Экономика имеет своим предметом оценку ресурсов энергетического предприятия. В соответствии с этим подходом (измерение потребности в ресурсах) оборудование как основной элемент производственной базы энергетического предприятия можно оценивать с двух позиций:

1. Оценка расхода ресурсов на приобретение оборудования в целях создания (замены) производственных мощностей. Этот вопрос рассматривался в 4.3, где было показано, что расходы на приобретение оборудования составляют значительную часть затрат, связанных с созданием производственных мощностей.

2. Оценка расхода ресурсов при эксплуатации оборудования. Оборудование в данном случае рассматривается как преобразователь одного вида энергии в другой. В связи с этим очень полезно иметь характеристики, которые определяли бы зависимости между количеством полезно произведенной энергии (то, что энергопредприятие реализует своим покупателям) и количеством требуемой для этого энергии (например, сколько требуется топлива для выработки определенного количества электрической и тепловой энергии). Такая постановка задачи характерна для электрических станций и котельных. Аналогичным образом можно поставить вопрос и для объектов сетевого хозяйства- сколько энергии нужно подать на вход сети, чтобы обеспечить потребителя необходимым количеством энергии?

Для описания зависимости между подведенной и полезно используемой энергией применяются энергетические характеристики оборудования.

Энергетические характеристики оборудования

В самом общем виде энергетические характеристики представляют собой функциональные зависимости типа

 

Qподв=f(Qпол),

(4.34)

 

причем и подведенная и полезная энергия измеряется энергетическими показателями (Гкал, ГДж, МВт и др). Например, для турбоагрегата энергетическая характеристика определяет расход подведенного тепла в зависимости от меняющейся электрической нагрузки:

 

Qподв=f(Рэп).

(4.35)

 

Для решения некоторых задач используются модификации энергетических характеристик - весовые или расходные характеристики, в которых количество подведенной энергии измеряется в весовых измерителях - тоннах, килограммах и граммах.

Например, для котельных установок:

 

B = f (Q),	(4.36)
B = f(Д).	(4.37)

 

где B -расход топлива, т/ч;

Q- выработка тепловой энергии котлоагрегатом,Гкал/ч;

Д - выработка пара ,т/ч.

Аналогичная зависимость для турбоустановки выглядит следующим образом:

 

Д= f(Рэп).

(4.38)

 

В целях определения эффективности процесса преобразования подведенной энергии в полезную используются зависимости удельных расходов подведенной энергии от производительности агрегата:

 

q = Qподв/ Qпол = f(Qпол).

(4.39)

 

Эти зависимости используются также для определения потребности в топливе для электрических станций, что будет рассматриваться далее.

Для оценки потребности в ресурсах в связи с той или иной величиной спроса потребителя энергии в большинстве случаев лучше всего подходят энергетические, а не весовые характеристики.

Например, потребителю нужна мощность 10 МВт. Зная зависимость

 

B = f(P),

(4.40)

 

можно легко определить потребность в топливе, и ,следовательно, есть основа для определения потребности в денежных средствах для приобретения топлива. Возможно решение этой же задачи с использованием величины удельного расхода топлива. Например, оценив выработку тепловой энергии котельной, необходимой для отопления жилых домов, и зная величину удельного расхода топлива, также можно определить потребность в топливе.

Однако применение показателя удельного расхода топлива при некорректном его использовании может привести к ошибкам в оценке потребности в топливе, которые будут тем больше, чем больше неравномерность работы оборудования.

Структура энергетических характеристик

Несмотря на кажущуюся простоту энергетических характеристик, оценка (построение) их в аналитической форме является очень сложной задачей.

Вернемся к примеру, когда потребителю нужна мощность в 10 МВт и нам необходимо оценить расход топлива для удовлетворения этой потребности. В данном случае речь идет о возможности выражения в аналитической форме следующей зависимости:

 

B =f(Рпотр),

(4.41)

 

где B - потребность в топливе энергопредприятия для удовлетворения заданной величины спроса.

Для определения проблем, которые необходимо решить при построении этой характеристики, рассмотрим простейшую схему энергетической цепи, через которую осуществляется снабжение потребителя электроэнергией (рис.4.6).

 

 

Рис.4.6. Схема энергетической цепи

На этой схеме цифрами обозначено основное оборудование, которое участвует в преобразовании и передаче энергии (здесь же будем показывать энергетическую характеристику для этого оборудования):

1. Котлоагрегат (B=f(Q).

2. Турбоагрегат (Qта=f(Рта).

3. Генератор (Pта=f(Рг)).

4. Повышающий трансформатор (Рг=f(Ртр)).

5. Передающая линия (Ртр=f(Рп).

6. Понижающий трансформатор (Рп=f(Ртр)).

7. Потребитель (Ртр=f(Рпотр).

Приведенный перечень оборудования и его энергетических характеристик для самой простейшей схемы дает представление о том, что должна учитывать обобщенная энергетическая характеристика В=f(Рпотр), которая является производной достаточно боль­шого числа характеристик оборудования.

В действительности схема энергетической цепи намного сложнее и объединяет большое количество параллельно работающего оборудования с учетом того обстоятельства, что в состав энергопредприятия могут входить несколько единиц (или десятков единиц) электрических станций и сетевых объектов.

Для анализа факторов, определяющих характер обобщенной энергетической характеристики, рассмотрим структуру энергетических характеристик основного оборудования электростанций. Остановимся на энергетических характеристиках котлоагрегатов (КА) и турбоагрегатов(ТА), так как именно в этих установках имеет место наибольшая часть потерь, связанных с преобразованием энергии топлива в электрическую и тепловую энергию. Потери в передающих линиях и трансформаторах не так значительны и не слишком влияют на характер обобщенной характеристики.

Энергетические характеристики котлоагрегатов

Эти характеристики описывают зависимость расхода топлива от производительности КА. Потребность в топливе определяется в условных измерителях - условном топливе (1 т у.т. имеет теплотворную способность 7 Гкал или 29.3 ГДж). Реальная характеристика имеет нелинейный характер (рис.4.7).

a)                                          b)

Рис.4.7. Принципиальное представление энергетической характеристики КА (а) и характеристики относительных приростов (б)

Важнейшим параметром энергетической характеристики КА является величина относительного прироста расхода топлива

 

,

(4.42)

 

которая характеризует эффективность преобразования энергии топлива в тепловую энергию и отражает потери преобразования. Поэтому наряду с основной энергетической характеристикой используется зависимость (рис.4.7,б)

 

.

(4.43)

 

В практике эксплуатации более распространены другие производные энергетические характеристики, а именно:

– зависимость КПД от производительности (рис.4.8,а) ;

– зависимость удельного расхода топлива от производительности (рис.4.8, б).

а) б)

Рис 4.8. Принципиальные зависимости КПД (а) и удельного расхода (б) от производительности КА

Для целей планирования потребности в топливе и оценки потребности в денежных средствах криволинейные зависимости (наиболее точные) не требуются и их можно заменить на упрощенные (линейные) зависимости. В этом случае основная и производные энергетические характеристики КА будут выглядеть следующим образом (рис.4.9):

а) б)

Рис. 4.9. Линейное представление энергетической характеристики КА (а) и характеристики относительных приростов (б)

Представленную зависимость можно описать следующим выражением:

 

Вка =Вхх + b1'*Q +b2'*Q +b3'*Q,

(4.44)

 

где Вхх - условный расход холостого хода, т у.т./ч;

b' - относительный прирост расхода топлива, т у.т./Гкал.

Как оценить величину относительного прироста? Если величина относительного прироста характеризует экономичность преобразования энергии топлива в тепловую энергию, то при КПД, равном 100 % величина относительного прироста будет составлять 1/7 = 0.143 т у.т/Гкал (1 т у.т. эквивалентна 7 Гкал), или 0.0342 т у.т. /ГДж. Поскольку процесс преобразования связан с потерями, то величины относительных приростов будут несколько выше (на 10-15 % в зависимости от типа КА и вида топлива).

Для линейного выражения основной энергетической характеристики производные характеристики удельного расхода и КПД. представлены на рис. 4.10.

а) б)

Рис.4.10. Принципиальные зависимости КПД (а) и удельного расхода (б) при линейном выражении энергетической характеристики КА

Энергетические характеристики турбоустановок

Энергетические характеристики ТА зависят от их типа . Наиболее простыми являются энергетические характеристики конденсационных турбоагрегатов. Они представляют собой зависимость расхода тепловой энергии от вырабатываемой электрической мощности:

 

Q =f(P).

(4.45)

 

Реальные энергетические характеристики криволинейны и выпуклы вверх. Кроме того, их вид зависит от способа регулирования. Для случая дроссельного регулирования характеристика представлена на рис. 4.11,а.

Выпуклость вверх свидетельствует о том, что потери с ростом нагрузки относительно уменьшаются (в отличие от КА, где они увеличиваются и характеристика выпукла вниз).Этот факт находит свое отражение в зависимости относительного прироста расхода подведенной энергии от нагрузки (рис.4.11,б).

а) б)

Рис.4.11. Принципиальное представление энергетической характеристики ТА (а) и характеристики относительных приростов (б).

Величина относительного прироста расхода тепловой энергии так же, как и для КА, отражает эффективность процесса преобразования энергии и определяется по выражению

 

q'=dQ / dP.

(4.46)

 

Вид зависимостей удельного расхода тепловой энергии и КПД от нагрузки показан на рис.4.12.

а) б)

Рис.4.12. Принципиальные зависимости удельного расхода (а) и КПД (б) ТА

Более удобно пользоваться спрямленными энергетическими характеристиками, что, естественно, дает менее точные результаты, но для оценки потребности в ресурсах на перспективу это вполне допустимо (рис. 4.13).

а) б)

Рис.4.13. Линейное представление энергетической характеристики ТА (а) и характеристики относительных приростов (б)

В этом случае энергетическая характеристика описывается выражением

 

,

(4.47)

 

где Qxx- условная величина расхода тепловой энергии на холостой ход.

Величина удельного расхода

 

,

(4.48)

 

а величина КПД

 

.

(4.49)

 

В случае линейного представления энергетической характеристики производные характеристики будут выглядеть следующим образом (рис.4.14):

а) б)

Рис.4.14. Принципиальное представление зависимости КПД (а) и удельного расхода (б) от нагрузки

Очевидно, что нижним пределом величины удельного расхода является величина относительного прироста расхода тепловой энергии, а верхним пределом КПД является величина, обратная значению относительного прироста.

Для ТА с обводным регулированием энергетическая характеристика представляет собой более сложную зависимость. Как и в предыдущем случае, удобнее пользоваться спрямленной характеристикой (рис.4.15).

а) б)

Рис.4.15. Линейное представление энергетической характеристики (а) и характеристики относительных приростов (б) ТА с обводным регулированием

В аналитическом виде данная зависимость может быть записана следующим образом:

 

,

(4.50)

 

или

 

.

(4.51)

 

где - значение мощности, соответствующее излому энергетической характеристики.

Производные энергетические характеристики представлены на рис.4.16.

а) б)

Рис.4.16. Принципиальное представление зависимости удельного расхода(а) и КПД (б) от нагрузки

Зная энергетическую характеристику ТА и энергетическую характеристику КА, можно построить энергетическую характеристику блока.

При этом необходимо учесть расходы на собственные нужды ТА  (Qсн). Тогда

 

.

(4.52)

 

Более подробно этот вопрос будет рассмотрен далее.

Энергетические характеристики теплофикационных ТА значительно сложнее, чем аналогичные характеристики конденсационных ТА. Это объясняется тем, что расход тепловой энергии зависит от 2 или даже 3 переменных – электрической нагрузки и величин отборов пара на технологические нужды и на цели теплофикации:

 

.

(4.53)

 

Наиболее простой является энергетическая характеристика для турбин с противодавлением (Р). Для ТА этого типа электрическая мощность полностью определяется величиной отпуска тепловой энергии из отборов (рис.4.17).

Рис.4.17. Принципиальное представление энергетической характеристики турбоагрегатов с противодавлением.

Расход тепла на турбину складывается из следующих элементов:

 

,

(4.54)

 

где Qxx- условная величина расхода тепловой энергии на холостой ход;

-расход тепловой энергии, относимый на выработку электро- энергии;

Qот -отпуск тепловой энергии из противодавления.

В данном случае из трех составляющих наибольший интерес представляет определение расхода тепловой энергии, относимого на выработку электрической энергии (Qэ). Для определения этой составляющей также используем величину относительного прироста расхода тепловой энергии - qт' (Гкал/(МВтžч)):

 

.

(4.55)

 

Поскольку для этого типа турбин отсутствуют потери в холодный источник (с охлаждающей водой), то величина qт' будет определяться как:

 

(4.56)

 

и ее численное значение составит 0.87÷0.88 Гкал/(МВтžч).

Если сравнить значение величины со значением величины относительного прироста для конденсационных ТА ( = 1.7÷2.2 Гкал/(МВтžч)), то можно сказать, что при данном методе распределения затрат подведенной энергии между тепловой и электрической энергией ТА с противодавлением намного эффективнее. Это можно проиллюстрировать посредством определения удельных расходов тепла на выработку электрической энергии. Вспомним, что удельный расход может быть определен по следующему выражению:

 

.

(4.57)

 

Для конденсационного ТА при принятых допущениях (величины расхода на холостой ход и электрической нагрузки) удельный расход равен

= 10/50 + 1.87 =2. 1 Гкал/(МВтžч).

Для ТА типа Р

q = 10/50 +0.87 = 1.07 Гкал/(МВтžч).

Удельный расход для ТА типа Р в два раза меньше, чем удельный расход для ТА типа К.

Вторым важным параметром является зависимость электрической мощности от отпуска тепловой энергии

 

(4.58)

 

которая обычно задается в виде следующего выражения:

 

,

(4.59)

 

где Рт - мощность, развиваемая на тепловом потреблении (мощность по теплофикационному циклу);

y - удельная выработка на тепловом потреблении, МВт/Гкал/ч;

Рхх - условная мощность холостого хода.

Величина удельной выработки (у) будет зависеть от начальных параметров ()и параметров отбираемого пара ():

 

.

(4.60)

 

Например, для ТА Р-50-130/13 y=0.275 МВт/Гкал/ч,

ТА-4-35/11 у= 0.146 МВт/Гкал/ч,

ТА-4-35/3 у= 0.282 МВт/Гкал/ч.

Таким образом, энергетическая характеристика ТА типа Р состоит из двух зависимостей. Первая определяет расход тепла на ТА, а вторая определяет величину электрической мощности в зависимости от величины отпуска тепловой энергии:

 

.	(4.61)
.	(4.62)

 

Например, для ТА Р-50-130/13 энергетическая характеристика выглядит следующим образом:

 

,

,

.

 

Энергетические характеристики ТА с отборами пара и конденсацией можно рассматривать как сочетание энергетических характеристик конденсационных ТА и ТА с противодавлением. Турбоагрегаты этого типа могут быть с отборами пара на нужды теплофикации (подогрев сетевой воды), например Т-25-90,а также с отборами пара на технологические нужды и на цели теплофикации, например ПТ-50-130.

В общем виде энергетические характеристики данного вида ТА могут быть представлены следующим образом:

 

,	(4.63)
,	(4.64)

 

где Рт - мощность на тепловом потреблении (теплофикационная мощность);

- конденсационная мощность, развиваемая на пропуске пара в конденсатор;

qт' - относительный прирост расхода тепла для теплофикационного режима;

qk' - то же для конденсационного режима.

Например, энергетическая характеристика для ТА типа Т-25-90

имеет следующие параметры:

 

,
.

 

Для турбины ПТ-50-130 имеем следующие параметры энергетической характеристики:

 

,
.

 

Возможны и другие способы записи энергетических характеристик теплофикационных ТА.

 

(4.65)

 

Данный способ представления энергетической характеристики показывает ту экономию , которая при существующем способе разнесения затрат тепла, имеет место при производстве электроэнергии по теплофикационному циклу.

Энергетическая характеристика ТА Т-25-90 при таком способе записи имеет следующие параметры:

 

,

 

где - суммарная мощность ТА.

Применение характеристик с использованием величины теплофикационной мощности бывает в ряде случаев затруднительно. По этой причине возможно представление энергетической характеристики с использованием весовых значений отпускаемого из отборов пара:

 

,

(4.66)

 

где q' - относительный прирост расхода тепла на выработку электроэнергии;

P - электрическая мощность;

bп' - относительный прирост расхода тепла на отпуск 1 т пара на нужды технологии;

bт' - то же на сетевые подогреватели;

Дп- отпуск пара на соответствующие нужды (технология или теплофикация).

Обычно отпуск тепла из отопительных отборов задается не в весовых величинах, а в тепловых единицах:

 

.

(4.67)

 

Построение топливных характеристик

Вспомним, что в начале данного параграфа ставилась проблема оценки потребности в топливе при заданных значениях спроса на энергию. Мы рассмотрели энергетические характеристики КА и ТА. Очевидно, что, произведя их совмещение каким-либо способом, можно получить искомую зависимость

 

,

(4.68)

 

которая, во-первых, будет отражать характеристики оборудования в пределах электрической станции, а не энергопредприятия в целом; во-вторых, эту характеристику можно определить как топливную характеристику сочетания котел-турбина. Причем при некоторых условиях (обезличенный КА) эту характеристику можно считать топливной характеристикой ТА.

Возможны два способа получения топливных характеристик.

Первый способ основан именно на непосредственном совмещении энергетических характеристик ТА и КА, которое выполняется в следующей последовательности:

1. По заданным значениям электрической и тепловой нагрузок определяется расход тепловой энергии на ТА.

2. По энергетической характеристике КА на основании предыдущих расчетов определяется потребность в топливе.

3. Совмещая полученные данные, можно построить топливную характеристику.

Для теплофикационных агрегатов такой способ достаточно трудоемок, так как получается целый набор характеристик - топливная диаграмма.

Второй способ основан на том, что энергетическая характеристика КА в диапазоне рабочих нагрузок представляет собой однолинейную зависимость (рис.4.9). Причем в рабочей зоне величина относительного прироста расхода топлива в большинстве случаев может быть принята равной величине удельного расхода топлива:

 

.

(4.69)

 

Поскольку для котлоагрегатов широко распространены зависимости КПД от нагрузки, то величину удельного расхода (а значит, и относительного прироста) можно оценить, используя значение КПД:

 

.

(4.70)

 

Тогда для получения топливной характеристики достаточно энергетическую характеристику ТА умножить на постоянный коэффициент:

 

(4.71)

 

Например, необходимо определить параметры топливной характеристики для ТА К-300-240. Его энергетическая характеристика описывается следующим выражением:

 

.

 

Приняв КПД КА в диапазоне рабочих нагрузок при работе на мазуте 90 % ,определим параметры топливной характеристики:

 

 

Энергетические характеристики основного оборудования АЭС

Энергетические характеристики ТА АЭС по своей структуре совпадают с энергетическими характеристикам конденсационных ТА обычных тепловых станций.

 

Qта=Qxx+q'p, или	(4.72)
.	(4.73)

 

Здесь следует только отметить, что для ТА АЭС больше, чем для ТА ТЭС, а величина относительного прироста также больше для ТА АЭС.

Из этого следует, что при прочих равных условиях .

Значительно сложнее дело обстоит с энергетической характеристикой ядерной паропроизводящей установки. Это связано с тем, что топливо загружается в реактор на длительный период и часовой расход является условной величиной. Кроме того, если для обычных станций топливные характеристики строятся в условном топливе, то для АЭС такая характеристика будет несколько искусственной, хотя может быть построена.

Расход ядерного топлива за определенный период ориентировочно рассчитывается по следующему выражению:

 

,

(4.74)

 

где P - электрическая мощность;

T - продолжительность периода;

- коэффициент использования мощности;

- КПД;

B' - энерговыработка топлива.

Энергетическую характеристику АЭС можно построить только в условном виде, используя величину КПД для принятия величины удельного расхода условного топлива:

 

.

(4.75)

 

Тогда топливная характеристика АЭС в условном топливе будет аналогична топливной характеристике ТЭС:

 

.

(4.76)

 

Энергетические характеристики ГТУ

Энергетическая (скорее топливная) характеристика ГТУ по структуре аналогична топливным характеристикам других энергопроизводящих объектов:

 

.

(4.77)

 

Следует отметить, что для ГТУ параметры характеристики в значительной степени зависят от температуры наружного воздуха. В общем случае относительные приросты расхода топлива для ГТУ существенно выше значений относительных приростов оборудования других типов станций. В большинстве случаев потребность в топливе определяется на основе использования показателя КПД в такой последовательности:

1. На основе КПД оценивают величину удельного расхода топлива:

 

.

(4.78)

 

2. Зная предполагаемую выработку и величину удельного расхода топлива, определяют общий расход топлива:

 

,

(4.79)

 

где - ожидаемое значение выработки электрической энергии.