Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Постановка задачи. цель исследования 11
1.1. Анализ состояния мирового энергетического хозяйства 11
1.2. Состояние энергохозяйства России 15
1.3. Организационно-экономические проблемы энергетики 19
1.4. Технологические проблемы энергетики 20
1.5. Экологические проблемы энергетики 22
1.6. Цели и задачи исследования 25
Глава 2. Методика исследования 27
2.1. Научно-методические основы исследования энергоблоков ТЭС 27
2.2. Методические особенности оценки эффективности инвестиций в энергетике в современных условиях 34
2.3. Методика технико-экономической оптимизации 38
2.3.1. Сущность подхода к технико-экономической оптимизации 38
2.3.2. Обоснование критерия эффективности ...54
2.3.3. Определяющие принципы сравниваемых вариантов 57
2.3.4. Определение составляющих критерия эффективности 59
2.4. Постановка задачи оптимизации генерирующих мощностей энергосистемы 62
2.5. Методические аспекты исследования энергоблоков ТЭС в условиях экологических ограничений 67
2.6. Вероятностная оценка достоверности результатов вычислений 72
2.7. Ограничения на применяемые методики расчетов 77
2.8. Выводы 80
Глава 3. Новые технологии в составе энергоблоков ТЭС. методические особенности их исследования 83
3.1. Технологии с усовершенствованием топочных процессов 84
3.1.1. Технология термоподготовки топлива 84
3.1.2. Методические особенности исследования 90
3.1.3. Технология плазменного розжига твердого топлива 97
3.1.4. Методические особенности исследования 101
3.1.5. Технология сжигания топлива в вихревой топке 103
3.1.6. Методические особенности исследования 108
3.1.7. Технология сжигания топлива в котле с кольцевой топкой 109
3.1.8. Методические особенности исследования 113
3.1.9. Технология сжигания композитного жидкого топлива 117
3.1.10. Методические особенности исследования 120
3.2. Технологии с усовершенствованием тепловых схем 121
3.2.1. Блоки повышенной эффективности (БПЭ) 121
3.2.2. Методические особенности исследования 124
3.2.3. Комбинированные системы теплоснабжения 128
3.2.4. Методические особенности исследования 132
3.2.5. Газотурбинная надстройка ТЭЦ 133
3.2.6. Методические особенности исследования 135
3.2.7. Бинарные ПТУ 137
3.2.8. Методические особенности исследования 138
3.3. Выводы 141
Глава 4. Схемно-параметрическая оптимизация энергоблоков тэс с новыми технологиями 142 4.1. Оптимизация термодинамических параметров. Структурные показатели. Функция цели 142
4.1.1. Технологии с усовершенствованием топочных процессов 142
4.1.2. Технологии с усовершенствованием тепловых
схем 153
4.2. Обобщение результатов оптимизации 163
4.2.1. Обобщение по термодинамическим параметрам 163
4.2.2. Обобщение по технико-экономическим показателям 168
4.3.Выводы 169
Глава 5. Схемно-параметрическая оптимизация многоцелевых энергоблоков ТЭС на твердом топливе 172
5.1. Постановка задачи 172
5.2. Формирование информационной структуры многоцелевых энергоблоков 178
5.3. Методические особенности исследования 186
5.4. Результаты исследования 187
Глава 6. Влияние экологических ограничений на оптимальные параметры энергоблоков ТЭС 195
6.1. Методика учета затрат «по здравоохранению» при комплексной оптимизации энергоблоков ТЭС .195
6.2. Оптимальные параметры теплофикационных блоков в условиях экологических ограничений 200
6.3. Влияние системных факторов на профиль энергоблоков 209
6.4. Сопоставление энергоблоков ТЭЦ со стандартными и оптимизируемыми параметрами 214
6.5. Сопоставление результатов исследования с зарубежным опытом 220
Глава 7. Решение задачи анализа фактического состояния оборудования 225
7.1. Постановка задачи . 225
7.2. Решение задачи 229
7.2.1. Выявление причин низкой экономичности 229
7.2.2. Альтернативные варианты техперевооружения 231
7.2.3. Сравнительный технико-экономический анализ вариантов 250
Заключение 255
Литература ...259
Приложение ...296
- Организационно-экономические проблемы энергетики
- Методика технико-экономической оптимизации
- Технологии с усовершенствованием тепловых схем
- Обобщение результатов оптимизации
Введение к работе
Анализ мирового развития энергетики показывает, что органическое топливо остается доминирующим видом топлива на ближайшую и отдаленную перспективу в мировом топливном балансе. Доля нефти (нефтепродуктов) в качестве энергетического топлива снижается в пользу газа и угля. При использовании в качестве основного топлива газа перспективными следует считать парогазовые электростанции с КПД не менее 57...58%. Основой энергетики будущего на базе использования твердых топлив следует считать энерготехнологические предприятия с комплексной переработкой топлива и получением гаммы продуктов с товарными свойствами. Экологические проблемы энергетики продолжают оставаться актуальными.
Энергетика России характеризуется тем, что использование органического топлива в ближайшей и отдаленной перспективе будет доминирующим, при увеличении доли твердых топлив по отношению к жидким и газообразным. Значительная часть энергетического оборудования в стране выработала свой ресурс и требует немедленной замены или реконструкции. Отсутствие финансирования - одна из основных проблем энергетики страны. Традиционные технологии теплоснабжения устарели. Экологические проблемы отрасли продолжают быть актуальными. Более полное использование угольного потенциала Сибири - важная задача и в настоящее время и на перспективу. Использование потенциала энергоресурсосбережения так же является важной государственной задачей.
В то же время, перед энергетиками страны стоит чрезвычайно сложная задача по реструктуризации отрасли и формированию конкурентного рынка энергии (ФОРЭМ), создание которого диктует по существу одно условие -конкурентоспособность генерирующих кампаний, которая может быть обеспечена лишь за счет снижения себестоимости продукции. Наряду с организационно-экономическими необходимо решать проблемы другого плана - технологические (ввод новых генерирующих мощностей с применением новых
технологий топливоиспользования и повышение эффективности действующего оборудования путем реконструкции с использованием малозатратных технологий) и экологические (по снижению негативных воздействий ТЭС на окружающую среду). Таким образом, характер решаемых задач носит разноплановый характер, так как затрагивает разные сферы жизнедеятельности человека.
Диссертация посвящена постановке взаимосвязанных задач по формированию единого методического подхода к исследованию новых технологий топливоиспользования в энергетике. Разработке методов для решения разнохарактерных задач по схемно-параметрической оптимизации энергоблоков ТЭС с новыми технологиями (в том числе и многоцелевых энергоблоков), по введению этих технологий в различные энергосистемы, по их воздействию на окружающую среду и по анализу фактического состояния оборудования, позволяющих вести оценку с единых позиций на разных стадиях преобразования энергии. Созданию программно-вычислительного комплекса, реализующего разработанный подход и проведению оптимизационных исследований ряда теплоэнергетических объектов, оснащенных новыми технологиями топливо-использования. Выработке практических рекомендаций по схемным решениям, выбору параметров процессов и характеристик оборудования для новых технологий топливоиспользования с учетом обеспечения графиков нагрузки, заданной надежности энергоснабжения, возможных режимов работы в энергосистеме и современных требований к инфраструктуре (экологической, про-изводственной, социальной).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из семи глав, введения, заключения, списка литературы и приложения. Содержит 295 страниц основного текста, 92 рисунка, 27 таблиц, 349 источников.
По материалам диссертации опубликовано 70 печатных трудов, в том числе: монографий (в соавторстве) - 6; в рецензируемых журналах - 21 (из
них по перечню ВАК - 14); патентов РФ - 10; в сборниках научных трудов и по материалам конференций -33.
В первой главе показаны пути развития мировой энергетики и особенности развития энергетики России. Показана значимость органического топлива (в первую очередь твердого) в мировом энергобалансе и энергобалансе России. Изложены основные проблемы развития энергетики страны, которые условно разделены на технологические, экологические и экономические. Показана необходимость в разработке методологии, которая могла бы позволить объединить разноплановый характер задач в энергетике с единых оценочных позиций. На основе проведенного анализа сформулированы цели и задачи исследования.
Во второй главе сформулированы научно-методические основы исследования энергоблоков ТЭС. При этом отмечено, что современные энергоблоки ТЭС являются сложными структурами. Оснащенные новыми технологиями, они становятся энерготехнологическими многоцелевыми блоками, которые могут вырабатывать и отпускать потребителям два и более видов продукции.
Такие энергетические объекты имеют разностороннее влияние на многие сферы жизни и деятельности общества. Они тесно взаимоувязаны с потребителями производимой продукции, с поставщиками сырья и между собой, и образуют энергетические системы с большим количеством экологических, социальных и технологических связей. Такие связи во многом определяют структуру и технологический профиль самого объекта как с точки зрения целесообразности его размещения в той или иной энергосистеме, так и с точки зрения оптимизации его внутрицикловых параметров. При этом целями решения такой задачи является определение наивыгоднейшего сочетания параметров термодинамического цикла и тепловой схемы, а также конструктивно-компоновочных параметров и характеристик энергооборудования с учетом всех внешних и внутренних ограничений.
Для решения необходимы методические подходы, которые позволят вести анализ результатов с единых оценочных позиций для различных влияющих факторов. В настоящей работе предлагается модель исследования, которая является попыткой впервые методологически объединить разноплановый характер исследовательских задач энергоблоков ТЭС. Сформулирована задача оптимизации генерирующих мощностей энергосистемы. Учитывая высокую вариативность входной информации, решение задачи осуществлено в вероятностной постановке. В диссертации впервые используется ненормативный механизм учета затрат «по здравоохранению», который оценивает затраты, связанные с восстановлением здоровья людей длительное время находящихся под воздействием вредных выбросов от действия ТЭС.
В третьей главе представлены принятые к рассмотрению перспективные технологии топливоиспользования, которые условно разделены на «котельные» и «схемные». К «котельным» технологиям отнесены: термоподго-товка топлива, плазменный розжиг и подсветка, сжигание топлива в вихревой и кольцевой топках, сжигание композитного жидкого топлива. К «схемным» отнесены: блоки повышенной эффективности: одно- и двухтрубные системы комбинированного теплоснабжения, газотурбинные надстройки ТЭЦ, бинарные ПТУ. Дано краткое описание указанных технологий и представлены методические особенности исследования.
В четвертой главе впервые представлены обобщающие результаты схемно-параметрической оптимизации энергоблоков ТЭС с представленными выше новыми технологиями. Показаны условия их перспективности.
В пятой главе предложены два варианта многоцелевых энергоблока с новыми технологиями сжигания топлива, со 100 %-ой утилизацией золы при минимальном экологическом воздействии на окружающую среду и производстве природоохранными технологиями в составе энергоблоков гаммы продуктов с товарными свойствами. Сформирована их информационная структура. Представлены результаты исследования. Лучшая структурная сбалансирован-
ность многоцелевых энергоблоков обусловливает более высокие КПД по отпуску электроэнергии и теплоты по сравнению с традиционными энергоблоками, что ведет к меньшим затратам в создание и функционирование и, как следствие, более высокой функции цели.
В шестой главе представлены результаты исследования энергоблоков ТЭЦ с новыми технологиями топливоиспользования в условиях экологических ограничений. В расчетах использован ненормативный механизм учета затрат «по здравоохранению». Показано, что соотношение в затратах на восстановление экологической и социальной инфраструктуры с учетом «здравоохранения» и без него, ЗинФР^здрАв* для блоков мощностью выше 50 МВт не зависит от мощности блока, его начальных параметров и вида технологической схемы и лежит в пределах «1:3.
Седьмая глава посвящена решению задачи анализа фактического состояния оборудования ТЭЦ-1 ООО «Бийскэнерго». Задача решена с использованием тех же методических положений. Анализ результатов позволил разработать альтернативные варианты техперевооружения, которые позволяют обеспечить снижение расхода топлива на отпуск электроэнергии в 1,26...1,32 раза, теплоты - в 1,09...1,1 раз; снижение себестоимости электроэнергии в 1,72... 1,85, теплоты - 1,46... 1,52 раза в зависимости от вариантов.
Проведена оценка предложенных вариантов техперевооружения и разработаны мероприятия по поэтапному внедрению альтернативных вариантов, направленных на повышение эффективности Бийской ТЭЦ-1.
В заключении сформулированы основные результаты работы и выводы.
Приложение содержит акты о практическом использовании результатов работы.
Организационно-экономические проблемы энергетики
Наряду с проблемой финансирования (инвестиционного потенциала), которая во многом обусловливает низкий уровень освоения капиталовложений в энергетике страны, безусловно, следует отметить ряд организационных мероприятий, проводимых в РАО «ЕЭС России». В первую очередь к ним следует отнести реорганизацию энергокампаний с выделением в самостоятельные структуры генерирующие мощности (генерирующие кампании, являющиеся акционерными обществами), передача энергии (федеральная сетевая кампания, ФСК) и распределительные сети (распределительно-сбытовые кампании, РСК), а также формирование Федерального Рынка Энергии и Мощности (ФОРЭМ). Реструктуризация энергокампаний должна обеспечить повышение управляемости в секторе генерации, а при передаче энергии способствовать развитию конкурентного рынка энергии.
В целом (с учетом зарубежного опыта) цели реформирования можно сформулировать следующим образом [20]: снижение цен на электроэнергию; привлечение инвестиций в электроэнергетическую отрасль; повышение эффективности производства и внедрение инноваций.
Можно видеть, что все цели сопряжены и, как показано в [20], в условиях свободного рынка могут сформироваться условия, когда они недостижимы. То есть задача перед энергетикой страны - непростая.
Вместе с тем вопросы инвестиций в энергетической отрасли ставят проблему оценки их эффективности, так как сегодня необходимо исходить из условия платности привлекаемых финансовых средств. Для этих целей разработан ряд критериев [114, 115], которые часто называют коммерческими. По существу - это новый методический инструментарий, который учитывает то накопление средств «сегодня», которое можно было бы получить в будущем путем вложения той же суммы в общедоступные механизмы - банки. Этот инструментарий позволяет оценить эффективность вложения средств, однако не дает возможности анализировать совершенство процессов преобразования энергии, так как жестко привязан к рынкам оборудования, топлива, сбыта, трудовых ресурсов, др.
С другой стороны, формирование ФОРЭМ диктует по существу одно условие - конкурентоспособность генерирующих кампаний, которая может быть обеспечена лишь за счет снижения себестоимости продукции.
Технологические проблемы энергетики условно можно разделить на два направления: первое - ввод новых генерирующих мощностей (с применением новых технологий топливоиспользования) для обеспечения темпов экономического роста и, второе, - повышение эффективности действующего оборудования, парк которого в значительной степени морально и физически устарел (путем реконструкции с использованием малозатратных технологий).
Учитывая мировые тенденции развития энергетики и особенности национального энергохозяйства, основные требования, предъявляемые к перспективным технологиям можно сформулировать следующим образом: высокая эффективность термодинамических процессов; возможность использования в рамках энерготехнологического предприятия с комплексной переработкой твердого топлива; низкая капиталоемкость и быстрая окупаемость; минимальное воздействие на окружающую среду; способность к замещению жидкого топлива; возможности ресурсосбережения.
Разработка таких технологических процессов требует проведения большого объема исследовательских работ, апробации их на пилотных промышленных установках и сопряжена с готовностью заводов энергетического машиностроения по их освоению. Обостряется проблема тем, что прежние связи между энергетическими кампаниями и исследовательскими институтами, проектными и наладочными организациями часто разорваны, а кадровый потенциал последних во многом утрачен.
Вместе с тем применение новых технологий топливоиспользования во всех случаях в той или иной мере изменяет технологическую цепочку традиционного профиля энергоблока, что неизбежно ведет к изменениям во всех остальных звеньях технологической цепи [25]. В этом случае встает вопрос поиска решений как с точки зрения оптимизации термодинамических процес-сов преобразования энергии, так и с точки зрения определения рационального профиля энергоблока, который должен отвечать заданным энергетическим показателям и совокупности экономических, технических и экологических ограничений.
С другой стороны, непременным условием повышения эффективности действующего оборудования (которое обеспечивается путем совершенства процессов преобразования энергии на разных участках технологической уста новки) является решение задачи анализа его фактического состояния с целью выявления «слабых» мест и, в последующем, принятия решения о проведении тех или иных мероприятий.
Сущность экологического аспекта в энергетике можно вкратце сформулировать следующим образом, рис. 1.1. Человек направляет свои усилия на природу, чтобы получить ископаемые, которые являются сырьем для его деятельности. Сырье попадает в общество и распределяется по производствам. В результате общество получает необходимый продукт, но, при этом, и нежелательное воздействие, как от самого продукта, так и от отходов производств. Нежелательное воздействие испытывает и природа, что вновь отражается на человеке через уменьшение природных продуктов питания, увеличение заболеваний (от хронических простудных до генетических и даже мутаций) и т.п. При этом по возможному воздействию на среду выделено четыре сферы: атмосфера, литосфера, гидросфера и биосфера, кроме человека, так как интересы человека, в данном случае, учитываются интересами социума (в частности,
Методика технико-экономической оптимизации
Главной задачей оценки технико-экономической эффективности энергоблоков ТЭС является определение наивыгоднейшего сочетания термодинамических, расходных, конструктивных, компоновочных параметров и вида технологической схемы при выполнении всех внешних и внутренних ограничений на сооружение и функционирование [3, 136, 302]. При этом под внутренними понимаются ограничения внутрициклового и конструктивно-компоновочного характера, а под внешними - ограничения по связям с ЕЭС России (включая режимные особенности функционирования), ТЭК, экологической и социальной инфраструктур [230,272, 287].
Современные и перспективные энергоблоки ТЭС, - это сложные технические системы, обладающие большим количеством взаимосвязей как внутри системы, так и с внешними по отношению к ней объектами. Следствием этих взаимосвязей является значительное количество факторов, влияющих на работоспособность системы. Определение наивыгоднейшего состава такой технической системы требует обоснования критерия эффективности как с точки зрения выполнения условий сопоставимости сравниваемых вариантов, так и с точки зрения определения законов распределения и доверительных интервалов влияющих факторов при вероятностной постановке задачи.
Современные энергоблоки ТЭС являются сложными структурами. Они становятся энерготехнологическими многоцелевыми блоками. Новые технологии включают системы сероочистки и азотоочистки дымовых газов, системы переработки золо-шлаковых отходов [163, 167], системы термической и плазмотермической подготовки [160] и газификации угля, парогазовые схемы [58, 77], энергохимические комплексы, системы утилизации теплоты уходящих газов [78, 264], газотурбинные [270...272] и (или) паротурбинные надстройки и т.п. При этом энерготехнологические угольные энергоблоки могут вырабатывать и отпускать потребителям два и более видов энергопродуктов (электрическую и тепловую энергию, синтетические жидкие и газообразные топлива, полукокс, товарную серу, продукцию для сельского хозяйства в виде аммонийных удобрений, продукцию для стройиндустрии, дорожного строительства и некоторые др.) [125, 128, 163, 166, 167, 180, 246, 313, 329, 332]. Эти обстоятельства, наряду с чисто экономическими проблемами, обостряют актуальность решения задачи об оценке как энергетической, так и технико-экономической эффективности энергоблоков ТЭС.
Как уже отмечалось, целью комплексной технико-экономической оптимизации энергоблоков ТЭС является выбор параметров термодинамического цикла и тепловой схемы, а также конструктивно-компоновочных параметров и характеристик энергооборудования с учетом всех внешних и внутренних ограничений. При этом в качестве внутренних ограничений выступают начальные параметры энергоблока, режимные факторы технологических процессов, конструктивные особенности оборудования 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.
В предлагаемой модели технико-экономического исследования заложены принципы эксергетической методологии [12, 28,135,136, 251] и методологии теории агрегативных систем [34, 116]. При этом анализ и оптимизация параметров функционирования энергоблоков ТЭС выполняется путем последовательных операций. Во-первых, это - условное разбиение теплоэнергетической установки на несколько функционирующих частей, и представление ее в виде эксергетической агрегативной системы. Во-вторых - математическое описание (моделирование) функционирования и использование этой модели при расчетах в вычислительном комплексе, имитирующем работу энергобло ка. И, наконец, в третьих - оптимизация параметров функционирования по условиям действия ограничивающих факторов.
В то же время, имитационная модель функционирования энергоблока ТЭС должна иметь избыточною схему с тем расчетом, чтобы при исследовании реально функционирующего блока (в зависимости от его конфигурации) можно было исключать из рассмотрения, не существующие в энергоблоке агрегаты и связи путем простого обнуления характеризующих их входных переменных.
Итак, представляя энергоблок как сложную систему и с учетом ее агрегирования, когда под агрегатом в общем случае понимается некий преобразователь информации, осуществляется разбиение энерготехнологического блока на элементы, несущие потоки входной и выходной информации [33, 34]. Введение такой абстрактной схемы позволяет единообразно описывать все элементы системы (энергоблока), причем, элемент выступает как объект, не подлежащий дальнейшему разбиению на части, а в качестве таких элементов выступают более или менее самостоятельно функционирующие части энергоблока (парогенерирующая часть, часть высокого давления турбины, часть среднего и низкого давления турбины, система регенерации и технического водоснабжения и т.п.).
Примеры разбиения энергоблоков на базе новых технологий на функциональные части показаны на рис.2.5. Аналогичным образом может осуществляться разбиение энергоблоков на базе любых других технологий. При . этом разбиение возможно с любой глубиной детализации схемы (зависит от глубины исследования).
В указанных случаях первая функциональная часть (агрегат) включает в себя парогенератор, включая камеру сгорания ГТУ, встроенный (либо смонтированный в собственной шахте) турбинный экономайзер и все вспомогательные системы - топливоподачи и топливоподготовки, очистки дымовых газов, ГЗУ и пр. Вторая часть состоит из ЧВД турбины, включает газовую турбину и систему промперегрева (в рамках настоящего подхода это удобно, так как данная система связывает ЧВД и ЧСНД). Третья часть состоит из ЧСНД турбины. Четвертая объединяет электрическое оборудование. Пятая представляет собой системы технического водоснабжения и регенерации питательной воды. Шестая включает оборудование по отпуску теплоэксергии потребителю, где под теплоэксергией понимается максимальная работоспособность теплового потока с производственным и теплофикационным паром по отношению к температуре окружающей среды. Это позволяет учесть раз ное качество энергетических потоков во всех структурных связях исследуемых энергоблоков.
В таком представлении технологическая схема энергоблока по своей структуре будет эквивалентна некоему графу (Г) [33, 34, 76, 178], в котором каждой самостоятельно функционирующей части (элементу системы) энергоблока і el будет соответствовать вершина графа, а каждой связи jeJ между функционирующими частями или внешними объектами - дуга графа:
В таком представлении каждая функционирующая часть энергоблока (представленная на графе вершиной) рассматривается как преобразователь энергии (то есть, многомерный технологический оператор, в котором направление преобразования задается направленностью процессов в теплоэнергетической установке), имеющий унифицированное математическое описание
Технологии с усовершенствованием тепловых схем
Суть технологии заключается в использовании теплоты уходящих из котла газов. При этом в опускную (как правило) шахту котла устанавливаются дополнительные поверхности нагрева, в которых обеспечивается нагрев байпаса питательной воды, либо основного конденсата. В этом случае вытесняются регенеративные отборы пара на турбине, а вновь устанавливаемые поверхности нагрева получили название турбинного экономайзера (ТуЭ). Принципиальная схема БПЭ ТЭЦ (как частный, но наиболее общий по отпуску продукции вариант ТЭС) показана рис.3.17.
Следует отметить, что принципиально могут быть реализованы как простые схемы БПЭ, так и сложные (с использованием скрытой теплоты парообразования, с дожиганием топлива, с подогревом уходящих газов выше точки росы, с использованием теплоты уходящих газов в сетевой установке, с применением дополнительного газо-водяного подогревателя и некоторые др.).
К настоящему моменту разработано достаточно большое количество возможных схем БПЭ для различных типов и мощностей оборудования [59, 69, 100, 101]. Такие схемы разрабатываются Подольским машиностроительным заводом им. Орджоникидзе («ЗИО - Подольск») [100, 101, 141], РАН-РАО-ЛМЗ-ЦКТИ [218], СГТУ [109], атакже за рубежом [304].
Например, схема повышения эффективности перспективного энергоблока на суперсверхкритические параметры (ССКП с параметрами 30/595/595) мощностью 525 МВт на канско-ачинских углях, разработанная (в инициативном порядке) специалистами ЗИО (г. Подольск) [98] позволяет (при снижении температуры уходящих газов до «111 С) обеспечить снижение удельных расходов топлива около 2,5%. При этом КПД котла брутто может быть обеспечен на уровне 94,5%, а прирост мощности - «57 МВт.
В другой схеме, предложенной специалистами ЗИО для энергоблока мощностью 300 МВт, байпасируется вся группа ПВД »35 %-ми питательной воды [141]. В этой схеме обеспечивается снижение удельного расхода пыле-угольного топлива на 1,45 %, температура уходящих газов снижается со 143 до 100 С. При этом затраты на модернизацию оценены в 2,1 млн.$, а срокпотребители электро- и теплоэнергии; ЧВД - часть высокого давления турбины; ЧСНД - часть среднего и низкого давления турбины; ТСН - трансформатор собственных нужд; ТВП - трубчатый воздухоподогреватель; ВЭ - водяной экономайзер; ТуЭ — турбинный экономайзер; ПВД, ПНД - группы подогревателей высокого и низкого давления соответственно; Д - деаэратор; СП - подогреватель сетевой воды; ПН, КН, ЦН, СН - питательный, конденсатный, циркуляционный и сетевой насосы соответственно окупаемости составляет 1...1,5 года.
Специалистами СГТУ предложен вариант реконструкции котла ПК-14 (паропроизводительность 230 т/ч) с применением ТуЭ [109]. В этой схеме гладкотрубный экономайзер первой ступени заменяют на оребренный, тем самым высвобождают пространство в опускной шахте для ТуЭ (объем экономайзера уменьшается в 2 раза). Замененный экономайзер первой ступени также полностью используется в качестве ТуЭ, в котором греется часть питательной воды, байпасирующая все ПВД. Эффект от применения схемы БПЭ связан со снижением температуры уходящих газов на 46 С. При этом обеспечивается рост КПД котла на 2,57% и увеличение электрической мощности на 1,89 МВт.
Применение схемы БПЭ на современном блоке мощностью 1000 МВт (станция Нидераусен, Германия, год ввода - 2002) обеспечивает повышение КПД энергоблока на 1,3% (КПДнетто=45,2%) [311].
Известны и другие схемы БПЭ, разрабатываемые как для вновь проектируемого оборудования, так и для реконструкции действующего [59, 69, 99, 101, 304, 315]. При этом специалисты отмечают, что при создании нового оборудования повышенной эффективности котел и турбину следует проектировать одновременно [101];
Обобщая анализ имеющихся проработок БПЭ можно говорить о том, что утилизация теплоты уходящих газов в системе регенерации энергоблоков ТЭС позволяет: во-первых - повысить КПД котла за счет снижения температуры уходящих газов и более полного использования теплоты топлива; во-вторых - получить дополнительную выработку электроэнергии на тепловом потреблении (для ТЭЦ) за счет увеличения пропуска пара вытесненных отборов турбины в конденсатор; в-третьих - вытеснить в энергосистеме (ЭС) пиковую резервную мощность за счет увеличения конденсационной выработки электроэнергии; в-четвертых - снизить экологическую нагрузку на ареал функционирования за счет снижения расхода топлива (при снижении пропуска пара.в голову турбины) и, в ряде случаев, повышения эффективности электрофильтров при снижении объемов более холодных дымовых газов и улучшении электрофизических свойств золы.
Таким образом, положительные эффекты имеют не только блочный, но и общесистемный и экологический характер, что обусловливает необходимость комплексного анализа схем БПЭ с учетом указанных связей энергоблока.
Принципиально могут быть реализованы как простые схемы БПЭ (рис.3.16), так и сложные (с использованием скрытой теплоты парообразования, с дожиганием топлива, с подогревом уходящих газов выше точки росы и некоторые др.). Ниже предлагается принципиальные положения методики оценки эффектов от реализации простых схем БПЭ, когда эффект достигается за счет того, что в конвективной шахте котлоагрегата устанавливаются дополнительные поверхности для нагрева питательной воды. В этом случае вытесняются регенеративные отборы пара на турбине.
Предлагаемый ниже методический подход [78] предполагает неизменность коэффициента готовности БПЭ, по отношению к энергоблоку традиционного профиля, который является базовым при оценке комплексной эффективности БПЭ ТЭС.С использованием известного выражения для определения расхода топлива [204] имеем экономию топлива, кг/с:
Обобщение результатов оптимизации
Обобщение проведено для теплофикационных и конденсационных энергоблоков стандартных типоразмеров в диапазоне мощности 50.. .800 МВт. На рис.4.24...4.27 показаны оптимальные параметры (давление и температура острого пара, температура пара промперегрева и температура питательной воды) в зависимости от единичной мощности энергоблоков ТЭС, оснащенных представленными выше технологиями с усовершенствованием топочных процессов и с усовершенствованием тепловых схем.
Можно видеть, что наблюдаются общие тенденции в изменении оптимальных параметров вне зависимости от вида технологического процесса. Например, давление острого пара (рис.4.24) во всех случаях имеет явную зави Рис.4.24. Расчетные значения оптимального давления острого пара в зависимости от единичной мощности блоковсимость от наличия промежуточного перегрева в термодинамическом цикле теплоэнергетической установки (ТЭУ).
При этом, для энергоблоков не оснащенных промежуточным перегревом, оптимальное давление находится на уровне стандартных докритических значений («13 МПа). С переходам к энергоблокам, оснащенным системой промперегрева оптимум Р0, скачкообразно (в большинстве случаев) растет до в зависимости от единичной мощности блоковстандартных закритических значений («23,5 МПа) и с ростом единичноймощности блока - до «25 МПа.
Оптимальная температура острого пара, рис.4.25, в целом имеет тенденцию к снижению с ростом единичной мощности энергоблока от 540...575 до 510...540 С. При этом следует отметить, что влияние технологического процесса и единичной мощности блока на оптимум to велико. В то же время оптимальная температура пара промежуточного перегрева для соответствующих энергоблоков в целом мало зависит от технологии и имеет тенденцию к росту в среднем от «535 до «545 С, рис.4.26.
Оптимальная температура питательной воды имеет тенденцию к ростуот 170...210 до 270...280 С с ростом единичной мощности энергоблков,» рис.4.27. Несколько другая картина для технологии ГТН-ТЭЦ.
В этом случае оптимальная температура питательной воды обусловлена возможностью системы регенерации ПТУ воспринять теплоту газов, отработавших в ГТУ. Значения оптимальной температуры питательной воды характеризуют изменения в системе регенерации по отключению соответствующих групп подогревателей.
Следует отметить то, что, во-первых, наличие/отсутствие промежуточного перегрева обусловливает исполнение ТЭУ в блочном варианте, либо - с поперчными связями; во-вторых, среди рассмотренных энергоблоков диапазон мощности от 50 до 250 МВт главным образом характеризуется теплофикационными турбинами, а диапазон мощности 200...800 МВт — конденсационными.
Учитывая эти обстоятельства, можно видеть (рис.4.24...27), что для теплофикационных энергоблоков стандартных докритических параметров оптимальное давление острого пара остается в рамках стандартных значений вне зависимости от технологического процесса. Для энергоблоков с промперегре-вом, вне зависимости от типа, оптимальное давление стремиться к закритиче-ским значениям, при этом наблюдается увеличение последнего от 23,5 до 25 МПа с ростом единичной мощности блока от «180.. .210 до 800 МВт.
В то же время оптимальная температура острого пара для всех рассмотренных энергоблоков существенно зависит от технологического процесса и единичной мощности и в целом находиться на уровне 510...575 С, при некоторой тенденции к снижению с ростом единичной мощности. Оптимальная температура питательной воды (обусловливает развитость системы регенерации) так же зависит от технологии и единичной мощности, принимает значения от 160 до 280 С и имеет тенденцию к росту с ростом мощности ТЭУ. Такое положение, в целом, не противоречит классическому представлению о взаимном влиянии параметров температуры острого пара и питательной воды и косвенно подтверждает адекватность полученных результатов.
Оптимальная температура пара промежуточного перегрева имеет тенденцию к незначительному росту с ростом мощности ТЭУ, в среднем принимает значения 535...545 С и мало зависит от вида технологического процесса.
На рис.4.28 представлена функция цели для рассмотренных технологий в зависимости от единичной мощности паротурбинных теплофикационных энергоблоков. Можно видеть, что эффективность рассмотренных технологий на 7...18% выше, чем при традиционном сжигании в зависимости от типа энергоблока, его единичной мощности и вида технологического процесса. Для технологии БПГУ (бинарная 111 У) эффективность выше на «36%, что обусловлено в первую очередь высоким КПД установки (на уровне 53%). В расчетах БПГУ принята мощность паровой турбины около 100 МВт, и цена топлива (газа) на уровне 60 $ за т.у.т. Расчетная мощность ГТУ составила 155 МВт.
Таким образом, можно утверждать, что представленные технологии имеют «право на жизнь». При этом общая тенденция исследования заключается в том, что обеспечение эффективности ТЭУ, вне зависимости от технологического процесса, может быть достигнуто не только стремлением к «суперпараметрам» с переходом на «суперматериалы», но и комплексным учетом . внешних, (по отношению к термодинамическому циклу, в контексте рассматриваемого вопроса) факторов.
Вместе с тем можно утверждать, что при создании энергоблоков, оснащенных новыми технологическими процессами, проектирование основного оборудования следует вести одновременно в рамках единого проекта. В первую очередь это относится к котлоагрегату и паровой турбине. В то же время, в условиях оптимизации температуры питательной воды проектирование сие
