Показатели экономичности и эффективности комбинированного производства тепловой и электрической энергии энергетическими установками

Рассмотрены показатели экономичности и эффективности использования комбинированного производства тепловой и электрической энергии различными энергетическими установками. Получены зависимости для расчета результатов финансовой деятельности предприятия.

Ключевые слова: энергоресурсы, когенерация, энергетическая установка, энергосбережение, показатели эффективности.

Для Российской Федерации, как и для любой другой развивающейся страны, энергетика является базовой отраслью экономики. Эта отрасль создает предпосылки для применения новых технологий, а также обеспечивает наряду с другими факторами современный уровень жизни. Вместе с этим, энергетика является одним из основных потребителей органических видов топлива, таких как природный газ, уголь и нефтепродукты [1]. Интенсивность добычи полезных ископаемых постоянно увеличивается. За последние 30 лет потребление угля возросло в два раза, а нефти и газа — почти в шесть раз. В связи с этим, рациональное использование топливно-энергетических ресурсов на сегодняшний день является проблемой современного общества.

На территории города Омска мероприятия по реализации Федерального закона «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» являются одними из приоритетных направлений деятельности.

В соответствии с вышеуказанным Федеральным законом приняты муниципальная программа города Омска «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности» на 2014–2020 годы и программы энергосбережения и повышения энергетической эффективности муниципальных предприятий и учреждений [2].

В октябре 2013 года в городе Омске состоялся научный семинар, посвященный переводу котельных города на процесс комбинированной выработки тепловой и электрической энергии (когенерации). На семинаре были представлены доклады о модернизации омской муниципальной теплоэнергетики [3].

Когенерация — это комбинированный процесс одновременного производства тепла и электроэнергии одним устройством. В этом процессе обычно используются первичный источник энергии и электрогенератор, которые предназначены для получения двух форм энергии — тепловой и электрической. В качестве первичного источника энергии может быть представлен дизельный двигатель внутреннего сгорания (ДВС), конвертированный для работы на газовом топливе, тепловой насос, газовая турбина и др. Ключевыми особенностями таких установок являются дешевая электрическая и тепловая энергия, территориальная близость к потребителю и др. Таким образом, используя принцип когенерации, потребитель становится независимым от перебоя электроснабжения при автономном обеспечении тепла [4].

Учитывая постоянную тенденцию роста стоимости электрической энергии, применение когенерации дает значительный экономический эффект, выраженный в снижение затрат на тепло и электроэнергию до 2,8 раза [3].

Теплота энергия, выделяющаяся при сгорании топлива в двигателе внутреннего сгорания, только частично преобразуется в полезную работу, большая часть ее, примерно 55–65 %, теряется с выпускными газами и охлаждающей жидкостью [5–8].

Тепло, отводимое отработавшими газами, может быть использовано в утилизационных котлах для получения горячей воды или пара, потребляемых для отопления, работы турбогенератора и др.

Утилизационные установки различают по параметрам получаемого пара, по типу применяемых утилизационных котлов и их компоновке. Утилизационные котлы генерируют пар, насыщенный или перегретый, давлением 0,2–1,4 МПа [4].

На сегодняшний день в Омске и Омской области продолжается перевод котельных на процесс когенерации. Вложения в когенерационные установки являются экономически целесообразными, т. к. такие проекты быстро окупаются: себестоимость получаемой энергии ниже рыночной более чем в два раза [3].

Эффективность использования когенерационной установки определяется экономичностью первичного источника энергии и системой утилизации тепла. Одним из основных показателей эффективности является коэффициент использования топлива, который можно рассчитать по формуле:

(1)

где N_эл — электрическая мощность когенерационной установки, кВт;

Q_тэ — тепловая мощность когенерационной установки, кВт;

Q_н^р — удельная низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг;

В_т — расход топлива, кг/с.

Эффективность первичного источника энергии характеризуется эффективным КПД двигателя (дизеля):

где N_мех — механическая мощность двигателя, кВт.

Топливный элемент преобразует химическую энергию топлива в электрическую, поэтому его эффективность характеризуется электрическим КПД:

(3)

где N_эл — электрическая мощность, развиваемая топливным элементом, кВт.

Оценку экономической эффективности утилизации отработавших газов без учета дисконтирования, можно рассчитать, используя такой показатель, как срок окупаемости проекта [9]:

(4)

где I — инвестиции на реализацию проекта;

ΔF_э — изменение результатов годовой экономической деятельности предприятия (финансы) после внедрения утилизационной установки:

(5)

здесь F₀ — результаты годовой экономической деятельности предприятия до внедрения утилизационной установки:

где С_Q — стоимость теплоты у централизованных поставщиков;

Q_{от м i —} количество теплоты, отпущенное на теплоснабжение в i-м месяце;

С_{ог э i —} стоимость утилизации отработавших газов в i-м месяце,

τ_м — продолжительность месяца в часах;

k_τ = 0,95 — коэффициент использования установленной мощности;

(7)

здесь F — результаты годовой экономической деятельности предприятия (финансы) после внедрения утилизационной установки;

(Р_эi + Р_Qi) — результаты годовой экономической деятельности предприятия (финансы) после внедрения утилизационной установки;

Р_эi, Р_Qi — доходы (прибыль) от продажи электроэнергии (разница в затратах на покупку электроэнергии в сети и ее производство) и теплоты (аналогично электроэнергии) в i-oм месяце.

(8)

N_э — электрическая мощность двигателя;

ΔN_{с.н. —} затраты электроэнергии на собственные нужды.

Себестоимость вырабатываемой электроэнергии определяется по зависимости:

(9)

где k_э — доля затрат на энергокомплексе, приходящаяся на выработку электроэнергии;

С_{уп.з —} условно-постоянные затраты (заработная плата персонала с начислениями, расходные материалы и др.).

Оценка прибыли от продажи теплоты находится из выражения:

(10)

здесь С_{Q —} себестоимость отпускаемой теплоты после установки утилизационной установки.

Применяя полученные зависимости для расчета, можно определить, что изменение результатов финансовой деятельности предприятия ΔF_э при исходных условиях зависит, главным образом, от цены электроэнергии в сети и объема утилизируемых отработавших газов, т. е. ΔF_э = f (С_{э с}, Q_ог).

1. Экономическая эффективность зависит от следующих показателей: стоимости электроэнергии в сети, объема утилизируемой теплоты, количества теплоты, отпускаемой потребителю и температуры теплоносителя.
2. Количество тепла утилизации отработавших газов поршневых ДВС зависит от их мощности.
3. Систему когенерации с поршневыми ДВС целесообразно использовать при реконструкции выработавших ресурс муниципальных котельных, а также как самостоятельные тепло- и электроисточники небольшой мощности.

Литература:

1. Цанаев, С. В. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций: учебное пособие для вузов / С. В. Цанаев, В. Д. Буров, А. Н. Ремезов. Под ред. С. В. Цанаева. — М.: Издательство МЭИ, 2002. — 584 с.
2. Энергосбережение / Омск.рф — официальный портал Администрации города Омска [Электронный ресурс]. URL: http://www.admomsk.ru/web/ guest/progress/energy-saving.
3. Кручинский, П. В курсе. Экономика. В Омской мэрии продолжают развивать идею когенерации [Текст] / П. Кручинский // Ваш Ореол. — 2013. — 28 октября.
4. Ведрученко, В. Р. Выбор схемы утилизации тепла отработавших газов поршневых ДВС и оценка полезного теплоиспользования в составе когенерационной установки [Текст] / В. Р. Ведрученко, В. В. Крайнов, Н. В. Жданов, М. В. Кокшаров, Д. К. Кузнецова // Омский научный вестник. — 2015. –№ 1 (137). — С. 114–119.
5. Селиверстов, В. М. Экономия топлива на речном флоте [Текст] / В. М. Селиверстов, М. И. Браславский. — М.: Транспорт, 1983. — 231 с.
6. Перельман, Р. С. Судовые энергетические установки. Энергетика [Текст] / Р. С. Перельман. — Одесса: Феникс, 2006. — 92 с.
7. Иконников, С. А. Силовые установки речных судов [Текст] / С. А. Иконников, Ф. Д. Урланг. — М.: Транспорт, 1971. — 248 с.
8. Овсянников, М. К. Судовые дизельные установки: справ. [Текст] / М. К. Овсянников, В. А. Петухов. — Л.: Судостроение. — 424 с.
9. Шубенко, А. Л.Экономическая эффективность утилизации низкопотенциальных вторичных энергетических ресурсов посредством установки турбины на низкокипящем рабочем теле / А. Л. Шубенко, Н. Ю. Бабак, М. И. Роговой, А. В. Сенецкий // Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит. — 2010. — № 6 (76). — С. 18–26.