Содержание к диссертации
Введение
1. Методика оптимизации параметров энергоблока угольной мини-ТЭЦ 19
1.1 .Постановка задачи оптимизации параметров энергоблока угольной мини-ТЭЦ 19
1.2. Методический подход к решению задачи согласованной оптимизации конструктивных характеристик и режимов работы энергоблока мини-ТЭЦ 22
2. Математическая модель энергоблока угольной паротурбинной мини-ТЭЦ 27
2.1 .Вопросы математического моделирования теплоэнергетических установок 27
2.1.1. Математическая модель охладителя пара, ориентированная на конструкторский расчет 29
2.1.2. Математическая модель охладителей пара, ориентированная на поверочный расчет 33
2.1.3. Математическая модель отсека паровой турбины, ориентированная на поверочный расчет (регулирующая ступен ь) 34
2.2. Технологическая схема энергоблока угольной паротурбинной мини-ТЭЦ 39
2,3.Расчетная схема угольного паротурбинного энергоблока 40
2.4.Математические модели конструкторского и поверочного расчетов энергоблока угольной паротурбинной мини-ТЭЦ 44
2.5. Решение задачи оптимизации угольного паротурбинного энергоблока с помощью комплексной математической модели 45
3. Результаты оптимизационных исследований энергоблока угольной мини-ТЭЦ 58
3.1 .Исходные данные для оптимизационных исследований 58
3.2, Анализ эффективности процесса оптимизации 59
3.3.Результаты оптимизационных расчетов по критериям минимума суммарной стоимости тепловой и электрической энергий, минимума годового расхода топлива и минимума капиталовложений 74
3.4. Определение оптимальной зависимости между минимальными капиталовложениями и годовым расходом топлива 83
3.5.Результаты оптимизационного расчета по критерию минимума суммарной стоимости тепловой и электрической энергий с увеличенной тепловой нагрузкой 84
3.6.Сопоставление экономической и энергетической эффективности угольных энергоблоков на оптимизированных и «стандартных» параметрах 87
Заключение 89
Литература 91
Приложение 104
- Методический подход к решению задачи согласованной оптимизации конструктивных характеристик и режимов работы энергоблока мини-ТЭЦ
- Технологическая схема энергоблока угольной паротурбинной мини-ТЭЦ
- Решение задачи оптимизации угольного паротурбинного энергоблока с помощью комплексной математической модели
- Определение оптимальной зависимости между минимальными капиталовложениями и годовым расходом топлива
Введение к работе
Одним из приоритетных направлений экономики России является развитие энергетики. В настоящее время ситуацию в сфере энергетики можно охарактеризовать как затяжной кризис. Значительная часть населенных пунктов нашей страны не имеет централизованного энергоснабжения, а обеспечивается теплом и электроэнергией от автономных (изолированных) энергоисточников. Это характерно для некоторых регионов Сибири, Дальнего Востока и Крайнего Севера. Тепловую энергию изолированные потребители получают от котельных, сжигающих местное или привозное твердое топливо, а электрическую энергию, во многих случаях, - от дизельных электростанций (ДЭС), работающих на дорогом привозном жидком топливе. Комбинированное производство тепла и электроэнергии является одним из способов повышения экономической и энергетической эффективности систем энергоснабжения. Поэтому в последние годы уделяется все большее внимание строительству паротурбинных мини-ТЭЦ, сжигающих местное твердое топливо и обеспечивающих потребителей тепловой и электрической энергией.
Можно привести ряд примеров. Предварительные исследования показали высокую экономичность двухблочной ТЭЦ мощностью 12 МВт на зырянском угле в населенных пунктах бассейна р. Колыма (Республика Саха (Якутия)) по сравнению с существующей раздельной схемой энергоснабжения (ДЭС плюс угольные котельные). Их относительная экономичность при стоимости дизельного топлива 216 - 432 дол./т, угля 29 - 43 дол./т, составляет 40 - 60%. Кроме того, при этом высвобождаются десятки транспортных средств (речных, морских танкеров, бензовозов), занятых перевозкой дальнепривозного дизельного топлива [1]. В Республике Саха (Якутия) планируется строительство угольных мини-ТЭЦ в поселках Черский, Сангар, Зырянка, Угольное, Депутатский, Джебарики-Хая [2-6].
В Корякском автономном округе строятся мини-ТЭЦ в окружном центре -поселке Палана и селе Корф. Помимо этих, программа развития региона предусматривает строительство еще трех аналогичных объектов в Оссоре, Тигиле и Манилах. Все пять мини-ТЭЦ, которые будут построены в Корякин, будут работать на бурых углях, добываемых из собственных корякских месторождений, что существенно снизит себестоимость оказываемых ими услуг. Кроме того, они дадут комбинированную выработку тепла и электроэнергии, а это даст возможность применять различные схемы энергоснабжения [7-11]. Перечень запланированных мероприятий на ближайшее время в Эвенкийском автономном округе включает строительство мини-ТЭЦ в поселках Тура и Байкит и комплекс работ по освоению угольного месторождения «Кораблик» [12, 13]. Рассматривается возможность строительства угольных мини-ТЭЦ и использования на них углей Крутогор овского месторождения в Камчатской области [14]. Научно-производственным предприятием ОАО «Малая энергетика» ведутся разработки вариантов сооружения автономных мини-ТЭЦ на базе местных угольных месторождений в Корякском и Эвенкийском автономных округах с различным составом основного оборудования. Предусматривается разработка новых типов оборудования, наиболее пригодных для использования в удаленных северных территориях страны [15].
Золотодобывающее предприятие «Артель старателей «Полярная»» (Чукотский автономный округ) имеет в своем составе несколько шахт, транспортные и ремонтные цеха, а также угольный разрез. Поэтому несколько лет назад была построена собственная мини-ТЭЦ, которая обеспечивает коллектив теплом и электроэнергией [16].
Золотодобывающей компанией «Полюс» ведется разработка Кокуйского месторождения каменного угля в Нижнем Приангарье. Здесь планируется построить мини-ТЭЦ мощностью 20-25 МВт для покрытия потребности рудников в электроэнергии. Запасы Кокуйского месторождения оцениваются в
300 млн. тонн. Раньше в регион ввозили уголь из Хакасии, что обходилось значительно дороже. Качественные характеристики местного угля не уступают черногорским углям. Запущен проект по переоборудованию самой крупной в районе котельной, расположенной на Северо-Ангарском горнометаллургическом комбинате, в мини-ТЭЦ, работающей на местном угле. Пока она законсервирована, комбинат, занимающийся добычей и обогащением магнезита и золота, работает на электроэнергии дизельной станции. Практически все дизельные электростанции региона закрываются, а сооружаются мини-ТЭЦ, работающие на местном угле [17].
Следует отметить, что сооружение угольных мини-ТЭЦ планируется не только для энергоснабжения изолированных потребителей, но и потребителей, расположенных в зоне действия централизованного энергоснабжения. ОАО Угольная компания «Южный Кузбасс» рассматривает возможность строительства мини-теплоэлектроцентрали мощностью 16 МВт в рамках реконструкции технологической котельной на углеобогатительной фабрике в г. Мыски на юге Кемеровской области. Окончательное решение будет зависеть от стоимости проекта. Если все же начнется строительство мини-станции, это будет уже второй проект подобного рода в Кузбассе. В 2003 году небольшой энергоблок на 3,5 МВт построила в Анжеро-Судженске «Кузбасская топливная компания», планируется построить второй блок на 5 МВт [18, 19].
При решении вопроса об эффективности строительства угольной мини-ТЭЦ в поселке Сангар в Якутии с тепловой нагрузкой 40 Гкал/ч и электрической нагрузкой 6 МВт ставился вопрос о выборе давления пара на входе в турбину. При увеличении начального давления возрастают требования к квалификации и ответственности обслуживающего персонала, но при этом можно заметно уменьшить потребление пара и установить четыре котла (КЕ-25-24 «Бийскэпергомаша») вместо пяти и соответственно уменьшить потребление топлива при одинаковой выработке тепловой и электрической энергии. В качестве турбин приняты блочные турбогенераторы П-1,5-24/7 (конденсационные с регулируемым отбором пара), которые серийно выпускаются Калужским турбинным заводом [20].
Из вышесказанного можно сделать вывод о том, что в ближайшие годы можно ожидать достаточно массовое строительство угольных мини-ТЭЦ.
Следует отметить, что все указанные проекты основаны на использовании паровых турбин и котлов, разработанных в 50-е - 60-е годы прошлого века. Обоснование параметров этого оборудования проводилось без учета современных критериев экономической эффективности и современных соотношений между ценами на оборудование и топливо, а также без достаточно корректного учета режимов функционирования.
В связи с этим актуальной представляется задача оптимизации конструктивных и термодинамических параметров энергоблоков угольных мини-ТЭЦ. Указанная задача (задача I) может решаться для разных условий.
Во-первых, решение задачи возможно для некоторых «типовых» условий функционирования (к которым относятся: соотношение электрической и тепловой нагрузок, графики отпуска тепла и электроэнергии, цена топлива и т.д.), хорошо представляющих фактические условия работы достаточно большого числа реальных мини-ТЭЦ. В результате решения этой задачи определяется конструкция оборудования, являющегося наиболее подходящим в качестве типового для всего множества мини-ТЭЦ со сходными условиями работы. Тогда при проектировании конкретной станции решается задача II, состоящая в выборе числа устанавливаемых на ТЭЦ типовых блоков и технологической схемы станции.
Во-вторых, решение задачи оптимизации параметров энергоблока (задачи I) возможно для условий функционирования конкретной мини-ТЭЦ (в ближайшем будущем многие заводы-изготовители смогут адаптировать поставляемое оборудование к конкретным условиям работы станции-заказчика). В этом случае также решается задача И по выбору числа устанавливаемых на мини-ТЭЦ энергоблоков. Причем между этими задачами возможна итерационная взаимоувязка.
Кроме задачи оптимизации конструктивных и термодинамических параметров энергоблоков и задачи оптимизации числа энергоблоков на мини-ТЭЦ можно выделить задачу оптимизации параметров системы теплоснабжения, в первую очередь, выбора температурного графика отпуска тепла с горячей водой (задача III). В общем случае (при оптимизации энергоблока для конкретной мини-ТЭЦ) задача I может итерационно увязываться как с задачей II, так и с задачей III.
Данная диссертационная работа посвящена решению первой задачи -задачи оптимизации конструктивных и термодинамических параметров энергоблоков угольных мини-ТЭЦ, существенно влияющих на экономическую и энергетическую эффективность, как мини-ТЭЦ, так и системы энергоснабжения в целом.
Современные паротурбинные установки (ПТУ) представляют собой сложные технологические схемы взаимосвязанных элементов. Кроме того, тепловая и электрическая нагрузки ПТУ меняются в течение года. Электрическая нагрузка зависит от типа потребителя энергии - население или производственный потребитель. В ее изменении в общем случае можно выделить суточные и сезонные колебания. Тепловая, в первую очередь, отопительная нагрузка зависит от температуры наружного воздуха. Для северных и восточных регионов, где в первую очередь будут строиться угольные мини-ТЭЦ, характерны большие перепады температуры наружного воздуха в течение года. Разница между максимальной тепловой нагрузкой, рассчитываемой по температуре воздуха самой холодной пятидневки, и минимальной - летней, когда остается только нагрузка горячего водоснабжения, оказывается значительной. Такие графики нагрузок особенно характерны для теплоэнергетических установок, работающих в автономных энергетических системах и снабжающих тепловой и электрической энергией изолированных потребителей. Особенностью работы мини-ТЭЦ, в отличие от крупных ТЭЦ, является именно то, что они покрывают как базовую, так и пиковую часть графика электрической нагрузки самостоятельно, поскольку работают вне системы централизованного электроснабжения. Таким образом, выбор оптимальных параметров энергоблоков мини-ТЭЦ должен проходить с учетом изменения графиков нагрузок.
Поиск оптимальных конструктивных и термодинамических параметров энергоблоков угольных мини-ТЭЦ с учетом переменного характера тепловых и электрических нагрузок необходимо вести с помощью методов математического моделирования и оптимизации с использованием современных компьютерных технологий.
Необходимость в применении математического моделирования и оптимизации в энергетике возникла в связи с существенным усложнением энергетических установок в процессе их развития. Начиная с момента изобретения теплового двигателя в начале XIX века, ученые стремятся к совершенствованию процессов для приближения к «идеальному циклу» преобразования энергии топлива в теплоту и энергию. До появления электронно-вычислительных машин в первой половине XX века велись «ручные» расчеты с использованием аналитических методов. Были созданы: метод теплового баланса, с помощью которого можно определить источники потерь тепла и пути их снижения; методы оценки влияния изменения в тепловой схеме на экономичность станции с помощью коэффициента ценности теплоты, коэффициента изменения мощности [21] и др. Появились работы в области экономики энергетики и технико-экономического обоснования параметров и оценки эффективности разных типов электростанций, видов топлива и энергоносителей [22]. В 60-е гг. В.Я. Рыжкиным [23, 24] был разработан метод эквивалентных теплоперепадов, использующийся для термодинамического анализа паротурбинных установок. Оптимизации параметров теплоэнергетических установок (ТЭУ), основанной на применении эксергетического подхода, были посвящены работы А.И. Андрющенко, Р.З. Аминова и др., выполненные в Саратовском государственном техническом университете [25-28].
Появление в конце 50-х годов электронно-вычислительных машин обусловило массовую разработку математических моделей для исследований и управления развитием и функционированием систем во всех областях энергетики. В начале ЭВМ использовались для «механизации» расчетов по имеющимся методикам и методам, позже начали разрабатываться новые математические методы и модели, специально ориентированные на применение вычислительной техники [29].
Известно достаточно много работ по применению математического моделирования и оптимизации, направленных на повышение экономической и энергетической эффективности ТЭУ. Такие работы ведутся как в нашей стране, так и за рубежом [28, 30-45]. С целью расширения исследований по развитию энергетики с использованием математического моделирования и ЭВМ в 1960 г. был создан Сибирский энергетический институт СО АН СССР (сейчас Институт систем энергетики СО РАН). Разработкой математических моделей в области расчетов нестационарных и установившихся режимов электроэнергетических систем, управления ими и оценки их надежности занимались многие научно-исследовательские (ВНИИЭ, ЭНИН им. Г.М. Кржижановского, ИСЭМ, Энергосетьпроект и др.) и учебные (МЭИ, УПИ, ЛПИ и др.) институты [46-52].
Подход, основанный на сочетании аналитических методов оптимизации с математическим моделированием энергоустановок атомных электростанций, представлен в работе Андреева П.А., Гринмана М.И., Смолкина Ю.В. (НПО ЦКТИ) [53]. Вульманом Ф.А. и Хорьковым Н.С. (ЦНИИКА) предложено построение математических моделей теплоэнергетических установок на основе модульного программирования [54-56]. Большой комплекс исследований в области оптимизации процессов и конструкций турбомашин и автоматизации их проектирования проведен в Институте проблем машиностроения АН Украины Шубенко-Шубиным Л.А., Палагиным А.А. и др. [57-63]. Применение методов нелинейного программирования реализовано в ННГТУ А.С. Карабасовым, Г.Б. Усыниным и др. [64-67]. Работы В.М. Боровкова, С. А. Казарова А.Г. Кутахова [68, 69], выполненные в СПбГТУ и Ленэнерго, посвящены автоматизированному проектированию тепловых схем паротурбинных установок ТЭС и АЭС и моделированию переменных и стационарных режимов их работы.
В Новосибирском государственном техническом университете Ноздренко Г.В., Щинниковым П.А. и др. разработан и эксплуатируется в течение ряда лет вычислительный комплекс для многовариантных технико-экономических и оптимизационных расчетов ТЭС с традиционными и новыми технологиями. Функциональной частью вычислительного комплекса является структурная схема TEPLOT. Настройка блоков программы производится по агрегатам (котлу, турбине, техническим схемам и др.) и в целом по энергоблоку. Для определения показателей котлов и настройки их моделей применяются специализированные программы, а при расчете газификаторов - программы, разработанные в НГТУ [45]. Выполнен ряд работ по исследованию экологически перспективных энерготехнологических блоков электростанций с новыми технологиями [70-72], разработана методика технико-экономической оптимизации энергоблоков ТЭС с использованием интегрального критерия эффективности [73].
Работы по моделированию энергетических установок проводились и за рубежом [30-32, 74-79]. Более подробно следует отметить работы итальянских ученых A.Toffolo, A.Lazaretto [31], в которых используется, как и в данной диссертационной работе, вариант подхода к оптимизации ТЭУ с учетом как экономической, так и энергетической эффективности. Проводится поиск Паретто-оптимальных решений для ГТУ с регенеративным подогревом воздуха и котлом-утилизатором для получения сухого насыщенного пара давлением 2,0
МПа. Используется весьма простая модель с двумя критериями эффективности: 1) эксергетический КПД, 2) приведенные затраты, определяемые с нормативным коэффициентом эффективности капиталовложений, равным 0,182. С использованием эволюционного (генетического) алгоритма оптимизации ищется множество Паретто-оптимальных решений (по указанным двум критериям). Причём такие множества строятся для разных цен на топливо. К недостаткам этой работы можно отнести следующее. Используются упрощенные модели элементов, в которых нет внутренних параметров теплообменников и др. аппаратов; отсутствуют аэродинамический и гидравлический расчёты, расчёт температур металла труб теплообменников; не сформулированы и соответствующие им ограничения-неравенства. Учитываются только термодинамические ограничения-неравенства, соблюдение которых необходимо для передачи тепла в нужном направлении. Для оптимизации параметров установки используется генетический алгоритм, фактически сочетающий элементы алгоритма случайного поиска и направленного перебора, который применим только для задач оптимизации малой размерности (не более 5-6 оптимизируемых параметров) и простых математических моделей,
Значительный опыт математического моделирования и оптимизации процессов и схем теплоэнергетических установок накоплен в ИСЭМ СО РАН в работах Левенталя Г.Б., Попырина Л.С, Каплуна СМ., Наумова Ю.В., Клера A.M., Декановой Н.П., Тюриной Э.А. и др. [50, 80-98]. В институте был разработан оригинальный подход к автоматизации построения программ расчета сложных ТЭУ, базирующийся на графовом представлении систем нелинейных алгебраических и трансцендентных уравнений (работы В.Г.Карпова, Л.С.Попырина, В.И.Самусева, В.В.Эпельштейна [99-101]). Был создан программно-вычислительный комплекс «Система машинного построения программ» (СМПП), позволяющий автоматически генерировать программу расчета сложной ТЭУ на основе графического изображения технологической схемы и архивов математических моделей ее элементов, формировать задачи оптимизации параметров ТЭУ (назначать целевую функцию, а также оптимизируемые параметры и ограничения-неравенства, задавать возможные границы их изменения). Были созданы эффективные методы оптимизации параметров энергоустановок, подходы к оптимизации их схем. Предложены методы декомпозиции, позволяющие поэтапно проводить оптимизацию параметров технологических связей и внутренних параметров элементов ТЭУ. Выполнены многочисленные исследования паротурбинных и парогазовых установок, атомных электростанций [81, 84, 85, 102].
Следует отметить, что в указанных работах для исследования сложных установок использовались либо модели, ориентированные только на конструкторские расчеты оборудования, либо только на поверочные расчеты.
В работе A.M. Клера, Н.П. Декановой, Т.П. Щеголевой [103] была предложена методика оптимизации параметров теплоэнергетической установки с учетом переменных условий ее работы. В соответствии с этой методикой число характерных режимов должно выбираться таким образом, чтобы расхождение между годовым расходом топлива энергетической установки, определенным как сумма расходов топлива по всем режимам, и фактическим годовым расходом топлива, определенным на основе всей совокупности режимов работы ТЭЦ в году, находилось в допустимых пределах. В одном из характерных режимов (как правило, в режиме с максимальными нагрузками) проводится конструкторский расчет, ориентированный на определение конструктивных характеристик теплоэнергетической установки по заданным термодинамическим параметрам. В остальных режимах проводятся поверочные расчеты, ориентированные на оценку тепловой эффективности при заданных внешних условиях и конструктивных характеристиках. В работе использованы «традиционные» подробные модели теплофикационной парогазовой установки ПГУ (работающей на природном газе), ориентированные на выполнение одного конструкторского и серии поверочных расчетов. Из-за громоздкости этих моделей решение оптимизационной задачи потребовало чрезвычайно больших затрат машинного времени. При этом из-за «накапливающейся» погрешности последовательно проводимых конструкторского и серии поверочных расчетов имела место неудовлетворительная сходимость оптимизационного процесса.
Основные вычислительные трудности в решении задачи оптимизации ТЭУ с учетом переменных режимов функционирования связаны с выполнением серии поверочных расчетов установки в характерных режимах ее работы. В связи с этим A.M. Клером и АЛО.Маринченко [104-106] использовался нестрогий упрощенный подход, основанный на решении ряда более простых оптимизационных задач, в каждой из которых рассматривался только один режим работы комбинированной теплопроизводящей установки (КТУ) и проводился либо конструкторский, либо поверочный расчет установки. Рассматривались КТУ двух видов: 1) КТУ, состоящая из теплового насоса и пикового источника тепла; 2) КТУ, состоящая из теплового насоса, газотурбинной установки и котла-утилизатора. Метод состоит из трех этапов. На первом этапе определяются наборы конструктивных параметров КТУ, обеспечивающие максимальную экономическую эффективность установки при условии постоянства тепловых нагрузок на протяжении всего расчетного периода. Причем такие наборы определяются при различных стоимостях топлива, выбираемых в достаточно широком диапазоне. Кроме того, тепловые нагрузки, при которых определяются различные наборы параметров, могут быть различными. Для каждого определенного таким образом конструктивного решения определяются капиталовложения. На втором этапе для каждого определенного ранее конструктивного решения проводятся расчеты работы установки для множества характерных режимов, хорошо отражающих всю совокупность условий функционирования КТУ на протяжении расчетного периода. На основе этих расчетов определяются годовые расходы топлива. На третьем этапе на основе данных, полученных на предыдущих этапах, определяется критерий экономической эффективности (например, внутренняя норма возврата капиталовложений) при фактических значениях стоимости тепла и топлива. Сопоставляя значения критерия экономической эффективности, полученные при различных конструктивных решениях, можно найти наилучшее среди них. Такой метод решения зачастую не позволяет получить удовлетворительные результаты, достаточно близкие к оптимальным.
Однако имеющий место в последнее время прогресс вычислительной техники в сочетании с совершенствованием алгоритмов оптимизации (в первую очередь в плане повышения надежности их работы) сделали возможным одноэтапную оптимизацию всех параметров ТЭУ. Это, в свою очередь, открыло возможность оптимизационных исследований зависимостей между энергетической и экономической эффективностью ТЭУ.
Целью настоящей диссертационной работы является:
Разработка методики оптимизации конструктивных и термодинамических параметров энергоблока паротурбинной мини-ТЭЦ с учетом переменных условий ее функционирования, разработка математической модели угольного паротурбинного энергоблока для исследования ТЭЦ малой мощности, выполнение оптимизационных расчетов угольного паротурбинного энергоблока с учетом переменных графиков тепловых и электрических нагрузок при различных сочетаниях цен на топливо и оборудование.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые получены и вынесены на защиту следующие результаты:
1. Методика согласованной оптимизации конструктивных и термодинамических параметров энергоблока паротурбинной мини-ТЭЦ с учетом переменных условий ее функционирования, основанная на использовании линеаризации зависимостей выходных параметров модели поверочного расчета от ее входных параметров.
2. Математическая модель угольного паротурбинного энергоблока, позволяющая проводить конструкторский расчет и согласованную с ним серию поверочных расчетов.
3. Результаты оптимизационных технико-экономических исследований угольного паротурбинного энергоблока с учетом переменных графиков тепловых и электрических нагрузок при различных сочетаниях цен на топливо и оборудование.
Практическая ценность заключается в возможности использования разработанного методического подхода на стадии проектирования новых угольных паротурбинных мини-ТЭЦ или при реконструкции существующих котельных в ТЭЦ малой мощности.
Апробация работы:
Результаты диссертационных исследований опубликованы в 7 печатных работах и обсуждались: - на Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» (Иркутск: ИрГТУ, 2004); - на XXXV конференции-конкурсе научной молодежи ИСЭМ СО РАН (Иркутск, 2005); - на Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» (Иркутск: ИрГТУ, 2005); на Всероссийской конференции «Энергетика России в XXI веке: развитие, функционирование, управление» (Иркутск: ИСЭМ, 2005); - на XXXVI конференции-конкурсе научной молодежи ИСЭМ СО РАН (Иркутск, 2006); - на Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» (Иркутск: ИрГТУ, 2006).
Структура и объем работы:
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем составляет 130 стр.
В первой главе представлена постановка задачи оптимизации параметров энергоблока угольной паротурбинной мини-ТЭЦ с учетом переменных графиков тепловых и электрических нагрузок, а также методика оптимизации конструктивных и режимных параметров угольного энергоблока паротурбинной мини-ТЭЦ, разработанная автором совместно с A.M. Клером и АЛО. Маринченко. Суть этой методики состоит в проведении нескольких оптимизационных расчетов с использованием адаптируемой модели установки, ориентированной на проведение поверочного расчета. В первом оптимизационном расчете в этой модели используются зависимости, полученные в результате линеаризации зависимостей выходных параметров модели поверочного расчета от входных параметров модели поверочного расчета в исходной точке. На втором шаге в модель добавляется аналогичная линейная зависимость, полученная в оптимальной точке первого оптимизационного расчета, на третьем шаге - линейная зависимость, полученная в оптимальной точке второго оптимизационного расчета и т.д. Указанные точки являются базовыми. Зависимости между выходными и входными параметрами модели в текущей точке определяются как линейная комбинация линеаризации в базовых точках с коэффициентами, определяемыми специальной функцией «расстояния» между базовыми точками и текущей точкой. За несколько шагов такого процесса получается достаточно хорошая зависимость выходных параметров модели поверочного расчета от ее входных параметров. Метод позволяет получить хорошую сходимость оптимизационного процесса в упрощенных и точных расчетах вблизи решения задачи оптимизации и значительно сократить машинное время.
Вторая глава данной работы посвящена описанию комплексной математической модели энергоблока угольной паротурбинной мини-ТЭЦ, ориентированной на проведение конструкторского и серии поверочных расчетов. Здесь рассмотрены технологическая и расчетная схемы энергоблока угольной паротурбинной мини-ТЭЦ. Представлены разработанные автором и включенные в библиотеку моделей СМПП математические модели элементов ПТУ: конструкторского и поверочного расчетов поверхностного охладителя пара котла; поверочного расчета отсека (регулирующей ступени) паровой турбины. Приведены параметры разработанных с помощью СМПП-ПК математических моделей конструкторского и поверочного расчетов рассматриваемой паротурбинной установки, а также параметры, передающиеся из конструкторского расчета в поверочные. Изложен принятый в работе метод расчета капиталовложений в установку. Представлен состав оптимизируемых параметров и ограничений-неравенств, назначенных для решения задачи оптимизации.
В третьей главе приведены результаты оптимизационных исследований энергоблока паротурбинной мини-ТЭЦ, отпускающей тепловую и электрическую энергию по графикам нагрузок, характерным для горнообогатительных предприятий. Исследования проводились по критерию минимума суммарной стоимости тепловой и электрической энергий при заданной внутренней норме возврата капиталовложений в широком диапазоне изменения цен на топливо. Также выполнены два предельных оптимизационных расчета по критериям минимума годового расхода топлива и минимума капиталовложений в установку. Для оценки влияния на технико-экономические показатели мини-ТЭЦ соотношения тепловой и электрической нагрузок проведен оптимизационный расчет по критерию минимума суммарной стоимости тепловой и электрической энергий с увеличенной теплофикационной нагрузкой (при прежней электрической нагрузке). Проведено сопоставление энергетической и экономической эффективности энергоблоков с оптимизированными и «стандартными» параметрами.
В заключении кратко сформулированы основные результаты проведенных исследований.
Методический подход к решению задачи согласованной оптимизации конструктивных характеристик и режимов работы энергоблока мини-ТЭЦ
Задача оптимизации энергоблока паротурбинной мини-ТЭЦ с учетом переменных графиков тепловых и электрических нагрузок относится к задачам нелинейного математического программирования с большой (для этого класса задач) размерностью. Сложность оптимизации обусловлена в основном сложностью модели ПТУ, включающей большое количество моделей отдельных элементов установки и технологических связей между ними, многообразием протекающих в них физико-химических процессов. Для расчета моделей используются численные итеративные методы. Имеются «внутренние» итерации расчета отдельных элементов и «внешние» итерации расчета схемы целиком, т.е. происходят многократные расчеты математических моделей одних и тех же элементов. Оптимизация конструктивных и режимных параметров ТЭУ в рамках единой оптимизационной задачи является труднореализуемой, что обусловлено большими затратами вычислительных ресурсов и неудовлетворительной сходимостью оптимизационного процесса.
В данной работе для оптимизационных исследований использовался метод нелинейного программирования, разработанный A.M. Клером и Н.П. Декановой [103]. Этот метод при выборе направления спуска на очередной итерации использует не только информацию о значениях частных производных целевой функции и функций-ограничений в текущей точке, но и аналогичную информацию, полученную в нескольких ранее найденных точках. Это позволяет сократить число итераций, необходимое для решения оптимизационной задачи.
В связи со сложностью поставленной задачи в настоящей работе используется новый подход к решению строгой задачи согласованной оптимизации конструктивных и режимных параметров энергоблока угольной мини-ТЭЦ, разработанный автором совместно с А.М.Клером и АЛО.Маринченко [ПО, 111]. Суть его состоит в проведении нескольких оптимизационных расчетов с использованием адаптируемой модели установки, ориентированной на проведение поверочного расчетов. В первом оптимизационном расчете в этой модели используются зависимости, полученные в результате линеаризации зависимостей выходных параметров модели поверочного расчета от входных параметров в исходной точке. На втором шаге в модель добавляется аналогичная линейная зависимость, полученная в оптимальной точке первого оптимизационного расчета, на третьем шаге - линейная зависимость, полученная в оптимальной точке второго оптимизационного расчета и т.д. Указанные точки являются базовыми.
Зависимости между выходными и входными параметрами модели в текущей точке определяются как линейная комбинация линеаризации в базовых точках с коэффициентами, определяемыми специальной функцией «расстояния» между базовыми точками и текущей точкой. За несколько шагов такого процесса получается достаточно хорошая зависимость выходных параметров модели поверочного расчета от ее входных параметров. Эта модель, с одной стороны, является простой, требует малых затрат машинного времени и не создает погрешностей (шумов), обусловленных итерационными методами решения больших систем нелинейных алгебраических и трансцендентных уравнений, с другой, - хорошо совпадает с точной моделью вблизи решения точной задачи оптимизации. Это и обеспечивает эффективность подхода.
В формализованном виде упрощенная адаптируемая модель описывается следующими соотношениями.
Имеются базовые точки z , і=ї,..,М, в которых для некоторой функции f(z) были определены частные производные , (1=1,..,N) и значения &, функции Дг )=/ . Имеется текущая точка z , в которой необходимо определить значение функции / . Определяются «расстояния» между текущей точкой z и точками z , /=1,.., М, из выражения где z\, z, - /-ые компоненты вектора z в текущей и базовой точках. Функция «расстояние» учитывает не только разность координат векторов z и z , но и величину влияния каждой компоненты вектора z на функцию/ Определяются коэффициенты Є) и at из выражений как видно, чем «ближе» z к z (т.е., чем ближе pt к нулю), тем ближе aj к единице. Очевидно, что а( отвечают условиям 0 а. 1, д = 1. /=г Текущее значение функции / (при z равном z ) определяется из выражения (1.20) Из (1.17— 1.20) следует, что, чем ближе z к z ,тем ближе / к /" . Анализ выражений (1.1) - (1.16) показывает, что точная математическая модель, ориентированная на поверочный расчет ПТУ в /-м режиме, может быть представлена в виде следующих векторных функций: где вектор ) включает вычисляемые характеристики /-го режима (расход топлива и электроэнергии на собственные нужды), необходимые для определения целевой функции. В общем виде выражения (1.21), (1.22) могут быть заменены на: Проводя расчет каждой компоненты вычисляемой вектор-функции Ft в текущей точке Я] из выражений (1.17) - (1.20), определим ее текущее значение на основе упрощенных зависимостей: результате решение одной сложной оптимизационной задачи заменяется решением последовательности гораздо более простых оптимизационных задач, в которых исходные системы нелинейных уравнений в выражениях (1.8) -(1.10) заменяются на простые зависимости (1.24). После решения очередной (у/-и) оптимизационной задачи в состав базовых точек упрощенных моделей добавляются вектора Л , соответствующие значениям параметров Sk и х. в точке решения І//-И задачи. Процесс решения последовательности задач прекращается, если в точке решения очередной оптимизационной задачи погрешности вычисления всех векторных функций G, и Д из выражений (1.24) по сравнению с их определением из выражений (1.8) - (1.10) оказываются ниже заданных максимальных погрешностей. Как показал опыт оптимизации ПТУ, решение последовательности упрощенных оптимизационных задач требует в 5 - 10 раз меньше машинного времени по сравнению с решением одной сложной оптимизационной задачи. Причем во многих случаях, из-за плохой сходимости оптимизационного процесса удовлетворительное решение последней не может быть получено.
Технологическая схема энергоблока угольной паротурбинной мини-ТЭЦ
Представленный в первой главе диссертации методический подход может применяться для решения задачи оптимизации конструктивных и режимных параметров паротурбинной мини-ТЭЦ с различными технологическими схемами. В данной диссертационной работе рассматривается наиболее типичная схема энергоблока угольной паротурбинной ТЭЦ.
Технологическая схема исследуемого энергоблока угольной паротурбинной мини-ТЭЦ (см. рис. 2.1) включает барабанный парогенератор, паровую турбину, установку подготовки сетевой воды. Питательная вода перед поступлением в барабан проходит две ступени водяного экономайзера. Пар из барабана поступает в первую ступень пароперегревателя, температура перегретого пара перед второй ступенью регулируется изменением расходаводы в поверхностном пароохладителе. Для этой цели используется питательная вода после первой ступени водяного экономайзера. Регенеративный подогрев конденсата и питательной воды включает подогреватель низкого давления (ПНД), деаэратор, подогреватель высокого давления (ПВД). Сетевая вода нагревается отбором пара турбины в основном подогревателе и паром из редукционно-охладительной установки (РОУ), редуцирующей острый пар, в пиковом подогревателе [110, 111, 122].
Для построения математической модели установки необходимо разработать расчетную схему, которая отличается от технологической тем, что каждый элемент схемы должен иметь математическую модель, а каждой связи между элементами схемы должна соответствовать информационная связь между моделями. Между элементами возможны связи по количеству тепла, по параметрам газам (продуктам сгорания), по параметрам воздуха, пара или воды. Связь по теплу осуществляется между элементом радиационным теплообменником (пылеуголыюй топкой), в котором рассчитываются тепловые потоки, направленные на стены и выходное окно, а также радиационными экранами и фестонными поверхностями нагрева, в которых рассчитывается нагрев теплоносителя (пароводяной смеси и (или) водяного пара). Связи между элементами газового тракта осуществляется по давлению, температуре и расходу каждого компонента уходящих газов (кислорода, водорода, азота, углекислого газа, оксида серы, водяных паров). Связи по воздуху характеризуется температурой, давлением, расходом, а по воде (пару) -энтальпией, давлением,расходом.
Расчетная схема угольного паротурбинного энергоблока представлена на рис. 2.2. Обозначения к расчетной схеме приведены в таблио
С помощью СМПП-ПК для рассмотренной расчетной схемы были построены математические модели конструкторского и поверочного расчетов установки. Был использован метод декомпозиции, в соответствии с которым на расчетной схеме были выделены две части, связи между которыми немногочисленны. Это угольный паровой котел и паротурбинная установка. Для каждой части была построена своя математическая модель отдельно конструкторского и поверочного расчетов. Затем была произведена взаимоувязка математических моделей частей энергоблока между собой. Иерархия построения математических моделей конструкторского и поверочного расчетов угольного паротурбинного энергоблока представлена на рис. 2.3.
Математическая модель конструкторского расчета энергоблока включает 671 входной (задаваемый) параметр, 678 выходных (вычисляемых) параметров, для двенадцати из которых требуется задать начальные приближения. К входным параметрам относятся температура и давление острого пара, давление в конденсаторе, давление в отборах и другие параметры рабочего тела и теплоносителей. Конструкторский расчет направлен на определение площадей теплообменных поверхностей нагрева; массы металла; мощностей отдельныхотсеков паровой турбины; мощностей приводов насосов; расходов и термодинамических параметров продуктов сгорания, воды и пара в различных точках схемы и др.
Математическая модель поверочного расчета энергоблока мини-ТЭЦ включает 651 входной параметр, 585 выходных параметров, для восемнадцати из которых требуется задать начальные приближения. К входным параметрам поверочного расчета относятся площади поверхностей, термодинамические параметры пара и расходы пара по отсекам в номинальном режиме, тепловые и электрические нагрузки внешних потребителей и т.д. К выходным параметрам поверочных расчетов относятся параметры рабочего тела и теплоносителей в разных точках схемы.
Для решения задачи оптимизации энергоблока угольной паротурбинной мини-ТЭЦ с учетом переменных условий функционирования комплексная математическая модель энергоблока должна включать один конструкторский (для режима с максимальными нагрузками) и серию поверочных расчетов (для остальных режимов работы установки). Поверочные расчеты должны проводиться для установки, конструктивно-компоновочные характеристики которой получены в результате конструкторского расчета. Для этого должна быть организована передача выходных данных конструкторского расчета в массив входных данных серии поверочных расчетов. Схема передачи данных в комплексной математической модели угольного энергоблока представлена на рис.2.4 [122,123].
Индивидуальными исходными данными, характерными для каждого режима являются: продолжительность данного режима в течение года, тепловая Массив данных, передающихся после завершения конструкторского расчета энергоблока в качестве исходных для поверочных расчетов, включает:1. площадь поверхности нагрева: пароперегревателя I, II ступени; водяного экономайзера I, II ступени; воздухоподогревателя I, II ступени; фестона; охладителя пара; конденсатора турбины; подогревателя низкого давления; подогревателя высокого давления; подогревателя сетевой воды; пикового подогревателя сетевой воды;2. число труб: пароперегревателя I, II ступени; водяного экономайзера I, II ступени; воздухоподогревателя I, II ступени; фестона;
Решение задачи оптимизации угольного паротурбинного энергоблока с помощью комплексной математической модели
Входными данными для экономического расчета являются: заданная внутренняя норма возврата капиталовложений, стоимость топлива, удельные стоимости элементов оборудования ТЭЦ. В результате завершения конструкторского и поверочных расчетов в комплексной модели расчета энергоблока определяются технико-экономические показатели: годовой расход топлива, капиталовложения в установку (при принятых удельных стоимостях), стоимость единицы отпускаемого тепла и единицы электроэнергии. Капиталовложения в энергоблок мини-ТЭЦ в данной работе определялись из следующих соображений. Все затраты в установку разбиваются на несколько составляющих: а) затраты, зависящие от электрической мощности оборудования - в паровую турбину, в насосы, в тягодутьевую установку котла; б) затраты, зависящие от площади теплообменной поверхности оборудования энергоблока; в) затраты, зависящие от массы металла теплообменной поверхности оборудования энергоблока; г) затраты, зависящие от расхода топлива - на топливный склад, то пли во подачу, топливоприготовление, золошлакоудаление, газоочистку и т.д. Суммарные капиталовложения в установку определяются из выражения: где N - номинальная электрическая мощность энергоблока, Исследования рассматриваемого энергоблока паротурбинной мини-ТЭЦ проводились с помощью блока решения оптимизационных задач, имеющегося в составе СМПП-ПК. Блок позволяет пользователю сформировать задачу оптимизации - назначить состав оптимизируемых параметров и диапазон их изменения, задать целевую функцию (критерий оптимальности), назначить систему ограничений-неравенств, указать требуемую точность решения задачи. Взаимодействие блоков СМПП-ПК при решении задачи оптимизации энергоблока мини-ТЭЦ показано на рис. 2.5. Для решения поставленной задачи в качестве оптимизируемых параметров назначены нижеследующие. Конструкторский расчет: энтальпия острого пара; энтальпия воды на выходе из II ступени водяного экономайзера; энтальпия воды на выходе из I ступени водяного экономайзера; изменение энтальпии пароводяной смеси в фестоне; энтальпия пара на выходе из I ступени пароперегревателя; температура воздуха на выходе из И ступени воздухоподогревателя; температура воздуха на выходе из I ступени воздухоподогревателя; снижение энтальпии пара в поверхностном пароохладителе; расход воды на регулирование температуры перегретого пара в поверхностном пароохладителе; давление пара на выходе из турбины; давление пара на подогреватель высокого давления; давление пара на подогреватель низкого давления; давление пара в регулируемом отборе на основной подогреватель сетевой воды; давление пара после регулирующей диафрагмы; давление пара на пиковый подогреватель сетевой воды; энтальпия пара на пиковый подогреватель сетевой воды; напор питательного насоса; часовой расход топлива; изменение высоты топки котла. Поверочные расчеты: коэффициент избытка воздуха в топке котла; часовой расход топлива; расход воды на регулирование температуры перегретого пара в поверхностном охладителе; давление пара в регулируемом отборе на основной подогреватель сетевой воды; коэффициент дросселирования пара пикового подогревателя сетевой воды; расход охлаждающей воды в конденсатор турбины; коэффициент дросселирования пара основного подогревателя сетевой воды. При решении задачи оптимизации параметров ТЭУ должен производиться контроль выполнения системы ограничений в форме неравенств на уровне расчета моделей элементов установки, определяющий область допустимых значений параметров. В качестве ограничений-неравенств в конструкторском и поверочном расчетах учитываются нижеследующие. В конструкторском расчете: ? ограничение на температуру металла труб пароперегревательных и конвективных поверхностей нагрева котлоагрегата; ? ограничение на расчетное механическое напряжение металла труб пароперегревательных и конвективных поверхностей нагрева котлоагрегата;. ? ограничение на неотрицательность температурного напора пароперегревательных и конвективных поверхностей нагрева котлоагрегата на входе газа; ? ограничение на неотрицательность температурного напора пароперегревательных и конвективных поверхностей нагрева котлоагрегата на выходе газа; ? ограничение на неотрицательность расхода нагреваемого теплоносителя пароперегревательных и конвективных поверхностей нагрева котлоагрегата; ? ограничение на разность между температурами газа на входе и на выходе пароперегревательных и конвективных поверхностей нагрева котлоагрегата; ? ограничение на неотрицательность температурного напора между экономаизерным и испарительным участками в ступенях водяного экономайзера; ? ограничение на неотрицательность расхода воды в поверхностном охладителе пара; ? ограничение на неотрицательность расхода пара в поверхностном охладителе пара; ? ограничение на неотрицательность концевого температурного напора в поверхностном охладителе пара на входе пара; ? ограничение на неотрицательность концевого температурного напора в поверхностном охладителе пара на выходе пара; ? ограничение на температуру металла экранных труб котлоагрегата; " ограничение на расчетное механическое напряжение металла экранных труб котлоагрегата; ? ограничение на разность входного и выходного давления пара в отсеках турбины; ? ограничение на неотрицательность расхода пара через отсеки турбины; ? ограничение на разность давлений на входе и выходе регулирующей диафрагмы; ограничение на разность между фактической и допустимой влажностью пара на выходе из турбины; ограничение на расход пара в конденсатор турбины; ограничение на температурный напор в конденсаторе турбины на выходе охлаждающей воды; ограничение на нагрев охлаждающей воды в конденсаторе турбины; ограничение на неотрицательность расхода воды через регенеративные и сетевые подогреватели; ограничение на неотрицательность расхода греющего пара через регенеративные и сетевые подогреватели; ограничение на разность температуры насыщения и температуры воды на входе в регенеративные и сетевые подогреватели; ограничение на разность температуры насыщения и температуры воды на выходе регенеративных и сетевых подогревателей; ограничение на неотрицательность расхода пара в деаэратор; ограничение на разность давления пара и воды в деаэраторе; ограничение на разность давления пара и конденсата деаэратора; ограничение на разность между температурой газа на выходе и воздуха на входе в ступенях воздухоподогревателя; ограничение на разность между температурой газа на входе и воздуха на выходе в ступенях воздухоподогревателя; ограничение на разность температур воздуха на выходе и на входе в ступенях воздухоподогревателя; ограничение на отпускаемую электрическую мощность ТЭС; ограничение сверху и снизу на температуру газов на выходе из топки котлоагрегата. В поверочных расчетах: ограничение на температуру металла труб пароперегревательных и конвективных поверхностей нагрева котлоагрегата;
Определение оптимальной зависимости между минимальными капиталовложениями и годовым расходом топлива
При различных сочетаниях цен на топливо и оборудование оптимальными будут различные сочетания годового расхода топлива и капиталовложений в установку. Зависимость между указанными величинами, на которой лежат все их возможные оптимальные сочетания, может быть построена следующим образом. Для заданного числа (0) значений годового расхода топлива на установку, равномерно расположенных в интервале, определяемом расходами топлива в вариантах 1 и 4, находятся минимальные капиталовложения. Для этого в систему ограничений-равенств задачи вводится дополнительное ограничение, требующее равенства годового расхода топлива его заданному значению. В результате 0 расчетов по критерию минимума капиталовложений в установку получается в точек, на основе которых строится указанная оптимальная зависимость. Такая зависимость для исследуемой паротурбинной установки представлена нарис. 3.15.
Следует отметить, что сочетания годового расхода топлива и капиталовложений в установку, полученные в результате расчетов по критерию минимума суммарной стоимости тепловой и электрической энергий (см. табл.3.8), хорошо «ложатся» на кривую, представленную на рис. 3.15. Эта кривая представляет собой множество Паретто-оптимальных решений по критериям Рис.3.15 Зависимость минимальных капиталовложений в установку отгодового расхода топлива
Для оценки влияния соотношения тепловой и электрической нагрузки на технико-экономические показатели энергоблока проведен оптимизационный расчет по критерию минимума суммарной стоимости энергий при заданной норме возврата капиталовложений 14% с увеличенной в два раза теплофикационной нагрузкой (1 режим - 41,9 ГДж/ч, 2 режим - 28,78 ГДж/ч, 3 режим - 20,93 ГДж/ч, 4 режим 8,136 ГДж/ч). При этом изменяется расход сетевой воды (1, 2, 3 режимы - 34,72 кг/с, 4 режим - 18,6 кг/с). Электрическая нагрузка и прочие условия остались прежними (см. табл. 3.1). В данном расчете принята цена топлива 100 дол./т у.т.Результаты этого расчета в режиме с максимальными нагрузками следующие:- Ниже приводятся технико-экономические показатели, полученные в Увеличение теплофикационной нагрузки в 2 раза (по сравнению с вариантом 2 - см. раздел 3.3) привело к увеличению паро производительности котельного агрегата в номинальном режиме почти на 14%, увеличился часовой расход топлива во всех режимах. Годовой расход топлива вырос на 4,7%. Увеличение паропроизводительности котла привело к увеличению теплообменных поверхностей, мощности электрооборудования, что дало рост капиталовложений в установку на 6,3%.
Следует подчеркнуть, что в результате роста тепловой нагрузки получен положительный экономический результат - снижение стоимости тепловой и электрической энергии на 12,7%.
С использованием разработанной математической модели угольного паротурбинного энергоблока проведены поверочные расчеты установки на «стандартных» параметрах (при давлении острого пара 3,43 МПа (35 кгс/см ) и температуре острого пара 435 С). При расчетах стоимости тепловой и электрической энергий принимались те же удельные стоимости на оборудование, что и во всех предыдущих расчетах, и цена на топливо 100 дол./т у.т. Прочие исходные данные для расчетов соответствуют табл. 3.1. Сравнение идет с вариантом 2.
Сопоставление угольных паротурбинных энергоблоков на оптимизированных и «стандартных» параметрах показало следующее.
Из-за увеличения параметров острого пара и снижения температуры уходящих газов при оптимизации энергоблока увеличился КПД энергоблока. Вследствие этого (при неизменной нагрузке) произошло снижение паропроизводительности котла и снижение часового расхода топлива, в связи с чем уменьшились составляющие капиталовложений, зависящие от расхода топлива. С другой стороны, снижение температуры уходящих газов требует увеличения площадей поверхностей нагрева в конвективном газоходе котла, но из-за уменьшения количества передаваемого в котле тепла, площади увеличились незначительно. В итоге «топливная» составляющая капиталовложений превысила составляющую, зависящую от площадей теплообменных поверхностей, что привело к суммарному снижению капиталовложений в оптимизированный энергоблок. Наряду со снижением годового расхода топлива это дало значительный экономический эффект -снижение цены отпускаемой энергии на 6,5%.
