представить в унифицированном виде используемые показатели, обосновать рациональность каждого из них и перейти к составлению методики расчета полной эффективности энергетических систем на основе показателей энергии-нетто.

б

II. МЕТОДИКА РАСЧЕТОВ ПО ЭНЕРГИИ-НЕТТО

Объективное определение эффективности энергетической системы предполагает в первую очередь рассмотрение термодинамического совершенства рабочих процессов. Поэтому разработанная нами методика опирается на два основных закона термодинамики: закон сохранения энергии и закон возрастания энтропии.

Во всех процессах по мере передачи или преобразования энергии ее качество понижается и теряется способность производить работу. Максимальная работа, которую может совершить система при ее обратимом взаимодействии с окружающей средой, характеризуется понятием эксергия. В электроэнергетике, а также для механических процессов равнозначно использование понятий энергия и эксергия. Но при определении эффективности многоцелевых и теплоснабжающих объектов различие этих понятий существенно; необходимо учитывать потери эксергии, которые вызваны как внутренной необратимостью циклов, так и отводом тепла в окружающую среду.

В названии методики применено традиционное название "энергия-нетто". Однако все показатели определяются нами в единицах эксергии, так как эксергия является универсальным и наиболее общим понятием для качественно различных энергоносителей и систем, находящихся в неравновесном состоянии относительно параметров окружающей среды.

Стремление к реализации наиболее совершенного процесса с высоким КПД, как правило, приводит к усложнению конструкции энергетического агрегата или к увеличению его размеров. Это обусловливает необходимость оценки величины как текущих (эксплуатационных), так и единовременных эксергетических затрат, связанных с созданием оборудования.

Выполненный памп ппалю сущсчтиующнх и мождупа родной практике методов позмолил ныделить и умифицироп.чп. для широкого

применения три основных критерия, которые способны охарактеризовать объект по производимой полезной потребителю ¡жи'рш»! (!№иЧ>1Ш1 нетто).

Такими критериями являются сумма удельных затрат ¿жссршн, коэффициент эксергии-нетто и срок энергетической или эксергетической окупаемости. Дополнение этими показателями традиционных технико- экономических расчетов позволит производить точную оценку полных затрат, связанных с изготовлением и эксплуатацией любого объекта или системы. Обычно достаточным является использовать один или два из них (в зависимости от типа объекта и целей исследования).

1. Критерий "Сумма удельных затрат эксергии" (СУЗЭКС) -зЕх призван соизмерить эксергетические затраты на создание, функционирование и реконструкцию установки с получаемой в результате эксплуатации полезной эксергией. Используя понятие потока эксергии как величины среднегодовой подведенной или отведенной эксергии (МДж эксергии/год), суммарные удельные затраты эксергии можно записать в виде следующих эквивалентных выражений:

3Ех - (^хподв + Ехстр)/Ехотв-

= (Ехподв +Ехстр/г )/ехотв = 1/£ +1/ к^ (2.1)

где = Ехотв/ Ехподв эксергетическая эффективность

установки;

К^= Ехотв 7Г / Ехстр - коэффициент затрат на создание оборудования;

Т. - промежуток времени, определяемый нами как нормативный срок энергетической окупаемости (в отличие от использовавшегося ранее срока энергетической окупаемости объекта).

Под Ехподв понимается эксергия топлива, потребляемого в данном процессе, Ехотв соответствует полезной эксергии установки, то есть произведенной в течение расчетного периода времени эксергии за вычетом расхода на собственные нужды. Строительные эксергетические затраты Ехстр связаны с изготовлением оборудования в период, предшествующий началу работы установки.

Строительство объекта продолжается несколько лет, а производство полезной эксергии. начинается лишь в момент пуска первого агрегата. Поэтому введение нормативного срока энергетической окупаемости, по нашему мнению, позволит привести растянутые во времени энергетические затраты к одному году, как это делается в экономике. В работе его величина принималась равной 8 годам, хотя это положение требует дополнительного расчета по его обоснованию.

Критерий сумма удельных затрат эксергии зЕх может быть рекомендована для определения наиболее выгодного варианта энергоснабжения и сопоставления результатов энергетического и экономического расчетов, так как в общем случае минимум СУЗЭКС не совпадает с оптимальным значением приведенных денежных затрат. Поиск варианта, характеризующегося наименьшими экономическими ( зш) и энергетическими (зЕх) удельными затратами осуществляется нами графически построением зависимости зЕх = {(зш).

в

Таким образом, по результатам расчета суммы удельных затрат эксергии делаются выводы о целесообразности вновь создаваемых установок. Как будет показано в последующих главах работы, для большинства современных объектов составляющая СУЗЭКС, определяемая текущими затратами, существенна, что оправдывает во многих случаях ввод более эффективных, хотя и энергоемких устройств.

2. Коэффициент эксергии-нетто КЕх. Этот критерий определяется отношением полезной эксергии Ехотв к затратам на собственные нужды Ехсн и создание оборудования Ехстр:

КЕХ = ^Хоп/ (^хстр+^хсн) (2.2)

Очевидно, что обязательным условием для создания и эксплуатации любого энергетического объекта является неравенство КЕх > 1. Израсходованная эксергия сопоставляется с полученной от установки за весь срок службы или при рассмотрении крупных энергетических сирстем за год работы. Кроме того, возможно использование интегрального коэффициента эксергии-нетто за весь рассматриваемый период, так как производимый эффект при функционировании такой системы запаздывает по отношению к материальным затратам: производство эксергии начинается только после ввода объекта в эксплуатацию.

Коэффициент эксергии-нетто, уже рассчитанный для многих энергетических объектов, полезен при сопоставлении одинаковых систем в различных условиях, либо разных устройств для выполнения одних и тех же функций.

3. Срок энергетической (эксергетической) окупаемости 10к. Прогнозируемые и проектируемые возобновляемые источники энергии характеризуются сроком энергетической окупаемости, который не должен превышать нормативного значения:

t = Ех / Ех

1ок 1-Л'стр' отв год>

Определяемый в единицах эксергии такой критерий дает возможность сравнивать между собой нетрадиционные источники энергии для производства электроэнергии и теплоты.

Опыт создания современных нетрадиционных установок свидетельствует о значительном превышении для них единовременных затрат над эксплуатационными, поэтому для ряда таких установок расходом эксергии на собственные нужды можно пренебречь.

Срок энергетической окупаемости является объективным показателем, не зависящим от цен на топливо и материалы, что позволяет его использовать при проектировании источников энергии будущего.

Выполнение оценок суммы удельных затрат эксергии, коэффициента эксергии-нетто и срока энергетической окупаемости предусматривает знание величины установленной мощности объекта и расхода эксергии на собственые нужды, которые обычно известны из технико-экономических расчетов. Определение же строительных затрат ЕхСТ(> составляет отдельную задачу и требует специального методического анализа.

Применительно к энергетике затраты на изготовление оборудования представляют собой сумму затрат в смежных отраслях первого порядка (на изготовление оборудования и конструкций, непосредственно используемых в данной отрасли), а также в отраслях, смежных со смежными, на изготовление агрегатов, обеспечивающих выпуск оборудования отраслей первого порядка, и т.д.

На практике при существующей динамике развития энергетического комплекса на территории государств бывшего СССР можно ограничиться расчетом затрат эксергии непосредственно на создание энергетических объектов:

где М1 - масса детали,кг; Э) - удельная энергоемкость (эксергоемкость) детали, кг условного топлива / кг, (МДж эксергии/кг); п - количество деталей.

В таком выражении значение удельной эксергоемкости должно содержать расход эксергии на добычу и обогащение руды, выплавку и прокат металла (что составляет основную долю всех затрат), а также обработку сборку и транспорт всех деталей и агрегатов; то есть удельные кумулированные затраты эксергии по определению Шаргута и Степанова.

Процесс механической обработки деталей требует незначительного расхода эксергии по сравнению с эксергией получения металла, но существенные потери с отходами в машиностроении вызывают увеличение эксергоемкости детали относительно исходной заготовки.

Составленная нами сводная таблица по данным различных авторов позволяет определить эксергоемкость многих элементов, а также их сплавов. Имеющуюся неопределенность в увеличении удельной эксергоемкости конкретного блока за счет затрат эксергии на обработку и сборку деталей возможно разрешить на основании экспертных оценок в соответствии с наиболее характерной технологией производства.

Для совершенно новых, неизвестных сегодня установок будущего возможно потребуются материалы с заранее неопределенной технологией производства. При этом возникнет необходимость в дополнительном определении эксергоемкости с учетом уровня смежности обрудования выше 1-го.

ю

Там-м образом, каждый энергетический объект однозначно описывается системой показателей, характеризующих его по способности производить полезную эксергию.

Подобные исследования необходимы при сравнении альтернативных вариантов энергоснабжения, так как позволяют исключить из их числа неэффективные с энергетической точки зрения на ранней стадии проектирования, а также оценить перспективы развития крупных энергетических систем и комплексов.

Предложенная методика по оценке полной эффективности энергетических систем была продемонстрирована на объектах различной сложности от простейшей электрической машины до топливно-энергетического комплекса страны.

III. ОПТИМИЗАЦИЯ ЕДИНИЧНОГО ОБЪЕКТА ПО ЭНЕРГИИ-НЕТТО

Изложенная выше методика расчетов по энергии-нетто была конкретизирована и применена для оптимизации конструкционных параметров простейшей электрической машины - униполярного генератора. Это машина специального назначения, отличительной особенностью которой являются малые ЭДС и большие токи нагрузки. Ее использование оправдано, например, в процессах электролиза, восстановления металлов, получения газообразного водорода из воды и т.д. В качестве примера использования методики расчетов по энергии-нетто нами рассмотрена оптимизация униполярного генератора с полым цилиндрическим ротором.

Цель данного расчета - отыскание таких параметров машины, которые обеспечивают минимум суммы удельных затрат энергии на потери в самом генераторе и на его изготовление. Критерием оптимизации является сумма удельных затрат эксергии, слагаемые которой представляют собой удельные текущие и удельные единовременные затраты эксергии. Оптимизируемой величиной служит число, витков обмотки возбуждения w, которое влияет на высоту катушки, длину активного проводника, величину индукции в воздушном зазоре, а следовательно, и на удельные затраты эксергии.

Нами была составлена система уравнений, описывающая как электромагнитные процессы в установившемся режиме, так и эксергетические затраты на изготовление статора, обмотки возбуждения и якоря униполярного генератора. Решая данную систему уравнений, можно получить зависимость суммы удельных затрат эксергии зЕх от числа витков обмотки возбуждения w и магнитной индукции в воздушном зазоре Bg:

3Fy = 1 +■ А/ В + В w + С

и

где А, В и С - некоторые постоянные для определения параметров машины.

Связь между числом витков обмотки возбуждения и величиной магнитной индукции в воздушном зазоре выявляется при использовании закона полного тока. Таким образом, при заданных параметрах машины сумма удельных затрат эксергии однозначно определяется оптимизируемым значением

С помощью ЭВМ нами были выполнены расчеты для двух типов машин - большой и малой мощности, которые позволили определить минимум расхода эксергии на изготовление униполярного генератора с полым цилиндрическим ротором и его эксплуатацию.

Был произведен также экономический расчет на минимум приведенных денежных затрат для машины малой мощности в ценах 1988 г. и кратных им. Результаты экономического и энергетического расчетов (рис.1) сопоставлены с помощью графической зависимости удельных эксергетических затрат от удельных приведенных затрат (С-кривые).

Как видно из рис., оптимальная величина числа витков обмотки возбуждения по критерию СУЗЭКС может существенно отличаться от оптимальной по приведенным денежным затратам; при вариации цен разница между этими критериями растет.

В целом расчеты демонстрируют полезность совместной оптимизации электрической машины как по энергетическому, так и по денежному критериям.

IV. РАСЧЕТ СУММАРНЫХ ЗАТРАТ ЭКСЕРГИИ В СИСТЕМЕ "ДОБЫЧА ГАЗА - РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

И ТЕПЛОТЫ"

Задача выбора наиболее эффективного варианта доставки потребителю электроэнергии и теплоты в такой системе решена с помощью критерия "сумма удельных затрат эксергии". Вычисление этого показателя производилось поэтапно после каждого преобразования энергоносителя объектами системы: 1 - скважина; 2 -газопровод; 3 - котел на газовом топливе; 4 - турбоблок на электростанции; 5' - тепловые и 5" - электрические сети

(4.1)

где — эксергетический КПД использования топлива на Нгом этапе; 2

К^ - коэффициент затрат на создание оборудования.

Рис.1. С-кривые при изменении цен на металлы

Рис.2. Диаграмма преобразования эксергии газа в электроэнергию и теплоту: 1-скважина; 2-газопровод; 3-котел на газовом топливе; 4-гурбина с турбогенератором; 5'^гепловые и 5"-электрические сети

Рис.3. Диаграммы изменения СУЗЭКС и его составляющих по мере приближения к потребителю (обозначения см.рис.2)

0,99

ОВ9

оЛз

о,И оЛо |

* 100

6, ¡2 6,25_

г, 45

Ш.

Изменение текущей составляющей эксергетических затрат в

! системе определено нами с помощью диаграммы (рис.2), которая

I демонстрирует уменьшение потока эксергии при передаче ее от

! газового месторождения к потребителю. При этом считается, что

I каждый элемент системы связан эксергетическими потоками только с

! последующим и предыдущим элементами, а промежуточных подводов

; и отводов эксергии нет. Если это условие соблюдается, КПД

! нескольких последовательно расположенных объектов является

I произведением каждого из них, то есть для ¡-юго сечения

\ За 100% принят поток эксергии газа в недрах, потери при

| транспорте газа, преобразовании в электроэнергию и теплоту и I распределении полученных энергоносителей сокращают его, как I показывают расчеты, до 30% в конце системы.

I Удельные затраты на создание оборудования в каждом из

сечений представляют собой отношение

; 1/к^= 1мпэ„/ех0£ г

| где шп - удельная материалоемкость объекта; "Е - нормативный

I срок энергетической окупаемости с учетом числа часов использования

! установленной мощности.

[ Введение понятия удельной материалоемкости объекта позволяет

I абстрагироваться от разветвленной сети реально расположенных

\ объектов и представить рассматриваемую систему в виде цепочки

; установок, осуществляющих последовательное преобразование

| энергоносителей.

1

Каждое последующее звено изменяет предшествующие удельные единовременные затраты на создание оборудования следующим образом: .

1/ К^ = Ехотв/ Ех^ К^ + тп Эп/Г

1 Для среднестатистических данных и типового оборудования,

используемого в нашей стране, выполнено сопоставление двух вариантов с различными способами отпуска потребителю электроэнергии и горячей воды. В одном случае производится | комбинированная выработка электроэнергии и теплоты | теплофикационной турбиной с промежуточным отбором пара, в другом I - электро- и теплоснабжение осуществляется по раздельной схеме от | конденсационой электростанции (КЭС) и районной котельной (РК).

и

•

Для каждого элемента системы Ехотв учитывает его специфику и ' зависит от типа энергоносителя. Оценка Ех0'в скважины была произведена условно с учетом того, что затраты на ее обустройство | составляют около 1 % добытого газа; - поток эксергии, ;

передаваемый по газопроводу в единицу времени; Ех0|в характеризует работоспособность пара в котле по его рабочим параметрам; для ; турбины и генератора поток эксергии

равен их электрической мощности; расчет потоков эксергии тепловых и электрических сетей , Ёх0^Е производился на нескольких участках с соответствующими > параметрами. \

На основании расчета нами были построены эксергетические ! диаграммы, соответствующие изменению СУЗЭКС и его составляющих при передаче потока эксергии от сжатого газа в недрах до низковольтных электрических и распределительных тепловых сетей. ; Для варианта расчета системы энергетических объектов с ; теплоэлектроцентралью пример такой диаграммы приведен на рис.3. !

Как видно из рис., по мере приближения к потребителю эффективность системы падает вследствие значительных внешних ; потерь эксергии. Еще более круто снижается коэффициент затрат на создание оборудования. Поэтому суммарные удельные затраты | эксергии возрастают. При распределении эксергии от ТЭЦ они в 3.58 раза превышают тот же показатель в районе скважины. Полная ; эффективность системы в этом случае составляет 28%, то есть за счет расхода эксергии в металлургии и машиностроении теряется 2% ; абсолютных. 1

При рассмотрении раздельной схемы энергоснабжения от КЭС и I котельной соблюдалось тождество эффекта, поэтому суммарные ' удельные затраты определялись с помощью выражения: |

зЕх = зЕхКЭС/(С1+1) + зЕхРК С1/ (С1+1) . 5' .

где С1= Ехотв/ Ехотв - соотношение потоков эксергии теплоты и , электричества, доставленных потребителю от теплофикационной 1 турбины.

Выработка электроэнергии по конденсационному циклу несколько выгоднее энергетически, чем в первом варианте, но | производство горячей воды в котельной связано со значительным перерасходом эксергии, так что СУЗЭКС на входе к потребителю при , раздельной схеме составляет 4.64, а полная эффективность системы -21.6%. |

Таким образом, расчеты двух систем с комбинированной и ' раздельной схемами электро- и теплоснабжения показали, что при ' гарантированном поступлении к потребителю электроэнергии и ■ теплоты в одинаковой пропорции и количестве наименьшие ; суммарные удельные затраты эксергии позволяет реализовать вариант ; с теплоэлектроцентралью. ;

' V. ЭНЕРГИЯ-НЕТТО ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

I

Оценка полных энергетических затрат по энергии-нетто отраслей энергетики на территории бывшего СССР ранее не | производилась. В настоящей главе описан расчет энергозатрат на ! собственные нужды газовой промышленности за прошедший период и ' в перспективе, определена их доля в добыче газа, рассчитан коэффициент эксергии-нетто и сумма удельных затрат эксергии по изложенной выше методике.

Развитие газовой промышленности сопровождалось увеличением

I длины газопроводов, количества газоперекачивающих станций (ГПС)

! и другого оборудования. В связи с этим возрастают транспортные и

| технологические энергозатраты, а также расход энергии на замену и

I реконструкцию ГПС. Опираясь на исследования отраслевых проектных

! институтов по обоснованию и техническому перевооружению

| магистральных газопроводов страны, в работе были произведены

: расчеты энергетических затрат в целом по отрасли на период

: 1975-2005 гг.

| Вследствие того, что разница между химической энергией и

; эксергией природного газа для данного расчета пренебрежимо мала,

| нами было использовано понятие энергия и расчеты выполнялись в

I энергетических единицах измерения.

I На основании конкретных данных показано, что с точки зрения

| показателей энергии-нетто существенными являются удельные

• текущие затраты энергии, определяемые для отрасли как величина,

I обратная эффективности транспорта газа:

I 1/^ = В/ (В-В')

где В - добыча газа, млн. т условного топлива/год; В' -; эксплуатационные потребности отрасли в топливе, млн. т условного топлива/год.

Удельные затраты на создание оборудования характеризуют энергию, которая расходуется на изготовление деталей газоперекачивающих агрегатов и соответствующей аппаратуры, на выплавку металла для труб и в качестве топлива для строительных машин, а также на сооружение других объектов газовой ! промышленности:

I 1/Ко6=Всгр/(В-В')

где Вст0 - строительные затраты, млн. т условного топлива/год.

Коэффициент эксергии-нетто применительно к любой отрасли' энергетики, а значит и к газовой промышленности, представляет собой отношение эксергии, доставленной потребителям, к эксергетическим затратам на создание и эксплуатацию оборудования. Как показывает практика, он может сильно изменяться с течением времени. Учитывая большую инерционность энергетики, при которой строительные затраты оказывают влияние на перспективное ее развитие, наиболее точной характеристикой газовой промышленности следует признать интегральный коэффициент эксергии-нетто, определяемый суммарными добычей и расходом эксергии в течение заданного промежутка времени:

К„„т = ( I Вдоб -I В')/( £ ВЧ X Встр)

Проследить за изменением суммарных эксергетических затрат газовой промышленности зЕх и коэффициента эксергии-нетто КЕх можно, используя данные по потребности отрасли в газоперекачивающих агрегатах (ГПА), расходу металла на трубы и прокат, на оборудование газоперекачивающих и распределительных станций, на создание инфраструктуры в виде линий электропередач и железнодорожных подъездных путей, а также оценив среднюю; удельную эксергоемкость этих объектов.

В соответствии с разработанной методикой и существующей динамикой изменения показателей отрасли (рис.4) нами определены удельные текущие, удельные единовременные и суммарные удельные затраты эксергии. На рис.5 представлены графики зависимости удельных затрат от среднего КПД парка газоперекачивающих агрегатов. Как видно из рис., в период с 1975 по 1990 гг. удельные текущие затраты росли, а удельные единовременные затраты падали. Суммарные удельные затраты эксергии также возрастали, что в целом было связано с медленным ростом КПД парка. В перспективе, начиная с 1990 г. ожидается снижение зЕх. !

Влияние КПД парка на удельные затраты эксергии можно проследить, предположив, что с 1975 г. он соответствовал бы КПД парогазовых установок (ПГУ) и изменялся бы так же, как рос средний : КПД этих агрегатов. Считая, что запланированная мощность обеспечивалась бы электроприводными агрегатами, снабжаемыми; электроэнергией от электростанций с ПГУ, можно оценить затраты на | материальные ресурсы данного варианта с повышенным КПД. Как! видно из рис.5, суммарные удельные затраты эксергии (зЕх) для данного варианта ниже, то есть использование комбинированных' установок позволит существенно увеличть эффективность газотранспортных систем.

Впервые рассчитанный здесь интегральный коэффициент | энергии-нетто в настоящее время составляет около семи единиц и может быть повышен до 10... 12 при использовании ПГУ.

Рис.4. Динамика изменения энергетических показателей газовой промышленности

I

Рис.5. Сумма удельных затрат эксергии и ее составляющие для газовой промышленности 1 - существующий вариант; ' 2 - вариант с ПГУ

VI. ОЦЕНКА ПОЛНОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА СТРАНЫ.

Важной особенностью энергетики современного этапа является ; формирование больших систем. Поэтому вполне оправдано приложение методики оценки эффективности по энергии-нетто к самому крупному из энергетических объектов - топливно-энергетическому комплексу страны.

Топливно-энергетический комплекс страны объединяет |

производство, преобразование и доставку потребителю всех видов ;

энергетических ресурсов. Анализ его эффективности принято ; производить на основе энергетического баланса, который устанавливает количественное соответствие между потенциальной

энергией добытых ресурсов и суммой полезной энергии и потерь. ;

Фиксируя изменения, происходящие со временем в топливно- < энергетическом комплексе, такой баланс позволяет выявлять ' закономерности развития энергетики и осуществлять долгосрочное \ прогнозирование. Однако он не дает возможности определить причины ' основных потерь, связать их с энергетическими объектами, на которых они происходят, а следовательно и оценить резервы энергосбережения. '

Эксергетический баланс в этом смысле представляется более целесообразным и позволяет проанализировать процессы, : сопровождаемые существенными потерями эксергии. Оценки | эффективности отраслей энергетики и масштабов энергосбережения с ! помощью энергетического баланса независимых государств бывшего I СССР выполнены нами впервые. |

Эксергетический потенциал используемых энергоресурсов 1 несколько отличается от эксергетического. Это связано как с разными , значениями энергии и эксергии топлива и теплоты, так и с некоторыми условностями, присущими энергетической статистике. К | ним относятся, например, учет гидроэнергетических ресурсов и ! ядерного топлива, а также способ разнесения затрат на производство ; электроэнергии и теплоты при их совместной выработке по теплофикационному циклу. Так, потенциальная энергия рек и! атомная энергия в реакторе для энергетического баланса определяются ! как замещаемое топливо на конденсационных электростанциях, а для I эксергетического - соответственно по величине механической энергии ' на валу турбины и химической эксергии ядерного топлива.

Потребность в конкретном виде энергии при совершении определенного процесса, с одной стороны, и взаимозаменяемость сырьевых энергоресурсов, с другой, открывают широкие возможности I к целенаправленному осуществлению политики энергосбережения. '

1 На основе сводного энергетического баланса государств бывшего

| СССР, составленного в ИНЭИ РАН по отчетным данным 1985 г. и прогнозным показателям на 2000 г., нами был рассчитан | эксергетический баланс топливно-энергетического комплекса нашей ' страны. Структура исходного баланса отражает состав основных 1 энергоносителей и их распределение по отраслям народного хозяйства. ! Общепринятым является разделение энергоносителей на ископаемое ; топливо, гидравлическую и атомную энергию, прочие энергоресурсы, | (включая попутные и доменные газы, сжигаемые в факелах), | электроэнергию и теплоту.

; Нами были выбраны соответствующие коэффициенты связи

! энергии и эксергии, энергетический баланс был пересчитан в : эксергетический. Результатом этих операций явилось построение ! эксергетических диаграмм. Такие диаграммы не только учитывают : работоспособность энергоносителей (вследствие чего на них иное, чем ! на энергетических диаграммах соотношение величин), но и хорошо | иллюстрируют реальные термодинамические потери в энергетических ! установках, вызванные ростом энтропии, рис.6. Сравнивая диаграммы, ! построенные по энергии и по эксергии, можно отметить увеличение ! доли потерь, незначительное в электроэнергетике и существенное в | теплофикации.

| Потери, возникающие при работе энергетических установок,

| принято разделять на внутренние, которые являются следствием 1 необратимости циклов, и внешние, связанные с выбросом в ! окружающую среду отработанных газов. Значительные внешние ! потери эксергии происходят при работе газоперекачивающих агрегатов и котельных. Нами они были определены сответственно в 1018 и ' 0.84.1018 Дж эксергии в 1985 г. и ожидаемые в 2000 г. 1.27.1018 и 1.22.1018 Дж эксергии. Суммарные эксергетические потери с , отходящими газами для установок обоих типов всего в два раза ; меньше работоспособности произведенных в централизованном ' теплоснабжении тепловых потоков.

1 Более подробная, чем в энергетическом балансе, детализация

структуры энергетического комплекса с выделением потерь на , транспорт и переработку энергоресурсов позволила определить эксергетическую эффективность процессов преобразования природных энергоносителей в теплоту и электроэнергию. В этих процессах, а также для топливно-энергетического комплекса в целом были рассчитаны коэффициенты полезного использования топлива (КПИ), которые для системы объектов означают то же, что и КПД для 1 отдельной установки. Они представлены в таблице 1.

ГИйРо

потери

> Ш _1

Рис.б.Эксергетическая диаграмма топливно-энергетического комплекса бывшего СССР в 1985г 1 - производство энергетических ресурсов; 2 - преобразование энергоносителей; 3 - потребление в отраслях народного хозяйства

Таблица 1

Коэффициенты полезного использования топлива

Объекты КГ И1 КП И2

1985 2000 1985 2000

Топливно-энергетический комплекс Электроэнергетика Централизованное теплоснабжение 0.7 0.315 0.728 0.71 0.31 0.72 0.596 0.32 0.247 0.58 0.32 0.24

! Как видно из таблицы, энергетические показатели существенно

i отличаются от эксергетических; особенно заметна разница в ! централизованном теплоснабжении. Невысокий эксергетический КПИ указывает на наличие существенных возможностей к энергосбережению при условии использования более эффективного энергетического оборудования, каскадирования установок и тепловых • насосов.

; Если технические возможности позволят КПИ2 в

| теплоснабжении достигнуть его величины в электроэнергетике, то I экономия топлива за счет снижения потерь составила бы около 100 млн. т условного топлива в 1985 г., а по прогнозу на 2000 г. - 180 ! млн. т условного топлива.

| Как было показано выше, кроме текущих затрат эксергии на

! эффективность энергетической системы оказывает влияние наличие ; затрат на создание оборудования. Поэтому величина собственного j энергопотребления топливно-энергетического комплекса должна 1 включать в себя затраты эксергии на производство энергетического i оборудования смежными с ним отраслями.

Согласно разработанной методике наиболее объективно охарактеризовать эффективность энергетики можно с помощью коэффициента эксергии-нетто и полного эксергетического КПИ:

| КЕх = Ехотв/ (Ехсн+Ехстр); (Ехотв-Ехстр)/ Ехдоб

В формулы входят потоки эксергии, определяемые объемами годовой добычи Ехдоб, экспортом сырья Ехэкс, работоспособностью доставленных энергоресурсов Ехотв, а также собственными нуждами j энергетического комплекса Ехсн и строительными затратами на I изготовление оборудования Ехстр.

Строительные затраты Ехстр представляют собой наиболее сложную в оценке составляющую коэффициента энергии-нетто, так как должны учитывать все многообразие связей энергетики с металлургией, машиностроением и химической промышленностью. Ориентировочные оценки величины данного потока эксергии в энергетический комплекс из народного хозяйства были сделаны нами на основании опубликованных результатов расчета Ю.Д. Кононовым межотраслевого баланса СССР. На объекты энергетики расходуется до 27% продукции черной металлургии, до 21% полученных цветных1 металлов, до 20% строительных материалов и т.д. ,

Используя табличные значения энергоемкостей соответствующих материалов, можно определить величину коэффициента эксергии-нетто, которая в 1985 г. составила 5.4-6.1, и в соответствии с имеющимся прогнозом к 2000 г. достигнет 6.1-6.3. При принятой доле промышленной продукции, необходимой на современном этапе для строительства энергетических объектов, следует ожидать стабильности коэффициента эксергии-нетто, в то время как общее прогнозируемое снижение коэффициента полезного использования топлива (таблица 1) сказывается на падении суммарного эксергетического КПИ ^ с 0.56 до 0.55. Таким образом, особенности современного развития энергетики государств бывшего СССР, связанные с ростом ее собственных эксергетических затрат снижают в перспективе эффективность топливно-энергетического комплекса.

В целом совершенствование методов энергетического анализа позволяет более полно выявить термодинамические резервы экономии топлива и обоснованно прогнозировать дольнейшее развитие энергетики.

ВЫВОДЫ

1. Систематизирован и обобщен накопленный за рубежом опыт выполнения расчетов по энергии-нетто. Показана его значимость в условиях несовершенства механизма ценообразования и нестабильности экономики. В качестве показателей, наиболее' пригодных для таких расчетов признаны коэффициент эксергии-нетто, сумма удельных затрат эксергии и срок эксергетической окупаемости.

2. Разработанная методика оценки полной эффективности энергетических систем на основе показателей энергии-нетто может быть рекомендована в качестве дополнения при проведении технико-экономических расчетов отечественных объектов различной сложности. Использовано понятие эксергия, позволяющее учесть качественное различие энергоносителей и являющееся наиболее точным и универсальным при описании энергетических процессов.

3. Предложенная методика позволяет осуществить выбор варианта установки или системы с минимальными удельными затратами эксергии на изготовление и эксплуатацию, что продемонстрировано на примерах простейшей электрической машины и технической системы, связывающей газовое месторождение с

' потребителями электроэнергии и теплоты.

4. Разработанная методика позволила охарактеризовать I эффективную производительность газовой промышленности России и

других независимых государств на территории бывшего СССР. ; Показано, что в настоящее время суммарные эксергетические затраты , отрасли составляют около 14% от эксергии добытого газа, то есть интегральный коэффициент эксергии-нетто близок к семи. В ! перспективе ожидается рост коэффициента эксергии-нетто за счет ' использования крупных парогазовых блоков на электростанциях страны и электроприводных газоперекачивающих агрегатов.

5. На основании применения методики расчетов по энергии-нетго показана возможность выявления резервов энергосбережения в топливно-энергетическом комплексе страны на примере бывшего СССР. Составление эксергетического баланса и построение соответствующих диаграмм позволило уточнить оценки потерь работоспособности, привести к сопоставимому виду различные энергоносители и оценить масштаб возможной экономии ресурсов в

I теплоснабжении на уровне 180 млн.т условного топлива к 2000 г.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

i

| 1. Лукина Е.В., Янтовский Е.И. Оптимизация униполярного

: генератора по энергии-нетто// Изв. АН СССР, сер. Энергетика и i транспорт, 1989, №6, с. 75-61.

1 2. Янтовский Е.И., Лукина Е.В. Методика оценки

j эффективности возобновляемых источников энергии по ; энергии-нетто// Изв. АН СССР, сер. Энергетика и транспорт, 1990, ! №2, с.165-168.

3. Лукина Е.В. Сумма удельных затрат эксергии для объектов теплофикации с учетом транспорта газа// Изв. АН СССР, сер. I Энергетика и транспорт, 1990, №6.

: 4. Yantovskii E.I., Lukina E.V. Exergy diagram and energy

i conservation// WAM of the/SSME, Vol.19, 1990.