Экономика предприятия электроэнергетики. Учебное пособие

Топливные характеристики и покрытие графиков нагрузки

Целью работы энергетического предприятия является обеспечение потребителей энергией в соответствии с их спросом, который представлен в виде графиков нагрузки.

Естественно, что энергопредприятие стремится минимизировать свои затраты, связанные с удовлетворением спроса потребителей. Для оценки затрат наибольший интерес представляют ранее рассмотренные суточные и годовые графики электрической и тепловой нагрузки (гл. 3).

Задача минимизации издержек при удовлетворении спроса потребителей в принципе может решаться как  задача распределения общей нагрузки между имеющимся оборудованием энергетического предприятия, а в более общем плане является частью задачи,  определяющей, производить ли самим электрическую энергию или покупать у других энергопредприятий (производить или покупать). Далее будет  рассматриваться только первая часть проблемы (распределение нагрузки между имеющимся оборудованием), так общие принципы могут быть распространены с некоторой корректировкой и на решение более общей задачи.

Зададим условия решения задачи:
1. Имеется некоторый  суточный график нагрузки.
2. Известен состав оборудования, которое может участвовать в покрытии  графика.
3. Каждая единица оборудования обладает уникальными энергетическими характеристиками.

Рассмотрим последовательность решения  задачи  на  условном примере покрытия наиболее простого суточного графика отопительной нагрузки.

Рис.4.18.Пример суточного графика отопительной нагрузки

Очевидно, что можно по-разному распределить нагрузку в 50 Гкал (естественно, при отсутствии технических ограничений) между КА. Но также очевидно, что при различном распределении нагрузки будет меняться только суммарный расход топлива (энергетические характеристики уникальны, при одинаковых — распределение нагрузки не влияло бы на суммарный расход топлива).

КА имеют следующие топливные характеристики:
КА №1 —  = 15 + 0.16  т у.т/ч ,
КА №2 —  = 10 + 0.2  т у.т./ч.

Естественно, что решение можно найти простым перебором вариантов распределения, но в данном случае нам нужно установить общий принцип, использование которого автоматически давало бы правильное распределение нагрузки (обеспечение минимального расхода топлива). Поэтому проведем только два расчета (в энергетических характеристиках, которые определяют расход топлива, есть только два параметра — относительный прирост и расход холостого хода). В первом- большую часть нагрузки передадим на КА, имеющий меньшую величину относительного прироста:

КА №1 — нагрузка 40 Гкал/ч, КА №2 — нагрузка 50-40=10 Гкал/ч.
Суммарный расход топлива  составит
 = 15 + 0.16 · 40 + 10 + 10 · 0.2 = 33.14 т у.т./ч.

Во втором случае  передадим большую часть нагрузки тому КА, у которого меньше величина расхода на холостой ход:
КА №1- нагрузка 10 Гкал/ч,
КА №2 — нагрузка 50-10 =40 Гкал/ч.
Суммарный расход топлива составит
 = 15 + 0.16 ·10 + 10 + 40 · 0.2 = 33.4 т у.т./ч.

Их этих простых расчетов можно сделать следующий вывод — минимальный расход топлива на покрытие графика нагрузки обеспечивается в том случае, если сначала нагрузку передавать на оборудование, имеющее меньшую величину относительного прироста (правило звучит так — нагрузка между параллельно работающим оборудованием распределяется в порядке возрастания величин относительных приростов).

Но это правило справедливо только для вполне определенных условий:
1. Все рассматриваемые агрегаты должны находиться в работе.
2. Топливные характеристики должны быть представлены в виде линейных зависимостей.
3. Оборудование (котлоагрегаты) работают на одинаковом топливе.

Рассмотрим пример, в котором  КА №1 использует топливо стоимостью 100 ед./т у.т., а  КА №2 — стоимостью  70 ед./т у.т.

Проанализируем влияние дополнительно введенного условия на распределение нагрузки между котлоагрегатами, но теперь будем определять затраты на топливо, так как для предприятия важна не минимизация расхода топлива, а минимизация затрат на топливо.

Для этого используем характеристики затрат на топливо для котлоагрегатов, ед./Гкал:

,

.

В данном случае, при введении дополнительного условия, очевидна необходимость большей загрузки  КА №2 , поскольку принцип распределения не изменился — в порядке возрастания величин относительных приростов, но только уже не топлива, а затрат на топливо.

После рассмотрения общего подхода к покрытию суточного графика нагрузки перейдем к рассмотрению проблемы покрытия годового графика нагрузки , что  позволяет  определить потребность  и затраты на топливо .

 

Рис. 4.19. График отопительной нагрузки по продолжительности

На  рис.4.19 показана общая идея распределения годового графика нагрузки между КА. Площадь соответствующего участка под графиком характеризует необходимую выработку тепловой энергии каждым КА. Задавая величину удельного расхода топлива, можно определить необходимый расход топлива и необходимые затраты на топливо в течение года.  Однако использование этого подхода к распределению годового графика нагрузки в чистом виде невозможно по следующим причинам:

1. Оборудование не может работать без ремонта, и, в данном случае  КА №2 физические не сможет обеспечить объем выработки в соответствии с рисунком.
2.Возможны аварийные и неплановые остановы оборудования, что также снижает возможную величину выработки.
3.Существует вероятность дефицита топлива, на котором работает  КА №2, что также должно быть учтено при распределении годовой выработки между оборудованием.

Каким образом можно учесть эти дополнительные ограничения при распределении годовой выработки между КА?. Наиболее правильным будет выделение характерных суточных графиков нагрузки, распределение суточной выработки между оборудованием, а затем суммирование полученных результатов. Но этот способ  трудоемок, кроме того, построение суточных графиков  для такой специфической нагрузки, как отопительная (зависит от температуры наружного воздуха), достаточно условно и может привести к существенным погрешностям в определении потребности в топливе.

Для практических целей наиболее приемлем способ, основанный на использовании предыдущего опыта по времени работы того или иного оборудования. Эта информация обычно реализуется через использование показателя числа часов использования установленной мощности — , который определяется как отношение:

,

(4.80)

где -выработка тепловой энергии за год;
-установленная мощность оборудования.

Этот показатель  учитывает  использование оборудования как по времени, так и по мощности.

Тогда, если известна площадь под графиком, например 30000 Гкал, а также известно число часов использования установленной мощности (или принята некоторая величина — в данном случае 5000 ч),  распределение выработки может быть следующим :

КА №2 — = 40· 5000= 20000 Гкал;
КА №1-  = 30000 -20000 =10000 Гкал.

После определения выработки по КА, пользуясь топливными характеристиками, представленными в виде формулы

=   +·,

(4.81)

где  — время работы КА в течение года ( > ),
можно определить годовой расход топлива.

Возможно определение годового расхода топлива и через использование величины удельного расхода топлива. В этом случае последовательность расчетов следующая:

1. Определяем среднегодовую нагрузку КА (на примере КА №2):
 =  / = 30000/6000=33.3 Гкал/ч.

2. По топливной характеристике или каким-либо другим способом (испытания, отчетная цифра за прошедший период, максимально допустимая величина по условиям возможности реализации энергии на рынке) задаем величину удельного расхода топлива. На практике чаще всего эта величина определяется не расчетом, а берется из опыта эксплуатации за прошедшие периоды (это означает перенесение прошлых условий и режимов работы на будущее, что не всегда бывает оправданным).

В данном случае покажем, как можно определить величину удельного расхода по топливной характеристике:

15/33.3 + 0.16 = 0.22 т у.т./Гкал.

Тогда годовой расход  топлива для рассматриваемого  примера составит :
 = 30000· 0.2 = 6000 т  у.т.
Предыдущее выражение будет справедливо только для однолинейных характеристик. Если характеристика имеет более сложный характер, то использование величины средней нагрузки приводит к ошибке в определении значения удельного расхода. Кроме того, надо иметь в виду и зависимость удельного расхода от загрузки оборудования. При увеличении в перспективе средней нагрузки использование величины удельного расхода за прошлый период приведет к завышению потребности в топливе и, наоборот, при снижении — к занижению потребности в топливе. Естественно, что все неточности расчетов должны покрываться страховыми запасами, но чем точнее расчет, тем меньше будет нужен  запас и меньше денежных средств будет отвлекаться из оборота.

Рассмотрим более сложную задачу: покрытие графиков электрической нагрузки.  Сложность задачи объясняется тем, что большее количество оборудования работает параллельно,  а также тем, что графики электрической нагрузки характеризуются значительной неравномерностью.

При распределении суточного графика нагрузки необходимо учитывать следующие ограничения:

1. Наличие технического минимума нагрузки для генерирующего оборудования.
2. Маневренные свойства оборудования — скорость набора и сброса нагрузки.
3. Расходы топлива, связанные с пуском и остановом оборудования.
4. Продолжительность пусковых операций.
5. Необходимость наличия минимально необходимой величины резерва мощности в каждый период времени.

При наличии в составе энергопредприятия оборудования с уникальными энергетическими характеристиками задача сводится,  как и в уже рассмотренном примере, к распределению нагрузки между этим оборудованием таким образом, чтобы получить минимум затрат, обеспечив при этом необходимую величину резерва мощности.

Очевидно, что это требование достигается при распределении нагрузки на основе относительных приростов затрат на топливо.

Рассмотрим условное энергопредприятие, имеющее в своем составе АЭС мощностью 500 МВт, КЭС мощностью  400 МВт (2 блока по 200 МВт) и ГТУ мощностью 150 МВт. Необходимая величина резерва -10 % от максимума нагрузки. Имеется суточный график нагрузки со следующими характеристиками (рис.4.20):

 

Рис.4.20. Примерный суточный график электрической нагрузки

Относительные приросты затрат на топливо по станциям имеют следующее соотношение:  .

Такое соотношение может быть объяснено соотношением удельных затрат на создание единицы производственной мощности

.

На это соотношение следует обратить особое внимание: больше первоначальные затраты — меньше затраты на топливо.
В соответствии с данным соотношением в базовой части графика нагрузки целесообразнее всего для обеспечения минимума затрат на топливо расположить АЭС, затем КЭС и затем ГТУ

 

Рис.4.21. Принципиальное распределение суточного графика электрической нагрузки

Как видно из рис. 4.21, ГТУ работает в те периоды суток, когда имеет место быстрое изменение нагрузки. В то же время следует отметить, что, в принципе, можно обойтись в данном случае и без использования ГТУ (держа ее в резерве — это будет дешевле с точки зрения затрат на топливо), если оборудование КЭС может так же быстро набирать и сбрасывать нагрузку, как и оборудование ГТУ. При этом  предполагается, что резерв мощности размещается на работающем оборудовании КЭС (в период максимума нагрузки либо оба блока, либо один из блоков работает с неполной нагрузкой).

Распределение нагрузки в годовом разрезе, т.е. распределение между оборудованием годового графика нагрузки по продолжительности, производится аналогично распределению тепловой нагрузки.

До сих пор рассматривалось изолированное покрытие графиков электрической и тепловой нагрузок. Но в энергосистеме могут быть производственные мощности ТЭЦ, которые одновременно вырабатывают и тепловую и электрическую энергию. Причем следует отметить:

1. Достаточно часто электрическая мощность определяется графиками тепловых нагрузок (для турбин типа Р — полностью определяет).
2. Экономичность выработки электроэнергии на тепловом потреблении значительно выше, чем экономичность выработки по конденсационному циклу. Вспомним значения относительных приростов расхода тепловой энергии на выработку электроэнергии. Для теплофикационного режима  величина относительного прироста расхода тепловой энергии  составляет примерно 0.88 Гкал/(МВт?ч), а для конденсационного -от 2.0 до 2,5 Гкал/(МВт?ч).

При одинаковом значении величины относительного прироста расхода топлива на выработку тепловой энергии в КА, естественно будем иметь существенно различные расходы топлива, а значит, и затраты на топливо (при одинаковой стоимости топлива).

Рассмотрение соотношений экономичности выработки электроэнергии на ТЭЦ не достаточно для определения места ТЭЦ в покрытии  графика нагрузки энергосистемы. Для этого необходимо также проанализировать структуру выработки электроэнергии и мощности ТЭЦ.

В общем случае мощность теплофикационных турбин ТЭЦ может быть представлена как сумма следующих составляющих:

,

(4.82)

где  — мощность на тепловом потреблении;
-мощность, соответствующая минимально необходимому  пропуску пара в конденсатор;
— мощность, вырабатываемая по конденсационному циклу (без учета привязанной) при неполной загрузке отборов.
Можно представить структуру мощности также следующим образом:

,

(4.83)

где   — мощность по конденсационному циклу ( + ).
Такое представление полезно для анализа соотношения выработки электроэнергии и ее влияния на общую экономичность. Чем больше выработка по теплофикационному циклу, тем меньше величина удельного расхода на выработку электроэнергии. Но для определения места ТЭЦ в графике нагрузки будет более полезным следующее представление структуры мощности:

,

(4.84)

где   — мощность, определяемая величиной тепловых нагрузок  (+).
С учетом различий в экономичности выработки целесообразно мощность ТЭЦ, соответствующую вынужденному ее значению, помещать в базисную часть графика нагрузки, а свободная мощность может использоваться исходя из баланса мощностей (если требуется) в полупиковой части графика нагрузки (рис.4.22)

Рис.4.22. Принципиальное распределение суточного графика электрической нагрузки с учетом работы ТЭЦ