Введение к работе
Актуальность работы. Одним из ориентиров Энергетической стратегии России на период до 2030 г. является обеспечение топливно-энергетического комплекса (ТЭК) высокоэффективными отечественными технологиями и оборудованием, научно-техническими и инновационными решениями, позволяющими интенсифицировать переход российской теплоэнергетики на инновационный путь развития. В период, прошедший с момента начала реализации Энергетической стратегии-2020, отечественный энергетический сектор экономики развивался в основном в рамках прогнозных представлений того времени.
Приоритетными задачами новой стратегии развития до 2030 г. в области теплоэнергетического сектора являются:
повышение эффективности использования энергоресурсов;
снижение нагрузки ТЭК на окружающую среду путем уменьшения вредных выбросов загрязняющих веществ и эмиссии парниковых газов;
модернизация теплоэнергетического оборудования действующих тепловых электрических станций (ГЭС) для решения проблем повышения эффективности топливоиспользования и экологических показателей котлов ТЭС;
воссоздание и дальнейшее развитие научно-технического потенциала отрасли, включая фундаментальную науку, прикладные исследования и разработки, модернизацию экспериментальной базы, а также системы научно-технической информации.
Задача повышения эффективности использования энергоресурсов на тепловых электрических станциях, работающих на угле, сводится к повышению показателей топливоиспользования, таких как удельный расход условного топлива на отпущенную тепловую и электрическую энергию, коэффициент использования топлива, коэффициент полезного действия. Одним из путей повышения эффективности топливоиспользования на угольных ТЭС является также исключение мазута из режимов растопки и подсветки.
Первые эксперименты по плазменному воспламенению угольной пыли были проведены в 1987 г. на промышленном котле ТП-170 Новосибирской ТЭЦ-2 сотрудниками ИТФ СО РАН (М.Ф. Жуков, В.С.Перегудов) совместно с СИБНИИЭ, в результате которых была подтверждена принципиальная возможность плазменного воспламенения пылеугольной аэросмеси.
Последующие опытно-промышленные испытания по безмазутной растопке котла ЦКТИ-75 (Усть-Каменогорская ТЭЦ) были проведены в 1989 г. Казахским научно-исследовательским институтом (КазНИИ) энергетики (В.Е. Мессерле, З.Б. Сакипов, Ш.Ш. Ибраев). В конце 1991 г. к работам по плазменному воспламенению топлив присоединилась Гусиноозерская ГРЭС (ГО ГРЭС), где при участии ИТФ СО РАН, КазНИИ энергетики и Восточно-Сибирского государственного технологического университета была образована совместная лаборатория плазменно-энергетических про-
4 цессов и создан лабораторный стенд по отработке этих процессов, а в мае 1993 г. осуществлена безмазутная, плазменно-угольная растопка из холодного состояния котла ТПЕ-215 производительностью 670 т пара в час (Е.И. Карпенко, В.Е. Мессерле, С.Л. Буянтуев, B.C. Перегудов и др.).
Научно-практические исследования последних лет показали, что технико-экономическая эффективность применения плазменно-топливных систем (ПТС) на основе плазменных горелок не исчерпывается простой заменой мазута на этапе растопки (Е.И. Карпенко, В.Е. Мессерле, С.Л. Буянтуев, B.C. Перегудов, А.Б. Устименко и др.).
Главным объектом воздействия топливно-энергетического комплекса на окружающую среду остается воздушная атмосфера. Вредные выбросы загрязняющих веществ, в том числе токсичных и парниковых газов, все еще остаются в РФ весьма большими и существенно перекрьшают нормы, установленные в Европейском союзе (ЕС), не говоря уже о мировых стандартах экологической безопасности. В последние годы достаточно благополучная экологическая ситуация в РФ, зависящая от воздействия выбросов на окружающую среду предприятиями ТЭК, формировалась в основном за счет работы оборудования с пониженной нагрузкой. При этом значительная доля в структуре потребляемого топлива приходилась на природный газ.
Снижение доли газа в структуре потребляемого топлива, замещающим топливом для которого является уголь низкосортных марок ухудшающегося качества, вызовет необходимость в ужесточении технических норм вредных выбросов (ВВ) действующих ТЭС. Для них вначале нужно добиться поэтапного снижения ВВ до нормативных значений, принятых в РФ, и далее до норм, регламентируемых в ЕС. Необходимость в снижении уровня ВВ пыле-угольных ТЭС ставит перед отраслевой наукой задачу по решению этой проблемы при возможно минимальных затратах и в сжатые сроки. Прогнозируемые предельно допустимые выбросы, например, по оксидам азота на действующих пылеугольных котлах, которые еще останутся в эксплуатации до 2015 г., не должны превышать значений 250-350 мг/м3 для бурых углей и 350-450 мг/м3 для каменных углей.
Имеющиеся перспективные способы снижения выбросов NOx относятся к технологическим методам подавления образования оксидов азота в топках пылеугольных котлов. В основе этих методов лежат различные технологии предварительного подогрева угольной пыли. Эффективность этих методов оценивается в диапазоне 20-50%. Указанные технологические методы в настоящее время позволяют приблизиться к российским нормам на допустимые выбросы NOx только при сжигании бурых углей, а также каменных углей марок Д и Г. Поэтому большой интерес вызывают выявленные факты снижения вредных выбросов в атмосферу при сжигании угля с применением плазменно-топливных систем, базирующихся на электротермохимической подготовке топлива (ЭТХПТ), которые требуют научно-практического исследования данной проблемы.
Одними из основных элементов плазменно-топливной системы являются плазменные горелки. От полноты реализации механизма электротермохимической подготовки топлива в этом устройстве, инициируемой низкотемпературной плазмой, зависит эффективность работы всей плазменной системы по снижению вредных выбросов в уходящих газах и мех-недожега топлива. Следовательно, повышение эффективности топливоис-пользования и экологических показателей пылеугольных котлов тепловых электростанций с применением модифицированных плазменных горелок определяет не только актуальность темы диссертационной работы, но и возможные пути решения вышеуказанных проблем в сжатые сроки.
Цель работы: повышение эффективности топливоиспользования и экологических показателей пылеугольных котлов тепловых электростанций на основе модифицированных плазменных горелок.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
1. Установить практические критерии оптимизации конструктивных
параметров модифированных прямоточных плазменных горелок с исполь
зованием методов математического моделирования.
2.Разработать модифицированные прямоточные плазменные горелки (Ml 1111) для повышения эффективности топливоиспользования и экологических показателей пылеугольных котлов.
3.Осуществить математическое моделирование перехода азотсодержащих соединений топлива в плазменных горелках в молекулярный азот путем составления цепочечных схем газофазных реакций.
Разработать универсальный алгоритм автоматизированной системы управления безмазутным плазменным розжигом и подсветкой факела (АСУ БПРФ).
У становить влияние модифицированных прямоточных плазменных горелок на котлах действующих ТЭС на повышение эффективности топливоиспользования и экологических показателей в режиме плазменной подсветки.
Произвести расчетно-практическую оценку экономической эффективности применения плазменно-топливных систем на основе упрощенной методики с учетом отраслевых методик о тепловой экономичности оборудования.
Научная новизна:
1.Разработаны модифицированные прямоточные плазменные горелки с высокой степенью завершенности электротермохимической подготовки топлива в них и уменьшенными массогабаритными показателями.
2. Впервые предложены математические модели перехода азотсодер
жащих соединений топлива в Ml 1111 в молекулярный азот с оценкой воз
можности его осуществления на основе изменения энергии Гиббса в диа
пазоне температур 1000-1300 К в виде цепочечной схемы развития газо
фазных реакций.
3.Получены критерии оптимизации для выбора конструктивных параметров модифицированных плазменных горелок на основе расчета термо-
динамических показателей, характеризующие эффективность электротермохимической подготовки топлива.
4. Разработан универсальный алгоритм автоматизированной системы управления безмазутным розжигом и подсветкой факела (АСУ БПР ПФ).
Практическая значимость результатов, достигнутых в работе, заключается в возможности их использования:
при конструировании модифицированных плазменных горелок как основы применения разрабатываемой технологии;
для создания новых, альтернативных существующим технологиям эффективных технологических методов уменьшения токсичных и парниковых газов в топках пылеугольугольных котлов с использованием плаз-менно-топливных систем;
для решения комплексной проблемы эффективности топливоиспользо-вания и экологической безопасности действующих ТЭС, работающих на угле;
при разработке алгоритмов автоматизированной системы управления плазменными пылеугольными горелками с последующей интеграцией системы в АСУ ТП котлоагрегата;
в применении упрощенного способа технико-экономического обоснования эффективности плазменной системы с учетом отраслевых методик о тепловой экономичности оборудования;
в учебном процессе и научно-исследовательских работах студентов и аспирантов, обучающихся по специальности « Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты».
Выносимые на защиту положения и результаты:
1. Способ повышения эффективности топливоиспользования и экологических показателей пылеугольных котлов на основе применения модифицированных прямоточных плазменных горелок на действующих тепловых электрических станциях.
2.Методика выбора конструктивных параметров модифицированных плазменных горелок с помощью разработанных практических критериев оптимизации и расчета термодинамических показателей, характеризующих эффективность электротермохимической подготовки топлива.
3.Математические модели перехода азотсодержащих соединений топлива в МППГ в молекулярный азот с оценкой возможности его осуществления на основе изменения энергии Гиббса в диапазоне температур 1000-1300 К.
4.Универсальный алгоритм автоматизированной системы управления безмазутным плазменным розжигом и подсветкой факела (АСУ БПРПФ).
5.Упрощенный способ оценки экономической эффективности разрабатываемой технологии с учетом отраслевых методик о тепловой экономичности оборудования.
Достоверность полученных результатов обеспечивалась:
1) проведением опытно-промышленных испытаний на действующем котле типа Е-160-1,4-250КТ с одновременным использованием метрологи-
7 чески аттестованными и калиброванными газоанализаторами различных конструкций и производителей («ТЕСТОТЕРМ-33» и КМ9006 «QUINTOX») для определения концентраций оксидов азота и углерода в уходящих газах;
ведением режима работы котлоагрегата штатной системой контроля и управления во время опытно-промышленных испытаний;
использованием действующих типовых отраслевых методик о тепловой экономичности оборудования для оценки расчетных показателей эффективности топливоиспользования;
применением программных комплексов «Terra» и «Плазма-Уголь» для расчета плазмохимических реакций, оптимизации массогабаритных показателей, термодинамических и кинетических параметров процессов в модифицированных плазменных горелках.
Личный вклад автора работы заключается в:
участии в разработке модифицированных прямоточных плазменных горелок;
создании математических моделей перехода азотсодержащих соединений топлива в МППГ в молекулярный азот с оценкой возможности его осуществления на основе изменения энергии Гиббса в диапазоне температур 1000-1300 К;
проведении численных исследований с использованием программ «Terra», «Плазма-Уголь» для определения эффективности и степени завершенности процесса ЭТХПТ в модифицированных плазменных горелках;
анализе полученных результатов численных исследований процесса оптимизации конструктивных и массогабаритных показателей модифицированных плазменных горелок;
разработке универсальных алгоритмов автоматизированной системы управления плазменными пылеугольными горелками с последующей интеграцией системы в АСУ ТП котлоагрегата;
участии в разработке программы экспериментальных исследований для проведения опытно-промышленных испытаний;
разработке упрощенного способа технико-экономического обоснования эффективности плазменной системы с учетом отраслевых методик о тепловой экономичности оборудования.
Апробация работы. Основные методологические положения и результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: III Международной научно-практической конференции «Энергосберегающие и природоохранные технологии» (Томск - Улан-Удэ, 2-7 июля 2005 г.); всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Наноматериалы и технологии. Физика конденсированного состояния. Физика и техника низкотемпературной плазмы» (Улан-Удэ, 4-7 сентября 2008 г.); II Научно-практической конференции с международным участием «Наноматериалы
и технологии. Наноразмерные структуры в физике конденсированного состояния. Технологии наноразмерных структур» (Улан-Удэ, 27-29 августа 2009 г.); ежегодной научной конференции преподавателей, научных работников и аспирантов ВСГТУ (Улан-Удэ,2003,2004,2006-2010,2011 гг.); ежегодной научно-практической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов БГУ (Улан-Удэ,2005-20007,2008,2010,2011 гг.).
Публикации: по теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, из них две статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и трех приложений, содержит 19 рисунков, 20 таблиц, 29 формул и библиографию из 129 наименований.
