Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Технологические особенности котлов с циркули рующим кипящим слоем и актуальность определения эффективности их применения 13
1.1. История создания и общие положения метода сжигания в ЦКС 13
1.2. Конструктивно-компоновочные схемы котлов с ЦКС 16
1.3. Влияние качества топлива на выбор конструктивных решений для котлов с ЦКС 22
1.4. Сравнение технико-экономических и стоимостных показателей котлов с ЦКС и традиционных факельных котлов 26
1.5. Цели и задачи исследования 28
Глава 2. Методика исследования 30
2.1. Комплексный подход к анализу технико-экономической эффективности энергоблоков с ЦКС-котлами 30
2.2. Критерий эффективности 39
2.3. Методика математического моделирования ЦКС-котла 42
2.4.0собенности методики расчета ЦКС-котлоагрегатов и вспомогательных систем котла 47
2.4.1. Особенности расчета ЦКС-котлоагрегатов 47
2.4.2. Расчет вспомогательных систем ЦКС-котлов 50
2.5. Методика оптимизации и вариантных расчетов 51
Глава 3. Технико-экономическая оптимизация параметров энергоблоков с котлами ЦКС 59
3.1. Постановка задачи оптимизации 59
3.2. Учет влияния марки топлива 62
3.3. Анализ термодинамических и расходных параметров 64
3.4. Оценка устойчивости оптимальных параметров 77
3.4.1. Устойчивость оптимальных параметров в условиях изменяющейся мощности энергосистемы 77
3.4.2. Устойчивость оптимальных параметров в условиях изменяющейся экологической обстановки (изменение фоновых концентраций) 79
3.4.3.Устойчивость оптимальных параметров в условиях изменения числа часов использования установленной мощности 79
3.4.4. Устойчивость оптимальных па^аметт»ов в VCJIOBHHX изменения стоимости топлива 81
Глава 4. Анализ технико-экономических показателей функционирования энергоблоков с котлами ЦКС 85
4.1. Определение эффективности применения ЦКС-технологии 85
4.2. Стоимостные показатели строительства энергоблоков по ЦКС-технологии 92
4.3. Примеры ввода генерирующих мощностей на базе ЦКС-технологии 95
4.3.1. Проект строительства ГРЭС на кузнецких углях мощностью 1650 МВт. 95
4.3.2. Проект строительства Новосибирской ТЭЦ-6 на отсевах антрацита мощностью 780 МВт 102
Заключение.. 109
Список используемых источников 112
Приложение 123
- Влияние качества топлива на выбор конструктивных решений для котлов с ЦКС
- Методика математического моделирования ЦКС-котла
- Оценка устойчивости оптимальных параметров
- Стоимостные показатели строительства энергоблоков по ЦКС-технологии
Введение к работе
Современное состояние отечественной энергетики требует масштабных инвестиционных проектов с целью наращивания энергетических мощностей. При этом долговременная концепция развития отечественной и, в.первую очередь, сибирской энергетики, формируется как угольная, а уголь рассматривается как стратегическое топливо. Доля использования твердых топлив по отношению к жидким и газообразным возрастает, несмотря на увеличение добычи нефти и газа в последние годы и на перспективу [34, 66]. При этом топливо-обеспечение ТЭС характеризуется сменой гаммы топлив, наблюдаемой в настоящее время. Топливные компании констатировали «окончание газовой паузы» в энергетике и переход к программам «Уголь - энергетическое топливо 21-го века» [77]. Эффективное использование угля в энергетике России является актуальной задачей [23,29,56].
Современное состояние отечественной энергетики характеризуется новыми чертами.
Первое - значительная доля оборудования отработало свой ресурс, и в перспективе без проведения работ по восстановлению, продлению ресурса и замене оборудования на новое, не сможет обеспечить надежной работы в перспективе. Принята к внедрению Концепция развития ОАО РАО «ЕЭС России».
Второе - идет реформирование электроэнергетики России с целью повышения эффективности предприятий отрасли, создание условий для ее развития на основе стимулирования инвестиций, обеспечение надежного и бесперебойного энергоснабжения потребителей. При этом меняется система государственного регулирования отрасли, формируется конкурентный рынок электроэнергии, создаются новые компании с разделением естественномонопольных (передача электроэнергии, оперативно-диспетчерское управление) и потенциально конкурентных (производство и сбыт электроэнергии, ремонт и сервис) функций. Третье - для многих существующих электростанций (особенно Сибирского региона) основное топливо — каменный и бурый уголь. Качество поставляемого угля зачастую не соответствует заложенным проектным требованиям, что приводит к ухудшению технико-экономических показателей электростанций в целом, снижению надежности. Большинство электростанций запроектировано в 50-е — 70-е годы прошлого века с привязкой к конкретным разрезам и маркам угля. В настоящий момент наблюдается естественное ухудшение качества угля в процессе выработки старых разрезов.
Четвертое - в существующих экономических условиях топливодобывающие компании становятся совладельцами энергогенерирующих; при этом наблюдается тенденция к смене проектных марок угля, соответствующей интересам собственников, а то и к коренной смене топливной базы. Это ведет к необходимости сжигания непроектных углей и связанных с этим масштабными реконструкциями.
Пятое - снижение тепловой нагрузки при сохранении электрической, что ведет к увеличению доли конденсационной выработки. Это связано с тем, что многие электростанции раньше входили в единый комплекс «предприятие-электростанция», в связи с распадом такой системы произошло коренное изменение структуры производства электроэнергии с уменьшением теплофикационной выработки и отборов пара. Кроме того, в формирующихся рыночных условиях, многие угольные ТЭЦ ощущают жесткую конкуренцию со стороны газовых котельных.
Шестое - в силу вышеприведенных обстоятельств, актуальной задачей является привлечение инвестиций. Это, в свою очередь, формирует различные способы финансовых средств, набирающих практику в настоящее время - IPO (первичное размещение ценных бумаг), привлечение денег по механизму гарантирования инвестиций.
Согласно утвержденной инвестиционной программы энергокомпании Холдинга РАО «ЕЭС России», до 2011 г. планируется построить 34,2 тысячи МВт. Общий объем финансирования инвестпрограммы составит 3,1 трлн. рублей. Реализация инвестиционной программы позволит полностью покрыть потребности растущей экономики и бытового сектора в электрической и тепловой энергии и исключить возможность возникновения дефицита мощности. В строительство новых энергоблоков генерирующие компании энергохолдинга направят 1,8 трлн. рублей. Реализация инвестиционной программы предусматривает строительство современных электростанций, в том числе на базе угольных ЭНсрГООЛОКОБ С ЦИрКуЛИруЮЩйМ КИПЯЩИМ СЛОеМ. Jittpl// www.rao ees.ru/ru/news/news/pr/ show.cgi7prl50207prog.htm).
Учитывая отмеченные выше тенденции в развитии ТЭС, особую актуальность приобретают оптимальные системные решения в энергетике и, в частности, - оптимальные решения по энергетическим котлам (как наиболее капиталоемкой части энергоблоков, затраты в которую с учетом зданий и сооружений, косвенных расходов могут составлять - до 50 %) с новыми котельными технологиями. Одной из таких технологий является технология сжигания в циркулирующем кипящем слое (ЦКС).
Технология циркулирующего кипящего слоя (ЦКС) применялась в нефтехимической промышленности уже в первой половине 20-го века. Однако внедрение ее в энергетических установках было не просто переносом известного применения. Использование технологий кипящего слоя было инициировано энергетическим кризисом начала 70-х годов. Кроме того, с середины 70-х годов происходило постоянное ужесточение норм на допустимые выбросы. Технологии стационарного кипящего слоя были вполне приемлемы для систем, сжигающих низкокачественное топливо, такое, например, как отходы лесоперера-ботки, шламы и.т.п. Было установлено, что это топливо можно эффективно сжигать, поддерживая небольшой уровень выбросов. [6,17,44].
Рассматривалась возможность широкомасштабного сжигания угля в установках стационарного кипящего слоя. Однако оказалось, что низкореакционное топливо трудно сжигается в кипящем слое. Недожог оставался высоким, а регулирование температуры и выбросов было затруднено. Для решения этих проблем была предложена идея увеличить скорость ожижения, усилить турбу-лизацию и смешение частиц для улучшения выжига углерода и связывания серы. Рост скорости приводил к увеличению выноса частиц из слоя. Для возврата частиц в топку и поддержания процесса ожижения, было предложено использовать циклон. Все это и было основой технологии ЦКС для сжигания топлива [6].
Основными преимуществами технологии ЦКС являются возможности [6, 9,15,17,47]:
- эффективного сжигания низкокалорийных, высокозольных топлив, а также топлив с малым выходом летучих, которая определяется стабильной температурой в топке, низким содержанием углерода в слое, длительным временем пребывания коксозольного остатка в реакционной зоне;
- совместного сжигания топлив различного качества и состава в одном и том же котле, упрощенная схема подготовки топлива;
- эффективного (более 90%) связывания оксидов серы путем подачи известняка в топку при оптимальной температуре слоя около 870°С и длительном времени пребывания частиц известняка в реакционной зоне;
- обеспечения низких выбросов оксидов азота (на уровне 200-300 мг/нм3) без дополнительных дорогостоящих мероприятий, которые обусловлены низкой и стабильной температурой слоя и надслоевого пространства, при организации ступенчатого подвода воздуха;
- уменьшения котельной ячейки, обусловленного отсутствием средств серо- и азотоочистки, что позволяет разместить котел с ЦКС в существующих котельных ячейках;
- относительно быстрого изменения нагрузки, глубокой разгрузки котла.
К недостаткам технологии можно отнести [30, 45] усложнение конструкции котла (воздухораспределительная решетка, принятие мер для защиты поверхностей нагрева от эрозии [36] др.), наличие большей (по сравнению с тра 8 диционным котлом) массы футерованных элементов. Кроме того, усложняется ряд вспомогательных систем котла (дренаж слоя, возврат золы, подвод известняка), повышаются расходы на собственные нужды за счет использования высоконапорных дутьевых вентиляторов.
Несмотря на успешный опыт эксплуатации котлов с ЦКС в мировой энергетике, комплексного технико-экономического исследования ЦКС-технологии в составе энергоблоков ТЭС не проведено. Вместе с тем такое исследование актуально, так как позволит учесть многофакторное влияние термодинамических, технических, конструктивно-компоновочных, топливных, структурных и др. ограничений и сформулировать практические рекомендации при проектировании ЦКС-энергоблоков любых типов и мощностей.
В диссертации разработана методика комплексной оптимизации ЦКС-котлоагрегатов в составе энергоблоков ТЭС.
Проведена комплексная оптимизация ЦКС-технологии в составе энергоблоков широкого диапазоне мощностей и типоразмеров на различных марках топлива. На основе расчетов определены оптимальные параметры оборудования, выявлены основные закономерности влияния системных факторов при обеспечении всех требуемых показателей функционирования и с учетом экологических, финансовых и топливных ограничений.
На основе полученных (в результате вероятностных оптимизационных расчетов) закономерностей по выбору параметров и характеристик оборудования и технико-экономической эффективности выработаны практические рекомендации по применению ЦКС-котлоагрегатов.
Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс НГТУ (при дипломном проектировании), а также использованы в работах ЗАО «Сиб-КОТЭС» при разработке технико-коммерческих предложений, ОАО «Новосибирскэнерго» и ОАО «Русал Ачинск», при оценке экономической эффективности строительства и выборе технологии сжигания, с учетом топливной базы предприятий. Основные положения диссертации вошли в отчет по работе, выполняемой в рамках государственного контракта №02.438.11.7027 от 06.03.2006 г. (шифр 2006-РИ-16.0/003/016) «Научно-организационное, методическое и техническое обеспечение организации и поддержки научно-образовательных центров в области природоохранных технологий переработки и утилизации техногенных образований и отходов и осуществление на основе комплексного использования материально-технических и кадровых возможностей совместных исследований и разработок».
В первой главе обоснована актуальность проблемы. Изложены принципиальные особенности ЦКС-технологии. Показано, что до настоящего времени не проведено обобщающего исследования, которое позволит комплексно оценить достоинства и недостатки данной технологии.
Сформулированы цели и задачи исследования.
Во второй главе изложена методика исследования ЦКС-технологии в составе энергоблоков ТЭС. Изложены основные положения подхода к технико-экономической оптимизации, целями которой является определение наивыгоднейшего сочетания термодинамических параметров и вида технологической схемы ЦКС-энергоблока с учетом всех видов ограничений. При этом в качестве внутренних ограничений выступают начальные параметры энергоблока, режимные факторы технологических процессов, конструктивные особенности оборудования (в первую очередь котлов) и т.п., внешними ограничениями являются условия приведения расчетных вариантов к сопоставимому виду, которые учитывают влияние экологических, социальных, инфраструктурных факторов, включение блока в энергосистему, его готовность к несению нагрузки, работа в условиях несортовых поставок топлива и др.
Разработанная модель комплексного технико-экономического исследования, в которой заложены принципы эксергетической методологии и теории аг-регативных систем, по существу является дальнейшим развитием активно прорабатываемого в НГТУ в последние годы направления комплексных исследо 10 ваний энергетических установок, которое прослеживается в работах Ноздренко Г.В., Щинникова П.А., Овчинникова Ю.В., Томилова В.Г., Зыковой Н.Г, Боро-дихина И.В., Григорьевой O.K.
Сформулирована целевая функция в вероятностной постановке, которая в современных условиях хозяйствования должна отражать как доходную, так и расходную составляющие.
Предложены определяющие принципы и обобщающий математический подход для исследования ЦКС-котлоагрегатов в составе энергоблоков ТЭС. К термодинамическим независимым параметрам котла относятся: начальные и конечные параметры пара, параметры промежуточного перегрева, конечные параметры системы регенерации. Совокупность расходных параметров определяет материальные балансы и задает значения расходов рабочих тел и теплоносителей по всем технологическим связям энергоблока. Функционирование элементов энергоблока с ЦКС-котлом и зависимости между параметрами связей моделируются уравнениями энергетического, расходного, гидравлического (аэродинамического) балансов. Система уравнений балансов функционирующих элементов устанавливает такое соотношение между термодинамическими и расходными параметрами связей, которое обеспечивает получение заданной нагрузки ЦКС-котла и в целом энергоблока.
Сформулированы ограничения на применяемые методы. Предложенные методики реализованы в вычислительном компьютерном комплексе, имитирующем работу ЦКС-энергоблоков в составе ТЭС. Приведены основы методики поверочно-конструкторского расчета ЦКС-энергоблоков.
В третьей главе проведена оптимизация параметров энергоблоков и ЦКС-котлоарегатов в составе ТЭС.
На основе расчетных экспериментов впервые выполнена структурная оптимизация энергоблоков с ЦКС-котлоагрегатами, включающая оптимизацию термодинамических и расходных параметров как ЦКС-котлов, так и энергоблока в целом. Проведена оценка устойчивости оптимальных решений при изме 11 няющихся внешних факторах: включению ЦКС-технологии в энергосистемы различной мощности; в условиях изменения экологической обстановки в ареале функционирования; в условиях изменения стоимости топлива и числа часов функционирования.
В четвертой главе на основе разработанных методических подходов определен диапазон эффективного применения энергоблоков с ЦКС с учетом мирки сжигаемого угля и типа энергоблока. Рассмотрено влияние оптимизации начальных термодинамических параметров на эффективность применения ЦКС-технологии, оценено влияние учета затрат в экологическую инфраструктуру. Показано, что оптимизация параметров существенно эффективнее для теплофикационных энергоблоков.
Приведены примеры расчетов экономической эффективности и примеры проектов строительства новых генерирующих мощностей на базе ЦКС-технологии. Показано, что энергоблок, оснащенный ЦКС-технологией позволяет получить доход больший, чем при традиционной компоновке котла на 200 млн.рублей (за весь срок жизни) для ГРЭС-1650 МВт, и 1684 млн. руб для ТЭЦ-780 МВт. При этом дисконтированные сроки окупаемости ЦКС-энергоблоков ТЭЦ сокращаются на год.
В заключении сформулированы основные результаты работы и практические рекомендации по применимости ЦКС-технологии на ТЭС.
Приложение содержит акты о практическом использовании результатов диссертационной работы.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: конференции молодых ученых (Новосибирск, НГТУ, 2004, 2005, 2006), на научных семинарах каф. ТЭС НГТУ, «Сибтехэнерго», «СибКОТЭС», (Новосибирск, 2006...2007 гг.), на пятой Российской научно-техническая конференция "Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности" (г. Ульяновск, 20-21 апреля 2006 г., УлГТУ), 6-й Всероссийской конференции "Горение твердого топлива" (г. Новосибирск, 8-10 ноября 2006г., ИТ СО РАН).
Личный вклад заключается в разработке методик исследования, проведении комплексных оптимизационных расчетов, анализе результатов, выработке практических рекомендаций.
Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 8 печатных изданиях: из них одна научная статья в рецензируемом издании, входящим в перечень рекомендованных изданий ВАК, две статьи в материалах всероссийских конференций, пять статей в сборниках научных трудов.
I.) Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложения. Основной текст изложен на 127 страницах, содержит 33 рисунка, 7 таблиц.
Влияние качества топлива на выбор конструктивных решений для котлов с ЦКС
Влияние характеристик топлива на конструкцию котла, вспомогательное оборудование, КПД котла и его экологические характеристики анализировались в работах ВТИ [62] и представлены в табл. 1.1. Анализ конструктивных решений по котлам с ЦКС приведен в [637,42,62,68] Эффективность сжигания различных топлив зависит от их реакционнойспособности (времени выгорания) и времени пребывания частиц, которое тесно связано с гидродинамикой топочного контура (скорость газа, размеры частиц, условия подвода вторичного воздуха, высота топки, масса слоя, эффективность улавливания частиц). Полное выгорание достигается в случае, когда время пребывания частиц превышает их время выгорания.
Эффективность связывания серы обычно несколько возрастает с увели чением содержания серы в топливе и снижается в случае сжигания низкореак ционных топлив по причине повышенной температуры в топке [62]. При повышенном содержании щелочных составляющих собственной золы топлива может быть существенно уменьшена добавка известняка при поддержании мольного отношения Ca/S 2.
Под руководством П. Базу была разработана экспертная система CFBCAD, основанная на математическом моделировании котлов ЦКС, предназначенная для изучения влияния характеристик топлива на конструктивные размеры котлов и их эксплуатационные показатели. Полученные с использованием\ этой системы результаты [86, 94] представляют значительный интерес.
В [94] рассмотрены результаты расчетов 57 топлив для котла докритиче-ских параметров с промперегревом 540/540С при избытке воздуха на выходе из топки 0Ср=1,2, температуре в топке 850...900С и температуре уходящих газов 135 С. Было показано, что в связи с тем, что температура в топке примерно постоянна, а массовый расход газов изменяется при сжигании различных топлив, то количество тепла, покидающего топку также существенно отличается. Тепло, воспринимаемое в топочном контуре составляет 30...70% от общего и возрастает с ростом теплотворной способности топлива. Соответственно изменяется и тепловосприятие конвективной шахты. Таким образом, для антрацитов максимальное количество тепла снимается в топочном контуре, а для лигнитов - в конвективной шахте. Котлы ЦКС считаются малочувствительными к качеству топлива, однако это возможно, если котел способен изменять тепловосприятие поверхностей нагрева, что ведет к существенному удорожанию котельной установки.
При факельном сжигании с высокой температурой в топке (1100-1400С) очень важно избежать шлакования и загрязнения поверхностей нагрева. По этим причинам конструкция топки отвечает определенному виду топлива, а другие виды топлива требуют существенного изменения горелок и изменения тепловосприятия поверхностей нагрева и геометрии топочной камер. В [90] рассматривались котлы с факельным сжиганием для пяти видов углей при постоянных параметрах пара; было показано, что высота топки и ее объем увеличиваются на 45% и 135%, соответственно, при изменении проектного топлива с каменного угля со средним выходом летучих до сильно шлакующего бурого угля (лигнита).
Котлы ЦКС не требуют увеличения объема топки, так как работают при низкой температуре 850...900С, и скорости газов 4...7 м/с. Высота топки зависит в основном от величины испарителя настенных экранов и уменьшается с увеличением периметра топки. Из [44, 62] следует, что сечение топки увеличивается с ухудшением качества топлива, как при факельном сжигании, так и для котлов с ЦКС, но высота топки ЦКС при этом снижается, тогда, как высота топки факельного сжигания увеличивается. Таким образом, затраты на сооружение котла с ЦКС для низкокачественных топлив оказываются меньше, чем для котлов с факельным сжиганием.
Другим фактором, который оказывает существенное влияние на стоимость котла, является общая поверхность труб в топке и конвективной шахте. Расчеты, выполненные в [86] для энергоблока 170 МВт на докритические параметры пара с температурой острого/промперегретого пара 540/540С, показали, что при использовании зольных теплообменников общая поверхность нагрева ниже, чем в котлах ЦКС без зольных теплообменников. Причем для топлив с высокой теплотворной способностью ( 25...30 МДж/кг) разница в поверхности нагрева (включая воздухоподогреватель) несущественна, а общая поверхность нагрева примерно равна 17...16 тыс. м . Для топлив с низшей теплотой сгора-ния около 7 МДж/кг общая поверхность нагрева составляет 32 тыс. м при от-сутствии зольных теплообменников и 25 тыс. м при их наличии. Указанная разница определяется более высокой теплоотдачей в зольных теплообменниках по сравнению с теплоотдачей в топке и конвективной шахте. Вместе с тем при очень низкой теплотворной способности применение зольных теплообменни ков нерационально по причине излишнего отвода тепла из слоя. Ухудшение ка чества топлива приводит к росту расхода газов и увеличению теплосъема вконвективной шахте, где коэффициент теплоотдачи ниже, чем в топке или зольных теплообменниках. Соответственно потребуется увеличить поверхность теплообмена при той же мощности котла, а соответственно, и стоимость.
Таким образом, несмотря на то, что котел с ЦКС является малочувствительным к колебаниям характеристик угля, это справедливо в пределах топливной группы. Невозможно создать котел, в котором одинаково эффективно можно было бы сжигать все марки топлива - от бурых углей до антрацитов. Для эффективного функционирования и экономичной работы, котел с ЦКСV должен специально проектироваться под планируемые для сжигания марки то плива, по крайней мере, по группам потребляемых углей.
Методика математического моделирования ЦКС-котла
К термодинамическим параметрам котла относятся: начальные и конечные параметры пара, параметры промежуточного перегрева, конечные параметры системы регенерации. Совокупность расходных параметров определяет материальные балансы и задает значения расходов рабочих тел и теплоносителей по всем технологическим связям энергоблока. Конструктивные параметры включают формы, материалы элементов и типы конструкций. Для ЦКС-котла: схемы теплообмена, размеры топки, циклонов, диаметры и шаги труб поверхностей нагрева, их компоновка в котле, профиль котла (барабанный, прямоточный, с наличием или отсутствием промперегрева и т.д.).
Функционирование элементов котла и зависимости между параметрами связей моделируются уравнениями энергетического, расходного, гидравлического (аэродинамического) балансов [13, 14, 18]. Система уравнений балансов функционирующих элементов котла устанавливает такое соотношение между термодинамическими и расходными параметрами связей, которое обеспечивает получение заданной нагрузки котла.
Вместе с тем все характеристики процессов и конструкций котла можно представить (определить явно или итерационно) в зависимости от одной и той же совокупности основных параметров связей л и конструктивно-компоновочных параметров X , влияющих в наибольшей степени на Tz при схемно-параметрической оптимизации [2, 24].
Уравнения для всего котла и его внешних связей имеют следующий вид: Энергобалансарасходного балансаэксергетического балансаI Ехы ; rj -коэффициент, учитывающий соответствующие потери энергии.
Для каждого энергоносителя котла можно записать уравнения: изменения давлениягде индексы « », « » относятся к минимальным и максимальным допустимым значениям параметров.
На параметры вида (2.45)...(2.48) также накладываются ограничения, отражающие требования технологичности изготовления и эксплуатационной надежности [26, 27,28, 29]:
Ограничения вида (2.50)...(2.55) определяют допустимую область Xе, Xs при схемно-параметрической оптимизации. Параметры Xе, Xs могут принимать лишь такие значения, которые находятся внутри или на границе допустимой области.
Капиталовложения в котел включают расходы на создание, монтаж, доставку оборудования на место строительства, техническое освоение, а также дополнительные пропорционально отнесенные затраты на главный корпус, подготовку территории, возведение временных зданий и сооружений, проектно-изыскательские работы, объекты подсобного назначения [14,18, 30, 31]
Здесь Цат -стоимость q-й поверхности нагрева из т-й котельной стали с учетом затрат на изготовление, транспортировку, монтаж, техническое освоение; Xqm -коэффициент увеличения расхода w-й стали из-за потерь при изготовлении, транспорте и монтаже q-й поверхности нагрева; у- коэффициент, учитывающий пропорционально отнесенные дополнительные затраты.
Математическая модель котла в общей модели энергоблока представляется в виде эквивалентной технико-экономической характеристики [14, 18, 32] показатели степенной зависимости, Хк - множество конструктивнос- компоновочных параметров котла, X - множество расходно-термодинамических параметров, Хт = X(Q[,Ar,Wr...) - коэффициент, учитывающий влияние характеристик топлива на стоимость котлоагрегата и котель-но-вспомогательного оборудования (КВО), зависящий прежде всего от теплотысгорания топлива Q-,зольности Аг влажности Wr и влияющий на металлоемкость котлоагрегата (а следовательно и стоимость), а также на соотношение масс котел/ КВО.
Для определения численных значений показателей степенной зависимости, характерных для ЦКС-котлоагрегатов требуется обработка расчетно - экспериментальных данных. Выражение (2.57) можно представить в виде:
Задача состоит в том, чтобы на основе многовариантных расчетов найти дискретные значения X из нескольких прогрессивных вариантов, проверить их техническую выполнимость, экономически оценить каждый из вариантов котла с параметрами ,...,Х Г и, сравнивая между собой (при =idem), выбрать наилучший.
В настоящее время, общепринятой и утвержденной методики расчета ЦКС-котлоагрегатов не существует. В связи с тем, что зольность в топке достигает величины 99%, существенно меняется гидродинамика и тепломассообмен в топке котла. Теплообмен к настенным экранам отличается заметным вкладом конвективно - кондуктивной составляющей. Нормативный метод теплового расчета котлоагрегатов [68] создавался для факельных и слоевых котлов, и характеристики топочных процессов в ЦКС-котлах выходят за рамки обобщающих зависимостей, приведенных в нем.
Ряд исследователей делали попытки развития Нормативного метода [20, 21] путем ввода дополнительных особенностей расчета, связанных со спецификой сжигания топлива. В ОАО «ВТИ» была разработана инженерная методика расчета теплообмена к настенным поверхностям нагрева в топке ЦКС-котлоагрегатов [43, 65]. За рубежом была создана экспертная система моделирования ЦКС-котлов CFB - CAD [86, 94], предназначенная для изучения влияния характеристик топлива на конструктивные размеры котлов и их эксплуатационные показатели.
Однако ни одна из представленных методик не имеет инженерной законченности, а использование экспертных систем для проектирования представляется недостаточно обоснованным.
В настоящее время специалистами ОАО «НПО ЦКТИ» разработана инженерная методика расчета ЦКС-котлов [59], дополняющая и развивающая Нормативный метод теплового расчета котлоагрегатов [58]. Методика поверочного расчета ЦКС-котлов базируется на одномерной модели расчета топки [70,
Оценка устойчивости оптимальных параметров
Оценка устойчивости оптимальных параметров энергоблоков с ЦКС-котлами проведена по ряду внешних (по отношению к исследуемому энергоблоку) показателей: включению энергоблоков в энергосистемы различной мощности; в условиях изменения экологической обстановки в ареале функционирования; в условиях изменения стоимости топлива, а также при разуплотнении графика нагрузки.
В качестве объектов исследования определены энергоблоки на базе турбин К-225, К-300, К-500, Т-110 и Т-175 без промежуточного пароперегрева, Т-180 и Т-255 с промперегревом, а также турбин типа ПТ-142 и ПТ-80. Эти энергоблоки достаточно современны, широко распространены в стране и, в целом, отвечают мировому уровню по своим технико-экономическим показателям.
Устойчивость оптимальных параметров в условиях изменяющейся мощности энергосистемы проведена путем включения исследуемого энергоблока в энергосистемы различной мощности. Расчетные исследования проводились в диапазоне мощностей энергосистемы (ЭГК -энергогенерирующая компания) 0,5...5 ГВт на базе энергоблоков Т-110, Т-175, ПТ-140, ПТ-80; для турбин типа Т-180 и Т-255 расчетные диапазоны увеличивались до 7 и 10 ГВт соответственно. Конденсационные энергоблоки рассматривались при мощностях ЭГК до 20 ГВт.
На рис.3.7 показано изменение оптимальных параметров теплофикационных ЦКС-энергоблоков (Ро, to, tnn, tnB) в зависимости от изменяющейся мощности ЭГК. Оптимальные параметры ЦКС-энергоблоков на базе энергоблоков типа «К» и теплофикационных энергоблоков с промперегревом устойчивы для ЭГК практически любой мощности. В то же
При этом следует отметить, что наиболее существенные изменения параметров (Ро, to, t , tnB) наблюдаются в ЭГК эквивалентной мощностью до «2 ГВт. Это означает, что в энергосистемах данной мощности применение ЦКС-энергоблоков на базе теплофикационных турбин требует тщательной проработки с отысканием наилучших решений при оптимизации термодинамических параметров.
Оценка устойчивости оптимальных параметров ЦКС-энергоблоков в условиях изменения фоновой загазованности атмосферы проведена путем моделирования изменения индекса загазованности. Следует отметить, что этот показатель более актуален для ТЭЦ, так как они размещаются вблизи потребителей теплоты с развитой промышленной и социальной инфраструктурой.
Проведенными расчетными исследованиями не выявлено изменения оптимальных параметров ЦКС-энергоблоков в зависимости от изменения фоновых концентраций загрязняющих веществ в атмосфере. Все рассмотренные энергоблоки имеют устойчивые показатели. Это обусловливается тем обстоятельством, что выбросы оксидов серы и азота ЦКС-котлов определяются собственно технологией сжигания в циркулирующем кипящем слое, и находятся на уровне NOX=200...220 мг/нм ; SOX=200...250 мг/нм3 при добавке в слой известняка. Экологический фактор обусловливает изменение оптимальных параметров энергоблоков, прежде всего за счет снижения расходов топлива и, как следствие, снижения выбросов загрязняющих веществ. Однако в связи с их небольшой генерацией и незначительными колебаниями расхода топлива в оптимизированных ЦКС-энергоблоках изменение фоновой концентрации не влияет на оптимальные параметры.
Изменение числа часов использования установленной мощности отражается, прежде всего, на доходной части проекта строительства (интегральном результате от производственного функционирования энергоблока), а также на экологическую нагрузку в ареале функционирования и на годовой объем потребляемого топлива. Увеличение числа часов использования установленной мощности ведет к некоторому росту начальных Цена топлива Цт является одним из главных влияющих факторов для оптимальных решений. Типичной тенденцией изменения начальных параметров пара будет их повышение (ограниченное допустимыми значениями по условиям применяемых конструкционных сталей) с целью уменьшения расхода топлива (и снижения топливной составляющей затрат), рис 3.9, ЗЛО. топлива (и снижения топливной составляющей затрат).
Стоимостные показатели строительства энергоблоков по ЦКС-технологии
Методические подходы по определению стоимости энергоблоков с ЦКС-котлами подробно изложены в главе 2. Проводилась верификация полученных данных, на основе сводных сметных расчетов, выполненных в ЗАО «СибКОТЭС» и ряде других проектных организаций, материалов открытых публикаций [41, 44, 53, 76, 83,], официальных ответовтные расчеты составлялись не путем применения индексов-дефляторов К сметным стоимостям оборудования «советских» времен, а с учетом реальных цен заводов-изготовителей основного оборудования. Необходимо подчеркнуть, что в связи с наблюдающейся глобализацией, цены на отечественный металл, а следовательно, и энергетическое оборудование, приближаются к мировым. Для теплофикационных, ина 12...18% для конденсационных энергоблоков с учетом оптимизации.
В общей стоимости строительства учитывались затраты на строительство тепловых сетей, и выводов ЛЭП. Стоимость строительства теплосетевого хозяйства (выводы ТЭЦ, тепловые магистрали, повысительно-понизительные насосные станции) в варианте ТЭЦ достигает 12...16% от общей стоимости строительства, а в случае промышленной ТЭЦ с «ПТ» турбинами - 14...20%. Для крупных ГРЭС мощностью более 1000 МВт, осуществляющих отпуск электроэнергии сетями ВЛ 220 кВ и ВЛ 500 кВ стоимость строительства элетросетевого хозяйства составляет 10...14% от стоимости строительства. Для ТЭЦ, осуществляющих отпуск электроэнергии сетями В Л 100 кВ и В Л 220 кВ вблизи крупных городов-потребителей, стоимость строительства электросетевого хозяйства принималась 3%.
Заметим, что оптимизация не обязательно приводит к удешевлению Переход на суперсверхкритические (ССКП) параметры ведет к удорожанию применяемых материалов для котла и части котельного оборудования, а также трубопроводов острого и промперегретого пара, ЦВД турбины, и некоторому повышению эксплуатационных и ремонтных издержек. Однако переход на ССКП-параметры приводит к повышению термического КПД цикла на 3...5%, и, соответственно, к снижению расхода топлива. Кроме того, в связи с уменьшением удельного расхода пара на выработку одного киловатт-часа требуется меньшая паропроизводительность котельной установки, снижаются капиталовложения в системы топливоподачи и топливоприготовления, гидрозолоудаления, золоулавливания. Данные обстоятельства позволяют перекрыть затраты в оборудование и строительство экономией на топливных издержках за период срока эксплуатации ТЭС.
На рис. 4.7...4.8 представлены расчетные капиталовложения в ЦКС-котлоагрегаты на стандартные/оптимизированные параметры пара.Капиталовложения в ЦКС - котлоагрегаты варьируются от марки сжигаемого топлива и профиля котлоагрегата. Оптимизация параметров не всегда приводит к удешевлению котла. Стоимость оптимизированных ЦКС-котлоагрегатов уменьшается на 12...15% для конденсационных энергоблоках на бурых углях и углях марок «Т», «СС»; на 3...5% для энергоблоков на окисленных углях. Для энергоблоков на углях марок «Г», «Д», шламах -стоимость котлоагрегата увеличивается на 3...8%. Для всехэнергоблоков большие значения соответствуют более дорогим маркам углей (в связи с переходом на повышенные параметры пара).
В качестве примера оценки экономической эффективности ввода новых генерирующих мощностей на базе ЦКС-технологии, ниже представлены технические решения и расчет технико-экономической эффективности строительства ТЭЦ-780 МВт и ГРЭС-1650 МВт. Оценка экономической эффективности производилась с учетом оптимизации расходно-термодинамических параметров, и без нее. Примеры нового строительства и реконструкции действующих ТЭС приведены в [49,50].С учетом нарастающего дефицита мощности в системе ОЭС Сибири, а также с учетом принятой политики строительства новых генерирующих мощностей в рамках механизма гарантирования инвестиций, рассмотрена целесообразность строительства перспективной ГРЭС мощностью 1650 МВт на базе энергоблоков 330 МВт, с возможностью расширения до 3300 МВт, а также выполнен технико - экономический анализ эффективности ее функционирования.
Выбор площадки под строительство станции должен удовлетворять следующим требованиям [48]:- Наличие водных ресурсов для обеспечения нужд техническоговодоснабжения;- Учет природоохранных требований (роза ветров, фоновыеконіїентрашш. и пр.);- Максимальная приближенность к действующим разрезам;- Благоприятствующие инженерно-топографические и инженерно геологические условия;- Возможность обеспечения оптимальной схемы выдачи мощности.
Строительство новой ГРЭС, с площадкой, удовлетворяющей всемвышеприведенным условиям рассматривалась в районе Кузбасса. В качестве топливной базы, наиболее приемлемой для использования в технологии ЦКС, приняты Кузнецкие окисленные угли. Характерным примером такого угля, является уголь Таллинского разреза марки «ДГРОКII» (Q/=3040...3560 ккал/кг; W,=21,7...30,5%; Arf=16,0...34,8%; =37,0...40,0%) [78], который закладывался в качестве расчетного. Выбор угля продиктован и тем обстоятельством, что угледобывающие компании заинтересованы в сбыте низкокачественных топлив, поставки которых невозможны промышленным потребителям (прежде всего металлургическая и коксохимическая промышленность). В свою очередь энергогенерирующие компании, хотя и заинтересованы в поставках дешевых углей, испытывают значительные трудности с их сжиганием. Кроме того, ввиду существенной транспортной составляющей в стоимости топлива, транспортировка низкокачественных топлив на большие расстояния не имеет смысла. Поэтому электростанция, на базе ЦКС-технологии, сжигающая низкокачественные угли на борту крупных разрезов представляется перспективным решением, удовлетворяющим нуждам ТЭК. Ввиду того, что запасы низкокачественных
