ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ
Seria: ENERGETYKA z.106 Nr kol. 998
________ 1969
Jan ŚZARGUT
Inst.ytut Techniki Cieplnej Politechniki Śląskiej
SKUMULOWANA SPRAWNOŚĆ ENERGETYCZNA DOSTAWY CIEPŁA Z ELEKTROCIEPŁOWNI
S t r e s z c z e n i e . Za p o m o c ą s k u m u l o w a n e j s p r a w n o ś c i w y t w a r z a n i a e n e r g i i e l e k t r y c z n e j i s k u m u l o w a n e j s p r a w n o ś c i d o s t a w y p a l i w a s f o r m u ł o w a n o w z ó r o k r e ś l a j ą c y s k u m u l o w a n ą o s z c z ę d n o ś ć e n e r g i i c h e m i c z nej, w y n i k a j ą c ą ze s k o j a r z o n e j g o s p o d a r k i c i e p l n o - e l e k t r y c z n e j . W z ó r ten w y k o r z y s t a n o do wyznac zen ia, s k u m u l o w a n e j s p r a w n o ś c i e n e r g e t y c z ne j d o s t a w y c i e p ł a z e l e k t r o c i e p ł o w n i . U z y s k a n y wz ó r je st z g o d ny ze w z o r e m w y n i k a j ą c y m z p o d z i a ł u z u ż y c i a p a l i w a w e l e k t r o c i e p ł o w ni za p o m o c ą m e t o d y e l e k t r o w n i r ó w n o w a ż n e j .
1. 'WPROWA DZE NIE
W p ł y w p r o c e s ó w e n e r g e t y c z n y c h na c a ł o ś ć g o s p o d a r k i e n e r g e t y c z n e j k r a j u m o ż n a b a d a ć za p o m o c ą w s k a ź n i k ó w s k u m u l o w a n e g o z u ż yc i a energii. W y r a ż a j ą on e s u m a r y c z n e z u ż y c i e e n e r g i i w całej s i ec i p r o c e s ó w t e c h n o l o g i c z n y c h p r o w a d z ą c y c h o d s u r o w c ó w z a c z e r p n i ę t y c h ż p r z y r o d y do r o z p a t r y w a n e g o p r o d u k t u [l,2,5]. J e ż e l i k o ń c o w y e f e kt u ż y t e c z n y m o ż n a w y r a z i ć w j e d n o s t k a c h energ ii , to m o ż n a w p r o w a d z i ć p o j ę c i e s k u m u l o w a n e j s p r a w n o ś c i e n e r g e t y c z - nej [7]. J e s t to s t o s u n e k u ż y t e c z n e g o e f e k t u e n e r g e t y c z n e g o do s k u m u l o w a nego z u ż y c i a e n e r g i i o b c i ą ż a j ą c e g o te n efekt. S p r a w n o ś ć e n e r g e t y c z n a jest w s k a ź n i k i e m c z y s t o i l o ś c i o w y m , n i e u w z g l ę d n i a z r ó ż n i c o w a n e j j a k o ś c i r ó ż n y c h p o s t a c i en er gii . I n f o r m a c j ę o s t o p n i u d o s k o n a ł o ś c i t e r m o d y n a m i c z nej s i e c i p r o c e s ó w t e c h n o l o g i c z n y c h m o ż n a u z y s k a ć za p o m o c ą a n a l i z y s k u m u l o w a n e j e g z e r g o c h ł o n n o ś c i , p o z w a l a j ą c e j o b l i c z y ć s k u m u l o w a n ą s p r a w n o ś ć
e g z e r g e t y c z n ą w y t w a r z a n i a m a t e r i a ł ó w i n o ś n i k ó w e n e r g i i [ć]. Pr zy r o z p a t r y w a n i u s k o j a r z o n e j g o s p o d a r k i c i e p l n o - e l e k t r y c z n e j a n a l i z o w a n i e s k u m u lo wa ne j s p r a w n o ś c i e g z e r g e t y c z n e j w y t w a r z a n i a c i e p ł a jest u t r u d n i o n e p r z e z w y s t ę p o w a n i e k i l k u p o z i o m ó w t e m p e r a t u r y p r z y p r z e k a z y w a n i u c i e p ła ( ś r e d n i a t e m p e r a t u r a n o ś n i k a c i e p ł a w y t w a r z a n e g o w e l e k t r o c i e p ł o w n i jest w y ż s z a n i ż ś r e d n i a t e m p e r a t u r a n o ś n i k a c i e p ł a w o g r z e w a n y m b u d y n k u , ta zaś jes t w y ż s z a n i ż ś r e d n i a t e m p e r a t u r a o g r z e w a n e g o p o m i e s z c z e n i a ) . B a r dziej j e d n o z n a c z n e w y n i k i da j e o b l i c z e n i e s k u m u l o w a n e j s p r a w n o ś c i e n e r g e ty c z n e j w y t w a r z a n i a lub d o s t a w y ci e pł a.
Przy wyznaczaniu skumulowanej sprawności energetycznej produkcji ciep
ła w elektrociepłowni można oprzeć się.na odpowiedniej metodzie podziału zużycia energii chemicznej na produkcję ciepła i energii elektrycznej.
Zagadnienie to jest od wielu lat przedmiotem dyskusji [3,4,5,9]. Często stosowana jest tzw, metoda fizyczna, zakładająca, że sprawność wytwarza
nia pracy i ciepła w obiegu elektrociepłowni przeciwprężnej jest jednako
wa i równa 100$. Metoda ta etanowi np. podstawę obliczania wskaźników energetycznych elektrociepłowni w Rocznikach Statystycznych GUS. Metoda fizyczna nie uwzględnia wpływu gospodarki skojarzonej no zużycie paliwa w elektrowniach kondensacyjnych, korzyści zaś gospodarki skojarzonej prze
rzuca w całości na produkcję energii elektrycznej w elektrociepłowni.
Poprawna metoda podziału zużycia energii chemicznej polega na wprowadze
niu pojęcia elektrowni kondensacyjnej równoważnej, zastąpionej przez elektrociepłownię w zakresie produkcji energii elektrycznej. Poprawność tej metody wprowadzonej przez J.Wagnera [s] została uzasadniona np, w [5].
W niniejszej pracy wykazano, że za pomocą oczywistego wzoru na skumulowa
ną oszczędność energii chemicznej uzyskuje się taki sam wzór na skumulo
waną aprawnośó produkcji ciepła, jak za pomocą metody elektrowni równo
ważnej .
2. SKUMULOWANA OSZCZĘDNOŚĆ SN E R G U CHEMICZNEJ
Skumulowaną oszczędność energii chemicznej uzyskaną dzięki skojarzeniu wytwarzania ciepła i energii elektrycznej można obliczyć przez odjęcie skumulowanego zużycia występującego w gospodarce skojarzonej od skumulo
wanego zużycia w gospodarce rozdzielonej (tj. w zastąpionej elektrowni kondensacyjnej i zastąpionej ciepłowni). W elektrociepłowni tylko człon przeciwprężny zapewnia oszczędność energii chemicznej i dlatego oblicze
nia przeprowadzono dla elektrociepłowni przeciwprężnej. Dla elektrociep
łowni i równoważnego zespołu elektrownia-ciepłownia uzyskuje się nastę
pujące wzory ns skumulowane zużycie energii chemicznej»
^ch ec ” „si
dp "^E k ^ m e ^tp ^ p c
Łch " ^ ! p ^ k
% c
' ^ elK el %
+ — ), (1)
q N ,
+ _ £ i _ (2)
gdzie:
Q„> X , - strumień ciepła i moc elektryczna dostarczone odbiorcy z
g e i
elektroci epłowni,
Skumulowana sprawność energetyczna. 177
'rç’jp - skumulowano sprawność dostawy paliwa [e], ^ * 0,93, e]^ “ skumulowano sprawność dostawy energii elektrycznej z elek
trowni kondensacyjnej [s], ij* « 0,25,
i . i ’ I ji ,* sprawność energetyczna kotła elektrociepłowni i kotła za-
■E k ’ ‘E k
etąpionej ciepłowni rejonowej,
'^pg, ">7p0 - sprawność przesyłania ciepła z elektrociepłowni i ciepłowni rejonowej,
z elektrociepłowni.
Ze wzorów (1) i (2) wynika oszczędność energii chemicznej w jednostce czasu w skali kraju
Zwykle sprawność energetyczna kotłów jest większa w elektrociepłowni niż
sza dla elektrociepłowni ze względu na bardziej rozległą sieć. Omawiane wpływy częściowo kompensują się i dlatego drugi składnik wzoru (3) ma stosunkowo małą wartość.
Eo wzoru (3) można wprowadzić stosunek ^ = N el b/Qc ^ mocy elektry
cznej brutto oddawanej z elektrociepłowni do strumienia ciepła brutto:
rlag
- sprawność elektromechaniczna turbozespołu elektrociepłowni, - sprawność transformacji i przesyłania energii elektrycznej(3)
w ciepłowni rejonowej, natomiast sprawność przesyłania ciepła jest mniej-
(4)
Otrzymuje się:
Wzór (5) obowiązuje bez względu na aposób wytwarzania szczytowej iloś
ci ciepła. Jeżeli np. ciepło to wytwarza aię w kotłach wodnych, to do wzoru należy wprowadzić średnią 'ważoną sprawność kotłów elektrociepłowni czynnych przy danym obciążeniu.
3. SKUMULOWANA SPRAWNOŚĆ ENERGETYCZNA DOSTAWY CIEPŁA
Oszczędność energii chemicznej można obliczyć również za pomocą skumu
lowanej sprawności energetycznej dostawy ciepła z ciepłowni zastąpionej i z elektrociepłowni:
“ch '■‘g ( k ' „ i ^
' ^dp ‘E k ‘pc ‘E g ec
gdzie wyraża skumulowaną sprawność energetyczną dostawy ciepła g C6
z elektrociepłowni*
Z porównania wzorów (5) i (6) wynika wzór na skumulowaną sprawność energetyczną dostawy ciepła z elektrociepłowni:
„k = _______ ^dn ^ E k ^pc________ .( 7 )
‘E g ec w
(
^do ^ E k ^tp 11 - ^ ^ - —
'
CE
el " m eUwzględniając wg [8] przybliżoną zależność
el** * 4 ^ E el < p > (8)
można wzc5r (7) przedstawić w postaci:
^ d p ^ E k Ti
tE k ^tn _ 1
^ E el ^tp ^me
<dp E k pc________ (9)
‘E g ec ~ 1 - r
gdzie:
tjg ^ - bezpośrednia sprawność elektrowni kondensacyjnej (stosunek od
danej do sieci energii elektrycznej do zużytej energii che
micznej paliwa),
- sprawność transformacji I przesyłania energii elektrycznej z elektrowni kondensacyjnej.
Skumulowana sprawność energetyczna. 3.79
Skumulowana sprawność dostawy ciepła z elektrociepłowni jea.t często więkeza od jedności. Wynik ten nie jest sprzeczny z zasadami termodynami
ki. Wystarczy przypomnieć, że sprawność energetyczna pompy grzejnej jest zawsze większa od jedności.
4. PODZIAŁ ZUŻYCIA ENERGII CHEMICZNEJ W ELEKTROCIEPŁOWNI
, Ciepło jest produktem głównym elektrociepłowni, gdyż zapotrzebowanie na ciepło determinuje jej moc i lokalizację. Energia elektryozna jest produktem ubocznym zastępującym częściowo produkt główny procesu wyspec
jalizowanego, tj. zastąpionej elektrowni kondensacyjnej [5,9]. Wytwarza- nie energii elektrycznej w elektrociepłowni wpływa w ten sposób na całość gospodarki energetycznej kraju, że zmniejsza produkcję energii elektrycz
nej i zużycie paliwa w zastąpionej elektrowni kondensacyjnej. Produkcję ciepła w elektrociepłowni obciąża więc zużycie energii chemicznej w elek
trociepłowni pomniejszone o spadek zużycia w elektrowniach kondensacyj
nych.
=■ E _
ch g ec ch ec
„y.
"e el
= (— — - t — ) \ 1 + 1 --- • < 1 0 >
^dp ^E k ^ n e ’^t'p el ^dp ^ E k ^pc
W celu obliczenia skumulowanej sprawności energetycznej dostawy ciepła z elektrociepłowni należy podzielić wielkość Qg przez E ^ g . e c « Otrzy
muje się wzór zgodny ze wzorem (7). Ze wzoru na oszczędność energii che
micznej wynika więc taki sam wzór na skumulowaną sprawność energetyczną dostawy ciepła jak z podziału zużycia paliwa według metody elektrowni równoważnej.
5. SKUMULOWANA SPRAWNOŚĆ EGZERGETYCZNA DOSTAWY CIEPŁA
Stopień doskonałości termodynamicznej dostawy ciepła z elektrociepłow
ni można określić za pomocą skumulowanej sprawności egzergetycznej. Spraw
ność tę można wyrazić za pomocą skumulowanej sprawności energetycznej wprowadzając dodatkowo czynnik Carnota oraz stosunek wartości opałowej do egzergii chemicznej paliwa
g d z i e :
Tm - średnia temperatura zmierzona na osłonie kontrolnej wyodrębnia
jącej .rozpatrywany układ, T ^ - temperatura otoczenia.
Zależnie od sposobu poprowadzenia osłony kontrolnej mogą wystąpić r ó ż ne wartości Tm . Jeżeli osłona kontrola przecina sieć ciepłowniczą przed wymiennikiem ciepła zainstalowanym w budynku, to Tffi wyraża średnią tem
peraturę wody sieciowej przy dopływie i odpływie, z tego wymiennika ciepła.
Jeżeli osłona kontrolna obejmuje wymiennik ciepła w budynku, to T^ w y raża średnią temperaturę wody grzejnej w wewnętrznej sieci ogrzewania.
Jeżeli osłona kontrolna przebiega przez ogrzewane pomieszczenie, to Tm oznacza średnią temperaturę tego pomieszczenia. Ponadto sprawność egzer- getyczna zależy wyraźnie od temperatury otoczenia. Zawsze sprawność egzergetyczna dostawy ciepła jest znacznie mniejsza od energetycznej.
6. ‘W I O S K I
1. Przy ocenie efektów energetycznych skojarzonej gospodarki cieplno- elektrycznej należy uwzględniać skumulowaną sprawność dostawy paliwa, wytwarzania energii elektrycznej oraz straty przesyłania ciepła i energii
elektrycznej.
2. Skumulowana sprawność dostawy ciepła z elektrociepłowni może służyć do porównania efektywności energetycznej elektrociepłowni z innymi m e t o dami dostawy ciepła np. z pompą grzejną.
3. Hie.jest dopuszczalny podział zużycia paliwa w elektrociepłowni między ciepło i energię elektryczną za pomocą metody fizycznej zakładają
cej jednakową sprawność wytwarzania ciepła i pracy w obiegu pr.zeciwpręż- nyn na poziomie 1005.
4. Skumulowana sprawność energetyczna dostawy ciepła z elektrociepłow
ni jest często większa od jedności.
5. Skumulowana sprawność egzergetyczna dostawy ciepła z elektrociep
łowni jest znacznie mniejsza od skumulowanej sprawności energetycznej.
Ponadto zfeleży wyraźnie od przebiegu osłony kontrolBej wyodrębniającej rozpatrywany układ i od temperatury otoczenia.
LITERATURA
[i] BIbrowski Z, (red.): Energochłonność skumulowana. FiTH, Warszawa 1983.
f 2l Boustesd I., Hancock G.F.s Handbook :of Industrial Ehe r g y ' Analysis, Ellie Harwood, Chichester 1979.
[3] Marbcki J,: Gospodarka skojarzona cieplno-elektryczna-. Wyd. II. TOT, Warszawa 1980.
S k u m u l o w a n a . s p r a w no ść energetyczna... .. 181
[4] Marecki I . : Goscodarka skojarzona cieplno-elektryczna. Zeszyty Hauko- we Pol. SI. Energetyka z.106, 1989.
[5] Szargut J . : Analiza termodynamiczna i ekonomiczna w energetyce prze
mysłowej. M T , Warszawa 1983.
[6] Szargut J . : Doskonałość termodynamiczna wytwarzania materiałów i energii użytkowej. Energetyka 1985, nr 1 2, as. 485-488.
[7] Szargut J . : Skumulowane wskaźniki energetyczne charakteryzujące dos
tawę ciepła z elektrociepłowni. Energetyka, 1989 'nr 3, s. 77-80.
[s] Szargut J . : Skumulowana energochłonność górnict7ia węglowego. Energe
tyka 1989, nr 3, 0- 90-91. '
[9] Wagner J.: Metoda podziału kosztów własnych elektrociepłowni między oddawaną z niej energią elektryczną i cieplną. PAK, Komitet Elektry
fikacji Polski, Materiały i Studia t. 5, PWK, Łódź, Warszewa 1962.
K m j yj IH PO BAH EHj l KIIfl H O C I A B K H T E I M U H 3 T31I
? e 3 x> u a
npH
no uomH i c y m i y a H p o B a H H o r o k h a npoH3BOACTBa a j i e K i p o s a s p r a a a K y u M y a a p o - B a H H o r o Knfl A o c r a B K H r o i u i H B a n o n y n e H a (Jopwy jia o n p e A e a s i o ą a a K y u « y . m p o B a K H y a 3KOHOMHSO XUUHHeCK02 3 H e p 7 H H , flBAJUOĘeiłCfl 3CpJ)eKT0M KOMCHHHpOBaHHOii BUpaSoTKB T e n m a k s i i e n T p o s H e p r a H . S r a $ o p M y n a u c n o J i b 3 0 B a H a aaji o n p e a e a e H Hh K y n M y m a p o - B a H H o r o k o j f l o c r a B K H T e n n a H3 5311. H o J iy ^ e H B a a S o p u y j i a c o r a a c y e i c a c $ o p u y - a o8 , B u r e K a a n e S B3 p a 3 A e J i e H a a p a c x o A a T o n a a B a b T3U M e T o g o u 3KBHBajieHTHo8 sjieKTpocraHUBB.CUMULATIVE EHERGY EFFICIENCY OP THE HEAT DELIVERY FROM THE HEAT - AND - POWER PLANT
S u m m a r y
By means of the cumulative energy efficiency of the delivery of elec
tricity and of the delivery of fuel, the formula has been found determi
ning the cumulative economy of chemical energy resulting from the combi
ned production of heat and electricity. This formula has been used for the determination of cumulative energy efficiency of the heat delivery' from the heat-and-power plant. The obtained formula agrees with the for
mula resulting from the fuel consumption partition in the heat-and-power plant by means of the method of equivalent power plant.
