Содержание к диссертации
стр.
Список использованных сокращений 4
Введение 5
1 Обзор существующих и проектируемых схем и 13
методик определения показателей эффективности
использования топлива на ГТУ и ЛГУ ТЭЦ с котлами-
утилизаторами
Существующие и проектируемые схемы ГТУ и ПГУ 13 ТЭЦ с котлами-утилизаторами
Существующие методики определения показателей 30 эффективности использования топлива на ГТУ и ПГУ ТЭЦ
1.3 Постановка задач исследования 43
2 Разработка методики определения показателей 44
эффективности использования топлива в ПГУ ТЭЦ с
котлами-утилизаторами
2.1 Выбор метода оценки эффективности использования 44
топлива
2.2 Разработка методики распределения расходов 54
топлива на выработку тепловой и электрической энергий
Определение эксергии топлива, затраченной на 55 выработку тепловой энергии ПГУ ТЭЦ с КУ
Определение эксергии топлива, затраченной на 58 выработку электроэнергии ПГУ ТЭЦ с КУ
Расходы топлива на тепловую и электрическую 59 энергии
.... 2.2.4 КПД ПГУ ТЭЦ с КУ по. выработке тепловой и 59 электрической энергии
2.3 Заключение и выводы по главе 62
3 Анализ и поиск резервов повышения эффективности 63
использования топлива в бинарных ПГУ ТЭЦ с
котлами - утилизаторами
3.1 Особенности определения годовых показателей 63
парогазовых ТЭЦ
Годовые показатели работы парогазовых ТЭЦ 66
Расчет годовых показателей работы парогазовых ТЭЦ. 67 3.4. Влияние конфигурации схемы котла-утилизатора на 71 эффективность использования топлива на ПГУ ТЭЦ
Анализ одноконтурных схем ПГУ ТЭЦ 73
Анализ двухконтурных схем ПГУ ТЭЦ 76
Анализ трехконтурных схем ПГУ ТЭЦ 78 3.5 Применение методики расчета годовых показателей 81 эффективности использования топлива для оптимизации схемы собственных нужд "Северо-Западной" ТЭЦ
3,6. Применение методики расчета годовых показателей 86 эффективности использования топлива для оценки вариантов реконструкции теплофикационной установки "Северо - Западной" ТЭЦ.
3.7 Заключение и выводы по главе 88
4 Повышение эффективности использования топлива в 90 ГТУТЭЦ.
4.1 Возможные технические решения в тепловых схемах 90
(ТУ ТЭЦ
4.2 Использование различных методов подвода 93
количества теплоты.
4.3 Использование различных методов отвода количества 97
теплоты.
.4.4. Сравнение различных схем ГТУТЭЦ и рекомендации 101 по выбору оборудования.
4.5 Заключение и выводы по главе 104
5 Заключение и выводы по диссертации 106
Список использованной литературы 108
Слисок использованных сокращений
Введение к работе
Одной из приоритетных задач энергетики на протяжении всего срока ее существования является повышение эффективности выработки электроэнергии и отпуска тепловой энергии потребителям. Одним из наиболее эффективных способов энергосбережения является теплофикация - централизованное теплоснабжение на базе комбинированной выработки тепловой и электрической энергий [47]. В нашей стране комбинированная выработка тепловой и электрической энергий развивалась преимущественно на базе паротурбинных технологий. Большая доля теплофикационных установок приходится на мощные паротурбинные теплофикационные блоки - Т-250/300-24О, Т-180-130, Т-110/120-130 и их модификации. В табл. В.1 приведены показатели выработки электрической и тепловой энергии в России в 1995-2000 гг. и прогноз спроса на электрическую и тепловую энергию на срок до 2010 г. [29].
Как следует из приведенных данных, на отопительных котельных в России производится наибольшее количество тепловой энергии. Ежегодно в котельных сжигается более 200 млн. т.у.т., причем большая часть этого топлива - газ. Большинство этих котельных обладают невысокими технико-экономическими показателями, их оборудование морально и физически устарело и требует реконструкции.
Однако если в крупных городах степень теплофикации велика, то в остальных регионах, как раз наоборот, расположены, в основном, конденсационные мощности. Теплоснабжение городов и поселков ведется от котельных и автономных источников. Такая ситуация развития энергетики обусловлена тем, что потребители тепловой энергии рассеяны на большой территории. Строительство ТЭЦ с мощными теплофикационными энергоблоками невозможно из-за отсутствия крупных потребителей тепловой энергии.
Таблица В. 1 Показатели развития энергетики России
Тепловые нагрузки непрерывно увеличиваются. По сравнению с уровнем 2000 г. ожидается их рост к 2010 году на 10 - 15%. Нужны эффективные способы удовлетворения спроса на энергию. Стабильный и постоянный рост потребления тепловой энергии обусловлен развитием жилого сектора, который является главным потребителем тепловой энергии [29,57].
При рассмотрении перспектив развития производства тепловой и электрической энергии следует учитывать, что на сегодняшний день половина оборудования ТЭС имеют износ более 50 %, а мощность
полностью выработавшего свой ресурс оборудования составит 17 млн. кВт. По различным прогнозам к 2010 г. оборудование общей мощностью 60 -г 75 млн. кВт выработает парковый ресурс, и будет требовать либо серьезного технического перевооружения, либо демонтажа и замены современными энергоустановками. Исходя из разработанных проектов, при вводе новых объектов более 70 % новых мощностей будут составлять тепловые электростанции. [15,29,57].
В период до 2010 г. рост электрической нагрузки прогнозируется с 21 900 МВт до 25 000 МВт, что с учетом резервирования мощностей потребует ввода 7 100 МВт установленной мощности. В связи с этим программа ввода новых мощностей предусматривает ввод новых мощностей на ТЭЦ в объеме более 6 900 МВт за 10 лет. [29]
Очевидно, что и в условиях свободного рынка комбинированный способ производства тепловой и электрической энергий будет одним из самых развиваемых методов энергосбережения. Однако эти условия имеют особенности, которые могут повлиять на определение дальнейших путей развития теплофикации. В качестве основных можно выделить следующие особенности [57]:
значительное сокращение централизованных
капиталовложений, что будет приводить к сооружению ТЭЦ небольшой мощности;
увеличение стоимости топлива, в первую очередь природного газа, объем отпуска которого ограничен;
уменьшение выброса вредных веществ в окружающую среду, что является наиболее актуальным при использовании твердых видов топлива;
- снижение удельных капиталовложений, удельных
материальных затрат, габаритов оборудования и объема строительно-
монтажных работ;
- дальнейшее развитие наиболее совершенных принципов
проектирования и строительства энергоустановок.
Рассмотрение этих особенностей приводит к прогнозу о возможности широкого строительства малых установок теплоснабжения на базе комбинированной выработке тепловой и электрической энергий, имеющих относительно низкую капиталоемкость и ориентированных на автономное энергоснабжение районов.
Рассматривая возможные варианты установок теплоснабжения малой мощности можно выделить следующие:
традиционные водогрейные котельные;
малые ТЭЦ на базе паровых турбин;
ТЭЦ на основе газотурбинной и парогазовой технологий;
- нетрадиционные источники энергии (тепловые насосы,
солнечные установки).
Как уже было сказано выше, водогрейные котельные являются наиболее распространенным вариантом малого теплоснабжения. Несмотря на то, что для большинства котельных уже на сегодняшний день их физический и моральный износ значителен, согласно прогнозу доля тепловой энергии, производимой на котельных до 2010 г. практически не уменьшится (табл. 1.1), несмотря на то, что раздельное производство тепловой и электрической энергии является менее экономичным. Однако применение новых технологий может обусловить рациональное использование теплофикационных котельных. На сегодняшний день при незначительных плотностях тепловой нагрузки (менее 0,3 МВт/га) возможно применение котельных, устанавливаемых на крышах зданий как источника децентрализованного теплоснабжения [18].
Другим вариантом малого теплоснабжения являются малые ТЭЦ на базе паровых турбин типов Р, Т и ПТ, газотурбинной или парогазовой технологии. Согласно проведенным расчетам [6], применение противодавленческих установок позволяет сэкономить до 70 % топлива по сравнению с раздельной выработкой. Однако
максимальной экономичности эти установки достигают при использовании мощных турбин с тепловой нагрузкой более 200 МВт. Для мини ТЭЦ на базе турбин типа Т-50 экономия топлива по сравнению с раздельной выработкой составляет 29-33 % [6,18].
В печати широко обсуждается вопрос применения нетрадиционных источников энергии для теплоснабжения (тепловые насосы, установки солнечной энергетики, геотермальные установки [33]). По данным на 1992 г. их общая тепловая мощность в мире составила около 3 тыс. МВт. В России использование нетрадиционных источников ограничено. Согласно прогнозу [33] общее производство энергоресурсов за их счет к 2010 г. будет эквивалентно использованию 2,7 млн. т.у.т., что составляет менее 1 % от расхода топлива на теплофикацию в России в 1995г.
На сегодняшний день одним из наиболее привлекательных проектов теплофикационных установок являются ГТУ и ПҐУ ТЭЦ [32]. В последние годы создалась основа для широкого применения ГТУ для теплоснабжения. Среди многочисленных вариантов комбинированного производства тепловой и электрической энергии на базе газотурбинных и парогазовых установок следует выделить следующие:
Замена устаревшего паротурбинного теплофикационного оборудования действующих ТЭЦ мощностью 50-И00 МВт на газотурбинные агрегаты мощностью 60-И50 МВт. Основными проблемами при реализации данных проектов является необходимость реконструкции электрической части станции (поскольку выработка электроэнергии на тепловом потреблении на ГТУ-ТЭЦ в 1,5^2,0 раза больше, чем на традиционных паротурбинных- электростанциях) и невозможность использовать уголь в качестве резервного топлива [8];
Строительство ГТУ и ПГУ ТЭЦ небольшой мощности для автономного теплоснабжения небольших городов и районов
крупных городов [6]. Для этих целей целесообразно использование газотурбинных установок отечественного и зарубежного производства мощностью 10^25 МВт. Следует отметить, что излишняя концентрация мощностей на ТЭЦ и необходимость по экологическим ограничениям сооружать теплоцентрали вдали от городской застройки привели к резкому росту затрат на транспорт тепловой энергии от ТЭЦ, что вызвало существенное увеличение стоимости отпускаемой тепловой энергии [15]. ПГУ и ГТУ ТЭЦ, в силу более высоких экологических показателей, могут размещаться в непосредственной близости от тепловых потребителей. Такое размещение ГТУ-ТЭЦ позволяет также снизить расходы на тепловые сети, как на строительство новых, так и на обслуживание уже существующих;
Установка газотурбинных установок на реконструируемых и расширяемых котельных для работы в автономном режиме или в качестве пикового источника теплоты [6];
Реконструкция районных котельных по газотурбинной или парогазовой технологии;
Использование ПГУ и ГТУ ТЭЦ для локального снабжения технологическим паром предприятий, как автономный, надежный и экономически выгодный источник электрической энергии и пара для нужд производства. Наибольшей эффективностью отличается использование таких ТЭЦ на нефтеперерабатывающих предприятиях, имея в виду возможность использования продуктов переработки нефти в качестве топлива [30].
По сравнению с наиболее эффективными бинарными ПГУ, в том числе и с различными схемами с паровыми турбинами типа Т, ПТ, Р, которые могут обеспечивать производство различных видов тепловой энергии [2,16,52], ГТУ ТЭЦ имеют более низкие технико-экономические
показатели. Однако этот недостаток компенсируется значительными преимуществами ГТУ ТЭЦ: меньшие по сравнению с ПГУ и паротурбинными ТЭЦ капитальные затраты, компактность, меньший чем на ПТУ и ПГУ штатный коэффициент, более высокий уровень надежности и маневренности [52]. Возможна полностью автономная работа ГТУ ТЭЦ с дистанционным управлением нескольких ГТУ ТЭЦ с объединенного диспетчерского пульта. Строительство малых газотурбинных ТЭЦ (мини - ТЭЦ), и прежде всего путем надстройки действующих и вновь строящихся районных котельных [6,18] позволит в несколько раз уменьшить размер капиталовложений в систему теплоснабжения.
Несомненно, что при выборе схемы и оборудования для реализации задачи теплоснабжения важнейшую роль представляет собой правильный выбор типа ГТУ как ключевого элемента установки.
Газотурбинные ТЭЦ проектируют на базе газотурбинных установок открытого типа. В течение последних 30 лет и в перспективе до 2010 г. (а может быть и далее) ГТУ являются наиболее динамично развивающимся в мире тепловым двигателем. На сегодняшний день достаточно прочно сформировались принципы конструирования ГТУ, которые позволяют обеспечить хорошие показатели надежности и тепловой экономичности.
Важной научной задачей является определение показателей эффективности использования топлива в различных схемах ПГУ и ГТУ ТЭЦ с котлами-утилизаторами. В настоящее время для ПГУ ТЭЦ разработаны методики определения этих показателей, основанные на применении физического и пропорционального методов распределения расходов топлива на ..выработку тепловой и электрической энергий на ТЭЦ [36]. Эти методы распределения расходов топлива имеют существенные недостатки. Дискуссии о выборе показателей эффективности использования топлива на ТЭЦ проводились в начале 50-х, в 70-х и в 90-х годах. Ни одна из этих
дискуссий не привела к одобрению каких-то определенных показателей эффективности использования топлива на ТЭЦ. Целью настоящей работы является разработка методики по определению показателей эффективности использования топлива на ГТУ и ПГУ ТЭЦ с котлами-утилизаторами, проведение на базе разработанной методики анализа и определение резервов повышения эффективности использования топлива на ПГУ ТЭЦ с котлами-утилизаторами и ГТУ ТЭЦ, с учетом различных режимов работы в течение года.
