Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Технологические особенности пылеугольных котлов с кольцевой топкой и актуальность их схемно-параметрической оптимизации 12
1.1. Предпосылки к исследованию 12
1.2. Технологические и режимные особенности котлов с кольцевыми топками 14
1.3. Технические решения по конструктивно-компоновочным параметрам 20
1.4. Обзор методов схемно-параметрической оптимизации котлов 24
1.4.1. Методы отыскания оптимума 24
1.4.2. Целевая функция 34
1.5. Выводы и задачи исследования 41
Глава2. Методика исследования 44
2.1. Комплексный эксерго-экономический подход 44
2.2. Критерий эффективности 53
2.3. Методика математического моделирования КЦТ-котла 56
2.4. Методика оптимизации и вариантных расчетов 61
Глава 3. Технико-экономическая оптимизация параметров энергоблоков и котлов с кольцевой топкой 70
3.1. Структурная оптимизация энергоблоков с КЦТ-котлами 70
3.2. Оптимизация термодинамических и расходных параметров 79
4 3.3. Оптимизация конструктивно-компоновочных параметров КЦТ-котлов 90
Глава 4. Оценка устойчивости оптимальных параметров 101
4.1. Устойчивость оптимальных параметров в условиях изменяющейся мощности энергосистемы 101
4.2. Устойчивость оптимальных параметров в условиях изменяющейся экологической обстановки 102
4.3. Устойчивость оптимальных параметров в условиях изменения стоимости топлива 104
Глава 5. Технические решения для кольцевых котлов ТЭС с энергоблоками 800 мвт. экономический эффект 106
5.1. КЦТ-котел в составе энергоблока 800 МВт с Т-образной компоновкой 106
5.2. КЦТ-котел в составе энергоблока 800 МВт с полубашенной компоновкой 113
5.3. Сравнение КЦТ-котлов Т-образной и полубашенной компоновки 120
5.4. Экономический эффект 121
Заключение 125
Литература 128
Приложение 135
- Технологические и режимные особенности котлов с кольцевыми топками
- Критерий эффективности
- Оптимизация термодинамических и расходных параметров
- Устойчивость оптимальных параметров в условиях изменяющейся экологической обстановки
Введение к работе
Долговременная концепция развития отечественной и, в первую очередь, сибирской энергетики, формируется как угольная. Уголь рассматривается как стратегическое топливо. При этом развитие отечественной энергетики характеризуется новыми чертами. Первое - уменьшение единичной мощности энергооборудования. Второе - формирование федерального оптового рынка электроэнергии и мощности (ФОРЭМ). Третье - согласно энергетической стратегии, повышением цен на органическое топливо для России. При этом топливообес-печение ТЭС характеризуется сменой гаммы топлив, наблюдаемой в настоящее время. Топливные компании констатировали «окончание газовой паузы» в энергетике и переход к программам «Уголь - энергетическое топливо 21-го века». Четвертое - необходимостью осуществления инвестиций, в основном, за счет привлечения платных финансовых средств. В то же время внедрение энергосберегающих технологий является чрезвычайно капиталоемким, поэтому оно должно сочетаться с вводом генерирующих мощностей.
Учитывая отмеченные выше тенденции в развитии ТЭС, особую актуальность приобретают оптимальные системные решения в энергетике и, в частности, - оптимальные решения по пылеугольным котлам (как наиболее капиталоемкой части энергоблоков) с новыми котельными технологиями. Одной из таких технологий является конструкция котла, который оснащен кольцевой топкой (КИТ).
Поэтому целью работы является схемно-параметрическая оптимизация пылеугольных котлов с кольцевой топкой в составе энергоблоков ТЭС при использовании комплексного подхода.
Основными задачами являются: 1. Разработка методики схемно-параметрической оптимизации котлов с кольцевой топкой в составе энергоблоков тепловых электростанций при комплексном учете системных факторов (топлива, обеспечения графиков нагрузки, надежности энергоснабжения, связи с энергосистемой, требований к
экологической, социальной, промышленной инфраструктуре, удельных стоимостных показателей) при неопределенности исходной информации.
-
Комплексная схемно-параметрическая оптимизация котлов с кольцевой топкой. Оценка наивыгоднейших сочетаний термодинамических, расходных и технико-экономических параметров и показателей. Исследование влияния системных факторов и типов энергоблоков на схемно-параметрические оптимальные решения.
-
Разработка рекомендаций по выбору оптимальных конструктивно-компоновочных параметров котлов с кольцевой топкой в составе энергоблоков пылеугольных тепловых электростанций.
Научная новизна заключается в разработке методики схемно-параметрической оптимизации котлов с кольцевой топкой в составе энергоблоков ТЭС с учетом внешних и внутренних ограничений в вероятностной постановке. Проведение комплексной оптимизации энергоблоков с КЦТ-технологией. В совокупности полученных на основе расчетов основных закономерностей влияния системных факторов на оптимальные характеристики оборудования, профиль энергоблока и технико-экономическую эффективность как КЦТ-котла, так и собственно энергоблока в условиях обеспечения графиков нагрузок, коэффициента готовности, надежности энергоснабжения при экологических, финансовых и топливных ограничениях. Указанные методические положения и результаты выносятся на защиту.
Достоверность результатов подтверждается использованием апробированных методических подходов, в основе которых лежат фундаментальные положения законов термодинамики и эксергетического анализа, применением вероятностного подхода и сопоставлением результатов с известными параметрами и показателями функционирования энергоблоков ТЭС.
Практическая значимость. На основе полученных закономерностей по выбору параметров процессов, характеристик оборудования и технико-экономической эффективности показаны условия перспективности КЦТ-технологии и выработаны практические рекомендации по применению КЦТ-
котлов. Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс НГТУ и в проектной организации ЗАО «СибКОТЭС».
Апробация работы. Работа апробирована на различных научных семинарах: в 2002 г. (г. Саратов, СГТУ), в 2003 г. (Барнаул, АлГТУ, г. Ульсан, Корея), на научных сессиях НГТУ (Новосибирск, 2003,2004), на научных семинарах каф. ТЭС НГТУ, «Сибтехэнерго», «СибКОТЭС», ИТ СО РАН (Новосибирск, 2002...2004 гг.).
Личный вклад заключается в разработке методик исследования, проведении оптимизационных расчетов, анализе результатов, выработке практических рекомендаций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из пяти глав, введения, заключения, списка литературы и приложения. Содержит 134 страницы основного текста, 24 рисунка, 12 таблиц, 74 источника. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных трудов.
Технологические и режимные особенности котлов с кольцевыми топками
Для обеспечения высокой надежности и экономичности современных котлов применяются умеренные теплонапряжения и сравнительно низкие температуры газов в топке [26], что при традиционных конструкциях топочных устройств приводит к большим размерам всего котла и к большим капиталовложениям. Габариты котла и, прежде всего, высота, как правило, определяются размерами топочной камеры.
В свете этой проблемы Сибтехэнерго с участием КазНИИЭ, ВТИ, СКБ ВТИ и ТЭПа разработана, предложена, в качестве одного из перспективных направлений, и реализована на Новоиркутской ТЭЦ принципиально новая конструкция котла с кольцевой топкой (КЦТ) [1.. .6, 26, 51].
Если для традиционных котлов средней паропроизводительности (до 320 т/ч) высота пылеугольной топки зависит от условий выгорания топлива и теп-ловосприятия экранных поверхностей, то на наиболее мощных котлах она выбирается в основном из условия охлаждения продуктов сгорания в пределах топки до температуры, обеспечивающей надежную и бесшлаковочную работу ширмовых и конвективных поверхностей нагрева. В результате высота топки такого котла оказывается на 30.. .40% большей, чем требуется для экономичного выгорания топлива [26].
Кольцевая топка представляет дальнейшее развитие тангенциальных топок, отличительной особенностью которых является вихревой характер течения газов. Продукты сгорания в такой топке движутся сравнительно узким спирально-вихревым потоком [51, 63, 73] в пристенной области топки, а в центральной (приосевой) области топки по всей ее высоте практически отсутствует активное движение факела. Поперечный размер (диаметр) этой малоактивной зоны достигает 40...50% сечения топки, что позволяет эффективно использовать ее для размещения надежно работающих дополнительных (в виде осе-симметричной вставки) поверхностей нагрева [26].
При таком решении вращающийся факел оказывается как бы зажатым в кольцевом пространстве между внутренними и наружными экранами, в результате чего условия смешения, выгорания и теплообмена в таком топочном объеме становятся другими, по сравнению с традиционными топками.
Применение кольцевых топок для мощных котлов позволяет уменьшить их высоту на 30...40% [51] и за счет этого сократить металло- и капиталоемкость котлов.
В [26, 51] выполнен комплекс исследовательских и проектно-конструкторских работ, позволивших разработать рекомендации по расчету и проектированию опытно-промышленного котла с КЦТ.
Технологической особенностью котлов с КЦТ (рис.1.1) является топка, представляющая собой многогранную призму, внутри которой по всей ее высоте коаксиально установлена многогранная экранированная вставка. При восьмигранном сечении аэродинамика топки близка к течению в цилиндрической кольцевой камере [51] . Стены внутренней и наружной камер выполняются из цельносварных газоплотных панелей. В нижней части топки экраны наружной камеры отгибаются внутрь и образуют многоскатную холодную воронку.
В верхней части топки к боковым стенам наружной камеры примыкают горизонтальные конвективные газоходы, число которых может быть 2 или 4. Горелочные устройства устанавливаются на каждой стене топки в один или несколько ярусов, в зависимости от мощности котла. Оси горелок направляются по касательным к условной окружности, диаметр которой выбирается с учетом шлакующих характеристик угля. Особенностью воспламенения факела в кольцевой топке является прогрев и зажигание топливно-воздушной смеси (вытекающей из щелевой прямоточной горелки) в основном за счет набегающего от предыдущих, по ходу вращения, горелок мощного вихревого потока высоко-температурных топочных газов. В вертикально-щелевых прямоточных горелках аэросмесь подается со стороны набегающего (поджигающего) потока [16, 52, 53] высокотемпературных топочных газов, а вторичный воздух вводится со стороны наружного экрана, к которому отжимается весь факел.
Для котлов с естественной циркуляцией экраны центральной вставки включаются параллельно наружным экранам. Для прямоточных котлов с КЦТ кроме такой схемы возможна последовательная подача всего или части расхода рабочего тела сначала во внутренние, а затем в наружные экраны [7, 24].
Расположение пароперегревательных поверхностей нагрева, экономайзера в конвективных газоходах котла и воздухоподогревателя принимается таким же, как и для традиционных котлов. Компоновка котла с КЦТ по расположению основного и вспомогательного оборудования принципиально не отличается от типовой компоновки котлов [26, 51]. При схемах с прямым вдуванием топлива углеразмольные мельницы располагаются вблизи своего горелочного блока. На котел с восьмигранной топкой устанавливается 8 мельниц и каждая из пылесистем работает на свой горелочный блок, или четыре мельницы - при подключении каждой к двум соседним горелочным блокам. Повышенная устойчивость и симметрия движения газов в КЦТ позволяет выполнить простую компоновку мельниц с горелками. Подвод вторичного воздуха к горелочным блокам выполняется отдельными отводами из общего короба, который опоясывает топочную камеру.
Критерий эффективности
При схемно-параметрической оптимизации математическая модель котла с кольцевой топкой включается в общую модель (программно- вычислительный комплекс) энергоблока. При этом появляется возможность варьирования и оптимизации, наряду с конструктивно-компоновочными параметрами котла, также и его термодинамических параметров и вида (марки) топлива, так как в этом случае эффект от изменения по остальным функционирующим частям (агрегатам и элементам) энергоблока будет автоматически учитываться и полученное решение будет отвечать оптимуму по энергоблоку в целом [12, 23, 42, 62, 69]. Использование интегральных подходов при обосновании критерия эффективности с учетом приведения вариантов к сопоставляемому виду как по производственному эффекту, так и по жизненному сроку позволяет учесть внешние факторы (влияние экологической и социально-промышленной инфраструктуры, графиков нагрузки, обеспечения резервной мощности и т.п.) и проверку устойчивости оптимальных решений в условиях изменения каждого фактора. Такое приведение осуществляется с помощью учета соответствующих затрат в замещающие производства и мощности (на- пример, при связях с ФОРЭМ) и одинаковых долей амортизационных отчислений для всех сравниваемых вариантов. Учет замещающих затрат будет характеризовать одинаковые по размеру инвестиции в сравниваемые варианты, а равная доля амортизации - нормативный (27 лет) срок жизни. Общий интегральный эффект определяется как разность между интегральным результатом от производственного функционирования энергоблока и интегральными затратами [32] где 5Т, Зт- интегральный эффект от функционирования энергоблока и интегральные затраты в год т. Относительный интегральный эффект Здесь 11/=5/3 и характеризует относительную эффективность эксплуатации инвестиций, а S и 3 определяются как среднегодовые значения составляющих интегрального эффекта за весь срок жизни тр. При схемно-параметрической оптимизации имеем: где Х- множество, включающее оптимизируемые параметры, размерности Р. С учетом неопределенности условий функционирования на тр-интервале интегральный критерий технико-экономической эффективности представляется в вероятностном виде где Arz = v- DG -(/Hz) ; MG, DG - математическое ожидание и дисперсия случайной функции; G — множество внешних связей и исходных данных с известными законами распределения случайных компонент; v -коэффициент, характеризующий расчетный уровень достоверности определения rz Затраты 3j учитывают функциональные и системные факторы (возможные режимы работы, связь с энергосистемой и системой теплоснабжения, графики нагрузки, резервирование, надежность энергоснабжения, экологическую, социальную и производственные инфраструктуры, приведение вариантов к сопоставимому виду, топливную составляющую отчисления от капиталовложений: амортизационные, на капитальный и текущий ремонт, на демонтаж при окончании срока жизни) [12, 23, 42, 62, 69]. Составляющие затрат 3„ которые определяются на основе моделирования функциональных и системных отношений и процессов, имитирующих режимные условия работы многоцелевых энергоустановок, можно представить в виде где 3- базовое значение затрат (например, базовые значения капиталовложений в агрегаты оборудования, базовые значения затрат в резервные и замещающие установки, в системы теплофикации и т.д.); аа - коэффициенты приведения по параметрам и показателям, учитывающим конструктивные особенности, особенности функционирования и компоновки; Ър- относительные параметры, определяющие отклонения затрат от базового значения; а и Р - влияющие факторы (термодинамические, конструктивные, компоновочные параметры, вид тепловой схемы, тип оборудования, вид топлива, климатический район функционирования, фоновые концентрации вредных веществ и т.д.) Капиталовложения в энергоблок вычисляются поэлементно. Величина капиталовложений определяется по методическим подходам [36, 62, 68] с использованием заводских и проектных данных, прейскурантов цен на котлы, турбины, турбоустановки и другое оборудование, корректировки цен на современный уровень и с учетом прогнозной оценки [9, 50, 58, 71]. Математические ожидания и дисперсию составляющих затрат при распределении случайных переменных 3
Оптимизация термодинамических и расходных параметров
Из этих данных видно, что применение КЦТ-котлов во всем диапазоне мощностей энергоблоков приводит к более высокому оптимальному давлению пара за котлом по сравнению со стандартными давлениями. Для КЦТ-котлов без промперегрева давление пара за котлом 14,4...15,6 МПа, что больше стандартного на 5... 13 %. Переход к энергоблокам с промперегревом требует для КЦТ-котлов закритического давления пара. При увеличении мощности энергоблоков оптимальное Рпе растет от 18 МПа для Т-180 (что выше стандартного значения примерно в 1,3 раза) до 25 МПа для Т-250 (что близко к стандартному закритическому давлению). При этом оптимальное давление промперегрева изменяется от 3,1 до 3,9 МПа.
Оптимальная температура пара за КЦТ-котлом без промперегрева находится на уровне 580 С, что выше на «20 С стандартных значений. Все это приводит к удорожанию КЦТ-котлов (рис.3.6).
Для КЦТ-котлов с промперегревом оптимальная температура пара за котлом tne для всех мощностей закритических параметров не превышает 525...530 С, что меньше стандартных значений на «15...20 С. Оптимальная температура промперегрева tnn находится на уровне 530...535 С, что меньше стандартных значений на 5... 10 С.
Вместе с тем для Т-180 переход на более высокие давления пара, значительно отличающиеся от стандартных значений, приводит к удорожанию КЦТ-котла(рис.З.б).
Существенное значение имеет оптимальная температура питательной воды tnB (рис.3.8). Для КЦТ-котлов без промперегрева оптимальное значение температуры питательной воды t„B находится на уровне 200 С, что ниже на 30 С стандартных значений. Такие КЦТ-котлы должны иметь развитый экономайзер, так как оптимальная система ПВД энергоблока включает два подогревателя вместо трех. Вместе с тем эксергетический КПД по отпуску электроэнергии таких энергоблоков может быть выше на 2...6 %, чем при стандартных параметрах (рис. 3.1).
Введение промперегрева на КЦТ-котлах для энергоблоков типа Т-180 приводит к ступенчатому росту оптимальной температуры питательной воды -до 300 С, что компенсирует уменьшение температуры пара за котлом и температуры промперегрева и обеспечивает эксергетическую эффективность на уровне стандартных энергоблоков, а технико-экономическую эффективность, при таких оптимальных решениях, увеличивает более чем на 20 % (рис. 3.1) по сравнению со стандартными решениями. Очевидно, что для реализации этих параметров КЦТ-котел должен быть прямоточным, с относительно неразвитым экономайзером, так как система регенерации включает четыре ПВД вместо трех - при стандартных параметрах, и развитым воздухоподогревателем для обеспечения эффективных температур уходящих газов. При мощности энергоблоков больше 180 МВт температура питательной воды снижается и для Т-250 достигает значения 225 С, что почти на 40 С ниже стандартного значения. При этом уменьшаются капиталовложения в КЦТ-котел (рис. 3.6) более, чем на 15 %, а технико-экономическая эффективность возрастает на 34 % (рис. 3.1). Это обусловлено суммарным позитивным изменением нескольких параметров: снижением эксергетической топливной составляющей F0l (рис. 3.4), увеличением структурного коэффициента є5, эксергетического КПД т (рис. 3.2) и эксергетической производительности Е\ котла.
Оптимальные термодинамические параметры котлов с кольцевой топкой для энергоблоков КЭС приведены на рис.3.9. Из этих данных видно, что оптимальное давление пара за котлом и давление промперегрева для энергоблоков закритических параметров (300...500 МВт), с турбонасосами практически совпадают со стандартными значениями. Оптимальный КЦТ-котел с промперегре-вом для К-210 должен проектироваться также на закритическое давление пара за котлом.
Рис. 3.9. Оптимальные термодинамические граничные параметры КЦТ-котлов энергоблоков КЭС в зависимости от единичной мощности N: Рпе, Рпп - давление пара за котлом и промперегрева; t tnn - температура пара за котлом и промперегрева; tnB - температура питательной воды
Для всего диапазона мощностей конденсационных энергоблоков оптимальная температура пара за котлом tne находится на уровне 525 С, что ниже стандартных значений на «20 С. Исключение составляет только энергоблок с турбиной К-210, для которого температура острого пара находится на уровне tne =540.. .545 С, то есть практически совпадает со стандартными значениями (545 С).
Устойчивость оптимальных параметров в условиях изменяющейся экологической обстановки
Оценка устойчивости оптимальных параметров КЦТ-энергоблоков в условиях изменения фоновой загазованности атмосферы проведена путем моделирования изменения индекса загазованности (ПДК). При этом следует помнить, что в практике размещения ТЭС, этот показатель более актуален для ТЭЦ, так как они размещаются вблизи потребителей теплоты с развитой промышленной и социальной инфраструктурой.
На рис.4.2 показано изменение оптимальных параметров некоторых КЦТ-энергоблоков в зависимости от изменения фоновых концентраций вредных веществ в атмосфере. Легко видеть, что мощные конденсационные энергоблоки (на базе турбин К-500 и К-800) имеют устойчивые показатели. Для энергоблоков типа Т, в первую очередь, на базе турбины Т-250, и энергоблока на базе турбины К-300 наблюдается существенное отклонение оптимальных параметров как по температурам промперегрева («25 С) и питательной воды («10...50 С), так и по давлениям острого пара («2...3,5 МПа), рис.4.2.
Теплофикационные энергоблоки располагаются вблизи промышленных центров и для них влияние фоновой загазованности более существенно, чем для конденсационных энергоблоков. Экологический фактор обусловливает изменение оптимальных параметров энергоблоков для снижения расхода топлива и, как следствие, вредных выбросов, с целью обеспечения ПДВ в ареале функционирования.
Вместе с тем конденсационные энергоблоки не привязаны к тепловому потребителю и для них изменение фоновых концентраций вредных веществ в ареале функционирования менее значимо (для энергоблоков на базе турбин К-500 и К-800 все параметры устойчивы, рис.4.2).
Учитывая особенности современных рыночных условий, которые характеризуются изменением ценовой политики хозяйствующих субъектов, проведена оценка устойчивости оптимальных решений в условиях изменения стоимости топлива, рис.4.3.
Можно видеть, что характер изменения оптимальных параметров аналогичен, показанному на рис.4.2. При этом в данном случае моделирование изменения стоимости топлива проведено при условии работы энергоблоков в «чистой» окружающей среде (нулевые фоновые концентрации вредных веществ). Идентичность результатов говорит о взаимосвязи финансовых платежей в топливо и в восстановление окружающей среды. То есть и увеличение стоимости топлива, и увеличение экологической нагрузки на ареал функционирования по большому счету требуют идентичных подходов к схемно-параметрической оптимизации энергоблоков с КЦТ-технологией.
Вместе с тем следует отметить, что параметры мощных конденсационных энергоблоков устойчивы и в условиях более, чем двукратного повышения стоимости топлива.
