Введение к работе
Актуальность темы диссертации.
Особенностью современного этапа развития энергетики Беларуси-и других стран СНГ, в частности России, а также за рубежом является внедрение їй ТЭС и промышленных предприятиях парогазовых технологий. При правильном выборе схем и параметров ПГУ их Применение обеспечивает существенную (на уровне 20% и выше) экономию топлива в энергосистеме при уменьшении капитальных вложений на единицу пводимой мощности.
Использование ПГУ в теплофикационных системах позволяет повышать технико-экономическую эффективность и конкурентоспособность теплофикации, в том числе при относительно невысоком уровне присоединенных к ТЭЦ тепловых нагрузок. Поэтому ПГУ находят широкое применение как при строительстве новых, так и Нри реконструкции действующих ТЭЦ, в том числе ТЭЦ высокого давления. Последнее особенно важно для Беларуси, основная часть действующих ТЭЦ которой требует реконструкции вследствие их физического и морального износа.
В соответствии со сказанным,, в настоящее время актуальной является проблема структурно-параметрической и режимной оптимизации теплофикационных ПГУ при реконструкции действующих ТЭЦ и котельных, а также разработка новых высокоэкономичных и более дешевых теплофикационных установок, в частности, на базе использования контактных ГТУ при условии глубокой утилизации теплоты отработавшей парогазовой смеси. Такие ПГУ могут применяться как на ТЭЦ энергосистемы, так и на промышленных предприятиях, с использованием для конденсации водяных паров относительно холодной сырой воды или воды для технологических нужд производства и горячего водоснабжения.
Указанная проблема в настоящее время исследована недостаточно, особенно в части разработки и структурно-параметрической оптимизации теплофикационных Ш"У на базе контактных ГТУ с полезным использованием теплоты конденсации водяных паров.
Связь работы с крупными научными программами, темами.
Исследования по теме диссертационной работы выполнялись в соответствии с планом НИР кафедры промышленной теплоэнергетики и теплотехники Белорусской государственной политехнической академии и в рамках межвузовской программы фундаментальных исследований '.'Приоритет", утвержденной Минобразования РБ на период 1997-99 г.
Цель if задачи исследования.
Цель работы состоит в научно обоснованном решении важной проблемы повышения системной эффективности применения парогазовых технологий на ТЭС и промышленных предприятиях.
Для достижения указанной цели в диссертации поставлены и решены следующие задачи:
обосновать оптимальную структуру и параметры ПГУ, используемых при расширении и реконструкции ТЭЦ высокого давления;
разработать критерии и программы оперативной оптимизации режимов ПГУ с противодавленческими паровыми турбинами (ППТ), работающими параллельно с паротурбинными установками (ПТУ) ТЭЦ;
разработать схемы, исследовать термодинамическую и технико-экономическую эффективность и область применения комбинированных ПГУ (КПГУ) с глубокой утилизацией теплоты газов;
разработать модели расчета и оптимизировать параметры контактных ГТУ, используемых в схемах КПГУ.
Объект и предмет исследования.
Объект исследования: газотурбинные и парогазовые установки, в том числе работающие параллельно с ПТУ ТЭС и в составе комбинированных теплофикационных установок. Предмет исследования: схемы, параметры и режимы работы утилизационных и контактных ПГУ, термодинамические и технико-экономические показатели их эффективности.
Методология и методы проведенного исследования.
Принятая в диссертации методология исследований основана на системном подходе х объекту и предмету исследований и базируется на использовании методов термодинамического анализа циклов, математического моделирования теплоэнергетических установок, численного и физического эксперимента и апробированных методик технико-экономических исследований в энергетике в рыночных условиях ее функционирования.
Научная новизна и значимость полученных результатов.
1. Показано, что для паровых турбин (ПТ) утилизационных ПГУ
(УПГУ) в связи с отсутствием регенерации значения коэффициента отборов
Коїв существенно ниже, чем для ПТ паротурбинных ТЭЦ. С учетом этого
обоснована оптимальная структура УПГУ, используемых при реконструкции
и расширении ТЭЦ высокого давления
-
Впервые показана эффективность применения в схемах теплофикационных ПГУ "расщепленных" котлов-утилизаторов (РКУ), дожигание топлива в которых позволяет увеличить долю расхода пара в контуре высокого давления и согласовать параметры получаемого парах начальными параметрами на реконструируемой ТЭЦ при работе РКУ и существующих котлов на общий коллектор.
-
На основе исследования характеристик утилизационных ПГУ с ППТ показан вогнуто-выпуклый характер зависимости экономии топлива в энергосистеме от их тепловой нагрузки, и в развитие методов оптимизации тепло-
энергетических установок обоснованы оптимальные режимы параллельной работы таких ПГУ с ПТУ ТЭЦ.
4. Предложена и запатентована схема комбинированной теплофикаци
онной ПГУ на базе контактной ГГУ, обеспечивающая глубокую утилизацию
теплоты парогазовой смеси, в том числе за счет использования при необхо
димости в утилизационном контуре теплонасосной установки (ТНУ).
5. Впервые разработаны критерии термодинамической и технико-
экономической эффективности КПГУ и обоснованы возможные области их
применения и оптимальные параметры газовой части таких установок.
Практическая и экономическая значимость полученных результатов. Практическая ценность результатов работы заключается в возможности их использования для научно обоснованного выбора параметров газовой части и схем теплофикационных ПГУ в зависимости от конкретных условий их применения и обеспечении экономии топлива и приведенных заірат в энергосистеме за счет реализации рекомендованных схем реконструкции ТЭС, оптимизации режимов работы ПГУ и внедрения новых комбинированных установок с глубокой утилизацией.теплоты газов.
Предложенные схемы КПГУ, которые обеспечивают более высокий индекс доходности по сравнению с обычными ПГУ, могут быть использованы в схемах низкопотенциального теплоснабжения промышленных предприятий, в системах комбинированного тепло- и холодоснабжения, для подогрева сырой воды на крупных ТЭЦ и т.д.
Методика технико-экономического сопоставления вариантов применения ПГУ через величину относительной (удельной) экономии топлива использована в работах БелНИПИэнергопром, а также в научно-исследовательских работах и учебном процессе на энергетическом факультете БГПА.
Рекомендации и компьютерные программы расчета показателей и оперативной оптимизации режимов ПГУ с ППТ внедрены и используются на Оршанской ТЭЦ. При этом за счет правильного выбора последовательности загрузки ГГУ и степени использования паротурбинного оборудования старой очереди ТЭЦ можно снизить удельный расход топлива на отпуск электроэнергии примерно на 10%, что соответствует.экономии условного топлива в энергосистеме около 3000 т/год.
Основные положения диссертации, выносимые на зашиту.
1. Методика и результаты обоснования оптимальной струкгурм У ПГУ, используемых при реконструкции и расширения ТЭЦ высокого давления, основанные на исследовании и сопоставлении коэффициентов отборов К0^ лля паровых турбин ПГУ и реконструируемых ТЭЦ и показавшие, что ПГУ должны использооаться в режиме теплового графика, а график электрических.
нагрузок при необходимости должен регулироваться существующими ПТУ ТЭЦ.
-
Методика и результаты исследования эффективности применения при реконструкции ТЭЦ высокого давления "расщепленных" котлов-утидизаторов, показавшие, что за счет повышения температуры и расхода пара в контуре высокого давления дожигание топлива перед РКУ оказывается выгодным даже при вытеснении тепловой нагрузки дейсівующих ПТУ ТЭЦ, но не оправдывается, если приводит к вытеснению тепловой нагрузки и мощности самой ПГУ.
-
Результаты исследований энергетических характеристик и программа оперативной .оптимизации режимов параллельной работы УПГУ с ГШТ и ПТУ ТЭЦ, позволяющая выбрать оптимальный уровень тепловой нагрузки и последовательность загрузки ГТУ с учетом влияния всех внешних факторов.
-
Разработанные схемы КЛГУ на. базе контактных ГТУ с глубокой утилизацией теплоты парогазовой смеси после газовой турбины и результаты их термодинамического и технико-экономического анализа, показавшие, что применение таких установок позволяет существенно (примерно в 1,5 раза) повысить индекс доходности и уменьшить срок окупаемости капитальных вложений по сравнению с традиционными схемами ПГУ.
-
Математическая модель, позволяющая рассчитать на ЭВМ показатели ПГУ различной структуры, и результаты оптимизации степени повышения давления для контактных ГТУ, используемых в схемах КПГУ с глубокой утилизацией теплоты парогазовой смеси.
Личный вклад соискателя состоит.в обосновании структуры и параметров ПГУ при реконструкции ТЭЦ,'в том числе с применением "расщепленных" котлов-утилизаторов; в исследовании и опытной проверке построенных характеристик ПГУ Оршанской ТЭЦ; в разработке компьютерных программ расчета показателей и оптимизации режимов ПГУ с противодавлепче-скими паровыми турбинами; разработке схем, термодинамическом и технико-экономическом анализе эффективности и обосновании возможности применения комбинированных ПГУ с глубокой утилизацией теплоты газов и оптимизации параметров, используемых в таких схемах контактных ГТУ с помощью разработанной компьютерной программы.
Апробация результатов диссертации. Материалы работы докладывались на научно-технических конференциях Белорусской государственной политехнической академии в 1995 - 2000 годах.
Опубликоваиность результатов. Основные положения диссертации опубликованы в 11 работах, в том числе в 6 статьях в научных журналах и сборниках, 4 тезисах докладов и выступлений на конференциях, 1 патенте на изобретение. Две работы написаны единолично. Общий объем опубликованных Материалов - 40 с, в том числе без соавторов - 5 с.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит га введения, общей характеристики работы, пяти глав основной части, заключения, списка использованных источников из 128 наименований. Работа представлена на 150 с, включая 29 иллюстраций, 12 таблиц, I приложение.
