Incremental efficiency of electricity generation based on thermal consumption at CHPPs and its importance in reducing carbon emissions

Abstract

The aim of the study is to develop a methodological approach to assessing the incremental efficiency of electricity generation at CHPPs (specific heat consumption for changing electric power of turbine) in operating modes, taking into account both energy and environmental indicators. To achieve this goal, the following tasks were solved: the methodology, based on mathematical models of cogeneration steam turbines, both integral and differential indicators of heat rate per unit of electricity generation increment, was justified; a comprehensive generalization of the calculation data on the turbine T-50-12.8 type was performed; a quantitative assessment of the integral electricity generation and greenhouse gas emissions parameters was made at various loads and its comparison with the corresponding indicators in condensation mode. The most significant results are the following: generalized dependences of the integral specific heat consumption per unit of increase in electricity generation and carbon footprint were calculated for a wide range of changes in operating conditions; boundary conditions were established under which obtaining these parameters by opening the sliding grid of low-pressure section turns out to be energetically and ecologically feasible; it was determined that when increasing the capacity without bypassing the delivery water, the carbon footprint increment with an increase in the capacity of cogeneration turbines by opening the sliding grid will be less than for condensing turbines. The significance of the results obtained lies in their applicability for solving problems of ensuring maximum efficiency during involving cogeneration turbines in regulating electric load schedules in different boundary conditions.

Scopul studiului este de a dezvolta o abordare metodologică a evaluării eficienței incrementale a producerii de energie electrică la CHPP (consumul specific de căldură pentru schimbarea puterii electrice a turbinei) în modurile de funcționare, ținând cont atât de indicatori energetici, cât și de mediu. Pentru atingerea acestui scop au fost rezolvate următoarele sarcini: a fost justificată metodologia, bazată pe modele matematice ale turbinelor cu abur de cogenerare, atât indicatori integrali cât și diferenţiali ai debitului termic pe unitatea de increment de producere a energiei electrice; a fost efectuată o generalizare cuprinzătoare a datelor de calcul pe turbina de tip T-50-12.8; s-a realizat o evaluare cantitativă a parametrilor de producere integrală a energiei electrice și de emisii de gaze cu efect de seră la diferite sarcini și compararea acesteia cu indicatorii corespunzători în modul de condensare. Cele mai semnificative rezultate sunt următoarele: dependențele generalizate ale consumului specific integral de căldură pe unitatea de creștere a producției de energie electrică și amprenta de carbon au fost calculate pentru o gamă largă de modificări ale condițiilor de funcționare; au fost stabilite condiţiile limită în care obţinerea acestor parametri prin deschiderea grilei de alunecare a secţiunii de joasă presiune se dovedeşte a fi fezabilă energetic şi ecologic; s-a stabilit că la creșterea capacității fără a ocoli apa de livrare, creșterea amprentei de carbon cu creșterea capacității turbinelor de cogenerare prin deschiderea grilei glisante va fi mai mică decât la turbinele cu condensare. Semnificația rezultatelor obținute constă în aplicabilitatea lor pentru rezolvarea problemelor de asigurare a eficienței maxime în timpul implicării turbinelor de cogenerare în reglarea programelor de sarcină electrică în diferite condiții la limită

Целью исследования является разработка и апробация методологического подхода к оценке приростной эффективности выработки электроэнергии на ТЭЦ в характерных режимах работы с учетом как энергетических, так и экологических показателей. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: обоснована методика расчета на базе математических моделей теплофикационных турбоустановок с использованием реальных энергетических характеристик ступеней и отсеков как интегрального, так и дифференциального показателей удельного расхода теплоты на единицу прироста выработки электроэнергии; выполнено комплексное обобщение данных расчетного исследования на модели турбины Т-50-12.8, произведена количественная оценка интегральной приростной эффективности выработки электроэнергии и выбросов парниковых газов при различных тепловых нагрузках, исходных расходах пара, расходах сетевой воды и ее начальных температурах, величинах прироста электрической мощности и ее сопоставление с соответствующими показателями при работе турбины на конденсационном режиме. Наиболее существенными результатами работы являются следующие: для широкого диапазона изменения начальных и режимных условий рассчитаны и построены обобщенные зависимости интегрального удельного расхода теплоты на единицу прироста выработки электроэнергии и углеродного следа от основных влияющих факторов; установлены граничные условия, при которых получение приростной электрической мощности за счет открытия регулирующей диафрагмы ЧНД оказывается энергетически и экологически целесообразным; определено, что для приростов мощности, не требующих необходимости обвода сетевой воды помимо сетевых подогревателей, прирост углеродного следа при увеличении мощности теплофикационных турбин путем открытия регулирующих диафрагм ЧНД будет меньше, чем для конденсационных турбин с такими же начальными параметрами пара. Значимость полученных результатов заключается в их применимости для постановки и решении задач обеспечения максимальной энергетической и экологической эффективности при привлечении теплофикационных турбин к регулированию графиков электрической нагрузки во всем реальном диапазоне изменения режимных факторов и граничных условий.