Введение к работе
диссертационного совета Ларин Евгений Александрович
Актуальность темы
В последнее время в большинстве энергетических систем по всему миру наблюдается тенденция увеличения неравномерности графиков потребления и производства электроэнергии. Во многих европейских странах это связано с увеличением доли возобновляемых источников энергии, особенно ветроэлектростанций. В России данная проблема обусловлена увеличением доли атомных электростанций в структуре генерирующих мощностей, работа которых предполагается в базовом режиме.
В разных ОЭС России значения коэффициентов неравномерности суточных графиков электрических нагрузок (отношение минимальной нагрузки к максимальной) составляют 0,6-0,7.
Введение в эксплуатацию гидроэлектростанций и гидроаккумулирующих электростанций не обеспечивает потребность в маневренных мощностях. Также предполагается принудительное вовлечение энергоблоков всех типов в регулирование частоты в энергосистеме. Кроме того, увеличение доли генерации электроэнергии за счет газотурбинных технологий и замещение ими устаревших паросиловых блоков утверждено Правительством России в энергетической стратегии на период до 2030 года.
В США и ряде стран Европы доля электроэнергии, вырабатываемой только газотурбинными электростанциями, составляет 7-10% от общего объема производства электроэнергии и 40-60% от объема производства электроэнергии на комбинированных парогазовых электростанциях.
Простота конструкции, низкие эксплуатационные затраты, высокие маневренные характеристики и относительно высокая экономичность делают газовые турбины незаменимыми для использования их в переменной части графика электрических нагрузок.
Степень разработанности темы исследования
Вопрос о целесообразности учета изменения ресурса при оптимизации режимов работы теплоэнергетического оборудования обсуждался в ряде научных работ по всему миру. Одна из первых работ, в которой представлено обоснование включения амортизационных затрат в качестве критерия оптимизации, выполнена сотрудниками Отдела передовых системных технологий Института инженеров электротехники и электроники в Швейцарии (IEEE Advanced Systems Technology Division) в 1990 году.
Также в последние годы производители газовых турбин и различные исследовательские организации разработали современные методы оценки изменения ресурса генерирующего оборудования при работе в разных условиях. Международным (ISO) и государственным (ГОСТ) стандартами установлены общие рекомендации учета износа оборудования на основе эквивалентных часов работы.
Однако несмотря на большие изменения в области оценки остаточного ресурса энергетического оборудования, разные производители газовых турбин используют разные подходы. Вместе с тем до сих пор не разработана единая методика оптимизации внутристанционных режимов работы на основе критерия суммы топливных и амортизационных издержек.
Работа выполнена в рамках гранта РФФИ 11-08-00052-а «Развитие методологии системных исследований с поиском эффективных путей обеспечения вновь вводимых блоков АЭС базисной нагрузкой» в 2011-2013 гг. и госконтракта ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы от «8» сентября 2010 г. № 14.740.11.0107 по теме «Разработка методологии исследования и создание энергоэффективных систем управления потреблением электрической и тепловой энергии в энергоемких промышленных комплексах».
Цель работы: разработать методику оптимизации режимов работы газотурбинной электростанции с учетом износа оборудования.
Задачи исследования:
1. Разработать методику обоснования оптимального варианта работы оборудования газотурбинной электростанции при покрытии суточного графика электрических нагрузок по критерию суммы топливных затрат и затрат, связанных с изменением ресурса.
2. На основе принципа эквивалентной выработки ресурса выработать основные положения учета износа оборудования при оптимизации режимов работы газотурбинной электростанции.
3. Выполнить оценку влияния переменных режимов работы на износ высокотемпературных узлов газовой турбины.
4. Разработать алгоритм определения оптимального числа работающих агрегатов в составе электростанции при заданном уровне надежности отпуска электроэнергии.
5. Провести анализ влияния состава генерирующего оборудования газотурбинной электростанции на основные показатели надежности.
Научная новизна исследования:
1. Разработана методика оптимизации внутристанционных режимов работы газотурбинной электростанции с учетом изменения ресурса оборудования.
2. Разработан подход по расчету снижения ресурса наиболее термонапряженных элементов газотурбинной установки в зависимости от режимов использования.
3. Приведен алгоритм определения оптимального состава работающего оборудования в условиях ограничений по надежности выработки электроэнергии.
4. Сформулирована задача и разработан алгоритм программы для получения рекомендаций по выбору оптимального режима работы газотурбинной электростанции при покрытии суточного графика электрических нагрузок.
5. Проведена оценка целесообразности учета износа газовых турбин при оптимизации режимов их работы.
Теоретическая и практическая значимость работы
Разработанные общие рекомендации по расчету износа оборудования газотурбинных электростанций от пускоостановочных операций и работы на разных уровнях нагрузки позволяют проводить более точные оценки остаточного ресурса. Использование хорошо отработанного и стандартизированного принципа эквивалентных часов работы поможет избежать существенного различия методик оценок изменения ресурса газовых турбин для моделей разных производителей.
Учет износа газовых турбин в некоторых случаях значительно влияет на выбор оптимального режима работы электростанции. В условиях увеличения неравномерности графиков электропотребления новый подход к выбору оптимального варианта работы электростанции может существенно снизить эксплуатационные затраты и повысить эффективность работы оборудования.
Разработанные программы для ЭВМ дают возможность получения уточненных оперативных рекомендаций по оптимальному распределению нагрузок между турбинами и их составу.
Методология и методы исследования
При определении оптимального числа работающих турбин в составе газотурбинной электростанции для расчета основных показателей надежности использовались элементы теории марковских процессов. В качестве оптимизационного алгоритма при распределении нагрузок между газовыми турбинами был принят векторный метод с учетом ограничений в виде равенств.
В основу определения изменения ресурса газотурбинных установок положен принцип эквивалентных часов работы. Для прочностных расчетов наиболее термонапряженных узлов использовались как аналитические зависимости (уравнение Ларсона-Миллера), так и справочные данные (уравнения длительной прочности, кривые малоцикловой усталости). Также расчеты проводились на компьютерных твердотельных моделях в специализированных программных комплексах, основанных на методе конечных элементов.
Положения, выносимые на защиту:
1. Использование общих положений новой методики при выборе оптимального варианта работы оборудования газотурбинной электростанции при покрытии суточного графика электрических нагрузок.
2. Методика учета изменения ресурса при оптимизации внутристанционных режимов работы оборудования газотурбинных электростанций.
3. Определение изменения ресурса наиболее термонапряженных узлов газовой турбины при пускоостановочных операциях и работе на разных уровнях мощности.
4. Применение принципа эквивалентных часов работы при оценке снижения ресурса всей газотурбинной установки.
Апробация результатов исследования
Основные положения диссертационной работы представлены и обсуждены на трех выступлениях в следующих международных конференциях:
– восьмая Международная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия-2013», г. Иваново (два доклада);
– Международная научно-техническая конференция «Современные научно-технические проблемы теплоэнергетики и пути их решения», г. Саратов.
Публикации
Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 9 печатных работах, в том числе 6 в изданиях, рекомендуемых перечнем ВАК РФ. Также получены 2 свидетельства о регистрации программ для ЭВМ.
Объем и структура диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по каждой главе, общих выводов по диссертации, списка использованных источников, включающего 95 наименований. Работа изложена на 128 страницах, содержит 47 рисунков и 27 таблиц.
