О выборе установленной мощности мини-ТЭЦ на предпроектной стадии

Кочуров Е. Л., инж., Рубиновский А. В., канд. физ.-матем. наук

Удмуртский государственный университет, Ижевск

Описана методика выбора установленной мощности мини-ТЭЦ, работающей в автоном­ном режиме (независимо от энергосистемы), с использованием данных о потреблении электрической энергии. Предполагается, что уровень потребления достаточно полно от­ражается годовым максимумом средней получасовой нагрузки (за выбранный базовый год), на основе которого можно выбрать установленную мощность мини-ТЭЦ. Однако очень часто годовой максимум бывает неизвестен, поэтому актуальным является анализ его оценки, проведенный на основе конкретных данных о потреблении электрической энергии б поселке Юрьевец Владимирской области.

Ключевые слова: мини-ТЭЦ, графики электрических нафузок, выбор мощности стан­ции, экономическая эффективность, срок окупаемости.

При оценке экономической эффективности строительства мини-ТЭЦ на предпроектной стадии следует определить ее установленную мощность и состав оборудования. Выбор мощности связан с необходимостью вычисления параметров электропотребления, которое на этой стадии имеет некоторые особенности. Они показаны в [1] на примере определения параметров электропотребления для принятия проектных решений по строительству предприятия черной металлургии. Здесь для их вычисления используется информация банка данных "Черметэлектро" [2], собранная по всем предприятиям черной металлурга за 21 год.

Нами для оценки мощности на предпроектной стадии строительства мини-ТЭЦ применены результаты статистического анализа данных о потреблении электрической энергии в поселке Юрьевец Владимирской области. Установленная электрическая мощность станции 1, работающей в автономном режиме, должна превышать годовой максимум (ГМ) средней получасовой нагрузки на значения потерь в электрических сетях и собственных нужд станции. В дальнейшем сумму этих величин будем называть необходимым максимумом нагрузки (НМН).

При оценке эффективности строительства мини-ТЭЦ приходится пользоваться различной по объему и качеству информацией об электрических нагрузках, которой может быть не­достаточно для точного определения ГМ. В зависимости от её объема с той или иной степенью точности вычисляют значение расчетного максимума нагрузки, являющееся оценкой ГМ, и, исходя из него, выбирают установленную мощность станции.

Грубая оценка значения электрических нагрузок возможна на основании счетов энергоснабжающей организации. Базируясь на них, определяют среднегодовую и среднемесячные нагрузки. Значения этих нагрузок меньше ГМ (если только в пределах каждого месяца они не постоянны), так как при вычислении не учитывается их неравномерность (месячная, недельная, суточная) внутри интервала осреднения.

На некоторых предприятиях показания узлов учета электрической энергии регистрируются 1 раз в сутки. В этом случае можно определить среднюю нагрузку за самые нагруженные сутки в году. При этом учитывается неравномерность нагрузки внутри месяца и недели. Однако и эта величина будет меньше ГМ, поскольку во внимание не принимается суточная неравномерность нагрузки.

Суточную неравномерность нагрузки можно оценить по результатам измерений, прово­димых в режимные дни (2 раза в год). Используя данные о нагрузке для зимнего режимного дня и о максимальной среднемесячной или среднесуточной нагрузке, находят значение ГМ. Однако оно может быть занижено, если режимные дни не соответствуют периодам максимального потребления.

Наиболее полным источником информации об электрических нагрузках являются архивы автоматизированной системы коммерческого или технического учета электрической энергии (АСКУЭ, АСТУЭ). Но по разным причинам они не сохраняются либо сохраняются не полностью, поэтому возможно, что определенная по имеющимся в них данным максимальная часовая (или получасовая) нагрузка окажется меньше ГМ.

Ошибка в определении НМН может привести к неоптимальному выбору установленной мощности станции и (или) неоптимальной комплектации станции генерирующими установками. Если установленная мощность станции будет ниже НМН, то в некоторые периоды времени ее мощности не хватит для покрытия нагрузок потребителей. Это приведет к автоматическим отключениям агрегатов от сети (аварийным остановам) в периоды пикового потребления электрической энергии. Если же она превысит НМН, то возможно простаивание генерирующих установок (или их части), что в конечном итоге обусловит снижение эффективности использования станции. Таким образом, неправильный выбор НМН приведет к ошибке при определении капитальных и эксплуатационных затрат, а также сроков окупаемости станции. В таблице приведены результаты анализа влияния ошибок при выборе установленной мощности мини-ТЭЦ на ошибки при определении сроков окупаемости станции и на другие техни­ко-экономические параметры проекта. Она составлена с использованием данных АСКУЭ о потреблении электроэнергии жилым сектором поселка Юрьевец за каждый получасовой период 2006 г.

Из таблицы видно, что когда не учитываются данные о годовых и суточных графиках электрических нагрузок (см. п. 1, 2, 4), РМ оказывается намного ниже ГМ (на 27,8 - 76,4 %). Однако при наличии информации только о годовых и суточных графиках (в случае отсутствия данных о месячной и недельной неравномерности) также невозможна точная оценка ГМ. Неточной оказалась оценка ГМ и при использовании графика электрических нагрузок в режимные сутки. Это объясняется расхождениями между ним и графиком самых нагруженных суток (рис. 1).

Наиболее близкие к ГМ значения РМ получены на основе данных архива суточного потребления электрической энергии за год и данных об испытаниях в режимные дни (см. п. 5), а также параметров статистического распределения среднесуточной нагрузки за год и данных об испытаниях в режимные дни (см. п. 6). В случае определения РМ по п. 6 при анализе исходных данных (среди прочих) проверялась (по критерию согласия Пирсона) гипотеза о нормальности статистического распределения среднесуточной активной электрической нагрузки за год ξ₃. Как оказалось, оснований отвергать ее нет. Нормальность распределения величины ξ₃ позволяет выровнять ее распределение в имеющейся выборке и уточнить параметры (среднее значение и стандарт выборки) полученного распределения.

Расчет простого срока окупаемости и экономической эффективности.

Для разных значений РМ был определен простой срок окупаемости мини-ТЭЦ с газопоршневыми агрегатами. Исходными данными для расчетов стали характерные тепловые на­грузки систем отопления, цены на оборудование и материалы (по информации дилеров), тарифы на электроснабжение и теплоснабжение для населения (по данным департамента цен и тарифов администрации Владимирской области за 2009 г.). Расчеты проводили в следующей последовательности (описание методики расчета простого срока окупаемости приведено в [3]): определяли потребление электрической и тепловой энергии за каждый час года; выбирали состав основного оборудования электростанции (газопоршневые агрегаты и пиковые водогрейные котлы); находили значения необходимых капитальных затрат; моделировали работу выбранного оборудования для каждого часа года при соответствующей электрической и тепловой нагрузке. Далее с учетом режимных карт агрегатов вычисляли эксплуатационные затраты на топливо, ремонт, расходные материалы и зарплату; рассчитывали экономический эффект как разность между затратами при покупке от сторонних источников и затратами на производство электрической и тепловой энергии на мини-ТЭЦ; находили простой срок окупаемости. Критерии выбора состава оборудования электростанции с учетом заполнения графиков электрических нагрузок приведены в [4]. Сумму значений потерь в электрических сетях и собственных нужд станции принимали равной 5 % от РМ.

В расчетах предполагалось, что в часы, когда агрегаты мини-ТЭЦ останавливаются, теплоснабжение потребителей осуществляется от входящей в ее состав пиковой котельной, а электроснабжение - от внешней энергосистемы. Кроме того, считалось, что единственной причиной останова мини-ТЭЦ является превышение текущей электрической нагрузкой установленной мощности станции.

При анализе влияния РМ на затраты и экономическую эффективность строительства ми­ни-ТЭЦ были сделаны расчеты (при одних и тех же исходных данных) для всех значений РМ из интервала 2,5 - 9,5 МВт. Результаты приведены на рис. 2, где кривые 1-6 означают соответственно суммарные эксплуатационные затраты; затраты на электроснабжение в аварийных ситуациях; суммарные затраты на электро- и теплоснабжение; затраты на электро- и теплоснабжение в случае питания от внешнего источника; экономический эффект от строительства мини-ТЭЦ; суммарные капи­тальные затраты. Как видно, в случае, когда РМ > ГМ, станция не простаивает, поэтому за­траты на электроснабжение из внешней энерго­системы отсутствуют. Начиная с РМ = 4,5 МВт, дальнейший ее рост приводит к снижению числа часов использования установленной мощности. Кроме того, при РМ>4,5МВт возрастают эксплуатационные затраты за счет рос­та амортизационных отчислений и затрат на топливо, а также из-за того, что при РМ > ГМ генерирующие установки будут работать с нагрузкой ниже номинальной. Поэтому при увел имении РМ до значений, превышающих ГМ, экономический эффект уменьшается и простой срок окупаемости растет.

В случае роста РМ при ее значениях, меньших ГМ, экономический эффект от строительства мини-ТЭЦ повышается за счет снижения объема покупки относительно дорогой электрической энергии из энергосистемы и уменьшения времени простоя агрегатов. Отметим, что это повышение происходит па фоне увеличения капитальных затрат на строительство.

Минимальный срок окупаемости равен 5,92 г. и соответствует значению РМ, равному 4,5 МВт (см. рис. 3). Поскольку в этом случае РМ < ГМ, минимальный срок окупаемости достигается при условии, что часть электроэнергии потребляется из энергосистемы, в то время как мини-ТЭЦ частично простаивает (дополнительные затраты на резервирование мощности или возможные штрафные санкции со стороны поставщика электроэнергии в расчет не принимали).

Достижение минимального срока окупаемости при РМ < ГМ обусловлено следующим: при возрастании РМ от 4,5 МВт до значения ГМ увеличение установленной мощности станции (а значит, капитальных затрат) влияет на срок окупаемости гораздо сильнее, чем уменьшение числа часов простоя станции.

На рис. 3 показаны также результаты расчетов простых сроков окупаемости строительства мини-ТЭЦ для различных значений РМ при увеличении тарифа энергосбытовой организацией за незапланированные покупки электроэнергии. Дополнительные затраты на резервирование мощности или возможные штрафные санкции со стороны поставщика электроэнергии, естественно, увеличивают срок окупаемости станции.

Список литературы

Жилин Б. В. Расчет электрических нагрузок и параметров электропотребления на ранних стадиях проектирования (http: //www.kudrinbi.ru/public/531/indcx.hlm).

Авдеев В. А., Куприн Ь. И., Якимов А. Е. Информационный банк "Черметэлектро". — М.: Электрика.1995.

Кочуров Е. Л., Рубиновский А. В. Энергообследование и ТЭО строительства мини-ТЭЦ. Наш опыт.— В кн.: Сб. докладов IX Международного симпозиума "Энергоресурсоэффективность и энергосбережение. Ч. 1, 2- 4 декабря 2008 г.

Учет графиков электрических нагрузок при выполнении ТЭО строительства мини-ТЭС. Энергетика. Энергосбережение. Экология / А. В. Рубиновский, Н. Л. Кочуров, Р. М. Насибуллин, Н. Ф. Хисамутдинов. Ижевск: Изд-во "Медиа-Пресс". 2008, вып. 2.