Analiza kształtowania się parametrów i wskaźników oraz głównych przyczyn powstawania strat energetycznych w jednostkach energetycznych

Transkrypt

1 Analiza kształtowania się parametrów i wskaźników oraz głównych przyczyn powstawania strat energetycznych w jednostkach energetycznych Autor: Dawid Kijowski ENERGOPOMIAR Sp. z o.o., Zakład Techniki Cieplnej Krajowa energetyka zawodowa jest bardzo zróżnicowana zarówno pod względem typów zainstalowanych urządzeń wytwórczych, jak również ich czasu użytkowania, osiąganych mocy czy też sprawności energetycznych. Nowoczesne technologie wytwórcze osiągające znacznie lepsze wskaźniki sprawnościowe zaczynają wypierać wyeksploatowane obiekty, których działalność rozpoczęła się w okresie boomu energetycznego przypadającego na lata 70. ubiegłego wieku. Podstawowe elementy zwiększania sprawności instalacji, zbliżające cykl przemian energetycznych do idealnego obiegu porównawczego Rankine a, takie jak regeneracja nisko- czy wysokoprężna bądź międzystopniowe przegrzewanie pary, wspierane są pracą na parametrach nadkrytycznych pary oraz innowacyjnymi układami łopatkowymi turbin. Jak zatem kształtują się parametry charakteryzujące pracę wysłużonych elektrowni? Czy wraz ze wzrostem sprawności wytwarzania rośnie również dyspozycyjność urządzeń wytwórczych? Odpowiedzi na te oraz inne pytania związane z polskim sektorem energetycznym znajdują się w sporządzanym przez ENERGOPOMIAR opracowaniu pt. Analiza kształtowania się wskaźników zużycia energii chemicznej paliwa w elektrowniach i elektrociepłowniach zawodowych. Podstawę produkcji energii elektrycznej w Polsce stanowią elektrownie cieplne opalane paliwami kopalnymi. Przy wykorzystaniu węgla kamiennego oraz brunatnego wytwarzane jest aktualnie ok. 90% krajowej energii [1]. W oparciu o szacunkowe wielkości zasobów tych paliw oraz prognozy ich wydobycia powstały publikacje dotyczące bezpieczeństwa zaopatrzenia Polski w te surowce autorstwa, m.in. Najwyższej Izby Kontroli [2], [3]. Autorzy tych publikacji oceniają, iż w perspektywie kilkudziesięciu lat nie wystąpią istotne zagrożenia w zaopatrzeniu w węgiel kamienny oraz brunatny z krajowych złóż. Z informacji o potencjalnych zasobach tego surowca można wnioskować, iż era dominacji paliw kopalnych jeszcze nie minęła. Struktura wytwarzania sektora energetyki oparta w głównej mierze na paliwie węglowym wraz z odpowiednią ilością danych produkcyjno-eksploatacyjnych stwarzają możliwość zestawienia ze sobą większości elektrowni zawodowych pracujących na potrzeby Krajowego Systemu Elektroenergetycznego (KSE) oraz przeprowadzenia szeregu szczegółowych analiz i statystyk w celach porównawczych, bez zbędnego rozgraniczenia kryterialnego pod kątem rodzaju paliwa produkcyjnego. Geneza opracowania Kontrola sprawności wytwarzania oraz kształtowania się wskaźników energetycznych dla obiektów energetyki zawodowej realizowana jest przez ENERGOPOMIAR od 1977 r. Niezmiennie na przestrzeni lat wydawane są dwa sprawozdania obejmujące okres półrocza oraz całego roku zestawiające wskaźniki produkcyjno-sprawnościowe elektrowni cieplnych blokowych, kolektorowych oraz elektrociepłowni. Opracowanie wykonywane jest na podstawie umów zawieranych z klientami ENERGOPOMIARU, w oparciu o sporządzone wzory charakterystyk modelowych oraz wyniki obliczeń Systemu Techniczno-Ekonomicznej Kontroli Eksploatacji (TKE ) autorstwa ENERGOPOMIARU zainstalowanego w znacznej części polskich elektrowni blokowych.

2 Charakterystyki modelowe opracowane są w formie ankiet, które przedstawiciele analizowanych obiektów wypełniają zgodnie z przyjętymi i wspólnie wypracowanymi zasadami. Znajdują się tam informacje o poszczególnych jednostkach, takie jak zainstalowane moce wytwórcze, rzeczywiste dane eksploatacyjne właściwe dla analizowanego okresu (temperatury, ciśnienia, przepływy), charakterystyka oraz zużycie paliwa, dane produkcyjne oraz informacje o potrzebach własnych. Na przestrzeni lat wypracowana została jednolita metodyka definiowania i wyznaczania poszczególnych wielkości, tak aby zebrane informacje były spójne i jednorodne. Bieżące dane dotyczące kilkudziesięciu obiektów energetycznych oraz te zebrane na przestrzeni ich trzydziestoletniej działalności tworzą potężną bazę danych, na podstawie której można wypracować wskaźniki oraz parametry pozwalające na tworzenie rankingu poszczególnych obiektów z uwzględnieniem wielu kryteriów, opracować indywidualne zestawienia oraz przeprowadzać wnikliwą analizę interesujących nas obszarów. Aby zapewnić niepodważalność informacji oraz danych zamieszczanych w opracowaniu, ENERGOPOMIAR nawiązuje każdorazowo współpracę z Agencją Rynku Energii (ARE) w celu pozyskania danych weryfikacyjnych. Są to dane w postaci zagregowanej po 3 obiekty w grupie, co jest wystarczające do weryfikacji, a jednocześnie niezbędne do zagwarantowania najwyższej jakości opracowania. Informacje te służą pośrednio do wyznaczenia danych wskaźnikowo produkcyjnych, takich jak wskaźniki jednostkowego zużycia energii chemicznej paliwa na produkcję energii elektrycznej przekładające się bezpośrednio na sprawność wytwarzania czy wskaźniki energochłonności poszczególnych obiektów, na podstawie których określa się sprawności wytwarzania netto. Analizy kształtowania się parametrów i wskaźników zużycia energii chemicznej paliwa oraz głównych przyczyn powstawania strat energetycznych w jednostkach wytwórczych mają być pomocne w bieżącym monitorowaniu sytuacji przedsiębiorstwa. W opracowaniu znajduje się szereg danych oraz wskaźników związanych z działalnością energetyczną charakteryzujących funkcjonowanie i efektywność pracy przedsiębiorstwa przede wszystkim z technicznego punktu widzenia. Podstawą do przeprowadzenia analizy wskaźnikowej poza niezbędną bazą danych są algorytmy obliczeniowe i metodyka tworzenia analiz. Konieczne jest określenie optymalnego poziomu odniesienia pozwalającego na prowadzenie analiz technicznych ujmujących szczegółowe porównywanie obiektów w różnych warunkach eksploatacyjnych, określanie oraz ocenę wskaźników w sposób jednolity i obiektywny, a także tworzenie rankingów. Straty energetyczne Przy uwzględnieniu specyficznych uwarunkowań każdy obiekt traktowany jest indywidualnie. W celu zachowania porównywalności wyników obliczenia oparte są na wyznaczanym bazowym wskaźniku zużycia energii chemicznej paliwa na produkcję energii elektrycznej w warunkach podstawowych. Na jego podstawie, w połączeniu z opracowanymi algorytmami obliczeniowymi oraz danymi zawartymi w charakterystykach modelowych, wykonywane są obliczenia strat energetycznych w postaci odchyleń tego wskaźnika spowodowanych zmianą wybranych parametrów eksploatacyjnych bądź też warunków pracy. Odchylenia te wyrażane są w kj/kwh, a wyliczone straty są bardzo szczegółowo rozpatrywane w opracowaniu, gdyż stanowią podstawę do przeprowadzenia analizy poprawy lub pogorszenia efektywności wytwarzania według czynników w głównej mierze je powodujących, takich jak niedotrzymywanie znamionowych parametrów pary, nadmierne wtryski do pary wtórnie przegrzanej, podwyższona zawartość części palnych w żużlu i popiele lotnym, podwyższona temperatura spalin, pogorszony stan techniczny układu próżniowego, obniżona temperatura wody zasilającej oraz nadmierne straty czynnika w obiegu wodno-parowym (rys. 1).

3 Odchylenia jednostkowego wskaźnika zużycia energii chemicznej paliwa na produkcję energii elektrycznej mogą przyjmować wartości zarówno dodatnie, jak i ujemne. Dodatnie odchylenie oznacza, iż wielkość wpływająca na poziom jego wartości jest gorsza od tej przyjętej w warunkach podstawowych i powoduje stratę. Ujemna natomiast oznacza, iż wielkość wpływająca na odchylenie posiada wartości lepsze od tych przyjętych dla warunków podstawowych, powodując zysk. Wartości odchyleń w połączeniu z danymi finansowymi dotyczącymi wydatków całego sektora energetyki zawodowej na paliwa produkcyjne, w rozbiciu na węgiel kamienny i brunatny, oraz ilością wyprodukowanej energii elektrycznej w poszczególnych obiektach pozwalają na przedstawienie strat energetycznych również w postaci finansowej wyrażonej w PLN oraz PLN/MWh. Obrazuje to sposób, w jaki zmiany poszczególnych parametrów paliwowych czy też eksploatacyjnych wpływają na koszty wytwarzania. Na rys. 1 przedstawiono strukturę kształtowania się strat energetycznych w elektrowniach blokowych w ciągu ostatnich 15 lat. Łączne straty zostały obniżone z poziomu 68 kj/kwh do 26 kj/kwh. Minimum lokalne wynoszące 75 kj/kwh zanotowano w 2005 r. Największą zmiennością na przedstawionym wykresie charakteryzuje się odchylenie powodowane nadmiernymi stratami czynnika w obiegu, którego wartość zmniejszyła się z 68 do 25 kj/kwh. [kj/kwh] Łącznie Czynniki powodujące nadmierne straty temperatura spalin parametry pary nadmierne wtryski straty czynnika skraplacz temperatura wody zasilającej części palne w żużlu łącznie Rys. 1. Struktura strat energetycznych w elektrowniach blokowych [4]

4 Tabele i wykresy Podstawową część opracowania stanowią wyniki analizy wskaźnikowo-sprawnościowej przedstawione w formie tabelarycznej. Zawarte są tam dane obejmujące rozpatrywany okres czasu, a także do najbardziej istotnych pozycji dane komparatywne z poprzedniego analogicznego okresu rozliczeniowego nakreślające zmianę kondycji przedsiębiorstw w perspektywie jednego roku. W tej części opracowania znajdują się najważniejsze wielkości wynikające z analizy wskaźnikowej, takie jak sprawności wytwarzania, wyniki analizy strat energetycznych mających wpływ na zmianę jednostkowego kosztu wytwarzania oraz potencjalne oszczędności lub straty wynikające z tego tytułu, zużycie energii elektrycznej na potrzeby własne, a także podsumowanie z opisem zaistniałych zmian i komentarzem. Wydzielone są niezależne tabele obejmujące elektrownie blokowe, kolektorowe oraz elektrociepłownie. W każdej z nich, poza danymi reprezentatywnymi dla poszczególnych jednostek, znajdują się dane wyznaczone jako średnia ważona według ilości produkcji energii elektrycznej charakteryzujące prace danej grupy obiektów energetycznych, np. elektrownie z blokami o mocy 460 i 500 MW bądź razem elektrownie cieplne. Kolejną część opracowania stanowią wykresy przedstawiające tendencję kształtowania się parametrów oraz wskaźników. W celu ułatwienia możliwości dokonywania porównań poszczególne wykresy tworzone są dla kilku jednostek wytwórczych wydzielonych na postawie jednakowych trybów pracy oraz podobnych poziomów mocy znamionowych. Obrazy graficzne prezentują najważniejsze wskaźniki charakteryzujące pracę sektora energetycznego, takie jak wskaźnik jednostkowego zużycia energii chemicznej paliwa na produkcję energii elektrycznej (rys. 2), produkcja i zużycie energii elektrycznej na potrzeby własne, udział produkcji skojarzonej czy też wskaźniki awaryjności i dyspozycyjności z podziałem na elektrownie blokowe, kolektorowe i elektrociepłownie. Znaczna część przedstawianych wykresów obejmuje nawet trzydziestoletni okres, co w sposób bardzo obrazowy przedstawia charakterystykę zmian poszczególnych wielkości na przestrzeni lat. Rys. 2. Wskaźnik jednostkowego zużycia energii chemicznej paliwa [4]

5 Na rys. 2 przedstawiono tendencję przebiegu wskaźnika jednostkowego zużycia energii chemicznej paliwa na produkcję energii elektrycznej w zawodowych elektrowniach cieplnych w ciągu 30 lat. Na wykresie zaprezentowano linie trendów charakteryzujące zmiany tego wskaźnika dla elektrowni blokowych, kolektorowych oraz elektrociepłowni, jak również produkcji energii elektrycznej w skojarzeniu oraz kondensacji. Jak widać, na przestrzeni lat wartość tego wskaźnika dla zawodowych elektrowni cieplnych zmniejszyła się z do 8987 kj/kwh. Warto również zwrócić uwagę na linię trendu kształtowania się tego wskaźnika dla elektrowni kolektorowych i elektrociepłowni, którego wartość w prezentowanym okresie czasu spadła niemal o 40%. Załącznikiem do opracowania jest zestaw tabel z danymi produkcyjnymi charakteryzującymi pracę elektrowni i elektrociepłowni cieplnych za analizowany okres czasu oraz wybranymi parametrami mającymi istotny wpływ na sprawność wytwarzania energii elektrycznej i ciepła stanowiącymi podstawę do przeprowadzenia analizy sprawnościowej. Znajdują się tam pozycje związane z produkcją energii elektrycznej i ciepła, wskaźniki skojarzenia, ilości zużytych paliw oraz energii chemicznej wyrażone odpowiednio w tonach i GJ. Ze względu na techniczno-ekonomiczny charakter analizy oraz w celu umożliwienia oceny pracy urządzeń w ciągu wielu lat eksploatacji w opracowaniu przytoczono wartości zużycia energii chemicznej paliwa na produkcję energii elektrycznej i ciepła z podziałem według metody fizycznej. Zamieszczane są również informacje o ilości zużytego gazu oraz mazutu w rozbiciu na rozpalanie oraz potrzeby ogólne. W dobie inwestycji w energetykę odnawialną interesujące mogą okazać się informacje o ilości zużywanej biomasy wyrażonej w GJ. Prezentowane są wybrane parametry dotyczące warunków pracy, na podstawie których przeprowadza się analizę strat energetycznych, takie jak średnie obciążenie, sprawności kotłów oraz wskaźniki je determinujące zawartości części palnych w żużlu i popiele lotnym, zawartości procentowe emitowanego CO 2 w spalinach oraz ich temperatura. Publikowany jest szereg danych eksploatacyjnych charakteryzujących prowadzenie bloku, m.in. temperatury pary świeżej i wtórnie przegrzanej, odpowiadające im ciśnienia, temperatura wody zasilającej, ilości wtrysków do pary wtórnie przegrzanej, szereg parametrów definiujących pracę skraplacza oraz procentowe straty czynnika w obiegu wodno-parowym. Narzędzie nie tylko dla energetyki Opracowanie pt. Analiza kształtowania się wskaźników zużycia energii chemicznej paliwa w elektrowniach i elektrociepłowniach zawodowych jest bardzo przydatnym narzędziem dla kadry zarządzającej do prowadzenia wszelkiego typu analiz oraz oceny działalności wytwórczej. Jej podstawowym celem jest poprawa efektywności wytwarzania oraz okresowa i kompleksowa kontrola połączona z oceną parametrów. Na podstawie wniosków wyciągniętych z prezentowanych danych tabelarycznych, jak również trendów wyrysowanych na schematach graficznych można wskazać obszary wymagające pogłębionej analizy oraz wykazać ewentualną konieczność przeprowadzenia przedsięwzięć modernizacyjnych. Informacje zamieszczone w opracowaniu umożliwiają identyfikację źródeł największych strat oraz weryfikację poszczególnych wielkości. Prezentowane wyniki oraz wnioski zamieszczone w podsumowaniu są pomocne w ocenie zjawisk wpływających na sprawność wytwarzania jednostki. Na podstawie zebranych danych możliwe jest przeprowadzenie indywidualnych analiz oraz określenie wskaźników i dokonanie ich oceny w sposób jednolity i obiektywny. Na podstawie rozbudowanych algorytmów do wyznaczania strat energetycznych możliwe jest porównanie jednostek pod względem osiąganych wskaźników w różnych warunkach eksploatacyjnych, co pozwala na określenie skali występujących problemów oraz ustalenie priorytetów w ich rozwiązywaniu. Informacje zawarte w opracowaniu pokazują trendy i

6 kierunki rozwoju w energetyce oraz pozwalają na tworzenie rankingu jednostek wytwórczych wraz z określeniem własnej pozycji na tle innych przedsiębiorstw o podobnej charakterystyce pracy, jak również na tle danego sektora energetyki (np. elektrociepłownie). Literatura [1] Miesięczne raporty z funkcjonowania Krajowego Systemu Elektroenergetycznego i Rynku Bilansującego, Polskie Sieci Elektroenergetyczne Operator S.A., [dostęp: ]. [2] Informacja o wynikach kontroli bezpieczeństwa zaopatrzenia Polski w węgiel kamienny (ze złóż krajowych), Najwyższa Izba Kontroli, luty 2011, [dostęp: ]. [3] Bednarczyk J.: Perspektywiczne scenariusze rozwoju wydobycia i przetworzenia węgla brunatnego na energię elektryczną, Węgiel Brunatny 2008, nr 4, [dostęp: ]. [4] Kijowski D., Moszumańska D.: Analiza kształtowania się wskaźników zużycia energii chemicznej paliwa w elektrowniach i elektrociepłowniach zawodowych w 2010 r., opracowanie ENERGOPOMIAR Sp. z o.o., Gliwice 2011 (niepubl.).