Введение к работе
Актуальность темы. Децентрализация энергоснабжения локальных и удаленных потребителей на базе газотурбинных мини-ТЭЦ (ГТ-МТЭЦ). объективный процесс развития малой энергетики, определяемый условиями рыночной экономики. Основные стимулирующие факторы этого процесса: сокращение инвестиционного цикла за счет малых сроков строительства; относительно низкие инвестиции (нет необходимости в сооружении распределительного устройства с повышающим трансформатором, так как близость потребителя и малая единичная мощность электрогенераторов позволяет осуществлять энергоснабжение потребителей на генераторном напряжении); существенно низкие затраты в тепловую сеть; возможность размещения на малых территориях, выделенных для городских и заводских котельных; высокая тепловая эффективность, быстрая окупаемость и высокая надежность энергоснабжения потребителей.
При диапазоне электрической мощности от пяти до двадцати и тепловой - от пяти до сорока мегаватт, характерных для ГТ-МТЭЦ, принципиально возможно большое число их вариантов, отличающихся графиками электрических и тепловых нагрузок, составом основного оборудования, видом топлива, наличием связи с централизованными электрическими и тепловыми сетями.
Известны три подхода к определению электрической мощности: на базе теплового потребления, позволяющего получить наибольшую экономию топлива от комбинированного энергоснабжения, и по максимуму электрической нагрузки потребителя, дающему меньшую экономию топлива, но обеспечивающему надежную работу по электрическому .графику нагрузки (при связи ГТ-МТЭЦ с энергосистемой) и по наибольшему экономическому эффекту в народном хозяйстве.
Непрерывный рост цен на энергоносители и все виды энергии, частые аварийные отключения при монопольном производстве электроэнергии, взаимные неплатежи непосредственно влияют на выживаемость предприятий, повышая себестоимость и снижая конкурентоспособность их продукции, и вызыва-
4 ют естественное стремление не только крупных, но и относительно небольших предприятий к сооружению собственных ГТ-МТЭЦ.
Для угольных регионов Сибири создание и внедрение пылеугольных газотурбинных мини-ТЭЦ как объектов развивающейся малой энергетики является актуальной задачей. Актуальность обостряется окончанием и, так называемой «газовой паузы» в энергетике.
В современных условиях эта задача может быть решена на основе применения новых технологий использования угля и новых технологических решений для ГТ-МТЭЦ.
Цель работы: оптимизация параметров и схем пылеугольных ГТ-МТЭЦ с технологией внешнего сжигания.
В данной работе на основании методологии решения экономико-эксергетических системных исследований решена народно-хозяйственная проблема оптимизации параметров и схем пылеугольных ГТ-МТЭЦ с технологией внешнего сжигания и предварительной термоподготовкой пылеуголыюго топлива в термоциклонных предтопках (ТЦП). Такая технология позволяет создавать пылеугольные газотурбинные МТЭЦ благодаря оптимизации внешнего сжигания. По сравнению с традиционной технологией камера сгорания газотурбинной установки заменяется котлом с ТЦП, что обеспечивает как энергоресурсосбережение путем вовлечения в энергобаланс некондиционного топлива (промпродукт, отсевы и т.п.), так и экологосбережение путем снижения выбросов вредных веществ, главным образом окислов азота, за счет организации процесса термоподготовки пылеугольного топлива в ТЦП и последующего сжигания в топке котла уже газовзвеси (двухфазного экологичного топлива).
Объект исследования: пылеугольная ГТ-МТЭЦ с технологией внешнего сжигания и предварительной термоподготовкой пылеуголыюго топлива в ТЦП.
Основные задачи исследования: 1. Разработка методики технико-экономических расчетов и оптимизации ГТ-МТЭЦ с экологически перспективной технологией частичной газификации угля в термоциклонном предтопке при внешнем сгорании в ГТУ и — с ком-
5 плексным учетом обеспечения графиков электрических и тепловых нагру- зок, заданной надежности энергоснабжения, возможных режимов работы в энергосистеме ТЭК и современных требований к инфраструктуре и экономическим отношениям.
-
Обобщение результатов экспериментальных, опытно-промышленных и функционирующих газотурбинных и газификациошю-реакторных установок и предтопков по режимам, схемам, параметрам и экономическим характеристикам с целью использования их в качестве исходных данных для оптимизации и исследования ГТ-МТЭЦ.
-
Комплексная оптимизация и разработка рекомендаций по выбору параметров и характеристик оборудования ГТ-МТЭЦ с технологией внешнего сжигания и ТЦП.
-
Определение технико-экономической эффективности и оптимального профиля ГТ-МТЭЦ с технологией внешнего сжигания и ТЦП.
Методы исследования: методика экономико-эксергетических системных исследований в энергетике, математическое и компьютерное моделироваїше ГТ-МТЭЦ с технологией внешнего сжигания и термоподготовкой пылеугольного топлива в ТЦП в реальных условиях функционирования, методы экономи-ко-эксергетической оптимизации теплоэлектростанций.
Научная новизна работы: Разработана методика технико-экономических расчетов и оптимизации параметров и схем ГТ-МТЭЦ с технологией внешнего сжигания и термоподготовкой пылеугольного топлива в ТЦП при комплексном учете обеспечения графиков нагрузки, заданной надежности энергоснабжения, возможных режимов работы в энергосистеме и современных требований к инфраструктуре (экологической, социальной, производственной).
Обобщены результаты экспериментальных, опытно-промышленных и функционирующих газотурбинных и газификациошю-реакторных установок и предтопков по режимам, схемам, параметрам и экономическим характеристикам и полученные результаты использованы в качестве исходных данных для оптимизации и исследования ГТ-МТЭЦ.
Впервые выполнена комплексная оптимизация параметров и схем ГТ-МТЭЦ с технологией внешнего сжигания и ТЦП и на ее основе выявлены основные закономерности влияния системных факторов на оптимальные характеристики энергооборудоваиня, профиль знергоблоков IT-МТЭЦ и его технико-экономическую эффективность в условиях обеспечения графиков наїрузок, надежности ГТ-МТЭЦ и энергоснабжения при экологических и системных ограничениях.
Впервые предложен и применен в системных исследованиях ГТ-МТЭЦ технико-экономический определяющий критерий, что позволило получить достаточно обобщенные и устойчивые оптимальные решения.
На основе приведенных системных исследований ГТ-МТЭЦ с внешним сжиганием я ТЦП сформулированы рекомеїщации по выбору параметров, схем и профилю энергооборудования.
Работа выполнялась в рамках Федеральной целевой программы «Интеграция высшей школы и академической науки» (проект №330).
Практическая значимость. Результаты экономико-эксергетических системных исследований ГТ-МТЭЦ с внешним сжиганием и термоподготовкой пылеуголыюго топлива в ТЦП комплексно определяют:
взаимосвязь технологических, режимных, экономических, надежностных, экологических и инфраструктурных факторов при производстве и отпуске электрической и тепло 80й энергии в реальных условиях работы ГТ-МТЭЦ в энергосистеме;
научно-методическую основу формирования исходной информации по определению рациональных ігутей создания и совершенствования ГТ-МТЭЦ с технологией внешнего сжигания и ТЦП.
Получены оптимальные характеристики энергооборудования ГТ-МТЭЦ с технологией внешнего сжигания и ТЦП. Сформированы рекомендации по выбору параметров и схем и профилю энергооборудования. Обобщены с позиций информационного обеспечения системного анализа результаты экспериментальных, опытно-промышленных и функционирующих газотурбинных и гази-
7 фикациошю-реакторных установок и предтопков по режимам, схемам параметрам и экономическим характеристикам.
Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обоснована использованием методики системных исследований в энергетике, фундаментальных закономерностей технической термодинамики, теплопередачи, теории надежности и эксергетического подхода. Математическое и компьютерное моделирование функционирования ГТ-МТЭЦ с внешним сжиганием и ТЦП базируются на методах, апробированных и хорошо себя зарекомендовавших на решении ряда других задач подобного юіасса. Проведе :ю сравнение параметров теплофикационных ГТ-энергоблоков с опубликованными данными.
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в проектной организации ОАО «Теплоэлекфопроект» на стадии использования результатов по ГТ-МТЭЦ в проектной прзктике, ЗАО «КОТЭС» на стадии использования результатов при моделиропании процессов в ГТ-эпергоблоках, ОАО «НовосибирскНИИхиммаш» на стг.дии разработай технико-экономического обоснования реконструкции котлов ТЭЦ ПВС ЗСМК с применением ТЦП, в учебном процессе НГТУ.
На защиту выносятся основные научные положения и результаты, сформированные в заключении.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на семинарах проблемной лаборатории теплоэнергетики НГТУ (Новосибирск, ] 996...1999 гг.), на международных симпозиумах и конференциях «KORUS'98» (Томск, 1998 г.), «Confer on the combustion» (Brno, 1997 г.), «Проблемы энергосбережения и рационального использования энергоресурсов з сибирском регионе» (Новосибирск, 1997 г.), «Science and Technology» (Корея, 1997 г.), «Использование методов математического моделирования в котельной технике» (Красноярск, 1996 г.), «Проблемы повышения эффективности и надежности систем тепло-энергоснабжения» (Саратов, 1999 г.).
Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 19 печатных изданиях.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (147 наименований, из них 67 иностранных) и приложения (акты об использовании). Основной текст изложен на 161 странице, содержит 37 рисунков, 16 таблиц.
