Теплофизика — область науки и техники, включающая совокупность средств, приемов, способов и методов для получения полной и достоверной информации о характере и количественных закономерностях протекания тепловых процессов в существующих и новых технических системах для теплоэнергетики. Теплофизика рассматривает тепловые процессы, протекающие в устройствах для преобразования и использования энергии, элементах конструкций приборов, аппаратов и установок, которые разрабатываются, создаются и применяются в областях новой техники и теплотехнологии. Современные проблемы теплофизики на сегодняшний день стоят на одном из первых мест в мире по значимости и сложности. В России этот вопрос стоит особенно остро. Неэффективное использование топливных ресурсов приводит к огромным финансовым потерям, влекущим за собой значительное удорожание цен на топливо, и напрямую влияют на развитие экономики в целом. В связи с этим для организации рационального энергоснабжения большое значение имеет теплофикация, которая является более совершенным способом производства двух видов энергии, а так же одним из главных путей снижения расхода топлива.
Теплофикация — это комбинированное энергоснабжение, т. е. совместная, выработка электрической и тепловой энергии в одной установке. Термодинамической основой теплофикации является полезное использование отработавшей в тепловом двигателе теплоты, отводимой из теплосилового цикла. Основной энергетический эффект теплофикации заключается в ликвидации бесполезно отводимой теплоты в окружающую среду [1]. Комбинированная выработка является одним из основных путей повышения тепловой экономичности энергетического производства. При этом экономия топлива за счет комбинированной выработки электрической и тепловой энергии составляет 45 млн. т., или 13 % расхода топлива на выработку электроэнергии на всех ТЭС России.
Удельный расход топлива на выработку электроэнергии в комбинированном цикле рассчитывается в соответствии с физическим методом распределения энергетических затрат в теплофикационных установках: расход топлива на выработку электроэнергии на ТЭЦ получают путем вычитания из всего количества теплоты, подведенного к теплофикационной установке, количества теплоты конденсата, направляемого в энергетические котлы ТЭЦ, и количества теплоты, отпускаемой от теплофикационной установки внешним потребителям. Вся экономия топлива, расходуемого на выработку электроэнергии и теплоты в комбинированном цикле на ТЭЦ, относится только на электроэнергию.
Комбинированное производство электрической и тепловой энергии может быть реализовано на энергоустановках электрической мощностью, связанной с уровнем централизации теплоснабжения. Развитие теплофикации способствует повышению тепловой экономичности энергетического производства, обеспечению качественного электро- и теплоснабжения жилых и промышленных зданий, улучшению экологической обстановки в городе. Тепловая экономичность ТЭЦ улучшается при применении многоступенчатого подогрева сетевой воды, повышении начальных параметров пара, снижении давления пара в отборах турбин, увеличении часов использования тепловой мощности отборов. Повышению эффективности теплофикационных систем способствует внедрение проектов ТЭЦ повышенной заводской готовности, что позволяет на 10–15 % уменьшить затраты на сооружение ТЭЦ и сократить сроки их строительства.
Энергетическая эффективность теплофикации оценивается по экономии топлива, получаемой при покрытии ТЭЦ заданного энергопотребления потребителей, по сравнению с расходом топлива при раздельном методе удовлетворения этой нагрузки, т. е. при выработке электрической энергии на конденсационных электрических станциях (КЭС) и теплоты в котельных. Другой возможный метод оценки эффективности теплофикации с помощью коэффициента использования теплоты топлива, он представляет собой отношение тепловых эквивалентов отпущенных от ТЭЦ теплоты и электрической энергии к тепловому эквиваленту сожженного топлива. Выбор оптимальной системы энергоснабжения должен осуществляться из условия минимизации топливных затрат в целом на ТЭЦ, обеспечивающей электро- и теплоснабжение данного района, в сравнении с раздельной схемой энергоснабжения этого района от КЭС и котельных при подаче потребителям равного количества электрической и тепловой энергии заданного качества.
Определение ожидаемой экономии топлива, отнесенной к единице теплоты, отпущенной в тепловые сети, упрощает проведение технико-экономических расчетов на начальных стадиях проектирования. Удельная экономия топлива может быть представлена как сумма удельной экономии топлива за счет выработки электроэнергии на ТЭЦ и удельной экономии или перерасхода топлива за счет централизации теплоснабжения.
Несмотря на наличие необратимых потерь, получаемые в настоящее время значения удельной экономии топлива на действующих ТЭЦ, достаточно близки к значениям удельной экономии топлива, исчисляемой при теплофикации в идеальном цикле Карно. Эффект энергосбережения тепла, который может быть получен на крупных ТЭЦ, окупает издержки, связанные с повышением уровня централизации теплоснабжения.
В области теплофикации и централизованного теплоснабжения важным является технико-экономическое обоснование схемы энергоснабжения, рассмотрения вариантов сооружения ТЭЦ общего пользования, где электрическая и тепловая энергии вырабатываются комбинированным методом, сравнивая с вариантом получения электрической и тепловой энергии от раздельных источников: электрической от КЭС и теплоты от котельных. В этом случае ТЭЦ в части производства электроэнергии замещается КЭС, по тепловой энергии ТЭЦ замещают котельными. При сравнении вариантов энергоснабжения определяются инвестиционные, текущие затраты, выручка от реализации продукции, налоги, формирование потока реальных денег, рассчитываются критерии эффективности инвестиций и выбирается оптимальная схема энергоснабжения. Замещаемой является самая мощная КЭС, её мощность всегда больше электрической мощности ТЭЦ. В сопоставительных расчетах должна учитываться не вся, а эквивалентная мощность КЭС, обеспечивающая передачу полезной мощности потребителю такую же, как и в варианте ТЭЦ.
Как правило, КЭС располагаются вблизи источников топлива или удобных мест их доставки на значительном расстоянии от потребителей электроэнергии. ТЭЦ располагаются вблизи тепловых потребителей, которые одновременно используют всю или большую часть электрической, вырабатываемой на ТЭЦ. Поэтому эквивалентная мощность замещаемой КЭС, обеспечивающая соблюдение равенства полезной мощности, должна быть больше электрической мощности ТЭЦ на значение технологического расхода мощности в линиях электропередачи, с учетом разницы в расходе мощности на собственные нужды ТЭЦ и КЭС и расхода мощности на собственные нужды котельных. Приведение ТЭЦ и котельных в сопоставимый вид по тепловой мощности учитывает, что котельные располагаются ближе к потребителю тепловой энергии, что сокращает протяженность тепловых сетей и потери тепла в них. В результате эквивалентная тепловая мощность котельных меньше тепловой мощности ТЭЦ. Приведение вариантов ТЭЦ и схемы раздельного энергоснабжения в сопоставимый вид по полезному отпуску электроэнергии исходит из равенства полезного отпуска электроэнергии потребителям в обоих вариантах. Условием сопоставимости вариантов по отпуску тепловой энергии является равенство полезного отпуска тепловой энергии от ТЭЦ и котельных в течение года.
Литература:
- Соколов Е. Я. Теплофикация и тепловые сети. — М.: МЭИ, 2001, 7-е изд.
