Типы энергоустановок и их влияние на экономические показатели энергопредприятий

ОТРАСЛЕВЫЕ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ

ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ

Общественные функции электроэнергетики

Часть энергетического комплекса, снабжающая отрасли преобразованными энергоносителями, включает элек­тро- и теплоэнергетику. Их общественная миссия как базовых инфраструктурных отраслей (наряду с топливными) состоит в обеспечении энергетической безопасности страны – важней­шего элемента национальной безопасности.

Электроэнергетика является ведущим звеном энергетики страны. Рассматриваемая как производственно-технологи­ческий комплекс, она включает установки для генерирования электроэнергии, совместного (комбинированного) производ­ства электрической и тепловой энергии, а также передачи электроэнергии к абонентским установкам потребителей.

Электроэнергетика призвана выполнять следующие важные общественные функции.

1. Надежное и бесперебойное электроснабжение потреби­телей в соответствии с действующими государственными стан­дартами параметров качества электроэнергии.

2. Обеспечение дальнейшей электрификации народного хо­зяйства как процесса расширения использования электроэнер­гии для получения разных форм конечной энергии (механиче­ской, тепловой, химической и др.) и замены электричеством других энергоносителей.

3. Развитие теплофикации городов: процесса высокоэффек­тивного централизованного теплоснабжения на основе комби­нированной выработки электрической и тепловой энергии.

4. Вовлечение в топливно-энергетический баланс страны (через производство электрической энергии) возобновляемых источников энергии, низкокачественного твердого топлива, ядер­ной энергии. В этом случае в электроэнергетике сокращается ис­пользование дефицитных и высококачественных видов топлива, прежде всего природного газа, который находит более эффектив­ное применение в других отраслях народного хозяйства.

Указанные функции должны осуществлять­ся с учетом общественных требований к рациональному рас­ходованию топливно-энергетических ресурсов страны и эколо­гичности энергетического производства.

Преимущества электроэнергии

Электроэнергия –самый прогрессивный и уникальный энер­гоноситель. Она способна трансформироваться практически в любой вид конечной энергии, в то время как топливо, непосредственно используемое в потребительских установках, пар и горячая вода – только в механическую энер­гию и тепло разного потенциала. Применение электроэнергии в производстве позволяет интенсифицировать технологические процессы (резко увеличивать скорость их протекания), обеспе­чивает их полную автоматизацию и высокую точность регули­рования, что ведет к значительному росту производительности, труда, сокращению расхода материальных ресурсов и повыше­нию качества продукции. При этом некоторые прогрессивные процессы, в частности, в металлургии и химии вообще не до­пускают использования каких-либо других энергоносителей. Кроме того, на стадии потребления электроэнергия – самый экологически чистый энергоноситель. Ее можно передавать на большие расстояния, что позволяет обслуживать широкий круг потребителей включая регионы, не обеспеченные достаточны­ми ресурсами органического топлива.

На уровне страны экономические и со­циальные преимущества электроэнергии наглядно проявляются в тесной корреляционной связи между такими показателями, как производство валового внутреннего продукта в расчете на душу населения и электропотребление на одного жителя. Ста­тистические данные по разным странам мира показывают, что в общем случае там, где выше душевое потребление и выработка электроэнергии, наблюдается и более высокий уровень эконо­мического развития. Следует отметить и влия­ние на электропотребление природно-климатического фактора: так, северные страны отличаются (при прочих равных услови­ях) более электроемкой экономикой.

Структура энергетики

Энергетическое производство включает три основные фазы: производство энергии, ее распределение и потребление. Производство энергии осуществляется электрическими станциями; распределение (транспорт) энергии осуществляют энергетические сети. В целом процесс энергоснабжения осуществляется энергетическими системами, объединяющийся в единый производственно - транспортный комплекс электростанции и сети.

Фаза энергопотребления осуществляется энергопотребляющими установками потребителей, включающими приемные установки (понизительные подстанции), местные распределительные сети и энергоприемники (токоприемники), преобразующие электрическую энергию в те виды энергии, которые необходимы для осуществления технологических процессов промышленного производства или других целей.

Электроэнергия производится на электростанциях разных ти­пов: тепловых (ТЭС), гидравлических (ГЭС), атомных (АЭС), а также на установках, использующих так называемые нетрадици­онные возобновляемые источники энергии (НВИЭ).

Основным типом электростанций являются тепловые, на которых исполь­зуется органическое топливо: уголь, газ, мазут. В структуре генерирующих мощностей доля ТЭС составляет 65 %, АЭС – 15 %, ГЭС – 20 %.

Среди НВИЭ наибольшее распространение в мире получили солнечные, ве­тровые, геотермальные электростанции, установки, работаю­щие на биомассе и твердых бытовых отходах.

Тепловые электростанции оборудуются паротурбинными энергоблоками различных мощностей и параметров пара, а так­же газотурбинными (ГТУ) и парогазовыми (ПГУ) установками. Последние могут работать и на твердом топливе (например, с внутрицикловой газификацией).

Основу производственного потенциала электроэнергетики России составляют электростанции общего пользования; на них приходится более 90% генерирующих мощностей. Остальная часть – ведомственные электростанции и децентрализованные энергоисточники.

В структуре мощностей электростанций общего пользова­ния лидируют паротурбинные ТЭС.

Тепловые электростанции (ТЭС) используют в качестве электрических ресурсов различные виды ископаемых (органических) топлив (твердых, жидких и газообразных): угли, торф, сланцы, нефть (мазут), природный газ.

Основным оборудованием ТЭС являются паровые котлы и паровые турбоагрегаты (паровые турбины, связанные общим валом с электрическими генераторами), работающие раздельно или соединенные в энергетические блоки (котел – турбоагрегат).

Тепловые элек­тростанции включают конденсационные (КЭС), генерирующие только электроэнергию, и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), на ко­торых осуществляется комбинированная выработка электро­энергии и тепла. Электрическая энергия вырабатывается на ТЭЦ турбоагрегатами при работе турбин по теплофикационному циклу. Тепловая энергия отпускается в отработавшем паре, поступающем из промежуточных отборов или конечного (противодавленческого) отбора турбин.

В топливном балансе ТЭС определяющую роль играет природный газ. Его доля составляет более 60% и превышает долю угля более чем в 2 раза. Участие нефтетоплива незначительное (менее 5%).

Тепловые электростанции в зависимости от начального давления пара (перед турбогенераторами) делятся на:

– ТЭС низкого давления (13–25 ата). Практически не применяются, хотя в связи с тенденциями к созданию на предприятиях собственных маломощных источников энергии могут возникнуть вновь;

– ТЭС среднего давления (25–45 ата). Считаются устаревшими, но кое–где еще сохранились. Как правило, на этих станциях проводилась реконструкция;

– ТЭС высокого давления (90 ата);

– ТЭС сверхвысокого давления (130–240 ата).

Все эти тенденции к росту начального давления пара вызваны стремлением к повышению экономичности. Согласно II закону термодинамики, внутренний относительный КПД теплового цикла зависит от соотношения начального и конечного теплосодержания рабочего тела, в данном случае – водяного пара. Поэтому чем выше начальное давление и глубже вакуум в конденсаторе паровой турбины, тем выше КПД производства энергии. (Однако даже теоретически он не может быть выше 44-45 %.)

Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) делятся по типам установленных на них турбоагрегатов на:

– противодавленческие (типа Р), пройдя которые пар подается потребителям тепловой энергии;

– противодавленческие турбины с регулируемым производственным отбором (типа ПР);

– турбины с регулируемыми отборами пара и конденсацией, в том числе с одним производственным отбором пара давлением 5–13 ата (0,12–0,25 Мпа) (типа П);

с одним теплофикационным отбором пара давлением 1,2–2,5 ата (0,12–0,25 МПа) – (типа Т);

с двумя отборами – производственным и теплофикационным (типа ПТ).

Атомные электростанции (АЭС) являются тепловыми, но в отличие от топливных ТЭС используют в качестве первичного ресурса не органическое топливо, а атомную энергию природного или обогащенного урана.

Основным оборудованием АЭС являются атомные реакторы, котлы и паровые турбоагрегаты.

Гидроэлектростанции (ГЭС) используют для выработки электроэнергии гидроэнергетические ресурсы, которые в отличие от топливных, являются возобновляемыми. Энергетической базой ГЭС является водохранилище, создаваемое сооружением подпорной плотины в заданном створе водотока (реки).

Основным оборудованием ГЭС являются гидроагрегаты (гидравлические турбины, связанные с общим валом, обычно вертикальным) с электрическим генератором.

Различают следующие виды гидроэлектростанция:

– по напору – высоконапорные (горные) и низконапорные (равнинные);

– по зарегулированности водотока – с суточным, сезонным, годовым, многолетним регулированием;

– по мощности и т. д.

В соответствии с Энергетической стратегией страны до 2020 г.в структуре генерирующих мощностей предполагает­ся увеличить долю АЭС (примерно в 1,5 раза по сравнению с 2000 г.), а также снизить долю природного газа в топливном балансе ТЭС, соответственно существенно повысив использо­вание угля.

Энергетической стратегией опреде­лено, что конкурентоспособность угольных ТЭС по сравнению с га­зовыми достигается при цене газа в 1,6-2 раза выше, чем цена угля (в расчете на 1 т условного топлива). Такие ценовые пропорции обеспе­чат предусматриваемое энергетической стратегией России снижение доли газа и увеличение доли угля в структуре потребляемого ТЭС топлива.

Концепцией технической политики определено, что при новом строительстве, техническом перевооружении и реконструкции ТЭС, использующих природный газ, следует применять только парогазовые и газотурбинные технологии. Использование паросиловых технологий для этих целей исключается.

Электростанции объединены электрическими сетями разно­го уровня напряжения на параллельную работу в районные электроэнергетические системы, которые в свою очередь образуют объеди­ненные энергосистемы (ОЭС). Электрические связи между ОЭС формируют единую энергосистему страны (ЕЭС).

Аппаратом распределения (транспорта) энергии в энергетической системе являются электрические и тепловые сети.

Основными технологическими элементами электросетевого комплекса слу­жат линии электропередачи (воздушные и кабельные) и транс­форматорные подстанции с соответствующим вспомогательным оборудованием. Различают магистральные и распределительные электрические сети; последние доводят электрическую энергию от узлов нагрузки до абонентских установок потре­бителей. Линии электропередачи напряжением 0,4–1150 кВ имеют общую протяженность порядка 3 млн. км, в том чис­ле магистральные электросети напряжением 220–1150 кВ – 157 тыс. км.

Обслуживанием ЛЭП и подстанций занимается предприятия электрических сетей (ПЭС). В ведении этих предприятий находятся также трансформаторные подстанции (ТП) и распределительные устройства (РП). Они трансформируют электроэнергию с высокого (110, 35, 6–10 кВ) на низкое, потребительское, напряжением 220–380 В и распределяют ее в районах и микрорайонах города для жилых и общественных зданий.

Для обеспечения надежного энергоснабжения и качества электроэнергии в соответствии с требованиями технических регламентов в масштабе всей ЕЭС создана система опера­тивно-диспетчерского управления (ОДУ). Она построена по иерархическому принципу; ее верхний уровень представлен организацией – системным оператором (СО) ЕЭС России, ко­торому подчинены органы ОДУ объединенных и районных энергосистем. Свои функции органы ОДУ осуществляют через централизованное управление технологическими режимами работы объектов электроэнергетики и электропотребляющих установок потребителей.

Как указано в Федеральном законе об электроэнергетике (ст. 5), «технологическую основу функционирования электро­энергетики составляют единая национальная (общероссий­ская) электрическая сеть, территориальные распределитель­ные сети, по которым осуществляется передача электрической энергии, и единая система оперативно-диспетчерского управ­ления».

В хозяйственном отношении основные производственные объекты электроэнергетики объединены в составе компаний энергохолдинга «РАО ЕЭС», независимых акционерных энерго­компаний, промышленных предприятий, а также предприятий коммунальной энергетики (в двух последних случаях – неболь­шие ТЭЦ). Таким образом, имеют место разная ведомственная (балансовая) принадлежность и различные формы собственно­сти на активы предприятий электроэнергетики.

К объектам теплоэнергетики относятся теплоисточники (паровые и водогрейные котельные), а также тепловые сети (магистральные и распределительные) с трубопроводами, насо­сными станциями и тепловыми пунктами

Тепловые сетиосуществляют передачу и распределение тепловой энергии. Они делятся по виду теплоносителя на водяные и паровые. Задачей тепловых сетей является распределение тепловой энергии внутри отдельных районов теплоснабжения.

Предприятия тепловых сетей (ПТС) эксплуатируют магистральные и распределительные паро- и теплопроводы в городах и населенных пунктах.

Котельные имеют разную ведомственную принадлежность (муниципальные, промышленные и др.). Среди них выделяют­ся централизованные теплоисточники, обслуживающие целый район теплоснабжения или группу разных потребителей, и де­централизованные, прикрепленные к конкретным абонентам. В частности, к децентрализованным причисляют котельные мощностью до 20 Гкал/ч; в целом с учетом ТЭЦ в России цен­трализованно вырабатывается около 70 % тепловой энергии. Но дальность передачи тепла, в отличие от электроэнергии, ограни­чена по технико-экономическим соображениям:

для пара всего до 1,5–2 км, для горячей воды – до 20–30 км.

Главными функциями теплоэнергетики в обществе являются:

• надежное и бесперебойное обеспечение потребителей не­обходимыми им теплоносителями с требуемыми объем­ными и качественными параметрами;

• поддержание теплового комфорта в жилых и обществен­ных зданиях (в строгом соответствии с температурами на­ружного воздуха).

Данные функции должны реализовываться на основе вне­дрения экономически и экологически оптимальных схем тепло­снабжения городов и сельских районов страны.

Тепловая энергия в виде пара и горячей воды широко при­меняется в различных отраслях народного хозяйства для технологических нужд, отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.

Следует подчеркнуть, что электроэнергия и теплоэнергия – взаимозаменяемые и конкурирующие энергоноси­тели. Особенно это касается силовых и среднетемпературных процессов, где в качестве энергоносителя может использоваться как пар различных параметров, так и электричество. При благо­приятных экономических предпосылках электроэнергия может заменять горячую воду в низкотемпературных процессах, обеспечивая более качественное регулирование параметров и по­требительский комфорт.

Типы энергоустановок и их влияние на экономические показатели энергопредприятий

Удельная стоимость, топливная эко­номичность, численность персонала и экологические характери­стики дифференцируются в широких пределах по типам энерго­установок.

Энергоустановки могут различаться видом топлива или первичного энергоресурса (ТЭС, ГЭС, АЭС, НВИЭ), начальными параметрами пара, схемой энергетиче­ского цикла, отсутствием или наличием отборов пара для теплоснабжения и другими характеристиками.

Удельные капиталовложения в ТЭС на газе и мазуте примерно на 15–20 % ниже, чем в угольные электростанции. При этом несколько меньше и удельные расходы топлива за счет более высокого КПД котлоагрегатов (на 3–5 %).

Рост начальных параметров пара перед турбиной на ТЭС ведет к ощутимому снижению удельных расходов топлива, но увеличивает стоимость установки. Затраты на охрану природы удорожают энергоустановки ТЭС и АЭС на 15–30%.

Зарубежные оценки удельных капитальных вложений в новые электростанции приведены в табл. 1.1.
Диапазон изменения стоимости для ТЭС и АЭС обоснованы разными экологическими требованиями, для остальных устано­вок – различными проектными условиями.

Определенная связь прослеживается между топливной экономич­ностью и капиталоемкостью отдельных энергоустановок, которая наилучшим образом сочетает высокую экономичность по то­пливу с относительно небольшой удельной стоимостью.

Отметим, что в последние годы в мировой практике получили широкое распро­странение установки комбинированного производства электрической и тепловой энергии – теплофикационные ГТУ и ПГУ разной мощно­сти. Их стоимость на 15–20% выше, но они обладают высокой энерге­тической эффективностью.

Электросетевой комплекс также отличается разнообразием в отношении типов и стоимости оборудования линий электропе­редачи и трансформаторных подстанций (табл. 1.2).

Таблица 1.1

Типы электростанций	Удельная стоимость
Паротурбинная	1000–1100
Атомная	1300–1500
Гидравлическая	900–3000
Парогазовая	300–350
Ветроэнергетическая	500–600
Фотоэлектрическая	1200–1600
Геотермальная	6000–10000
Приливная	>2400
Установка на твердых бытовых отходах	>3500
Установка на биомассе	3000–5600

Отметим, что с ростом напряжения увеличивается пропуск­ная способность сетей, но резко возрастают удельные капита­ловложения. При этом кабельные линии значительно дороже воздушных. Стоимость подстанций зависит от типа компонов­ки (открытая, закрытая). На стоимостные характеристики ЛЭП и ПС влияют и другие многочисленные факторы, учтенные в табл. 4.3 интервалами значений.

Таблица 1.2

Напряжение, кВ	Высоковольтные линии, тыс. долл. / км	Кабельные линии, тыс. долл. / км	Подстанции, млн. долл.
Открытая	Закрытая
	40–60	1100–1200	1,2–1,5	3,0–4,0
	30–80	740–1100	1,5–1,9	–
	80–110	1700–2500	10,0	–

* Диапазон учитывает разные характеристики опор, сечение и количество цепей, марки и количество кабеля в траншее, мощность и количество трансформаторов для подстанций. При сооружении высоковольтных и кабельных линий в населенных пунктах и горных местностях указанные значения увеличиваются в 1,5-3,5 раза.