Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основы методики исследования 32
1.1. Показатели и методика системной тепловой и топливной эффективности ГПУ-ТЭЦ 32
1.2 Методические положения учета климатических факторов и режимов работы теплофикационных ГПУ 46
1.3 Основные положения определения экономической эффективности ГПУ-ТЭЦ в системах теплоснабжения 53
1.4 Учет надежности теплоэнергоснабжения при определении системной эффективности ГПУ-ТЭЦ малой и средней мощности 68
Глава 2. Математическое моделирование процессов и энерге тических характеристик отопительных ГПУ 75
2.1 Разработка математической модели характеристик теплофикационных ГПУ 75
2.1.1 Моделирование характеристик проточной части турбин ГПУ 75
2.1.2 Математическая модель парогенератора 83
2.1.3 Моделирование характеристик низкотемпературного тепло обменника 88
2.1.3.1 Моделирование характеристик низкотемпературного теплообменника поверхностного типа 88
2.1.3.2 Моделирование характеристик низкотемпературного тепло обменника контактного типа 91
2.2 Влияние климатических факторов и переменных режимов на энергетические показатели ГПУ 94
2.3 Анализ результатов расчета энергетических характеристик ГПУ 123
Глава 3. Методика расчета и обеспечения надежности теплофи кационных газопаровых установок в системах теплоснабжения 125
3.1 Выбор и обоснование показателей надежности теплофикационных ГПУ и систем теплоснабжения на их основе 125
3.2 Методика расчета показателей надежности элементов ГПУ 131
3.2.1 Вероятностная модель расчета надежности ГТУ 131
3.2.2 Вероятностная модель расчета надежности парогенератора 143
3.3 Методика расчета показателей надежности систем теплоснабжения на базе ГПУ 151
3.3.1 Общие методические предпосылки 151
3.3.2 Методика расчета структурной надежности теплофикационных газопаровых установок 152
3.3.3 Расчет показателей надежности систем теплоээнергоснабжения 163
3.4 Сопоставление показателей надежности схем теплоснабжения от теплофикационных ГПУ - ТЭЦ и котельных 165
3.5 Обеспечение надежности теплоснабжения путем применения баков-аккумуляторов горячей воды 174
Глава 4. Экономическая эффективность ГПУ-ТЭЦ в системах тсплоэнсргоснабжения 180
4.1 Исходные условия определения эффективности ГПУ-ТЭЦ в системах теплоэнергоснабжения различных регионов 180
4.2 Системная топливная эффективность ГПУ-ТЭЦ 182
4.3 Экономическая эффективность применения ГПУ-ТЭЦ в системах теплоэнергоснабжения 184
4.4 Анализ устойчивости решений экономического обоснования ГПУ в системах теплоэнергоснабжения 189
Выводы 193
Список использованных источников 196
- Методические положения учета климатических факторов и режимов работы теплофикационных ГПУ
- Влияние климатических факторов и переменных режимов на энергетические показатели ГПУ
- Методика расчета показателей надежности систем теплоснабжения на базе ГПУ
- Системная топливная эффективность ГПУ-ТЭЦ
Введение к работе
Актуальность работы.
Экономика страны столкнулась с энергетическим вызовом, продиктованным ускоренным экономическим ростом, повышением стоимости добычи крайне неравномерно распределенных первичных видов энергоносителей, техническим состоянием современных систем энергообеспечения, а также рядом экономических проблем переходного периода. В долга^оч-ной перспективе сам топливно-энергетический комплекс (ТЭК) может не выдержать своей ведущей роли в российской экономике не в силу исчерпания природных ресурсов, а в силу технологических и финансовых ограничений, сдерживающих не только расширенное, но и простое воспроизводство энергетического потенциала, которое становится все более капиталоемким. Энергетика стоит перед необходимостью разработки качественно иной стратегии ускоренного развития ресурсной базы, энергетической замены и масштабного ввода новых генерирующих мощностей с более высокими показателями тепловой и топливной эффективности, кардинального повышения надежности систем тепло- и электроснабжения. Стратегическая задача общества и государства заключается в том, чюбы определить пути более эффективного использования природных ресурсов при снижении удельных энергетических и, как следствие, материальных затрат на свое развитие.
Одним из негативных факторов, влияющих на развитие теплоэнергетики, является увеличение потребления электроэнергии, сопровождающееся малым увеличением теплопотребяения. Образовавшийся резерв генерирующих мощностей в региональных энергосистемах невозможно использовать вследствие падения потребления технологического пара промышленными потребителями. В современных экономических условиях использование централизованных средств для восполнения отработавших свой ресурс и требующих замены генерирующих мощностей невозможно, ориентация в новом строительстве на традиционное централизованное тепло-энергоснабжение от крупных источников становится проблематичной. Оказалось, что традиционные централизованные теплофикационные системы не обеспечили расчетной экономии топлива и общей эффективности, в основном, по двум причинам. Первая определяется тем, что КПД современных промышленных и отопительных котельных повышен до уровня КПД энергетических котлов. Вторая составляющая эффекта от комбинированной выработки электрической и тепловой энергии на ТЭЦ также оказалась ниже расчетной вследствие высоких тепловых потерь и потерь с утечками дри транспорте горячей воды на большие расстояния. Существующие магистральные тепловые сети имеют низкую надежность, что приводит в ряде случаев к нарушению теплоснабжения и соответствующему ущербу, как материальному, так и социальному.
'Cut. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С-Петербург ОЭ Й0а7акт.#
В этих условиях в стране реализуется тенденция на строительство децентрализованных источников электро- и теплоснабжения на базе газотурбинных установок малой и средней мощности. Одной из важнейших задач использования газотурбинных установок (ГТУ) является повышение их системной топливной н общей эффективности. Это может быть достигнуто не только повышением параметров термодинамического цикла ПУ, но и созданием комбинированных утилизационных установок, В этом отношении перспективным направлением повышения эффективности использования природного газа в системах теплоэнергоснабжения является создание газопаровых установок (ГПУ) с энергетическим впрыском пара в камеру сгорания (КС) ГТУ, обеспечивающих как увеличение мощности, так и рост электрического КПД,
В частности, в ОАО «Газпром» разработана и реализуется программа «Малая энергетика», одним из направлений которой является строительство энергоисточников малой и средней мощности с комбинированной выработкой электроэнергии и теплоты для энергообеспечения производственной и социальной инфраструктуры предприятий отрасли. Проектирование таких систем энергообеспечения требует проведения большого комплекса научных исследований, включающих определение их системной, тепловой и топливной эффективности с учетом режимов теплопотребления и климатических факторов, решение вопросов обеспечения надежности теплоснабжения потребителей, вопросов размещения, экологического воздействия на окружающую среду и общей технико-экономической эффективности.
Необходимость существенного повышения эффективности использования природного газа в системах теплоэнергоснабжения обусловили выбор предмета исследования диссертационной работы, заключающегося в обосновании схем и параметров отопительных газопаровых установок с впрыском пара в камеру сгорания, разработке и исследовании их эффективности в системах теплоснабжения.
Работа выполнена на кафедре «Теплоэнергетика» и в Проблемной научно-исследовательской лаборатории теплоэнергетических установок электростанций и систем энергообеспечения ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» в рамках основного научного направления развития науки и техники РФ «Топливо и энергетика», федеральной программы фундаментальных исследований в области «Физико-технические проблемы энергетики», раздел «Фундаментальные проблемы энергосбережения и эффективного использования топлива», и соответствует основным направлениям развития науки, технологий и техники РФ «Энергетика и энергосбережение».
Цель работы: определение эффективности отопительных ГПУ^нй базе ГТУ малой и средней мощности в системах теплоэнергоснабжения.
Основные задачи исследования:
-
Обоснование показателей и совершенствование методики расчета тепловой и топливной эффективности отопительных ГПУ в системах теплоэнергоснабжения.
-
Разработка математической модели расчета энергетических характеристик отопительных ГПУ и проведение расчетно-теоретических исследований характеристик ГПУ с учетом режимных и климатических факторов.
-
Разработка методики расчета и технико-экономическое обоснование средств обеспечения надежности систем теплоснабжения на базе отопительных ГПУ с учетом реальных условий эксплуатации.
-
Определение экономической эффективности создания отопительных ГПУ в системах теплоэнергоснабжения.
Научная новизна. Разработаны теоретические положения расчета системной тепловой и топливной эффективности отопительных ГПУ. Разработаны математические модели расчета процессов и агрегатов газопаровых установок, а также энергетических характеристик отопительных ГПУ в системах теплоэнергоснабжения с учетом реальных режимных и климатических факторов. Предложена методика расчета показателей надежности элементов ГПУ и установки в целом, а также обеспечения показателей надежности систем теплоэнергоснабжения на их основе. Разработана методика определения экономической эффективности создания отопительных ГПУ малой и средней мощности с учетом всех основных влияющих факторов и областей эффективного их использования.
Практическая значимость. Проведено технико-экономическое обоснование создания и определены условия эффективного применения отопительных ГПУ в системах теплоэнергоснабжения. Определена системная тепловая и топливная эффективность отопительных ГПУ. Даны практические рекомендации по выбору рациональных схем ГПУ с учетом надежности их работы. Получены результаты расчетно-теоретических исследований эффективности отопительных ГПУ малой и средней мощности с учетом реальных условий их работы в системах теплоснабжения.
На защиту выносятся. Методические положения и результаты расчета тепловой и топливной эффективности ГПУ в системах теплоснабжения. Математические модели агрегатов ГПУ и результаты расчетно-теоретических исследований определения энергетических и показателей системной топливной эффективности отопительных ГПУ с учетом реальных режимов работы, климатических факторов и обеспечения надежности теплоэнергоснабжения. Методические положения и результаты расчетов экономической эффективности отопительных ГПУ в системах теплоэнергоснабжения.
Достоверность результатов it выводов диссертационной работы обоснованы использованием методологии системных исследований в энер-
гетнке, применением фундаментальных законов технической термодинамики, теплопередачи, теории надежности систем энергетики, методов технико-экономического анализа теплоэнергетических установок. Математические модели отопительных ПТУ разработаны на основе апробированных методов при решении ряда аналогичных задач. Проведено сопоставление полученных результатов и выводов исследования с имеющимися данными на основе других теоретических подходов.
Личный вклад автора заключается в следующем:
-
В развитие теории системных термодинамических исследований комбинированных теплоэнергетических установок разработаны теоретические положения и усовершенствована методика расчета топливной и общей эффективности отопительных ГПУ в системах теплоэнергоснабжения.
-
Разработаны математические модели процессов в элементах ГПУ, а также расчета энергетических показателей и показателей системной топливной эффективности отопительных ГПУ с учетом реальных режимов работы и климатических факторов.
3. В развитие теории надежности теплоэнергоснабжающих систем
предложена методика расчета показателей надежности ГПУ и систем теп
лоэнергоснабжения на их базе с учетом реальных условий эксплуатации.
4. Определены условия экономической эффективности создания
ГПУ-ТЭЦ в системах теплоэнергоснабжения.
Апробация работы. Изложенные в диссертации материалы докладывались на научных конференциях и семинарах Саратовского государственного технического университета в 2000-2006 гг. (г. Саратов), конференциях молодых ученых н специалистов ОАО «Газпром» в 2000-2004 гг. (г. Москва), межвузовской научно-технической конференции «Современные научно-технические проблемы теплоэнергетики и пути их решения», 2004 год (г. Саратов), IX Международной конференции «Региональные проблемы энергосбережения и пути их решения», 2005 г. (г. Н-Новгород).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 научных статей.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 208 страницах и состоит из предисловия, введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 13S наименований, содержит 30 рисунков и 18 таблиц.
Методические положения учета климатических факторов и режимов работы теплофикационных ГПУ
Климатические факторы оказывают существенное влияние на показатели работы теплофикационных ГТУ. Известно, что температура, влажность и давление атмосферного воздуха могут в широких пределах изменять мощность, степень повышения давления и КПД ГТУ / 26, 36 /. Если для паротурбинных установок окружающей средой является охлаждающая конденсатор вода, температура которой колеблется от +2 - +4С зимой до +25 - +30С летом, то для газотурбинных установок окружающей средой будет воздух атмосферы, колебания температуры которого весьма значительны как в течение года, так и в те чение суток (рис. 1.3). При этом динамика изменения температуры охлаждающей воды гораздо ниже скорости изменения температуры окружающего воздуха.
При проектировании ГТУ расчетная температура воздуха, как правило, принимается равной +15 С. В условиях эксплуатации ГТУ приходится работать в режимах со значительными колебаниями температуры окружающего воздуха. Режим работы простейших ГТУ сохраняется неизменным, если не меняются следующие четыре величины: подача топлива в камеру сгорания Grr, внешний тормозной момент М, приложенный к валу со стороны потребителя, температура Та и давление ра воздуха, забираемого воздушным компрессором. Указанные величины являются независимыми параметрами, однозначно определяющими режим работы простой ГТУ.
В случае использования впрыска пара в проточную часть ГТУ негативное влияние роста температуры наружного воздуха на развиваемую турбиной мощность заметно нивелируется. Это происходит за счет увеличения расхода и средней теплоемкости рабочего тела в ГТ.
Уравнение мощности ГТУ имеет вид где G - расход рабочего тела в турбине; с" . ис"р - средние теплоемкости газопаровой смеси и воздуха; Т3 и Т - температуры рабочего тела в точках 3 и 1 термодинамического цикла ГТУ (перед турбиной и перед компрессором) (см. рис. 1.1- 1.3); гт и Гк — КПД проточных частей турбины и компрессора; лк и л,- -степень повышения давления в компрессоре и понижения давления в турбине. Поделив это уравнение на расчетное значение мощности Nn и, переходя кбезразмерному приведенному расходу (Gnp), получим:где т = Т/Т0 - относительная температура, тв =кв/(кв-1), ш" = ft"/(А" -1) ,кв и ij ."- показатели адиабаты для воздуха и газопаровой смеси.
Приняв в рабочем диапазоне температур средние теплоемкости и показатели изоэптропы постоянными, выражение для безразмерной приведенной мощности можно существенно упростить и представить в Таким образом, Nn зависит от величин пК и пк, а также соотношенияи определяется после задания их значений.
Расход теплоты в камеру сгорания определяется из уравнения теплового баланса камеры сгораниягде G - расход рабочего тела ГПУ; Tj температура воздуха на выходе турбокомпрессора; ткс - КПД камеры сгорания.
Расход теплоты в камере сгорания определится каквеличина которого, также как и Nn является функцией двух независимых величин 7ГКИ Пк.
Эффективный КПД установки может быть представлен выражением видаПодобным образом легко установить, что температуры (Т) и давления (Р) газа и воздуха в любой точке термодинамического цикла ГТУ определяются в виде отношений Т/Та и Р/Ра при задании двух величин, например, степени повышения давления яки частоты вращения вала п /119, 136 /. Режим работы теплофикационной ГПУ зависит не только от температуры наружного воздуха, но, прежде всего, от графиков тепловой нагрузки потребителя, которые должны быть обеспечены малой ТЭЦ. К таким характеристикам относятся: температурный график сети (рис. 1.4), график тепловых нагрузок по продолжительности (рис. 1.5), график расхода горячей воды (рис. 1.6). Если климатические условия оказывали непосредственное влияние на газотурбинную часть установки, то графики тепловых нагрузок задают режим работы теплофикационного оборудования. Так как элементы системы теплоснабжения являются взаимозависимыми компонентами одной системы, то, рассматривая регулирование тепловой нагрузки потребителя, следует определить, какими средствами будет обеспечиваться необходимый отпуск теплоты.
В работе рассматривается работа ГПУ-ТЭЦ по тепловому графику с отпуском всех видов коммунально-бытовых нагрузок. Регулирование отпуска тепловой энергии осуществляется как газотурбинной установкой изменением расхода топливного газа в камеру сгорания, так и байпасом на котле-утилизаторе.
Зависимость параметров газового цикла и мощности ГПУ-ТЭЦ от температуры наружного воздуха, а также тепловой нагрузки потребителя приводятся в главе 2 настоящей работы и учтены при расчете ее технико-экономической эффективности (глава 4). Годовой расход топлива рассчитывается раздельно по характерным периодам года, когда действительные параметры цикла и системы близки к их средним значениям данного периода продолжительностью п, часов. При этом годовой расход топлива определяется как сумма его расходовгде В "ф - часовой расход топлива ГПУ-ТЭЦ в І-м режиме; п, - число часов такого режима в году.Для почасового режима расчета характеристик ГПУ-ТЭЦ расход топлива определится как сумма его часовых расходов
Очевидно, что для каждого режима, соответственно температуре наружного воздуха, будут иметь свои значения коэффициенты К , У""1 , тгп , а такжепоказатели циклов ГПУ (степень повышения давления воздуха в компрессоре (я- ) РасхД газа, температуры газа Т3 и Т4) и соответственно будет изменяться количество утилизируемой теплоты. В зависимости от требуемой точности определения суммарной экономии топлива устанавливается количество таких усредненных периодов. Во всяком случае, их должно быть не менее трех - зимний, осенне-весенний и летний.
Экономия топлива, которая достигается в системе теплоэнергоснабжения за рассматриваемый (і-й) период работы ГПУ-ТЭЦ, определится как разность между вероятным расходом топлива в замещаемых КЭС и РК раздельной системы и его расходом на ГПУ-ТЭЦ, соответственно зависимостям
Влияние климатических факторов и переменных режимов на энергетические показатели ГПУ
Анализ математической модели процессов и энергетических характеристик ГПУ указывает на определенное влияние эффективности газовой турбины и компрессора на энергетические показатели установки в целом с учетом впрыска пара в камеру сгорания. Это обусловлено некоторым изменением расчетного режима работы проточной части ГПУ, даже при постоянной частоте вращения роторов ТВД и ТНД. Так, впрыск пара приводит к повышению противодавления на выходе осевого компрессора и, соответственно, изменению величин потерь давления в воздухоприемном и газовом трактах. Это, в свою очередь, сокращает диапазон устойчивой работы компрессора по условиям не возникновения помпажа.
В общем случае внутренняя мощность, потребляемая компрессором, в зависимости от параметров наружного воздуха определяется по формулегде Pvtt - соответственно, давление и температура наружного воздуха, Л (0 -внутренняя мощность компрессора на расчетном режиме, кВт.
С учетом расхода воздуха через компрессор и степени повышения давления его мощность определяется какГазодинамический КПД компрессора учитывает величины действительного напора (нк) и газодинамических потерь &hr.
Величина действительного напора осевого компрессорадействительного напора осевого компрессораГазодинамические потери определяются суммированием потерь в отдельных элементах проточной части по ступенямгде Дйл - потери в отдельных элементах ступени, С„,тх - коэффициенты потерь на входе и выходе осевого компрессора.
Естественно, рабочие величины режима работы компрессора приводятся к стандартным условиям (7/ -288 С,//= 15 С,р„= 1,033 кг/см2) по формулам приведения. Так, приведенное отношение числа оборотов компрессора равно
В системе ГПУ газовую турбину можно рассматривать как сеть, т.е. своеобразное сопротивление, на которую работает осевой компрессор. При достаточно большой степени реакции и числе ступеней более трех расходная характеристика турбины выражается формулойгде S0,5- отношение давлений газа в турбине на расчетном и текущем режимахсоответственно.
При малом числе ступеней расходная характеристика рассматривается как однопараметрическая и описывается эллиптическим закономгде 5, - критическое отношение давлений в ступени.
Отношение давлений, при котором достигается критическая скорость, может быть приближенно найдено из зависимостигде QQ - расчетная степень реактивности ступени.
При работе установки с постоянной частотой вращения для снижения мощности ГТУ уменьшают подачу топлива в КС, что снижает температуру Т3 и одновременно понижает ее аэродинамическое сопротивление. Величина отношения давлений в ГТУ с учетом изменения температуры на ее входе определяется по формуле видагде Л - коэффициент потерь давления в газовоздушном тракте.
Величина коэффициента потерь полного давления в газовоздушном тракте для любого / - го контрольного сечения может быть определена какгде - коэффициент местного сопротивления в / - м сечении; к,. - показательадиабаты для продуктов сгорания (в случае впрыска пара - для смеси чистых продуктов сгорания и водяного пара); л-(лС2\ - газодинамическая функциядавления в / - м сечении; Mt:2 - число Маха по абсолютной скорости потока с2 в/ - м сечении.
Газодинамическая функция давления в соответствии с / 36 / определяется через безразмерную скорость (ЛГ2Д и коэффициент скорости ((//) Эффективный КПД газотурбинного двигателя через приведенные независимые критерии имеет видгде г0 =TiH!TiH - расчетное отношение максимальной и минимальной температур цикла ГТД; т11р - приведенное отношение этих же температур цикла ГТД,которое определяется по формуле
В случае если температура перед ТВД должна поддерживаться постоянной \ГУпр =l), а уменьшением температуры после воздухозаборной камеры можно пренебречь, выражение (2.72) превращается в
Относительное изменение КПД газотурбинного двигателя определяется по выражению Использование впрыска водяного пара в КС ГПУ (принятое рабочее давление впрыска на 0,15 МПа превышает давление воздуха на входе в КС) повышает давление на выходе осевого компрессора за счет увеличения расхода по проточной части G. Это, соответственно сокращает запас устойчивой работы ОК. Запас устойчивости в расчетах оценивался по известной зависимостигде G"p,s - соответственно приведенный расход воздуха и степени повышениядавления в рабочей точке (на совмещенной характеристике ОК и ГТ); G"„p ,є соответственно приведенный расход воздуха и степень повышения давления на границе устойчивой работы.
Разработанные модели газопаровой турбины позволили выполнить расчеты ее характеристик. Результаты расчетов характеристик ГПУ на базе ГТЭ-2,5 с использованием парового впрыска и без него приведены на рис. 2. 3-2. 22 и в таблицах 2.1- 2. 6.
Анализ приводимых результатов указывает на значительное влияние энергетического впрыска пара в камеру сгорания ГТУ на ее характеристики. Так, мощность на силовом валу модернизированной газовой турбины возросла во всем диапазоне расчетных температур наружного воздуха и составила 4,3-5,2 МВт (большее значение соответствует температурам наружного воздуха ниже +15С). В аналогичных климатических условиях без впрыска пара мощность этой ГТУ была на уровне 2,4-3,7 МВт. Возрос также и КПД ГПУ на различных режимах работы, на максимальной мощности с впрыском пара он достигает почти 38% против 31% без впрыска.
Методика расчета показателей надежности систем теплоснабжения на базе ГПУ
ГПУотпуска теплоты потребителям характеризуется разнообразием параметров и расходов, что продиктовано, прежде всего, типом потребителя: технологическое, коммунально-бытовое и.т.д. Сопоставление экономической эффективности вариантов теплоснабжения от ГПУ-ТЭЦ и от отопительных котельных должно обязательно включать фактор надежности. В свою очередь фактор надежности должен быть методически формализован таким образом, чтобы позволять дифференцированно оценивать последствия перерывов в теплоснабжении и электроснабжении с разными отказовыми уровнями (выше и ниже технологической, аварийной брони и пр.).
В общем случае отпуск теплоты от ГПУ-ТЭЦ осуществляется как от котлов утилизаторов в режиме работы ГПУ без впрыска пара, так и от низкотемпературного теплообменника с разнообразным способом их включения. Транспортировка теплоты, как правило, осуществляется одновременно по двум или более теплопроводам при условии обеспечения полного требуемого расхода на случай выхода из строя одного из них.
При теплоснабжении от отопительной котельной значительно сложнее, чем от ГПУ-ТЭЦ с поперечными связями, добиться приемлемо высокой надежности отпуска теплоты. Когда котельные расположены ближе к конкретному потребителю, транспорт теплоты от них может быть более надежным, во-первых, из-за меньшей общей интенсивности отказов более коротких трубопроводов, во-вторых, из-за сокращения длины секционированных участков и увеличения числа параллельных ниток (при несколько уменьшенном их диаметре).
Вторая группа причин влияет на интенсивность восстановления трубопроводов с длиной неотключаемой секции L, диаметром d по уже установленным зависимостям / 79 /.
Теплофикационные газопаровые энергоустановки ТЭЦ, предназначенные для выработки электроэнергии и горячей воды для нужд отопления и горячего водоснабжения, являются наиболее сложными в техническом, структурном и функциональном отношении, по сравнению с одноцелевыми установками. Вследствие достаточно сложной структуры ГПУ в зависимости от режимов их работы, а также различного спектра мер по обеспечению надежности для них характерна взаимосвязь вырабатываемых видов энергии. Это обстоятельство усложняет решение задачи расчета показателей надежности в связи с необходимостью учета этой взаимозависимости.
Таким образом, теплофикационная газопаровая установка представляет собой сложную, разветвленную систему отдельных элементов, функционально объединенных одним технологическим процессом. Расчет показателей надежности теплофикационной ГПУ проводится в предположении, что каждый элемент в любой момент времени t плановой его работы может находиться в одном из двух состояний: работоспособном и неработоспособном. Состояние любого элемента установки в любой момент времени можно представить индикаторной диаграммой периодов работоспособности tp и периодов восстановления tB,
Т.е. tp], IB], tp2, lD2) ) їріі) вп Состояние ГПУ определяется состоянием ее элементов. Если состояние І-го элемента в момент времени t Xj(t), то состояние установки описывается графом вида
Установка полностью работоспособна, если X(t)={l, 1,...,1,...,1}. Для расчета показателей надежности ГПУ необходимо определить вероятность и время нахождения установки во всех возможных состояниях. Для этого используется методы перебора состояний, «дерева отказов», минимальных путей и сечений и др. / 28, 29 /. Настоящая методика базируется на марковской модели эволюции состояний системы, как наиболее универсальной из всех вышеперечисленных, В основе расчета структурной надежности установки лежит описание ее функционирования с помощью марковского процесса с дискретным множеством состояний и непрерывным временем / 29 А Основой предпосылки использования марковской модели является принятие экспоненциальных законов распределения времени работы и восстановления, представляемых в видегде X, [і - соответственно интенсивности отказов и восстановлений элемента. Этот метод сочетается с представлением функционально-структурных связей системы в виде графов состояний.
На рис. 3.16. показана расчетная структурная схема теплофикационной газопаровой установки. На рис. 3.17 приведена структурно-сложная принципиальная тепловая схема ГПУ-ТЭЦ с поперечными связями, на которой установлено, в самом общем случае, как однотипное, так и разнотипное оборудование. Здесь имеются параллельные связи по свежему пару, а также общий коллектор горячей воды для отопления. Кроме того, в качестве функционального резерва общем случае могут быть использованы камеры дожигания топлива в среде уходящих газов ГТУ.
Если отопительная ГПУ состоит из п выделенных элементов, то P;(t) - вероятность того, что она в момент времени t находится в состоянии і. Вероятность того, что установка за время At перейдет из і-го состояние в любое другое, запишется в виде / 44 /где Pjj(At+t) - вероятность того, что установка останется в і-м состоянии за время At.
Вероятность того, что установка попадет в І-е состояние из любого другого за время At, составитгде Pjj(t+At) - вероятность перехода установки из j-ro состояния в і-е.После некоторых преобразований формулы (3.39) получим систему уравнений вида
Системная топливная эффективность ГПУ-ТЭЦ
С целью определения системной топливной эффективности ГПУ-ТЭЦ с учетом размещения в различных климатических зонах были рассчитаны типовые графики тепловых нагрузок по продолжительности для условий г.г. Перми, Саратова и Астрахани. В соответствии с рекомендациями /79,80/ были при няты средние значения продолжительности отопительного периода: для Перми - 226 суток; для Саратова - 198 суток; для Астрахани - 172 дня.
Кроме того, в расчетах приняты следующие показатели тепловой эффективности базового варианта теплоэнергоснабжения (раздельная схема): КПД котельной - 0,9, КПД КЭС изменялся в пределах 0,365 - 0,475 в зависимости от сезона, В качестве основного и резервного топлива ГПУ-ТЭЦ был принят при-родный газ с плотностью 0,7266 кг/м и низшей теплотой сгорания 46,93 кДж/кг.
Для выбранных регионов расчеты проводились для сходных режимов работы. Учитывая влияние впрыска пара в камеру сгорания ГТУ на ее энергетические и топливные показатели, эти режимы работы были сформированы следующим образом:-при температурах наружного воздуха tm -15 С с отключенным впрыском пара (g=0,0);- при -15 С t„ +8 С со средней долей впрыскиваемого пара (g=0,06-0,08);- при im +8 С с долей впрыскиваемого пара близкой к максимальной
По продолжительностям стояния различных температур в регионах были определены среднегодовые продолжительности работы ГПУ-ТЭЦ на указанных режимах. Общая годовая продолжительность работы блока ГПУ-ТЭЦ была принята на уровне 7500 часов. Для заданных режимов работы были рассчитаны основные энергетические показатели работы установок: электрическая и тепловая мощности, расходы топлива в камере сгорания ГТУ. Так, средняя электрическая мощность блока ГПУ-ТЭЦ в течение заданного режима работы изменилась от 2,5 МВт при работе без впрыска пара до 4,8 МВт при работе с долей впрыска, близкой к максимальной. Средняя тепловая мощность блока для аналогичных режимов принимала значения, соответственно, 5,2 МВт и 1,1 МВт.
Предварительный анализ полученных результатов указывает на то, что:- климатические факторы, а, следовательно, условия размещения, оказывают влияние на топливную эффективность ГПУ-ТЭЦ. Так, среднегодовая величина Д/7[т„, составила для Перми - 0,255, для Саратова - 0,261, для Астрахани -0,262;- топливная эффективность ГПУ-ТЭЦ во многом определяется величиной отпущенной тепловой энергии в случае ее работы по тепловому графику;- наибольшее влияние на экономию топлива в системе имеет режим с температурами наружного воздуха - 15 - +8 С, учитывая его наибольшую продолжительность и сбалансированность величин тепловой и электрической мощности ГПУ;- при работе по тепловому графику потенциально возможная значительная величина системной экономии топлива ГПУ вследствие больших долей впрыска пара сдерживается снижением теплопотребления до уровня нагрузки горячего водоснабжения;- режим работы ГПУ при самых низких температурах наружного воздуха не оказывает существенного влияния на системную экономию топлива ( Д/?т.„, = 0,2 - 0,3) ввиду неиспользования впрыска и малой его продолжительности.
Оценка экономической эффективности ГПУ-ТЭЦ производится на основе следующих основных показателей: чистый дисконтированный доход, индекс доходности, срок окупаемости, внутренняя норма доходности. На указанные показатели оказывают влияние расходные и доходные факторы. К первым относятся величина инвестиций для содержания ГПУ-ТЭЦ (капиталовложения), стоимость используемого топлива, затраты на оплату обслуживающего персонала, нормативные выплаты за загрязнения и дополнительные затраты на обес печение заданного уровня экологического воздействия, затраты на обеспечение заданного уровня надежности теплоэнергоснабжения потребителей и др. Доходные факторы состоят из выручки от реализации тепловой и электрической энергии.
Для проведения технико-экономических расчетов отопительных ГПУ на базе ГТЭ-2,5 определена на базе отечественных данных (ОАО «Пермские моторы») и зарубежных данных /116-120/ определена структура капитальных затрат в сооружение ТЭЦ. В /109/ представлен поэлементный состав капитальных затрат на оборудование, проектные и строительно-монтажные работы для отопительной ТЭЦ мощностью 10000 кВт (см. таблицу 4.1). Определив процентный вес каждой составляющей, вычислим капитальные затраты в отопительную ТЭЦ из двух ГПУ на базе ГТЭ мощностью 2500 кВт. Данные таблицы 4,6 использованы при расчетах экономической эффективности строительства малой ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ. Для принятых исходных данных определена себестоимость производства электрической и тепловой энергии. При стоимости топлива 1270 руб / 1000 м3 стоимость производства электроэнергии не превышает 38-40 коп/кВт.ч, стоимость производства тепловой энергии не превышает 250-270 руб/Гкал.
При анализе экономической эффективности создания ГПУ-ТЭЦ принято, что динамика изменения стоимости топлива и тарифов на электрическую и тепловую энергию соответствуют данным Стратегии развития ТЭК России до 2020 года для рассматриваемых регионов. В качестве исходных данных для расчета приняты следующие показатели:- тариф по отпуску электроэнергии - 0,90 - 1,20 руб/(кВт-ч);- тариф по отпуску теплоты - 422,5 руб/(Гкал);- цепа на топливо (природный газ)- 1271 руб/тыс.м3;- число часов работы ТЭЦ- 7500 ч/год.
Для определения экономической и финансовой эффективности ГПУ-ТЭЦ на базе агрегатов ГТЭ-2,5 с впрыском пара была использована лицензированная профессиональная система оценки коммерческой эффективности инвестиционных проектов «Альт-Инвест» (версия 2,0). Этот программный продукт позволяет определить все необходимые для принятия решения экономические и финансовые критерии, приведенные в разделе 1 настоящей работы. Основные показатели эффективности инвестиционного проекта создания и функционировав Суммарные капиталовложения в ГПУ-ТЭЦ мощностью 5,0 МВт составляют 139,00 млн. рублей. Срок строительства одного блока 6 месяцев. Расчетный срок жизни проекта 10 лет.Проанализирована сравнительная эффективность ГПУ-ТЭЦ для различных климатических зон размещения. Так, величина отпущенной электроэнср
