Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния вопроса по городским теплофикационным системам и технологиям их работы. постановка цели и задач исследования 14
1.1. Общая характеристика и хронология развития отечественных теплофикационных систем 14
1.2. Когенерация и централизованное теплоснабжение за рубежом 21
1.3. Существующие структурные и тепловые схемы городских теплофикационных систем 32
1.4. Современное состояние и перспективы теплофикации и централизованного теплоснабжения в России 49
1.5. Структурные элементы городских теплофикационных систем и их состояние 60
1.5.1. Оборудование, схемы и режимы работы источников пиковой мощности теплофикационных систем 60
1.5.2. Резервные топливные хозяйства теплоисточников, их схемы и особенности работы 74
1.5.3. Водоподготовительные установки и оборудование городских теплофикационных систем 95
1.6. Постановка цели и задач исследования 109
Глава 2. Совершенствование структуры городских теплофикационных систем 112
2.1. Разработка концепции повышения эффективности ТЭЦ и городских теплофикационных систем 112
2.2. Технологии работы городских ТЭЦ с параллельным включением базовых и пиковых источников теплоты при пониженном температурном графике 118
2.3. Разработка комбинированных городских теплофикационных систем 129
2.4. Методика расчета энергетической эффективности комбинированных теплофикационных систем с децентрализованными пиковыми теплоисточниками 135
2.5. Оценка надежности комбинированных городских теплофикационных систем 149
1 2.6. Выводы по главе 2
Глава 3. Обеспечение пиковой тепловой нагрузки теплофикационных систем за счет избытков пара производственных отборов турбин и вторичных энергоресурсов на ТЭЦ 164
3.1. Графо-аналитический метод анализа возможности использования избытков пара производственных отборов турбин ТЭЦ для обеспечения пиковой тепловой нагрузки 164
3.2. Совершенствование технологии работы ТЭЦ с пиковыми сетевыми подогревателями, подключенными к промышленным отборам пара турбин 173
3.3. Использование низкопотенциальных источников теплоты для обеспечения части пиковой нагрузки теплофикационных систем 182
3.4. Выводы по главе 3 188
Глава 4. Исследование и совершенствование технологий водоподготовки для городских теплофикационных систем 190
4.1. Анализ энергетической эффективности различных способов термической деаэрации воды на ТЭЦ 190
4.2. Экспериментальное исследование процессов противокоррозионной обработки подпиточной воды теплосети на Ульяновской ТЭЦ-3 200
4.3. Повышение тепловой экономичности водогрейных котлов за счет использования теплоты уходящих газов в водоподготовительных установках с вакуумными деаэраторами 212
4.4. Повышение эффективности теплофикационных систем за счет совершенствования технологий подготовки подпиточной воды для замкнутого контура водогрейных котлов в двухконтурных схемах 224
4.5. Энергосберегающая технология вакуумной деаэрации в пиковых водогрейных котельных городских теплофикационных систем 238
4.6. Выбор технологий подготовки подпиточной воды теплосети на ТЭЦ в зависимости от способа покрытия пиковой тепловой нагрузки 244
4.7. Выводы по главе 4 258
Глава 5. Повышение эффективности резервного топливоснабжения теплоисточников городских теплофикационных систем 261
5.1. Совершенствование технологий обеспечения котельных резервным топливом 261
5.2. Оценка эффективности применения топлива печного бытового в качестве резервного на ТЭЦ 278
5.3. Сравнительный эксергетический анализ процессов подогрева резервного жидкого топлива на ТЭЦ различными теплоносителями 283
5.4. Выводы по главе 5 290
Заключение 292
Список литературы
- Современное состояние и перспективы теплофикации и централизованного теплоснабжения в России
- Технологии работы городских ТЭЦ с параллельным включением базовых и пиковых источников теплоты при пониженном температурном графике
- Совершенствование технологии работы ТЭЦ с пиковыми сетевыми подогревателями, подключенными к промышленным отборам пара турбин
- Экспериментальное исследование процессов противокоррозионной обработки подпиточной воды теплосети на Ульяновской ТЭЦ-3
Введение к работе
Актуальность темы исследования. По данным последней переписи населения в России более 105 млн. человек или 74 % населения проживают в городах. Для снабжения городских потребителей тепловой и электрической энергией применяются крупные теплофикационные системы, созданные отечественными специалистами в середине ХХ в.
Обеспечение заданной тепловой нагрузки городских теплофикационных систем (ГТС) является важнейшей задачей надежного и качественного теплоснабжения потребителей, от которого во многом зависит энергетическая безопасность страны. В Федеральном законе № 190 от 27.07.2010 «О теплоснабжении» развитие теплофикационных систем (систем централизованного теплоснабжения с преимущественным использованием комбинированной выработки электрической и тепловой энергии) названо приоритетным направлением в сфере теплоснабжения. В энергетической стратегии России на период до 2020 г. отмечено, что для обеспечения энергетической безопасности необходимо решение двух первоочередных проблем: во-первых, проведение модернизации устаревшей морально и изношенной физически технологической базы топливно-энергетического комплекса с использованием лучших отечественных и соответствующих нашим условиям зарубежных технологий; во-вторых, требуется изменение структуры потребления и размещения производства топливно-энергетических ресурсов.
Работа выполнялась в рамках научного направления Ульяновского государственного технического университета «Создание энергосберегающих систем производства, транспортировки, распределения и потребления тепловой и электрической энергии» (г/б НИР № 2014/232), гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых и по государственной поддержке ведущих научных школ Российской Федерации МК-3068.2004.8 и в соответствии с приоритетным направлением развития науки, технологий и техники в РФ «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика».
Степень разработанности темы исследования. Существенный вклад в развитие теплофикационных систем внесли отечественные ученые: Дмитриев В.В., Копьев С.Ф., Соколов Е.Я., Мелентьев Л.А., Дунаевский Н.И., Андрю-щенко А.И., Громов Н.К., Зингер Н.М., Чистович С.А., Хлебалин Ю.М., Николаев Ю.Е., Щинников П.А. и др.
В настоящее время работа ГТС, спроектированных более полувека назад, сопряжена с рядом проблем, обусловленных ослаблением государственного влияния на энергетику, повышением стоимости топливно-энергетических ресурсов, изношенностью тепловых сетей и оборудования, отсутствием инвестиций на техническое перевооружение и несоответствием традиционно применяемых технологий теплоснабжения современным научно-техническим и экономическим требованиям. Нерешенность этих технических и экономических проблем негативно сказывается на качестве и энергетической эффективности теплоснабжения. В последние годы конкурентоспособность теплофикационных систем по сравнению с
4 другими вариантами тепло- и энергоснабжения городов уменьшилась. Тем не менее, термодинамические преимущества теплофикации неопровержимы. Для их полной реализации в современных условиях требуются пересмотр подходов к обеспечению тепловых нагрузок городских потребителей, изменение структуры и повышение эффективности ГТС за счет применения новых технических и технологических решений, представленных в диссертации.
Цель и задачи работы. Целью работы является совершенствование структуры и технологий работы ТЭЦ и городских теплофикационных систем, начиная от теплоисточника и заканчивая теплоэнергетическими установками потребителей, направленное на повышение энергетической эффективности, качества, надежности и экономичности теплоснабжения городов. Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:
проанализированы основные причины неэффективной работы ТЭЦ и ГТС и сформулирована концепция повышения их эффективности за счет изменения их структуры и технологического совершенствования структурных элементов;
разработан комплекс технических и технологических решений, позволяющих повысить энергетическую эффективность, экономичность и надежность теплоснабжения за счет применения ГТС с комбинированной структурой, объединяющих элементы централизованных и децентрализованных систем, а также ГТС с параллельным включением базовых и пиковых теплоисточников на ТЭЦ;
при помощи графо-аналитического метода анализа графиков тепловой нагрузки ТЭЦ доказана целесообразность использования избытков пара производственных отборов турбин для обеспечения пиковой тепловой мощности ГТС;
выполнен эксергетический анализ ТЭЦ с традиционной структурой и ТЭЦ с пиковым сетевым подогревателем и дополнительным водо-водяным теплообменником;
разработаны технологии использования низкопотенциальной теплоты охлаждающей циркуляционной воды в теплонасосных установках для обеспечения части пиковой тепловой нагрузки ТЭЦ;
выполнен анализ энергетической эффективности различных способов термической деаэрации воды на ТЭЦ;
экспериментально исследована система декарбонизатор-деаэратор, входящая в состав водоподготовительной установки Ульяновской ТЭЦ-3, и получены многофакторные математические зависимости, описывающие процессы дегазации подпиточной воды теплосети при пониженных температурах теплоносителя;
разработаны энергосберегающие технологии повышения эффективности термической деаэрации воды на пиковых водогрейных котельных;
сформулированы рекомендации по выбору способа водоподготовки в ГТС в зависимости от максимальной температуры нагрева сетевой воды и разработаны технологии подготовки подпиточной воды для замкнутого контура водогрейных котлов на ТЭЦ и в котельных с двухконтурными схемами;
разработан новый подход к резервным топливным хозяйствам теплоисточников и предложены технологии резервного и аварийного топливоснабжения котельных и ТЭЦ;
выполнены технико-экономические расчеты разработанных технических и технологических решений.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Впервые сформулирована концепция повышения эффективности ТЭЦ и ГТС за счет структурно-технологической модернизации, направленной на повышение экономичности, качества и надежности теплоснабжения потребителей.
-
В рамках реализации концепции предложен и обоснован комплекс новых технологических решений:
технологии теплоснабжения с пониженными температурами теплоносителя и количественными способами регулирования нагрузки при параллельном включении основных сетевых подогревателей и пиковых водогрейных котлов на ТЭЦ;
комбинированные теплофикационные системы с обеспечением пиковой нагрузки децентрализованными теплоисточниками, расположенными непосредственно у потребителя, при высокоэкономичной работе ТЭЦ в базовой части графика тепловых нагрузок;
технологии использования вторичных энергоресурсов: конденсата пикового сетевого подогревателя, охлаждающей циркуляционной воды после конденсатора ТЭЦ для частичного обеспечения пиковой тепловой нагрузки; уходящих газов для нагрева потоков подпиточной воды в пиковых водогрейных котельных;
энергоресурсосберегающие технологии вакуумной деаэрации на пиковых водогрейных котельных;
технологии резервного и аварийного топливоснабжения котельных и ТЭЦ, предусматривающие переход на другой вид резервного топлива с целью снижения затрат на собственные нужды и повышения надежности и экологической безопасности теплоисточников.
-
Впервые разработана методика расчета энергетической эффективности комбинированных теплофикационных систем с централизованными основными и децентрализованными пиковыми теплоисточниками, которая реализована в виде программного продукта «Расчет энергетической эффективности комбинированной теплофикационной системы с ТЭЦ и автономными пиковыми теплоисточниками», а также произведена оценка надежности таких систем.
-
Экспериментально исследована система декарбонизатор-вакуммный деаэратор водоподготовительной установки Ульяновской ТЭЦ-3 и впервые получены уравнения регрессии, описывающие процессы декарбонизации и деаэрации воды в условиях работы ТЭЦ с пониженными температурами теплоносителей.
Новизна созданных технических решений подтверждена 40 патентами на изобретения.
Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные научные результаты вносят вклад в развитие методов расчета теплофикационных систем и установок, в исследование процессов тепломассообмена, происходящих в теплоэнергетическом оборудовании.
Практическая ценность докторской диссертации состоит в том, что ее результаты используются на действующих объектах теплоэнергетики в городских теплофикационных системах:
- с использованием технологий комбинированного теплоснабжения от цен
трализованных и децентрализованных теплоисточников на основании патентов
№2235249 (RU) МПК F29 D 3/08, №2235250 (RU) МПК F29 D 3/08 спроектирова
ны и смонтированы системы отопления, горячего водоснабжения и вентиляции в
здании Медицинского диализного центра (г. Ульяновск, ул. III Интернационала,
1а), которые повышают надежность теплоснабжения и позволяют обеспечить ра
боту центра при профилактических и аварийных отключениях;
на Саратовской ТЭЦ-5 применена технология подпитки замкнутого контура пиковых водогрейных котлов питательной водой энергетических котлов (патент №2159337 (RU) МПК F 01 К 17/02), которая позволяет повысить качество воды в замкнутом контуре и надежность работы пиковых водогрейных котлов. Там же приняты к использованию рекомендации по упрощенной противонакипной обработке подпиточной воды теплосети при пониженном температурном графике, обусловленном параллельным включением пиковых водогрейных котлов и сетевых подогревателей теплофикационных турбин, что позволяет снизить затраты на водоподготовку в 10-12 раз;
разработанный автором графо-аналитический метод успешно применяется на Ульяновской ТЭЦ-1, благодаря чему избыточный расход пара производственных отборов турбин ПТ-80-130/13 (станционные № 9, № 10), обусловленный снижением промышленной тепловой нагрузки, полезно используется в пиковых сетевых подогревателях для обеспечения тепловой нагрузки отопления г. Ульяновска, за счет этого увеличивается комбинированная выработка электроэнергии на тепловом потреблении, снижается нагрузка пиковых водогрейных котлов и обеспечивается существенная экономия топливно-энергетических ресурсов;
на Ульяновской ТЭЦ-3 внедрены рекомендации по выбору режимов работы водоподготовительного оборудования, сформулированные по результатам проведенного экспериментального исследования, которые позволяют снизить температуру обрабатываемой воды до минимального технологически допустимого уровня, а следовательно, уменьшить энергетические затраты на ее подогрев и подачу воздуха в декарбонизатор;
- разработанные компьютерные программы «Расчет энергетической эффек
тивности комбинированной теплофикационной системы с ТЭЦ и автономными
пиковыми теплоисточниками», «Расчет температурного графика водогрейных
котлов в двухконтурных схемах», «Сравнительный расчет тепловых потерь вер
тикальных цилиндрических резервуаров для жидкого топлива» используются для
7 расчета режимов работы действующего оборудования, при проектировании городских теплофикационных систем и в учебном процессе.
Результаты диссертационной работы используются при чтении курсов «Технологии обеспечения пиковой мощности систем теплоснабжения», «Теплоис-пользующие установки промышленных предприятий», часть материалов научных исследований вошла в учебное пособие «Технологии обеспечения пиковой нагрузки систем теплоснабжения» (соавтор В.И. Шарапов, изд-во «Новости теплоснабжения», Москва, 2006 г.), имеющее гриф УМО.
Результаты исследований включены в общероссийскую базу данных «Энергосбережение России», находящуюся в открытом доступе в Единой государственной информационной системе учета результатов научно-исследовательских и опытно-конструкторских технологических работ. Использование результатов работы подтверждается актами и справками о внедрении.
Основные методы научных исследований. В работе использованы методы вычислительной математики, теории вероятности и математической статистики, технической термодинамики, активного многофакторного эксперимента, теории тепломассообмена, гидравлики, общей химии и физики, методы технико-экономических расчетов в энергетике, эксергетический метод термодинамического анализа энергоустановок, эвристические методы поиска новых технических решений. Для автоматизации расчетов и построения графических зависимостей использовались пакеты прикладных программ Microsoft Exсel и Statistica, разработка программных продуктов производилась с использованием языка программирования С# и среды разработки Microsoft Visual Studio.
Положения, выносимые на защиту.
1. Концепция повышения эффективности ТЭЦ и городских теплофикационных систем и разработанные в ее рамках технические и технологические решения:
комбинированные теплофикационные системы с централизованными основными и децентрализованными пиковыми теплоисточниками;
технологии теплоснабжения с пониженными температурами теплоносителя при параллельном включении базовых и пиковых теплоисточников ГТС;
технологии использования низкопотенциальной теплоты циркуляционной воды в теплонасосных установках на ТЭЦ для обеспечения части пиковой нагрузки;
технологии повышения энергетической и экономической эффективности источников пиковой тепловой мощности ГТС за счет утилизации теплоты продуктов сгорания при подогреве потоков воды, идущей на деаэрацию;
энергосберегающие технологии резервного топливоснабжения теплоисточников ГТС;
технологии повышения надежности ГТС за счет улучшения качества противокоррозионной обработки теплоносителя на теплоисточниках.
2. Методика расчета энергетической эффективности комбинированных теплофикационных систем с централизованными основными и децентрализованными пиковыми теплоисточниками.
-
Уравнения регрессии, характеризующие работу водоподготовительного оборудования ТЭЦ в условиях пониженных температур теплоносителей.
-
Новый подход к резервному топливоснабжению теплоисточников, предусматривающий снижение затрат на собственные нужды и повышение надежности и экологической безопасности теплоисточников за счет замены резервного мазута на другие виды топлива и применения для их нагрева низкопотенциальных теплоносителей.
Степень достоверности и апробация результатов работы. Достоверность результатов работы обусловлена применением современных методов теоретических и экспериментальных исследований, проведением эксперимента в реальных промышленных условиях, сопоставимостью полученных данных с другими источниками, практической проверкой предложенных решений на действующих теплоэнергетических предприятиях, патентной чистотой разработанных технических решений.
Основные положения диссертационной работы представлены на Международной научно-практической конференции «Проблемы развития централизованного теплоснабжения» (Самара, СамГТУ, 2004), на Национальной конференции по теплоэнергетике (Казань, КазНЦ РАН, 2006), на Международной научной конференции «Современные научно-технические проблемы теплоэнергетики и пути их решения» (Саратов, СГТУ, 2004-2016), на Всероссийской научно-практической конференции «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем – ЭНЕРГО-2010» (Москва, МЭИ, 2010), на V Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности энергетического оборудования» (Иваново, ИГЭУ, 2010), на Международных научно-технических конференциях «Теоретические основы теп-логазоснабжения и вентиляции» (Москва, МГСУ, 2005-2015), на Международной научно-практической конференции «Проблемы, перспективы и стратегические инициативы развития топливно-энергетического комплекса» (Омск, ОмГТУ, 2011), на Международных научно-технических конференциях «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности» (Ульяновск, УлГТУ, 2003, 2006, 2013, 2017), на Международной конференции «Модернизация городских систем теплоснабжения Украины и России» (г. Ялта, 2011), на IV Международной научно-технической конференции «Муниципальная энергетика: проблемы, решения» (Украина, г. Николаев, 2011), на Национальном конгрессе по энергетике (Казань, КГЭУ, 2014), на заседаниях постоянно действующего научного семинара научно-исследовательской лаборатории «Теплоэнергетические системы и установки» УлГТУ (Ульяновск, 2002-2017) и др. Технологии по использованию низкопотенциальной теплоты тепловых электростанций отмечены золотой медалью (в составе авторского коллектива) Международной выставки изобретений и инноваций «IENA-2009» (Германия, г. Нюрнберг, 2009).
Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследований при разработке концепции повышения эффективности ГТС; анализе и обобщении
9 результатов исследований по эффективности работы ГТС; разработке методики расчета энергетической эффективности комбинированных теплофикационных систем с централизованными основными и местными пиковыми теплоисточниками; разработке графо-аналитического метода анализа возможности использования избытков пара производственных отборов турбин ТЭЦ при обеспечении пиковой тепловой мощности ГТС; предложении и патентовании новых технических и технологических решений, направленных на повышение эффективности ГТС; планировании и проведении экспериментальных исследований и промышленных испытаний водоподготовительного оборудования; разработке аналитических и статистических моделей; проведении вариантных расчетов; разработке и уточнении методик расчета и обоснования технических и технологических решений; разработке и регистрации программных продуктов.
Все результаты диссертационной работы, перечисленные в ее заключении, получены лично автором при научном консультировании д.т.н., профессора В. И. Шарапова.
Соответствие паспорту специальности. Диссертация посвящена вопросам повышения эффективности работы тепловых электрических станций с подключенными к ним городскими теплофикационными системами. В работе рассмотрены и обоснованы новые технические решения и режимы работы оборудования ТЭЦ и городских теплофикационных систем от ТЭЦ, а также новая взаимосвязь их структурных элементов.
Диссертация соответствует формуле паспорта специальности 05.14.14 - Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты и следующим областям исследования, указанным в паспорте научной специальности:
- п. 2. «Исследование и математическое моделирование процессов, протека
ющих в агрегатах, системах и общем цикле тепловых электростанций» – соответ
ствует экспериментальное исследование и математическое моделирование про
цессов десорбции коррозионно-активных газов в водоподготовительных установ
ках тепловых электростанций;
- п. 3. «Разработка, исследование, совершенствование действующих и освое
ние новых технологий…» – соответствуют разработанная концепция повышения
эффективности ГТС за счет изменения их структуры и технологического совер
шенствования структурных элементов; представленные в работе технические ре
шения, позволяющие повысить энергетическую эффективность, экономичность и
надежность ГТС, в том числе схемы ТЭЦ с параллельным включением базовых и
пиковых теплоисточников, энергоэффективные технологии водоподготовки на
тепловых электростанциях, новые технологии комбинированного теплоснабжения
и структурная схема городской теплофикационной системы, объединяющей эле
менты централизованных и децентрализованных систем теплоснабжения, энерго
сберегающие технологии резервного топливоснабжения теплоисточников ГТС;
технико-экономическое обоснование разработанных технологий;
п. 5. «Повышение надежности и рабочего ресурса агрегатов, систем тепловых электростанций в целом» – соответствует представленный в диссертации расчет показателей надежности комбинированных теплофикационных схем с ТЭЦ и децентрализованными пиковыми источниками теплоты;
п. 6. «Разработка вопросов эксплуатации систем и оборудования тепловых электростанций» – соответствуют разработанные в диссертации методика расчета энергетической эффективности комбинированных теплофикационных систем; графо-аналитический метод определения возможности использования избытков пара производственных отборов для обеспечения пиковой тепловой нагрузки ТЭЦ; программные комплексы для определения и оптимизации режимов работы ТЭЦ и подключенных к ним теплофикационных систем «Расчет энергетической эффективности комбинированной теплофикационной системы с ТЭЦ и автономными пиковыми теплоисточниками», «Расчет температурного графика замкнутого контура водогрейных котлов в двухконтурных схемах», «Сравнительный расчет тепловых потерь вертикальных цилиндрических резервуаров для жидкого топлива».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 110 работ, в том числе 17 в журналах из перечня ВАК, включая 1 статью в журнале, входящем в международную базу Scopus, 20 статей в других изданиях, 3 монографии, 40 патентов, 20 полных текстов докладов, тезисы 7 докладов, 3 свидетельства о регистрации программных продуктов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 404 наименований и 9 приложений, изложенных на 337 страницах машинописного текста, содержит 96 иллюстраций, 18 таблиц.
Современное состояние и перспективы теплофикации и централизованного теплоснабжения в России
В СССР был достигнут наиболее высокий в мире уровень теплофикации. На Западе только после энергетического кризиса 1970-х гг. поняли, что для тепло-, энергоснабжения крупных населенных пунктов с большими жилыми массивами наиболее эффективный путь с экономической, технологической и экологической точек зрения – создание теплофикационных систем. Сейчас, по имеющимся данным зарубежных специалистов, мы уже отстали от Дании и некоторых других стран по величине доли теплофикационных систем в общем объеме теплоснабжения.
За рубежом для обозначения комбинированного производства тепловой и электрической энергии (Combined Heat and Power или CHP) в одном технологическом цикле используют термин «когенерация» (Cogeneration), а для централизованного теплоснабжения применяют выражение District Heating, которое дословно можно перевести как «районное теплоснабжение». Таким образом, в западных странах нет единого термина, эквивалентного отечественному термину «теплофикация», а это понятие заменяют более длинными выражениями когенерация и централизованное теплоснабжение (Cogeneration and District Heating), либо централизованное теплоснабжение с комбинированным производством тепловой и электрической энергии (District Heating with CHP [320]).
В Европе в среднем только 11 % электроэнергии производится энергетически эффективным комбинированным способом, т. е. за счет когенерации, и в разных странах этот процент сильно отличается. Между тем, развитию и внедрению комбинированного производства тепловой и электрической энергии в странах Европы уделяется очень большое внимание [335].
Европейская ассоциация по содействию когенерации (COGEN Europe) объединяет более 70 организаций, среди которых как национальные Ассоциации содействия когене-рации, так и производители энергетического оборудования, энергогенерирующие компании, предприятия коммунального обслуживания и потребители [335].
Когда когенерация серьезно поддерживается на государственном уровне, комбинированное производство тепловой и электрической энергии имеет перспективы для роста. Мощность когенерационных установок может варьироваться от киловатта до сотен мегаватт, соответственно областями применения таких установок могут являться как объекты индивидуального строительства, так и целые жилые районы и крупные промышленные предприятия. Оценочный потенциал увеличения когенерации в среднесрочной перспективе составляет 110-120 ГВт электроэнергии, что, по мнению представителей Европейской ассоциации по содействию когенерации, приведет к улучшению состояния окружающей среды, снижению эмиссии углекислого газа и повышению экономической конкурентоспособности стран Европы [335].
Существуют две основных причины, по которым, по мнению Секретариата Энергетической хартии, следует содействовать укреплению позиций ЦТ и когенерации на энергетических рынках [320]: - ЦТ представляет собой испытанный, эффективный и наиболее экономичный способ отопления в густонаселенных городских районах в северных странах; - когенерация является потенциальным источником эффективного производства электроэнергии в тех случаях, когда это позволяет тепловая нагрузка в сфере промышленного и централизованного теплоснабжения, при когенерации общий КПД производства электроэнергии из ископаемых видов топлива имеет значение на уровне 80 % и выше, что приблизительно на 30 % больше, чем при использовании альтернативных методов раздельного производства электроэнергии и теплоты.
В странах Европы более 100 млн человек обеспечиваются теплотой с помощью систем ЦТ, кроме того, в некоторых странах, особенно в Западной Европе, системы ЦТ представляют собой важные рынки сбыта для ТЭЦ. За счет ТЭЦ обеспечивается 79 % поставок тепловой энергии в Германии, 75 % в Финляндии и более 80 % в Дании [320]. В странах с переходной экономикой доля когенерации в ЦТ, как правило, значительно ниже, обычно системы ЦТ в этих странах с переходной экономикой нуждаются в существенной реконструкции, для того чтобы удовлетворять потребительским и экологическим требованиям.
По европейским показателям эффективности с практической точки зрения ЦТ считается вполне оправданным, когда удельная тепловая нагрузка на метр длины тепловой сети превышает 3 МВтч/м, если же удельная тепловая нагрузка меньше этого значения, тогда необходим подробный экономический анализ для определения наиболее экономичного варианта теплоснабжения [320].
Распределение затрат ТЭЦ на производство тепловой и электрической энергии в Европе также является предметом обсуждения, поскольку для такого распределения в термодинамике существует несколько методов. Если не говорить о термодинамике, на практике идея очень проста. Проблема распределения затрат на ТЭЦ аналогична распределению затрат любой производственной единицы, которая производит два или более видов продукции за счет одного и того же вводимого фактора производства. Как это происходит, например, на нефтеперерабатывающем предприятии, которое производит бензин, жидкое топливо, тяжелое дизельное топливо, а также битум для дорожного покрытия и т. д. в рамках одного и того же процесса и из одного и того же основного ресурса: сырой нефти. Рынок определяет цену каждого вида продукции, но не особые различия в производственных затратах [320].
На Рисунке 1.1 показано возможное распределение затрат на производство теплоты и электроэнергии в системе ТЭЦ [320]. Следует иметь в виду, что часто ТЭЦ не может существовать без спроса на тепловую энергию со стороны систем ЦТ, и поэтому при определении цены для ЦТ следует учитывать определенные выгоды, связанные с теплофикацией, т. е. затраты на теплоту всегда должны быть ниже, чем стоимость альтернативных вариантов теплоснабжения при раздельном производстве тепловой и электрической энергии, для того чтобы можно было обеспечить устойчивое развитие местной теплофикационной системы [320].
Технологии работы городских ТЭЦ с параллельным включением базовых и пиковых источников теплоты при пониженном температурном графике
Низкая экономичность традиционной технологии обеспечения пиковой тепловой мощности связана со значительными потерями теплоты с уходящими газами, что снижает КПД котлов. Кроме того, для обеспечения требуемого водно-химического режима водогрейных котлов необходимо применять дорогостоящее ионообменное умягчение воды, после которого остаются сильно минерализованные стоки, загрязняющие окружающую среду и требующие утилизации.
По этой причине в случае непосредственного включения пиковых водогрейных котлов в теплосеть необходимо обеспечить их надежную работу при температурах 140-150 С или снизить температуру нагрева воды, не ухудшая качество теплоснабжения, уменьшить потери теплоты с уходящими газами, применить экономичные технологии во-доподготовки, не имеющие сильно загрязненных стоков.
Более надежная работа пикового теплоисточника обеспечивается при использовании технологии работы системы теплоснабжения по двухконтурной схеме (Рисунок 1.7 б, способ 1.16), которая предусматривает разделение контура водогрейных котлов и теплосети с целью предотвращения заноса поверхностей нагрева котлов шламом из теплосети [131, 135].
Это техническое решение позволяет несколько снизить интенсивность накипеобра-зования в поверхностях нагрева котлов. Для обеспечения требуемой температуры сетевой воды 150 С после водо-водяных теплообменников температура на выходе водогрейных котлов должна быть не ниже 160-180 С, т. е. для подпитки замкнутого контура необходима вода более высокого качества, чем подпиточная вода теплосети. Кроме того, температура уходящих газов за водогрейными котлами, включенными по двухконтурной схеме, будет выше, чем температура продуктов сгорания за котлами, включенными по традиционной схеме. Капиталовложения и расход топлива в пиковой котельной будут также больше, чем для традиционной, что увеличивает общие затраты [30].
Для успешного применения этой технологии требуется дополнительная проработка ряда вопросов, в частности, обеспечение требуемого качества подпиточной и циркуляционной воды замкнутого контура водогрейных котлов, снижение температуры уходящих газов и снижение общих затрат в пиковую котельную. Существует и третий вариант обеспечения пиковой нагрузки с помощью пиковых водогрейных котлов, которые включены параллельно с основными сетевыми подогревателями теплофикационных турбин (Рисунок 1.6, способ Lie) [364, 366]. Такое включение пиковых водогрейных котлов позволяет устранить недостатки, присущие первым двум способам 1.1а и 1.16, путем снижения температурного режима эксплуатации котлов и применения количественных способов регулирования тепловой нагрузки. Подробнее эти технические решения описаны в п. 2.2.
Более подробная информация об особенностях конструкций и технологиях эксплуатации пиковых водогрейных котлов приведена в [300].
Другая группа способов предусматривает централизованное обеспечение пиковой тепловой нагрузки с помощью пиковых пароводяных подогревателей, работающих от различных источников пара.
Пиковые подогреватели обычно имеют маркировку ПСВ с указанием теплообмен-ной поверхности в м2 и давлений пара и сетевой воды в кгс/см2, например, ПСВ-315-14-23. Подогреватели изготовляются обычно в виде вертикальных пароводяных теплообменников с прямыми латунными трубами диаметром 19х17,5 мм, допустимое давление греющего пара в них составляет 0,5-1,5 МПа [234].
Источниками пара являются как энергетические паровые котлы ТЭЦ, так и пиковые паровые котлы низкого давления [134]. На пиковые сетевые подогреватели подается острый пар от котлов через редукционно-охладительную установку (РОУ) [235] или пар из отборов турбин [353] (Рисунок 1.8).
Подключение через РОУ является наименее экономичным решением, поскольку потенциал пара высоких параметров бесполезно срабатывается в РОУ. Использование вместо РОУ противодавленческой турбины (способ 1.2в) позволяет не терять, а полезно использовать срабатываемый на рабочих лопатках потенциал парового потока для получения электроэнергии.
В г. Усть-Илимске Иркутской области, приравненном по погодным условиям к районам Крайнего Севера, в целях повышения надежности на ТЭЦ не стали устанавливать ПВК, а всю пиковую нагрузку покрывают пиковыми сетевыми подогревателями, пар на которые подается от турбин с противодавлением.
Пароводяные теплообменники менее подвержены коррозионному износу и в них невозможен пережог труб, но, несмотря на отсутствие этих недостатков, свойственных водогрейным котлам, пиковые сетевые подогреватели на многих ТЭЦ были заменены пиковыми водогрейными котлами.
Замена пиковых подогревателей водогрейными котлами произошла из-за необходимости уменьшить малоэффективный расход пара высоких давлений. Пиковые теплофикационные подогреватели включаются в работу на непродолжительное время, и чтобы обеспечить эту кратковременную потребность пара, необходимо было устанавливать котлы с большим запасом паропроизводительности, который длительное время не используется. При этом увеличивается стоимость оборудования ТЭЦ, так как энергетические парогенераторы значительно дороже пиковых водогрейных котлов [200]. С повышением начальных параметров пара на ТЭЦ его применение в пиковых подогревателях, подключенных к паропроводам котлов через РОУ, становится неэкономичным ввиду непроизводительного редуцирования и охлаждения острого пара перед пиковыми сетевыми подогревателями. Однако тепловая схема станции, где установлены паровые котлы с пиковыми сетевыми подогревателями, является более надежной по сравнению с последовательной схемой включения водогрейных котлов.
Совершенствование технологии работы ТЭЦ с пиковыми сетевыми подогревателями, подключенными к промышленным отборам пара турбин
Важной характеристикой экономичности котлов является величина потерь теплоты в окружающую среду. Как показывают исследования, проведенные авторами [107] по методике, основанной на тепловом расчете теплоизоляции, средний уровень действительных потерь теплоты в окружающую среду q5 котлами серий КВ-ГМ, ТВГ (Т - теплофикационный, В - водогрейный, Г - газовый) и КСВ (К - котел, С - стальной, В - водогрейный) меньше значений q5 по нормативным графикам. Для водогрейных котлов было получено уравнение зависимости потерь теплоты в окружающую среду qs от изменения теплопро-изводительности котла QK, МВт, в эксплуатационном диапазоне нагрузок q5 = 1,718 6"", (1.6) где п - показатель степени, зависящий от типа котла, для котлов КВ-ГМ, КВГ, ТВГ п = 0,7; для котлов КСВТ, КСВ, Turbomat п = 0,8.
Был сделан вывод, что теплозащитное ограждение водогрейных котлов типа КВ-ГМ обладает удовлетворительными теплоизоляционными свойствами, которые отвечают требованиям критериев эффективности: расчетный тепловой поток не превышает максимального нормируемого значения, действительные потери теплоты в окружающую среду не превышают верхний предел нормативного интервала qs.
Следует отметить, что исследования [107] проводились на котлах малой и средней производительности 0,07-58,14 МВт, поэтому обобщать результаты этих исследований для котлов большей производительности 116,3, 209,4 МВт нельзя. В использованной методике имеется ряд недостатков, которые привели к неточности в определении действительных потерь теплоты. В частности, неверно была принята расчетная температура окружающего воздуха +25С, в реальных условиях эта температура значительно выше, особенно при открытой и полуоткрытой компоновке котлов. Кроме того, потери теплоты через металлические конструкции (опоры, крепления) и подовую часть котла не измерялись, а учитывались с помощью поправочных коэффициентов. В реальных условиях эксплуатации величины потерь теплоты в окружающую среду водогрейными котлами, как правило, превосходят нормативные и рассчитанные в [107] показатели в несколько раз. Недостатки водогрейных котлов, обусловленные повышенным напряжением топочной камеры, теплогидравлическими разверками и нерациональным сжиганием топлива, можно устранить за счет тангенциальной компоновки вихревых горелок [192]. Специалистами Волгодонского института Южно-Российского государственного технического университета были проведены натурные испытания по определению оптимального расположения горелок на котлах типа КВ-ГМ.
По мнению исследователей, оптимальным можно считать положение горелок на котле КВ-ГМ-100, при котором на левом боковом экране ось горелки с нормалью к экрану в горизонтальной плоскости составляет 50, а на фронтальном и правом боковом 40 [192]. При этом поступательное движение потоков газов участвует в формировании вертикального топочного вихря (ВТВ), образующегося в результате взаимодействия струй газов между собой, с подом и экранами. Топливные газы движутся по восходящей спирали, что увеличивает время нахождения топливных частиц в топке и обеспечивает полное выгорание топлива. ВТВ повышает конвективную составляющую теплоотдачи в топке, что снижает на 100-200С температуру топливных газов на входе в конвективную шахту. Формирование «размазанной» кольцевой структуры ВТВ снижает максимальную температуру факела, в результате чего снижаются выбросы оксидов азота. Равномерное заполнение топочного пространства горящими газами обеспечивает равномерность нагрева как всех экранов по ширине, так и каждого в отдельности [192]. Все это способствует повышению коэффициента теплотехнической надежности к водогрейного котла k = tdon/tmwc, (1.7) где tr)on - допустимая температура нагрева рабочей среды в трубах; tmax - максимальная измеренная температура воды в трубе.
Особенностям физико-химических условий эксплуатации водогрейных котлов типа КВ-ГМ на Самарской ГРЭС посвящена публикация [169], в которой приводится расчетная оценка степени концентрирования агрессивных примесей в зависимости от теплового режима и структуры слоя внутренних отложений труб, описываются состав и структура отложений на поврежденных участках конвективного пакета водогрейного котла КВ-ГМ-100. Данные химического анализа отложений из поврежденной трубы верхнего конвективного пакета свидетельствуют о том, что основными компонентами являются соединения кальция и магния. Основной причиной повреждаемости труб водогрейных котлов являются теплогидродинамические разверки, обусловленные, с одной стороны, конструктивными особенностями котла и горелочных устройств, а с другой - значительными отложениями на внутренних поверхностях труб, что в свою очередь вызвано неудовлетво 65 рительной промывкой последних и стояночной коррозией. Поэтому даже улучшение качества теплоносителя в результате глубокого умягчения не способно привести к повышению надежности работы теплообменных поверхностей, т. к. этому мешает процесс концентрирования отложений в пористой структуре. С этим утверждением авторов [169] нельзя полностью согласиться. По моему мнению, для устранения разверки, обусловленной отложениями в трубах котлов, необходимо усовершенствовать технологию водопод-готовки.
С другой стороны, следует согласиться с мнением авторов статьи [169], что для повышения надежности работы теплообменных поверхностей необходима разработка более совершенных конструкций, обеспечивающих полное отсутствие или минимизацию тепло-гидродинамических разверок, а также соответствующих горелочных устройств. В процессе эксплуатации оборудования целесообразно осуществлять мероприятия по снижению стояночной коррозии, его качественные промывки, особенно перед началом эксплуатации, контроль качества теплоносителя.
Одним из решений, позволяющих повысить надежность пиковых водогрейных котлов, может быть применение двухконтурной схемы подогрева сетевой воды в промежуточном теплообменнике (Рисунок 1.7 б).
Условия работы водогрейного котла ПТВМ-180, включенного по двухконтурной схеме, приводятся в [305]. С целью повышения температуры воды на выходе из котла ПТВМ-180 со 150 до 180 С был выполнен проект по переводу его работы на схему основного режима (четырехходовая схема) с уменьшением расхода воды через котел с 3860 до 2500 т/ч. Благодаря включению котла по двухконтурной схеме снижается содержание железа в контурной воде котла и практически исключаются повреждения его поверхностей нагрева.
Экспериментальное исследование процессов противокоррозионной обработки подпиточной воды теплосети на Ульяновской ТЭЦ-3
За счет применения повышенного подогрева воды (до 35-40С) перед декарбониза-торами на котельной Paneveio (Литва) и ряда других мероприятий по повышению эффективности их работы остаточное содержание СО2 в декарбонизированной воде снижено до 2-3 мг/дм3. Это, в свою очередь, позволило осуществить подъем величины рН воды до значений 8,6-8,8 минимальным количеством силиката натрия. Среднее значение SiO3 в подпиточной воде (с учетом содержания SiO 23 в исходной воде) в течение всего года эксплуатации после внедрения и реконструкции составило 16,3 мг/дм3. Подогрев подпиточной воды производился только в подогревателях первой ступени, подогреватели второй ступени перед деаэраторами были отключены. Реализованный режим водоподготовки оказался достаточным для обеспечения высокоэффективной работы вакуумных деаэраторов. Содержание растворенного О2 в деаэрированной воде в течение года не превышало 15 мкг/дм3 [298].
Достоинствами щелочно-силикатной обработки являются малые габариты установок, простота дозирования, недефицитность реагента, сохранение после обработки орга-нолептических показателей воды.
Однако силикатную обработку рекомендуется использовать лишь для проектируемых и новых систем теплоснабжения с небольшим сроком эксплуатации и незначительной внутренней коррозией. Кроме того, при применении исходных вод с высоким содержанием хлоридов и сульфатов эффективность силикатной обработки снижается.
Окислительно-восстановительные реакции с участием О2 можно осуществить при фильтровании воды через нерастворимые высокомолекулярные вещества [49], имеющие в своем составе группы, способные к обратимому окислению и восстановлению. Примером таких веществ служат электроноионообменники (ЭИ), используемые, в частности, в схемах обескислороживания подпиточной воды тепловых сетей, прошедшей предварительную стадию термической деаэрации. Последовательная обработка подпиточной воды в вакуумных деаэраторах и ЭИ-фильтрах обеспечивает значение остаточной концентрации О2 в 10 раз меньше нормативного [294] и тем самым существенно снижает интенсивность внутренней коррозии и тепловых сетей. Кроме того, ЭИ обладают способностью частичного обезжелези-вания воды: содержание растворенного железа в подпиточной воде на выходе из ЭИ-фильтров снижается до 100 мкг/дм3. Этот фактор также положительно сказывается на надежности и экономичности теплофикационного оборудования, в первую очередь водогрейных котлов и сетевых подогревателей.
Для дообескислороживания подпиточной воды создан железооксидозакисный ЭИ, восстановителем у которого служат сорбированные катионами КУ-2-8, КУ-23 или их импортными аналогами молекулы Fe(OH)2 [294].
Эффективность электроноионообменного дообескислороживания зависит от температуры подпиточной воды. Эксплуатация ЭИ возможна в диапазоне температур обрабатываемой воды 30-100С.
Выбор схем и температурных режимов совместной обработки подпиточной воды в вакуумных деаэраторах и ЭИ-фильтрах осуществляется с учетом возможностей и особенностей каждого из применяемых методов.
Обработка подпиточной воды с помощью железооксидозакисного ЭИ позволяет практически полностью удалить из воды растворенный О2 (остаточное содержание менее 5 мкг/дм3), т. е. эффективность такой обработки даже выше, чем при использовании гидразина. Другое важное преимущество электроноионообменного дообескислороживания связано с тем, что при его применении в воду не вносятся токсичные примеси и не увеличивается солесодержание воды. Для эксплуатации электроноионообменников используют стандартные Н-катионитовые или Na-катионитовые фильтры без изменения их обвязки. Эти достоинства позволяют считать применение электроноионообменников в водоподго-товительных установках перспективным.
Щелочно-силикатная обработка и электроноионообменное дообес-кислороживание могут дополнять вакуумную деаэрацию как самостоятельно, так и в сочетании друг с другом [294]. Совместное использование повышенного подогрева воды перед декарбонизато-рами, электроноионообменного дообескислороживания и щелочно-силикатной коррекции рН образует комбинацию методов, существенно превосходящую по качеству противокоррозионной обработки практически все ныне применяемые технологии подготовки подпи-точной воды. Кроме того, сочетание этих методов во многих случаях дает дополнительный выигрыш в тепловой экономичности котельных и электростанций.
Метод сульфитирования применяется в настоящее время в закрытых системах теплоснабжения, в основном для устранения коррозии, возникающей при подсосах воздуха через неплотности из-за неустойчивого гидравлического режима. В открытых системах сульфит натрия (NaSO3) не применяется, так как это может привести к увеличению содержания сульфатов в воде выше допустимой по санитарно-гигиеническим нормам концентрации для питьевой воды.
Расход сульфита натрия, дозируемого в воду, должен примерно на 25 % превышать стехиометрическое количество, определенное из расчета связывания остаточного кислорода. Скорость связывания растворенного O2 возрастает при повышении рН и температуры воды, а также в присутствии катализаторов. Оптимальные значения рН, при которых рекомендуется применять сульфитирование, превышают 8,5.
На основе сульфита натрия разработан новый способ обескислороживания воды [355], включающий обработку восстановителем в присутствии катализатора - комплексного соединения 3d-переходного металла с азотосодержащим лигандом в щелочной среде. Для повышения качества процесса и снижения расхода катализатора в качестве восстановителя используют сульфит натрия, а в качестве катализатора - дихлоро-бис-2,2 -дипиридилкобальт, или дигистидинатокобальт, или другие соединения, обработку осуществляют при рН = 6,5-10.
Следует отметить трудность выбора обескислороживающего реагента для подпи-точной воды теплосетей, особенно в открытых системах теплоснабжения. Применение гидразина в России запрещено вследствие его токсичности. Сульфит натрия не токсичен, однако при длительной эксплуатации избыток его восстанавливается до сероводорода. Это приводит к сульфидной коррозии водо-водяных подогревателей и появлению неприятного запаха в жилых домах.