Введение к работе
Актуальность работы
Твердое топливо является одним из основных видов органического ископаемого топлива. К твердым видам топлива относятся каменные и бурые угли, торф и сланцы. В основном в отечественной энергетике используется уголь, хотя торф и сланцы также имеют перспективы широкого применения. Геологические запасы угля в России составляют 17,3% от мировых, что ставит нашу страну на 2-е место в мире после США (27,1 %) по данному показателю. При современном потреблении угля в России самообеспеченность углем составляет более 500 лет - наибольший срок среди всех угледобывающих стран.
В настоящее время в России сложилась парадоксальная ситуация: страна обладает огромными запасами угля, при этом доля его в энергобалансе составляет всего 18 %, тогда как на угольные станции США и Германии приходится половина, вырабатываемой электроэнергии, Австралии, Индии и Китая - около 80%. Причиной этого является не только энергетическая стратегия 70-х годов, ориентированная на развитие нефтегазового комплекса, но и отсутствие технологических предпосылок и экономических стимулов. В первую очередь замещение газа углем должно осуществляться на действующих электростанциях, оборудование которых работоспособно, и уголь в настоящее время используется в качестве основного или резервного топлива. Этот потенциал оценивается более чем в 100 станций, в настоящее время частично работающих на угле наряду с газом и мазутом. В более долгосрочной перспективе до 2015 года из планируемых к строительству 50 ГВт мощности тепловой энергетики угольные станции должны обеспечивать не менее 30 ГВт. Трудности такого перехода обусловлены тем, что промышленные теплоэнергетические системы, обеспечивающие тепловой и электрической энергией предприятия и производственные комплексы, ориентированы, в основном, на использование природного газа или проектных углей. Однако ориентироваться только на проектные угли для данных станций было бы нецелесообразным, тем более, что свойства тех углей, которые считались проектными, значительно изменились. Необходимо провести оценку эффективности использования некоторого перечня доступных углей соответствующей цены и качества и выбрать вариант, предполагающий наименьшие затраты на реконструкцию и последующую эксплуатацию системы подготовки угля. В связи с этим остро встает вопрос о выборе методики для расчета систем подготовки угля с учетом его марки и характеристик применяемого оборудования.
Сжатые сроки, предусмотренные для увеличения доли угля в топливно-энергетическом балансе, требуют выделения локальных участков на тепловых электростанциях и промышленных котельных для первоочередной модернизации и реконструкции, поэтому в качестве объекта исследования выбирается система подготовки топлива, которая охватывает технологическую цепочку от поступления топлива на станцию до подачи готовой угольной пыли в горелки котла.
Наряду с традиционными технологиями использования угля, предполагающими его факельное сжигание в виде угольной пыли, развиваются технологии
комплексной энерготехнологической переработки угля, основанные на двух основных процессах - газификации и пиролизе. Для оценки эффективности таких технологий уже недостаточно теплового и аэродинамического расчета, поскольку необходимо учитывать процессы преобразования органической массы угля и получение новых продуктов - энергетического газа, жидких смолопродуктов, кокса и полукокса при помощи методов термодинамического анализа.
Термодинамический анализ систем, а также установление взаимосвязи термодинамической эффективности и технико-экономических показателей позволяет определить внешние и внутренние потери энергии в системе, конкретизировать их по участкам системы и обосновать структуру себестоимости тепловой и электрической энергии, получаемой на тепловой электростанции или промышленной котельной, работающей на твердом топливе. Создание прогнозной модели развития теплоэнергетической системы на основе термодинамически и экономически обоснованных показателей ее работы позволит выявить резервы снижения себестоимости тепловой и электрической энергии при повышении термодинамической эффективности систем подготовки твердого топлива за счет их обоснованного выбора в зависимости от вида топлива и оптимальных условий его поставки. Такая постановка вопроса позволит осуществить рациональный выбор топлива в условиях формирования рынка углей и других видов твердого топлива, что в настоящее время является весьма актуальным.
Диссертационная работа решает проблему определения эффективности промышленной теплоэнергетической системы при увеличении доли использования твердого топлива-угля-на основе комплексной оценки систем его подготовки при наличии выбора используемого угля по качественным и ценовым характеристикам.
Диссертационная работа включает в себя исследования, начатые автором в 2003 году в Казанском научном центре РАН.
Целью диссертационной работы является создание и обоснование комплексной методики определения термодинамической эффективности систем подготовки твердого топлива на тепловых электростанциях и промышленных котельных и моделирование на ее основе процесса развития промышленной теплоэнергетической системы при увеличении доли использования твердого топлива.
Основные задачи исследований.
1. Определение классификационных признаков систем подготовки твердого
топлива и основных параметров их работы.
-
Создание методики определения тепловой и термодинамической эффективности систем подготовки твердого топлива на тепловых электростанциях и промышленных котельных на основе исследования тепло физических и термохимических процессов, происходящих на этапах преобразования топлива, с учетом технико-экономических показателей работы систем.
-
Создание алгоритма проектирования, расчета режимных параметров и выбора оборудования для подготовки угля на тепловых электростанциях и промышленных котельных.
-
Разработка математической модели функционирования и развития промышленных теплоэнергетических систем на основе долгосрочного прогноза использования угля.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту: 1. Классификация систем подготовки твердого топлива, выполненная на основе положений системного анализа, учитывающая степень взаимосвязи с кот-
лом, вид сушильного агента, вид получаемого продукта, степень рециркуляции дымовых газов в топку котла, вид сушки, концентрацию угольной пыли, подаваемую в горелки котла.
2. Комплексная методика расчета термодинамической эффективности систем
подготовки твердого топлива различных типов на основе эксергетического мето
да, включающая теоретические зависимости для определения эксергетической эффек
тивности отдельных структурных блоков и систем подготовки топлива в целом.
-
Зависимости для определения термоэкономических показателей систем подготовки твердого топлива.
-
Алгоритм расчета и проектирования систем подготовки твердого топлива на тепловых электростанциях и промышленных котельных.
-
Математическую модель функционирования и развития промышленных теплоэнергетических систем на основе рационального выбора на энергетических объектах, использующих твердое топливо, типа угля и оптимальных систем его подготовки.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается сравнением полученных теоретических результатов и эксплуатационных и опытно-промышленных данных по основным характеристикам систем подготовки угля, связанным с параметрами теплоносителей и качественными характеристиками подготовленного топлива, а также сравнением расчетных значений себестоимости электроэнергии с имеющимися статистическими данными по отдельным энергетическим объектам и системам..
Научная новизна результатов исследований состоит в:
создании классификации систем подготовки твердого топлива и построении иерархической структуры с учетом степени взаимосвязи с котлом, вида сушильного агента, вида получаемого продукта, степени рециркуляции дымовых газов в топку котла, вида сушки, концентрации угольной пыли, подаваемой в горелки котла;
проведении анализа структуры систем, выявлении внешних и внутренних связей в системах, определении порядка расчета на основе теории графов, при этом система подготовки твердого топлива рассматривается как единое целое;
определении тепловой эффективности отдельных блоков и всей системы в целом на основе тепловых балансов, расчет тепловых КПД систем различных типов;
установлении функциональных зависимостей для определения термодинамической эффективности систем на основе эксергетического метода;
разработке комплексной методики расчета термодинамической эффективности систем подготовки твердого топлива на основе энергетического метода;
разработке системы термоэкономических показателей функционирования систем подготовки твердого топлива;
создании математической модели функционирования и развития промышленных теплоэнергетических систем на основе рационального выбора на энергетических объектах, использующих твердое топливо, оптимальных систем его подготовки и типа угля с учетом его стоимости и условий его доставки.
Практическое значение результатов работы заключается в:
- разработке комплексной методики расчета и оценки эффективности систем
подготовки твердого топлива на тепловых электростанциях и котельных;
- оценке эффективности систем подготовки топлива при замене проектного
угля на другие марки.
Реализация результатов работы. В энергетике:
в расчете систем подготовки твердого топлива (для ТЭЦ-2 г. Казани);
в создании комплексной методики оценки эффективности систем подготовки твердого топлива;
в создании алгоритма расчета и проектировании систем подготовки топлива на тепловых электростанциях и промышленных котельных;
в создании программы для ЭВМ (Свидетельство о государственной регистрации №2009614471) и использовании ее при проведении фундаментальных и прикладных исследований в Исследовательском центре проблем энергетики КазНЦ РАН.
В учебном процессе:
- основные результаты диссертационной работы изложены в справочном по
собии «Системы топливоподачи и пылеприготовления ТЭС», использующихся в
учебном процессе в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политех
нический университет».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации пред
ставлялись, докладывались и обсуждались: на Ежегодной XVI Международной
Интернет-конференция молодых ученых и студентов по современным проблемам
машиноведения (МИКМУС пробмаш 2004), Москва, 2004г.; V Международном
Симпозиуме «Ресурсоэффективность. Энергосбережение», Казань, 1-3 декабря
2004г.; Международная научная конференция «Математические методы в технике
и технологиях - ММТТ-18», Казань, 2005г.; Всероссийской (с международным
участием) научно-технической конференции «Рабочие процессы и технологии
двигателей», Казань, 2005г.; Всероссийской молодежной научной конференции с
международным участием «VIII Королевские чтения» г. Самара, 2005г.; Нацио
нальной конференции по теплоэнергетике, Казань, 5-8 сентября 2006 г.; XVI
Школе-семинаре молодых ученых и специалистов
под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках», 21-25 мая 2007, г. Санкт-Петербург; Российской научной конференции (с международным участием) «Глубокая переработка твердого ископаемого топлива - стратегия России в 21 веке», Звенигород, 21-24 ноября 2007 г.; Всероссийской конференции «Экономический рост, ре-сурсонезависимость и социально-экономическое неравенство», Санкт-Петербург, 15-17 октября 2008 г.
Диссертационная работа в полном объеме докладывалась на научных семинарах в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет», ГОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет», ГОУ ВПО «Московский энергетический институт (Технический университет)».
Личный вклад автора состоит: в постановке цели и задач диссертационной работы; разработке классификации современных систем подготовки твердого топлива, разработке основных положений методики определения термодинамической эффективности систем различных типов, разработке системы термоэкономических показателей систем подготовки топлива на основе их технико-
экономической оценки; создании математической модели функционирования и развития промышленной теплоэнергетической системы на основе рационального выбора вида угля и системы его подготовки на тепловой электростанции или промышленной котельной.
Все результаты диссертационной работы, перечисленные в ее заключении, получены лично автором при научном консультировании член-корреспондента РАН, д.т.н., профессора Ю.Г. Назмеева.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 53 печатные работы, в том числе монография, 30 статей в центральных научных изданиях, представлено 20 докладов на международных и всероссийских научных конференциях, симпозиумах и семинарах. В изданиях, рекомендованных ВАК, опубликовано 15 работ, получен 1 патент на полезную модель и 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Содержит 453 страницы текста, включая 47 рисунков, 42 таблицы и библиографический список литературы из 202 наименований.
