Содержание к диссертации
Введение
1.Анализ состояния ТЭК Республики Бурятия 8
1.1 .Динамика энергопотребления 8
1.2. Эффективность использования ТЭР 11
1.3.Потенциал энергосбережения ТЭК на ТЭС 15
2.Экспериментальная часть 23
2.1 .Эколого-энергетическое обследование Улан-Удэнской ТЭЦ-1 23
2.11 .Общее положение 23
2.1.2. Управление и организация структура ТЭЦ-1 23
2.1 .3. Основные технические характеристики ТЭЦ-1 25
2.1.4. Энергетический аудит и особенности энергетического обследования Улан-Удэнской ТЭЦ-1 36
2.1.5.0бъём измерений и измерительная аппаратура 42
2.1.6.Лабораторные исследования топлива и испытания паровых котлов для определения КПД 44
2.1-Исследование эксплутационных возможностей 48
2.2.1. .Определение энергетического и материального баланса ТЭЦ-1 51
2.2.2.Энергетический баланс производства и отпуска тепла 53
3. Модельматериального, энергетического, эксергетического баланса ТЭС 54
3.1 .Материальный и энергетический баланс 54
3.2.Энергетическая матрица 56
3.3.Эксергия 58
3.4. Энергетические характеристики углей 63
3.5 .Расширенный вид энергетической матрицы и модели топливно-энергетического баланса 67
3 .6.Решение энергетических матриц 82
3.7.Построение первоначального опорного плана 85
4.Анализ модели топливно-энергетического баланса 86
4.1. Расчёт КПД котельного агрегата №6 с применением компьютерного редактора Excel разработанного «Annex» 88
4.2. Расчёт КПД котельного агрегата №6 с применением эксергетических матриц 91
4.3 .Анализ матричных решений применительно к ТЭС 98
Основные выводы работы 103
Список используемой литературы 104
Приложение 117
- Эффективность использования ТЭР
- Управление и организация структура ТЭЦ-1
- Энергетические характеристики углей
- Расчёт КПД котельного агрегата №6 с применением эксергетических матриц
Введение к работе
Актуальность темы. На сегодняшний день в энергетическом комплексе Республики Бурятия сложилась не простая ситуация. Из-за спада производства 90-х годов был потерян контроль по потреблению топливно-энергетических ресурсов. Энергетические предприятия, занимающиеся выработкой первичных видов энергии, претерпели кризисы различных направлений, которые в большинстве своём складывались из - за недофинансирования и устаревания техники и технологии. Энергетические обследования (энергетические аудиты) выявляют самые проблемные участки, позволяют разработать меры по снижению энергетических потерь, а также уменьшению потребления ресурсов, что является основой энергосберегающей политики. В общем случае методики проведения энергетических обследований разного уровня (первичного энергетического или расширенного аудита) имеются, хотя математически обосновывающих моделей, а соответственно и экономико-определяющих, согласованных со схемами работ тепловых, электрических станций нет.
Основными энергонесущими единицами ТЭС являются котельные агрегаты и турбины, вырабатывающие в различных режимах нагрузки три вида потребляемой продукции: пар высоких температур, воду горячего теплоснабжения, электрическую энергию, сравнение энергетических характеристик которых при определении эффективности их работы в разных физических единицах может быть не корректным. Поэтому необходим новый системный подход к этой проблеме.
Целью диссертационной работы является определение энергетических и материальных балансов ТЭС на основе эколого-энергетического аудита; создание модели топливно-энергетического баланса ТЭС для определения эффективности работы котельных агрегатов при различных комбинациях топлив.
Методы исследования основаны на применении теории линейного программирования и математического моделирования с матричными расчётами,
экспериментальных методов определения топливно-энергетических балансов
тэс.
В диссертационной работе впервые получены, составляют предмет научной новизны и выносятся на защиту:
Модели энергетических и материальных балансов ТЭС на основе эколого-энергетического аудита;
Модель эксергетического баланса ТЭС с учётом электрических и механических потерь;
Предложено рассмотрение топливно-энергетических потоков ТЭС в виде
матриц, имеющих три формы записи: для одного котельного агрегата; для
группы; для различных видов топлива и их смесей.
Методология создания матриц частных целей цикла топливно-энергетического
ресурса.
Практическая ценность полученных теоретических и экспериментальных данных позволили обосновать, апробировать и осуществить комплексный системный подход к энергосбережению на ТЭС при сохранении высокого уровня надёжности и ресурса в условиях эксплуатации. Результаты работы внедрены в Агентстве по энергосбережению Республики Бурятия.
Достоверность результатов и выводов диссертационной работы подтверждается экспериментальными и расчётными данными, квадратичная погрешность которых не превышает 5%. Аналитические зависимости разработаны на основе аналоговых задач с уже имеющейся методологической базой.
Апробация работы. Основные результаты исследований по теме
диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Международной
научно - практической конференции «Агроинженерная наука: проблемы и
перспектива развития» 2005г., ежегодных научно - технических конференциях
(2003 - 2007гг.), проводимых в Восточно-Сибирском государственном
технологическом университете и Бурятской государственной
сельскохозяйственной академии (г. Улан-Удэ); Всероссийской научно-
практической конференции и выставки, аспирантов, молодых, учёных в Уральском государственном техническом университете - УПИ (г. Екатеринбург, 2005 - 2006гг.); Международной научно - технической конференции аспирантов и молодых учёных в ЮУрГУ (г. Челябинск, 2006 - 2007гг.).
Публикации. По материалам работы опубликовано 13 печатных работ, в которых отражено основное содержание работы.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка и приложения. Содержит 130 страниц машинописного текста, 15 рисунков, 37 таблиц и библиографию из 125 источников.
Эффективность использования ТЭР
В проблематике энергосбережения доминирует генеральный подход к постоянному, технически доступному и экономически оправданному повышению полезной отдачи от вовлекаемых в народно-хозяйственный оборот природных энергоресурсов. Однако, практически невозможно назначить приемлемые агрегатные показатели, точным и исчерпывающим образом показывающих эффективность использования ТЭР на энергетических предприятиях.
В целом под эффективностью использования топливно-энергетических ресурсов на ТЭС можно понимать сравнительные возможности сокращения потребления ТЭР (резервы энергосбережения) в процессах и объектах использования энергии и топлива. В определенной мере оценить сравнительную агрегатную эффективность использования топливно-энергетических ресурсов на ТЭС позволяет единый топливно-энергетический баланс. Структурные данные энергетического и материального балансов позволяют определить энергетические и эксергетические коэффициенты полезного использования энергоресурсов (КПИ).
КПИ конечного потребления ТЭР: определяется отношением конечного потребления энергоресурсов к суммарному объему первичных энергоресурсов;
КПИ трансформации: определяется отношением суммы преобразуемой энергии к сумме направленных в сектор первичных ТЭР;
КГГИ электростанций: определяется отношением суммы производства на станциях электро- и тешюэнергии к суммарному использованию ТЭР электростанциями;
КПИ котельных: определяется отношением производства тепла {отпускаемого котельными) к сумме потребляемых здесь эиергорееурсов.
Динамика коэффициентов полезного использования энергоресурсов с 1995 по 2005 гг. приведена в (табл. )А), Анализ динамики коэффициентов полезного использования эиергоресурсов показал, что по сравнению с 1995 г. основные КПИ ТЭР в Республике Бурятия снизились.
Сравнение КПИ ТЭР России н Республики Бурятия. Однако, в существенной мере, Россия имеет выигрыши в ХТіИ за счет высокой доли использования природного газа, а также гидравлической и атомной энергии. Ресурсы этих видов ТЭР в энергетическом балансе Республики Бурятия не применяются.
Энергосбережение в регионе является комплексной проблемой, решение которой даёт разноплановые эффекты. В технологическом и техническом аспекте это снижение физических потерь, внедрение новых технологий и оборудования, повышение технического уровня энергетического хозяйства, повышение отдачи от мощности действующих источников и сетей. Экологический эффект связан со снижением расхода топлива и уменьшением количества вредных выбросов. Социальный эффект состоит в повышении надежности энергоснабжения и комфортности в зданиях. С экономической точки зрения проекты энергосбережения окупаемы, хотя могут и не приводить к росту массы прибыли в региональной экономике. Окупаемые энергосберегающие меры стимулируют развитие рынка необходимого оборудования и энергосервисных услуг.
В Республике Бурятия несомненно актуальна проблема повышения энергоэффективности (энергосбережения). Проблематика энергосбережения обусловлена абсолютно повсеместным использованием топливно-энергетических ресурсов. Во всех сферах экономики Республики Бурятия отмечается рациональный потенциал энергосбережения. Весьма неплохая по темпам динамика экономического роста в период 1999-2006 гг. не предъявляет каких-либо критических требований к увеличению производства и поставок ТЭР, сопровождается довольно интенсивным спадом макроэкономических показателей энергоемкости. Однако резервы энергоэффективности заключаются не в том, сколько потребляется энергии и топлива на ТЭС (валовое наращивание потребления ТЭР является материальным и необходимым условием устойчивого экономического роста и повышения уровня жизни населения), а как они используются.
Управление и организация структура ТЭЦ-1
Улан-Удэнская ТЭЦ-1 не является юридически самостоятельным предприятием, а входит в состав ОАО "Бурятэнерго" и является его собственностью. ТЭЦ-1 в отличие от других подразделений АО "Бурятэнерго" находится на собственном балансе, хотя финансовые отчеты выполняются в управлении "Бурятэнерго". Первоначально 51% фонда акционерного капитала были в руках местной и районной администраций и работников предприятия. Остальные 49% находились в собственности РАО ЕЭС России. В последнее время в связи с финансовыми операциями различных фирм по купле-продаже акций произошло значительное перераспределение собственности компании.
Первый паровой котел в блоке с турбогенератором был пущен на ТЭЦ-1 в 1936 г. Он имел рабочее давление 39 бар и номинальную паро-производительность 75т/ч, работал на мазуте в комплексе с турбиной и генератором мощностью 12 МВт.
В 1941 г. были сданы в эксплуатацию второй котел и второй турбоагрегат. Вторая турбина имела регулируемый теплофикационный отбор пара с расходом до 60 т/ч.
В 1957 г. был введен в эксплуатацию такой же третий блок котел-турбина-генератор. Тогда же была пущена система подачи угля с ленточным конвейером. Мощность выдавалась в электрическую систему напряжением 6,3 кВ.
В 1963 г. и 1964 г. были впервые введены в эксплуатацию два паровых котла высокого давления 100 бар паропроизводительностыо 220 т/ч каждый, а также турбоагрегаты №6 и №7.
Еще два таких же котла были сданы в эксплуатацию в 1965 и 1974 годах. Начиная с 1966 г. производство тепла становится доминирующей задачей ТЭЦ, производство электроэнергии отступает на второй план. Для увеличения выработки тепла турбина №7 была реконструирована с организацией регулируемого отбора пара до 200 т/ч, подаваемого в подогреватели сетевой воды.
В связи с быстрым ростом потребностей в тепле мощности станции было недостаточно для покрытия пиковых нагрузок в зимнее время. Поэтому в 1978, 1980, 1985 и 1986 годах были запущены четыре водогрейных котла, работающие на мазуте, которые частично покрыли потребность в тепле системы теплоснабжения г. Улан-Удэ.
Котлы среднего давления (СД) - типа БКЗ-75-39ФБ / Е-75-40, станционные № №1-5, изготовлены на Барнаульском котельном заводе, однобарабанные, вертикально-водотрубные, с естественной циркуляцией, с камерной топкой, предназначены для сжигания Азейского и Гусиноозерского углей.
Котлы имеют П-образную компоновку, топочную камеру прямоугольного сечения (6000 х 6 600) мм , экранированную трубами 060 х 3 мм с шагом 75 мм на задней стенке и 90 мм на остальных. В нижней части топки трубы заднего и фронтового экранов образуют скаты холодной воронки. Пароотводящие трубы заднего экрана образуют фестон на выходе топочной камеры. Пароперегреватель ПП котла конвективного типа. Пар из барабана поступает в 1-ую ступень ПП, расположенную после фестона, а затем в пароохладитель ПО. Для снижения температурных перекосов после ПО поток пара перераспределяется по ширине газохода и поступает во 2-ую ступень ПП.
Водяной экономайзер выполнен из труб 032, расположенных в шахматном порядке, змеевики расположены параллельно фронту котла. Экономайзер состоит из 2-х ступеней, расположенных в рассечку с 4-х ходовым трубчатым водоподогревателем. 2-ая ступень воздухоподогревателя размещена между 1-ой и 2-ой ступенями экономайзера. Расположение труб шахматное, 040 мм.
Система пылеприготовления замкнутого типа, с прямым вдуванием. На каждом котле установлены две шахтные молотковые мельницы типа ММТ-300/2030/750 с гравитационными сепараторами. Производительность мельницы (по Экибастузскому углю) составляет 16 т/ч. Подача угля на мельницы производится скребковыми питателями типа ПС-700/1000 производительностью 16 т/ч. Сушка и транспортировка угольной пыли осуществляется горячим воздухом. Угольная пыль из мельниц подается в топку по шахтам за исключением котла №2, где угольная пыль после встроенного центробежного сепараторах каждой мельницы подается по двум пылепроводам.
С фронтовой стороны топки установлены по две угольные горелки, прямоточного типа с регулируемой круткой вторичного воздуха. Для растопки котла и стабилизации горения при низких нагрузках предусмотрены четыре мазутные форсунки, расположенные с боковых сторон топки. Тягодутьевая установка состоит из дутьевого вентилятора типа ВДН-20 производительностью 175 000 м3/ч и дымососа ДН-2а производительностью 267 000 м3/ч. Очистка дымовых газов производится в двух скрубберах с трубами Вентури.
Котлы высокого давления (ВД) - типа БКЗ-220-100Ф / БКЗ-220-100 7С, барабанного типа, станционные №№ 6-9, изготовлены на Барнаульском котельном заводе, имеют П-образную компоновку с естественной циркуляцией и рассчитаны на сжигание гусиноозерского бурового угля. Топочная камера имеет прямоугольное сечение (6 650 х 9 536) мм 2 и экранирована трубами 060 х 4 с шагом 64 мм. В верхней части топки трубы заднего экрана образуют аэродинамический выступ. Горелочные устройства СО ОРГРЭС расположены на фронтовой стенке топки и имеют регулируемую крутку вторичного воздуха. Количество горелок -6. Для растопки предусмотрено 6 растопочных горелок, по 3 горелки на боковых экранах, в каждую из них установлено по одной мазутной форсунке парового распыливания. Пар из барабана по трубам потолочного перегревателя поступает в 1-ую ступень ГШ. ПП двух поточный, четырехступенчатый, радиационно-конвективного типа впрыскивающими пароохладителями.
Энергетические характеристики углей
Улая Удэйское энергетическое предприятие ТЭЦ ! использует как указывалось выше мазут для запуска котельных агрегатов и поддержания оптимального режима работы, но основными энергообразующими единицами являются угли различных разрезов.
После аудита проводимого з 2003 - 2004 годах, который, опираясь на экономическую схему представленную ниже, показал не целесообразность использования низко энергетических тошшв, при чём ценовой образующий фактор (в частности для Гусиноозёрского разреза) значительной прибыли не давал, поэтому было рекомендовано перейти на уголь Тугнуйского более легко лавировать в вопросах ценовой политики, подталкивают к рассмотрению более широкого спектра. Поэтому в дальнейшем предлагается провести расчётные сравнительные мероприятия по углям: Гусиноозёрской шахты, Тугнуйского разреза, а также других месторождений: Холбольджийского; Никольского.
При этом энергетическая характеристика углей: Гусиноозёрского, Никольского и Хольбоджинского месторождений известны, а эксергетических данных по Тугнуискому топливу нет. Представим показательный расчёт исходя из выше приведённых формул и химического состава Тугнуйского угля определённых лабораторией «Бурятэнерго» (забор проб производились с угольных складов). Таблица 3.2 Состав бурого угля входящего в состав механической смеси топлива применяемой на ТЭЦ совместно с каменным углём. Состояние Размерность Сырой Обезвоженный Обезвоженный Обеззоленный Общая доля воды Масса % 20,1 Зола815"С Масса % 27 Углерод Масса % 38,8 48,5 73,2 Водород Масса % 2,7 3,38 5Д Азот Масса % 0,44 0,55 0,83 Сера, полное значение Масса % 1,23 1,54 Расчётный кислород = остаток/100 Масса % 9,8 12,3 18,5 Таблица 3.3
Общая доля воды Масса % 10,7 Зола815С Масса % 12,8 Углерод Масса % Водород Масса % Азот Масса % Сера, полное значение Масса % 0,28 0,31 Расчётный кислород = Масса % Значение низшей рабочей теплоты сгорания Тугнуйского угля QHP составляет 5500 ккал, что с учётом коэффициента перевода в стандартную систему единиц СИ равного к = 4,19, будет равно 23045 кДж/кг. ехнр = [1,009 +(0,131 9 + 0,116 10,7/100-12,8- 10,7)] 23045; ехнр = 23981,47кДж/кг = 23,98147МДж/кг. Общее количество угольных ресурсов составляет 4110 млн. т. Изученность их довольно высока: 2722 млн.т., что составляет 66%, приходится на балансовые запасы, 620 млн.т. (15%) на прогнозные ресурсы. Свыше 18% суммарных ресурсов отнесено к забалансовым. Малочисленное значение прогнозных ресурсов в 620 млн.т., объясняется низкими значениями глубины оценки исследуемых месторождений, в пределах 300 м, лишь для Оборской впадины оценка выполнена до глубины 600 м.
Предложенная нами модель (выражение 3.9) в правой части своих равенств имеет буквенные обозначения вида: Z, Н, I, К, которые выражают функции зависимости получения единицы продукции от качества и количества топлива. Кроме этого составленная система не достаточно чётко показывает потери энергии и эксергии, как это отражено в уравнениях энергетического баланса. Логично будет предположить, что данные функции это и есть - потери и полезно затраченная энергия теплового процесса котельного агрегата, рассчитывающихся следующим образом; Qpp=Qi+Q2+Q3 +Q4+Q5 +Q6+Q7, (3.17) где QPP - располагаемое тепло, кДж/кг; Qi-тепло, полезно воспринятое в котельном агрегате поверхностями нагрева (горячая вода, пар), кДж/кг; Q2 - потери тепла с уходящими газами, Q3 -потери тепла от химической неполноты горения, Q4 - потери тепла от механического недожога, Q5 - потери тепла в окружающую среду, Q6 -потери тепла с физическим теплом шлаков, ( - потери тепла на технологическую подготовку топлива и процесса сжигания.
Потери тепла в окружающую среду (кДж/кг) зависят от размеров поверхности котельного агрегата, качества обмуровки и тепловой изоляции. Данные потери принимаются, как справочные единицы для выполнения теоретических расчетов, в реальном же режиме, когда проводятся опытные измерения, разность располагаемой энергии и всех приведённых потер, есть тепловой поток ушедший в окружающую среду [90].
Левая часть уравнения математической модели представляется произведением (Yj Mj) количества сжигаемого топлива на его удельную теплотворность, что связано с понятием работоспособности тела или его эксергией.
Расчёт КПД котельного агрегата №6 с применением эксергетических матриц
Необходимые для расчёта данные примем согласно представленных, опытных данных переводя их к эксергетическому показателю.
Для достоверности проводимых расчётов необходимо определить эксергетический показатель 1 кг топливной смеси, исходя из представленных в таблице 4.3 данных о соотношении массовых долей топлива. Мазут будет составлять 1,67 %; каменный уголь 29,5 %; бурый уголь 68,83%. Таким образом, значение эксергии 1кг топлива составит 19,4 МДж/ кг. Добавим полученные значения в эксергетическую матрицу.
Количество необходимой эксергии для создания каждого эксерго-потока, определим процентным соотношением от потерь энергии характеристики расчётов которых представлены в 3 - ей главе данной работы. Пропорциональные значения энергетических потерь занесены в таблицу 4.4, как показатели предварительных расчётов.
Данная таблица отражает условия поставленной задачи. Поскольку подразумевается полное распределение всего эксергетического потока согласно топливно-энергетического баланса выраженного уравнением 3.7 и 3.36, можно сделать вывод о закрытости представленной задачи.
Начало заполнения эксергетической матрицы начнём одним из симплекс методов «методом северо-западного угла».
Решение задачи произведём с помощью компьютерной программы «Simplix». Анализ данного решения позволяет нам сделать вывод о том, что несмотря на замкнутость симплексной таблицы имеются несколько ходов оптимизированных решений. Поэтому имеется потенциал сохранения эксергии или потенциал энергосбережения.
В третьей главе диссертационной работы был поставлен вопрос - как сопоставить энергетический баланс, общий термодинамический КПД системы, КПД отдельных потоков с учётом специфики распределения энергии, расходования энергетических носителей и топлива, с указанием на проблемные участки, при известных выходных параметрах. Тогда говорилось об необходимо применить возможность решения путём линейного программирования, которое позволит найти при прямом расчёте оптимальные значения КПД, при обратном расчёте покажет недостатки, влияющие на КПД составляющих элементов системы и КПД всей системы в целом.
Анализируя коэффициенты полезного действия под элементных систем можно выделить показатель с индексом 2 особо влияющий на эксергетические потери. Данный поток относится к потерям энергии с уходящими газами. Как показали обследования проводимые экспертами, в паровых котлах с дефектным ВЗП при нарушении режима дымовые газы содержат по 50% воздуха, проникающего через не плотности ВЗП . Для предотвращения конденсации серной кислоты температура дымовых газов и хвостовой части ВЗП должна составлять 130 С. При температуре холодного воздуха на всосе вентилятора 10 С и содержании воздуха в дымовых газах 50% установилась бы температура газовоздушной смеси, равная 65 С.
В реальных случаях были зафиксированы следующие режимные параметры; -температура холодного воздуха на всосе вентилятора 10С, - содержание воздуха в дымовых газах 50% и -температура газовоздушной смеси 85-90 С.
Судя по температуре газовоздушной смеси 85-90 С, значительно превосходящей расчетное значение 65 С, можно сделать вывод, сто температура дымовых газов без перетока воздуха из ВЗП, была бы значительно выше 130 С. Превышение этого значения означает дополнительные потери энергии. Эти потери можно грубо оценить в размере 1 5 . Исключив эти потери , можно дополнительно сэкономить 1% угля в год, что составит 6,1 тыс. тонн угля со средней калорийностью 3079 ккал/кг.
Данный вывод позволяет утверждать, что моделирование проведено на достаточном научно-техническом уровне. Модель составленная нами, как топливно-энергетический баланс ТЭС и методика её решения с применением энергетических и эксергетических матриц выбрана верно.
