Методика расчёта удельных расходов топлива при анализе комбинированного производства водорода на ТЭС с использованием цифрового моделирования

Исследование посвящено переводу тепловых электростанций с когенерационного на комбинированное производство теплоты, электричества и водорода методом паровой конверсии метана.

Актуальность работы обусловлена необходимостью корректного распределения затрат топлива между принципиально разнородными продуктами в мультигенерационных энергетических системах с целью оптими­зации и определения режимов загрузки оборудования.

К методам исследования относятся анализ и синтез знаний о существующей методике расчёта удельных расходов условного топлива и материально-энергетических балансах тепловых электростанций и установок па­ровой конверсии метана (УПКМ), а также имитационное моделирование тепловой схемы паросиловой электро­станции в программе «United Cycle».

Доработана существующая методика расчёта удельных расходов условного топлива для оценки технико­экономических показателей при комбинированном производстве трех продуктов. Методика была апробирована  на примере Северной ТЭЦ-21 (г. Санкт-Петербург) с использованием цифрового двойника.

Результаты показывают повышение энергетической эффективности при комбинированном производстве: рост коэффициента использования теплоты топлива на 0,10-0,43% и снижение суммарного расхода топлива при сохранении объемов продукции. Интеграция УПКМ позволяет снизить тепловую мощность её печи на 28% и уменьшить потери в конденсаторах турбин. Эффективность интеграции зависит от сезонного режима работы станции и масштаба производства водорода. Предложенная методика и инструменты цифрового моделирования позволяют проводить технико-экономический анализ и оптимизацию режимов работы энерготехнологических комплексов, обеспечивая научно обоснованный выбор параметров интеграции для конкретных условий эксплу­атации.

1. Распоряжение правительства Российской Федерации от 12.04.2025 г. № 908-р об утверждении Энергетической стратегии Российской Федерации на период до 2050 года [Электронный ресурс] URL: https://minenergo.gov.ru/upload/iblock/d6a/Energostrategiya-RF-do-2050-goda.pdf (Дата обращения: 17.07.2025).

2. Распоряжение Правительства Российской Федерации от 05.08.2021 № 2162-р «Об утверждении Концепции развития водородной энергетики в Российской Федерации» [Электронный ресурс] URL: http://static.government.ru/media/files/5JFns1CDAKqYKzZ0mnRADAw2NqcVsexl.pdf (Дата обращения: 17.07.2025).

3. Указ Президента Российской Федерации от 28.02.2024 № 145 «О Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации» [Электронный ресурс] URL: https://mchs.gov.ru/uploads/document/2025-06-09/45be581bad89594daf8ff94dd ec71177.pdf (Дата обращения: 17.07.2025).

4. Gang Wang. Design and performance evaluation of an innovative solar concentration polygeneration system / Gang Wang [et al.] // Renewable Energy. – 2025. – Vol. 251. – 123441. – DOI 10.1016/j.renene.2025.123441.

5. Fomin, V. A. Combined-cycle gas turbine plant based on steam-turbine unit and a parallel superimposed gas-turbine plant with waste heat recovery boiler / V. A. Fomin, A. A. Kalyutik // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering: International Scientific Electric Power Conference 2019, ISEPC 2019, Saint Petersburg, May 23-24, 2019. – Saint Petersburg: Institute of Physics Publishing, 2019. – P. 012139. – DOI: 10.1088/1757-899X/643/1/012139.

6. Mancarella, P. MES (multi-energy systems): An overview of concepts and evaluation models / P. Mancarella // Energy. – 2014. – No. 65. Pр. 1-17.

7. Jana, K. Polygeneration as a future sustainable energy solution – A comprehensive review / K. Jana [et al.] // Applied Energy. – 2017. – No. 202. – Pр. 88-111.

8. Chicco, G., Mancarella, P. Distributed multigeneration: A comprehensive view / G. Chicco, P. Mancarella // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2009. – No. 13. – Pр. 535-551.

9. Кокорин, О. Я. Преимущества автономных станций для совместной выработки электроэнергии, тепла и холода / О. Я. Кокорин // Холодильная техника. – 2003. – № 12.

10. Тувальбаев, Б. Г. Работа ТЭС в постоянном режиме с выработкой дополнительной продукции на невостребованной энергии / Б. Г. Тувальбаев, В. И. Моисеев // Энергосбережение и водоподготовка. – 2013. – № 4 (84). – С. 24-27.

11. Тувальбаев, Б. Г. Расширение функциональных задач оборудования городских ТЭС / Б. Г. Тувальбаев [и др.] // Энергосбережение и водоподготовка. – 2011. – № 2 (70). – С. 37-38.

12. Matthias Re. Profitability analysis of H2 production by water electrolysis in an integrated oxy-fuel combustion thermal power plant / Matthias Re [et al.] // Fuel. – 2025. – Vol. 398. – Р. 135544. – DOI 10.1016/j.fuel.2025.135544.

13. Mahdi Taheripour. A hybrid poly-generation system for power and hydrogen production by thermal recovery from waste streams in a steel plant: Techno-economic analysis / Mahdi Taheripour [et al.] // Energy Reports. – 2024. – Vol. 11. – Pр. 2921-2934. – DOI 10.1016/j.egyr.2024.02.039.

14. Kolbantseva, D. L. Prospects for hydrogen production by the method of gasification of MSW at operating TPPs / D. L. Kolbantseva [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2024. – Vol. 51. – Pр. 96-106. – DOI 10.1016/j.ijhydene.2023.09.202.

15. Marin, G. E. Gas turbine operating as part of a thermal power plant with hydrogen storages / G.E. Marin [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – Vol. 48. – Pр. 33393-33400. – DOI10.1016/j.ijhydene.2023.05.109.

16. Roberto Carapellucci. Upgrading existing gas-steam combined cycle power plants through steam injection and methane steam reforming / Roberto Carapellucci, Lorena Giordano // Energy. – 2019. – Vol. 173. – Pр. 229-243. ISSN 0360-5442. – DOI: 10.1016/j.energy.2019.02.046.

17. Matteo C. Romano. Application of the Sorption Enhanced-Steam Reforming process in combined cycle-based power plants / Matteo C. Romano [et al.] // Energy Procedia. – 2011. – Vol. 4. – Pр. 1125-1132. ISSN 1876-6102. – DOI: 10.1016/j.egypro.2011.01.164.

18. Kalmykov, K. Use of Heat Pumps in the Hydrogen Production Cycle at Thermal Power Plants / K. Kalmykov [et al.] // Sustainability. – 2022. – Vol. 14. – Р. 7710. – DOI: 10.3390/su14137710

19. Kalmykov, K. S. Improving the efficiency of CHP plants through the combined production of hydrogen, heat and electricity / K.S. Kalmykov [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2024. – Vol. 51. – Pр. 49-61. – DOI 10.1016/j.ijhydene.2023.08.125.

20. Приказ Министерства энергетики РФ от 13 июня 2013 г. «Об утверждении методических указаний по расчёту удельных расходов топлива на отпущенную электрическую и тепловую энергию в режиме комбинированной выработки электрической и тепловой энергии, применяемых в целях тарифного регулирования в сфере теплоснабжения» [Электронный ресурс] URL: http://ips.pravo.gov.ru/?doc_itself=&backlink=1&nd=102412695&page=1&rdk=0#I0 (Дата обращения: 17.07.2025).

21. Хлебалин, Ю. М. Теплофикация и второй закон термодинамики / Ю. М. Хлебалин // Вестник СПбГУ. – 2011. – № 1 (54). – Выпуск 3. – С. 94-101.

22. Арутюнов, В. С. Окислительные превращения метана / В. С. Арутюнов, О. В. Крылов. – М.: Наука, 1998. – 361 с., ил.

23. Письмен, М. К. Производство водорода в нефтеперерабатывающей промышленности / М. К. Письмен. – М.: Химия, 1976. – 361 с.

24. Диденко, Л. П. Паровая конверсия метана и его смесей с пропаном в мембранном реакторе с промышленным никелевым катализатором и фольгой из сплава Pd–Ru / Л. П. Диденко, Л. А. Семенцова, П. Е. Чижов, Т. В. Дорофеева // Нефтехимия. – 2019. – Т. 59, № 3. – С. 271-281. – DOI: 10.1134/S0028242119030055

25. Romanov, S. «United Cycle» Software for Simulation of Flow Sheets of Power Plants. / S. Romanov [et al.] // In Proceeding of the «16th International Conference on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation, and Environmental Impact of Energy Systems (ECOS2003)». Copenhagen, Denmark, 30 June – 2 July 2003; pp. 1691-1696.

26. Romanov, S. N. Software «United Cycle» for Simulation of Static Operation Modes of Power Plants. In Proceedings of the International Society for Optical Engineering, St. Petersburg, Russia, 12-17 June 2001; pp. 306-309. – DOI: 10.1117/12.456288.

27. Тепловые схемы ТЭС и АЭС. Под ред. С. А. Казарова. – СПб: Энерго-атомиздат. Санкт-Петербургское отделение, 1995. – 392 с.

28. Боровков, В. М. Тепловые схемы ПГУ: автоматизация конструирования и расчёта / В. М. Боровков [и др.] // Электрические станции. – 1994. – № 7. – С. 36-40.

29. Bejan, A. Thermal Design and Optimization / A. Bejan. – Energy, Elsevier BV. – 1996. – 560 pp.

30. Шаргут, Я. Эксергия / Я. Шаргут. – М.: Энергия, 1968. – 280 с.

31. Kotas, T. J. The Exergy Method of Thermal Plant Analysis / T. J. Kotas. – Malabar: Krieger Publishing Company. – 1995. – 336 pp.