Тепловое аккумулиров ание энергии

Системы энергоснабжения со многими источниками

Этот случай относится к электрической сети с теплоэнер­гетическими установками, работающими на различных топ­ливах или в районной теплофикационной отопительной си­стеме, основу которой составляют теплосиловые установки с комбинированной выработкой тепла и электрической энер­гии. Пики тепловых нагрузок в такой системе покрываются с помощью отопительных бойлеров, не участвующих в выра­ботке электроэнергии. Если тепловые установки работают только на двух видах топлива, то более дешевое из них це­лесообразно использовать для покрытия базисной нагрузки, а более дорогое — для снятия пиков. В случае выработки электрической энергии базисная нагрузка может быть по­крыта за счет сжигания угля, ядерной энергии и/или работы гидроэлектростанций, тогда как пиковые нагрузки могут быть покрыты теплосиловыми установками, работающими на газе, мазуте или угле. В случае применения солнечных отопитель­ных установок их энергию целесообразно использовать для базисной нагрузки, а обычные отопительные установки — для пиковых нагрузок. Аккумулирующая система будет забирать избыток энергии от энергетической установки, покрывающей базисную нагрузку, хранить ее и затем отдавать снова, когда потребность превысит мощность базисной энергетической установки. В этом случае она будет сберегать ценное топливо, расходуемое на покрытие пиковой нагрузки. Если возможно рассчитать и использовать аккумулирующую установку в пе­риод максимума пиковой нагрузки, то необходимая пиковая мощность и стоимость пиковой установки могут быть пони­жены (см. разд. 1.3.1). При работе вблизи максимума пиковой нагрузки возникает дилемма: в целях сбережения топлива аккумулятор должен разряжаться всякий раз, когда превы­шается базисная нагрузка; однако для покрытия максималь­ной нагрузки с высокой степенью надежности аккумулятор должен сохраняться в полностью заряженном состоянии как можно дольше. Очевидно, что для оптимальной работы не­обходимы детальные сведения о характере кривых потребле­ния (т. е. расчет нагрузки). Эти данные необходимы также для экономической оценки и оптимизации [1.29].

По результатам анализа годовое число разрядок аккуму­лятора и покрытие пиковых нагрузок могут быть представ­лены в виде функции мощности аккумулятора ESK. Строго говоря, процедура оценки должна выполняться для каждого дня в году; при этом потребовалось бы провести расчеты с помощью ЭВМ. Однако если учесть суточную, недельную и сезонную периодичность, то нескольких характерных форм

ч

1,0

Of О, В ОА

Еак/

0,2 7

2

Ряс 1.5 Характерные графики суточной нагрузки для Центральной Европы [1.29].

кривой суточной нагрузки может быть достаточно для полу­чения необходимой степени точности.

График суточной нагрузки, характерный для Центральной Европы, показан на рис. 1.5 для двух экстремальных случаев (середина зимы и середина лета) и случая умеренных нагру­зок (весеннее и осеннее равноденствия). В середине зимы нагрузка достигает наивысшего значения (N макс)> Нагрузки в периоды весеннего и осеннего равноденствия находятся где-то посередине. Пики наблюдаются в утренние и вечерние часы.

На графике показана располагаемая мощность установки Nb, несущей базисную нагрузку. Она соответствует установ­ленной мощности, но несколько меньше ее вследствие эксплуа­тационных ограничений. Для показанных на графике летнего и зимнего профилей нагрузки она будет различной. Профи­лактический ремонт теплосиловых установок, работающих на органическом топливе, как и ремонт и заправку топливом ядерных энергетических установок, предпочтительнее произ­водить в летний период (низкое потребление), вследствие чего располагаемая мощность в этот период будет значитель­но меньше. Может оказаться также предпочтительным оста­новить некоторые установки, несущие базовую нагрузку, на период спада потребления и обеспечить работу оставшихся с более высоким коэффициентом нагрузки, применив аккуму­лирующую систему. Таким образом удается избежать сни­жения эффективности работы при неполной нагрузке и/или усталости, обусловливаемой температурными колебаниями.

Рис. 1.6. Зависимость отно­сительной годовой аккумули­рованной энергии Лак/JV

макс

от относительной емкости аккумулятора £а *//V макс И эффективности аккумулиро­вания.

Однако для простоты на рис. 1.5 показана только одна линия располагаемой мощности.

Ниже перечислены преимущества схемы энергоснабжения с теплоаккумулирующими установками.

1. В период зимнего пика нагрузки тепловой аккумулятор дает экономию капитальных затрат, позволяя использовать базисные установки меньшей мощности, а также затрат на топливо благодаря уменьшенным потребностям в мощности и меньшей длительности работы пиковых установок. Использо­вание аккумулирующих установок будет ограничиваться рас­полагаемой для зарядки энергией в ночные часы низкого потребления энергии.

2. В период, характерный для середины лета, потребуется сравнительно немного пиковой энергии (выше линии распо­лагаемой мощности базовой нагрузки Ne). При этом аккуму­лятор тепла дает экономию на стоимости топлива, поскольку использование аккумулирующей -установки ограничивается потребностями в пиковой энергии. С учетом возможности сни­жения располагаемой мощности установок, несущих базисную нагрузку (путем останова части из них для ремонта, профи­лактических работ и заправки топливом), экономия на стои­мости топлива возрастает.

3. В осенний и весенний периоды использование аккуму­лирующих установок может оптимизироваться либо по распо­лагаемой энергии для зарядки (как для условий в середине зимы), либо по потребностям в пиковой энергии (как для условий в середине лета).

На рис. 1.5 справа показана длительность возможного использования теплового аккумулятора (в предположении его 100 %-ной эффективности) при максимальной нагрузке Аймаке-

Для упомянутых выше случаев она составляет 0,4; 0,2 и 1,0 ч соответственно. Максимальная возможность использования теплового аккумулятора наступает в периоды равноденствия. Можно отметить ряд характерных достоинств аккумуляторов различной емкости в каждом конкретном случае:

а) возможность замещения мощности М3ам пиковой уста­новки в период максимальной нагрузки в середине зимы;

б) максимальную мощность разрядки iVpa3 в период рав­ноденствия или близкий к нему;

в) максимальную мощность зарядки N3 (также в период равноденствия или близкий к нему).

В действительности характеристики использования акку­муляторов будут еще лучше, чем показано на рис. 1.5, вслед­ствие режима субботних и воскресных дней, который вносит дополнительную периодичность в потребление тепла.

Из анализа характеристик суточных нагрузок за год, представленных кривыми для специальных случаев на рис. 1.5, может быть найдена величина относительной годо­вой аккумулированной энергии Иак/Ммакс, измеренная в часах максимальной нагрузки за год. Она представлена на рис. 1.6 в зависимости от Езк/Ымгкс, где Еак обозначает полную уста­новленную емкость аккумулятора в системе. Среднее число полных разрядок теплоаккумулирующей установки за год п = Иак/^ак характеризуется наклоном радиуса-вектора, а число разрядок п' дополнительной емкости аккумулятора со­ответствует наклону касательной. Азк вначале возрастает довольно быстро с увеличением Еак, а затем, при высоких значениях Еак, более медленно, вплоть до предельного зна­чения ~240 ч/год при 100%-ной эффективности аккумуля­тора. Для реальных случаев меньшей эффективности аккуму­лятора (например, 0,8; 0,6; 0,4) насыщение наступает раньше

Рис. 1.8. Число разрядок за год п' небольшой дополнительной ак­кумулирующей установки в зави­симости от относительной емкости аккумулятора E3K/N„акс.

Рис. 1.9. Максимальная относи­тельная мощность разрядки ЛРраз/Ммике и относительная заме­щенная мощность пиковой уста­новки Л^эам/Л^макс В ЗаВИСИМОСТИ ОТ

относительной емкости аккумуля­тора £ак/Л^макс>

(при 190, 145 и 105 ч/год соответственно). Это влияние эф­фективности аккумулятора тем более отчетливо заметно, чем чаще использование систем аккумулирования тепла лимити­руется располагаемой мощностью для зарядки.

На рис. 1.7 показано число разрядок п за год в зависи­мости от Яек/Ммкс для различных значений эффективности аккумуляторов (при нескольких теплоаккумулирующих уста­новках в системе £ак обозначает их общую емкость, ап — среднее число разрядок).

На рис. 1.8 в зависимости от £ак/Л^акс представлено число разрядок п' небольшой (дополнительной) аккумулирующей установки, которая должна быть установлена в системе с уже существующими аккумулирующими установками общей ем - КОСТЬЮ £*ак. Здесь зависимость от эффективности аккумуля­тора более сильная, так как использование систем теплового аккумулирования в зимний период лимитируется располагае­мой для зарядки аккумуляторов энергией.

На рис. 1.9 показаны зависимости максимальной относи­тельной мощности разрядки Л^гз/Миакс и относительной заме­щенной МОЩНОСТИ ПИКОВОЙ установки ЛТіам/Мазкс ОТ £ак/Л^макс- Обе эти величины могут быть определены с помощью данных рис. 1.5, если найти по ним максимальную мощность разрядки за год Npt3 и суточную замещаемую мощность разрядки М,3ы прн максимальной нагрузке. Видно, что N3aм сильнее зависит от эффективности аккумулятора.

Рис. 1.10. Зависимость средней продолжительности разрядки d и дифференциальной длительности разрядки id' от £ак /N макс*

Рис. 1.11. Зависимость относи­тельной замещенной мощности пи­ковой установки R = Л^зам/Мраз и ее производной R' = dN3iaji

ОТ Елк/NuaKC'

Зная Л/раз, можно найти среднюю продолжительность раз­рядки d (ч):

TOC o "1-5" h z d = Езк/ N раз, (1.5)

а также производную продолжительность разрядки d': d' = dEJdNpa3. (1.6)

Соответствующие кривые показаны на рис. 1.10.

Таким образом, из рис. 1.9 могут быть найдены средняя величина отношения

R = N3aJNpa3, (1.7)

а также ее производная R' = dN3aJdNpa3,

которая характеризует замещенную мощность пиковых уста­новок. На рис. 1.11 R и R' представлены в зависимости от

Еак/N макс-

На этой основе может быть построен типичный график годовых затрат (рис. 1.12 и 1.13). В отличие от обычных ба­зисных или пиковых установок, для которых размер затрат определяется мощностью, а использование ограничивается техническими возможностями, величина затрат на аккумули­рующие установки определяется как мощностью, так и ем­костью, а их использование ограничивается также условиями потребления в системе.

На рис. 1.12, где показаны капитальные затраты на тепло­аккумулирующую установку, от мощности зависят затраты на пиковую турбину и сопутствующее оборудование, а от емкости — затраты на резервуары аккумуляторов и на часть

Рис. 1.13. Годовые затраты на единицу генерируемой мощности Сг, и в зависимости от коэффициента годовой нагрузки zf.

1 — R' пиковой установки (которая не была замещена акку­мулирующей установкой в соответствии с рис. 1.10 и 1.11). Часть затрат 1—R' в рассматриваемом случае сначала мед­ленно понижается, затем достигает минимума при d! — 5 ч (для г]ак = 0,8) и увеличивается снова, достигая размера ка­питальных затрат на пиковую установку.

Рис. 1.13 иллюстрирует зависимость годовых затрат (долл. на 1 кВт в год) от коэффициента годовой нагрузки z’ — nfd! (ч/год). Базисная установка (например, ядерная) имеет вы­сокие начальные капитальные затраты и низкую стоимость топлива); для пиковой установки (например, газотурбинной) характерны низкие начальные капитальные затраты и высо­кая стоимость топлива. Могут использоваться и другие типы установок (например, с угольными топками), занимающие промежуточное положение.

Стоимость аккумулирующей установки определяется путем добавления к капитальным затратам, зависящим от й' (на­клонные линии на рис. 1.13), стоимости топлива базисной установки. Стоимость топлива скорректирована с учетом зна­чений КПД установок системы (полной эффективности тепло­аккумулирующей установки и эффективности за цикл базовой установки, работающей при полной нагрузке). Действитель­ную кривую для теплоаккумулирующей установки находят по графику для данного значения d' при z’ = n'd', взяв п' из рис. 1.8 и d' из рис. 1.10. Для упрощения рассмотрены только две величины КПД аккумулятора — 80 и 60%. Заметно, что крутизна кривой для теплоаккумулирующей установки с уве­личением г' возрастает. Для рассмотренного случая она пе­ресекает кривую пиковой установки примерно при г' = = 1250 ч/год (для Пак = 80 %).

Из графика рис. 1.13 видны три недостатка низкой эффек­тивности аккумулятора: 1) уменьшение времени замещения пиковой нагрузки; 2) уменьшение использования; 3) повыше­ние удельной стоимости топлива.

Итак, зависящие от емкости капитальные затраты умень­шаются с повышением эффективности аккумулятора, что ука­зывает на важность высокого КПД аккумулирования.

Следует отметить, что прямые линии, относящиеся к базис­ной и пиковой установкам на рис. 1.13, не зависят от системы, тогда как кривая теплоаккумулирующей установки, напро­тив, зависит от нее и должна быть оценена в каждом конкрет­ном случае.