Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ .13
2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ И АНАЛИЗ СХЕМ ГТУ И ПГУ 31
2.1. Методика определения тепловой экономичности ПГУ-ТЭЦ и ГТУ-ТЭЦ. 35
2.1.1. Тепловой расчет ПГУ-ТЭЦ и ГТУ-ТЭЦ 38
2.1.2. Расчет паропроизводительности котла 44
2.1.3. Выбор оптимального количества топлива, сжигаемого в котле 46
2.1.4. Сравнение тепловой и техника-экономической эффективности ГТУ-ТЭЦ и ПГУ-ТЭЦ с паротурбинными ТЭЦ .47
2.2. Методика определения оптимального коэффициента теплофикации 51
3. ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕПЛОВОЙ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГТУ и ПГУ ТЭЦ 54
3.1. Анализ тепловой экономичности ГТУ-ТЭЦ и ПГУ-ТЭЦ 54
3.1.1. Отопительные ГТУ-ТЭЦ 54
3.1.2. Отопительные ПГУ-ТЭЦ 61
3.1.3. Производственно-отопительные ГТУ-ТЭЦ. 63
3.1.4. Производственно-отопительная ПГУ-ТЭЦ 66
3.1.5. Оптимизация доли топлива, сжигаемой в котле-утилизаторе 69
3.2. Модернизация ТЭЦ о использованием газовых турбин. 30
Выводы по главе 3 91
4. ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОФИКАЦИИ ГТУ-ТЭЦ 95
Выводы по главе 4 120
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 121
ЛИТЕРАТУРА 125
ПРИЛОЖЕНИЯ 136
1. Пример определения годовых расчетных затарат ГТУ-ТЭЦ с ГТУ-15 137
Введение к работе
Обеспечение энергией всегда было одной из важнейших проблем, стоящих перед человечеством. Многочисленные исследования выявили прямую зависимость между национальным доходом страны и производством электроэнергии. В настоящее время в связи с дефицитом и дороговизной топлива рост выработки электроэнергии возможен лишь на базе высокоэффективного использования первичных источников.
Переход России к новым формам хозяйствования вызвал существенные изменения условий функционирования и развития теплоэнергетики, что объясняется многими факторами, наиболее существенные из которых:
- резкое повышение цен на энергоносители, особенно на нефть,нефтепродукты и газ; тенденция их роста до уровня мировых цен, что связано с возможностью их реализации на мировом рынке;
- переход к различным формам собственности, включая рыночную;
- переход к финансированию строительства, расширения, реконструкции и технического перевооружения объектов энергетики, превращаемых в акционерные общества, преимущественно за счет собственных средств с привлечением инвесторов на акционерной основе с использованием кредитов;
- исключение мер принуждения потребителей к получению тепла от ТЭЦ энергосистем, что будет стимулировать ускоренное развитие комбинированного производства тепловой и электрической энергии на основе применения ТЭЦ малой и средней мощности, в том числе газотурбинных и дизельных.
Это диктует настоятельную необходимость к чрезвычайно осмотрительному развитию топливно-энергетических комплексов (ТЭК), крайне инерционных из-за своих масштабов и массы людей, работающих на их предприятиях, отторжения больших земельных участков, капиталоемкости крупнейших дорогостоящих инженерных сооружений, все возрастающего воздействия на окружающую среду, успехи и ошибки в проектировании которых проявляются спустя значительное число лет. Очевидно, структура энергетики должна развиваться с учетом требований топливно-энергетического баланса страны.
В России для производства тепло- и электроэнергии могут использоваться паротурбинные, парогазовые, газотурбинные установки, гидроэлектростанции, котельные для получения пара технологических параметров (1,0 - 1,5 МПа) и круглосуточного или пикового нагрева сетевой воды и нетрадиционные установки (вет-ро, гелио, геотермические и др.) [13.
Учитывая многообразие видов топлива, типов энергоустановок и характеристик энергопотребителей, особую актуальность приобретает задача оптимизации топливно-энергетического комплекса с учетом экономических, технологических и экологических проблем.
Если ранее финансирование проектов и строительства в энергетике осуществлялось за счет средств из централизованных источников, то, начиная с 1992 г. недостаток инвестиций привел к резкому сокращению ввода новых мощностей и расширению и реконструкции действующих станций.
В последние годы значительный износ оборудования и отсутствие средств для его ремонта и восстановления вызвал необ ходимость строительства КЭС, ТЭЦ и котельных небольшой мощности. Это направление в энергетике в настоящее время является наиболее перспективным, так как сроки введения в действие таких установок невелики, а получение относительно небольших средств на строительство и реконструкцию более реально [2].
В связи с этим чрезвычайно актуально проведение исследований в области энергетических объектов малой и средней мощности (10 - 200 МВт).
Достигнутый в последние годы прогресс в области энергетического газотурбостроения и имеющиеся в России заводы по производству газовых турбин позволяют выбирать различные по характеристикам газотурбинные установки (ГТУ) для энергетики, наряду с традиционными паротурбинными.
Кроме того, в последние годы появилось значительное количество конверсионных судовых и авиадвигателей. В связи с этим необходимо проведение исследований области применения различных ГТУ при работе в составе ТЭЦ в зависимости от требований, предъявляемых к станции (тепловых и электрических нагрузок, режимов работы и т.д.).
Одной из задач исследования в данной работе является анализ тепловых схем ТЭЦ малой мощности с отечественным газотурбинным оборудованием при использовании их при строительстве новых и реконструкции существующих станций, а также разработка рекомендаций для использования отечественного газотурбинного оборудования на ТЭЦ в зависимости от режимов работы оборудования и станции, определение оптимальных коэффициентов теплофикации и их зависимость от различных факторов.
В дальнейшем, ТЭЦ, включающие газотурбинную установку и котел-утилизатор, работающий на продуктах сгорания газовой - I турбины и предназначенный для подогрева сетевой воды или генерирования пара промышленных параметров, в работе называны ГТУ-ТЭЦ. В случае, если полученный в котле-утилизаторе пар используется для получения дополнительной электроэнергии на установках с паровыми турбинами типа "ПТ", "Т" или "Р", такие установки названы ПГУ-ТЭЦ.
В зависимости от характера тепловой нагрузки ГТУ- или ПГУ-ТЭЦ различаем отопительные (теплофикационные) станции, отпускающие только горячую воду, и производственно-отопительные, снабжающие потребителей горячей водой и паром промышленых параметров.
Цель работы. 1. Выбор области применения отечественных ГТУ в структуре производственно-отопительных ТЭЦ малой и средней мощности как при модернизации старого оборудования, так и на вновь строящихся объектах.
2. Оптимизация распределения долей топлива между горелками котлов и камерами сгорания.
3. Оптимизация распределения нагрузок между ГТУ-ТЭЦ и пиковыми водогрейными котлами (ПВК) в условиях неоднозначности и неопределенности информации по ценам на топливо и соотношение капиталовложений в ГТУ-ТЭЦ и КЭС.
4. Разработка рекомендаций по выбору оптимальной доли тепловой нагрузки, покрываемой за счет газотурбинных агрегатов, от общей нагрузки, присоединенной к данной ТЭЦ в условиях неопределенности исходной информации с учетом неоднозначности изменения цен на топливо и соотношения удельных капиталовложений в ГТУ-ТЭЦ и КЭС.
Научная новизна. На основе анализа разработанных аналитических зависимостей выявлены основные направления поиска оптимальных решений использования газовых турбин на производственно-отопительных ТЭЦ малой и средней мощности в условиях неопределенности исходной информации и неоднозначности изменения цен на топливо и соотношения удельных капиталовложений в ГТУ-ТЭЦ и КЭС;
разработана инженерная методика и математическая модель теплового расчета характеристик газотурбинных ТЭЦ, обеспечивающая согласование исходных данных, учет внешних и внутренних факторов, влияющих на работу оборудования в составе ТЭЦ.
на основании выполненных теоретических обобщений и исследований, проведенных на разработанных математических моделях, оценено влияние различных параметров на экономичность цикла, и разработаны рекомендации по выбору типов ГТУ для работы в составе ТЭЦ;
определены зоны оптимального распределения долей топлива между камерой сгорания газовой турбины и дожигающим устройством котла-утилизатора газотурбинных установок ТЭЦ малой и средней мощности в зависимости от типа нагрузки и характера работы станции в условиях неопределенности и неоднозначности исходной информации с учетом сложности влияния протекающих процессов в оборудовании станции и неоднозначности изменения цен на топливо и оборудование;
впервые в России для производственно-отопительных ГТУ-ТЭЦ малой и средней мощности выработаны рекомендации по выбору оптимальной доли тепловой нагрузки, покрываемой за счет газотурбинных агрегатов, от общей нагрузки, присоединенной к данной ТЭЦ.
Практическая ценность. Использование полученных результатов позволит решать вопросы наиболее эффективного использования отечественного газотурбинного оборудования на ТЭЦ. Разработанная методика позволяет комплексно оценивать характеристики станции и показатели работы оборудования. Предлагаемый подход позволяет оценивать принимаемые решения и их последствия на ранних стадиях проектирования в условиях недостаточности и неопределенности исходной информации с учетом сложности взаимовлияния протекающих процессов в оборудовании станции и взаимоувязки влияния внешних и внутренних факторов на функцию цели.
Определение области оптимального дожигания топлива с учетом работы станции в энергосистеме, а также оптимального распределения нагрузок между ГТУ и ПВК при использовании существующих отечественных ГТУ, позволяют снизить расход топлива на станции до 15% при равном отпуске продукциии.
Разработанные методики и математические модели расчета и оценки эффективности работы основного оборудования ГТУ-ТЭЦ могут быть использованы как научными, так и проектными организациями при планировании строительства новых и реконструкции или модернизации существующих ТЭЦ.
Автором разработана уточненная методика многофакторной оптимизации параметров и характеристик ГТУ-ТЭЦ, проведены расчетные исследования по определению области оптимальных значений коэффициента теплофикации ГТУ-ТЭЦ, проанализированы возможности использования различных типов газотурбинных надстроек на производственно-отопительных ТЭЦ.
Апробация работы Материалы, отдельные разделы и основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на семинаре "Проблемы преобразования энергии" (Киев, 1990г.), 2 Советско-Японском симпозиуме по проблемам МГД (Иркутск, 1991г.), межотраслевом семинаре "Атомно-водородная энергетика и технология" в ИАЭ им.Курчатова (Москва, 1992г.), 11 международной конференции по проблеме МГДЭС (Пекин, 1992г.), II Международной научно-технической конференции в Московском энергетическом институте (Москва, 1995г.). Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на научно-методическом семинаре кафедры теплоэнергетических установок в Московском государственном открытом университете в 1996г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ.
На защиту выносятся.
1. Метод многофакторной оценки эффективности использования газотурбинных надстроек на производственно- отопительных ГТУ-ТЭЦ.
2. Метод определения оптимального коэффициента теплофикации газотурбинного оборудования, работающего в составе ТЭЦ с учетом сложности взаимовлияния протекающих в оборудовании станции процессов при взаимоувязке влияния внешних и внутренних факторов в условиях недостаточности и неопределенности исходной информации.
3. Результаты исследования оптимальной области применения отечественных ГТУ в структуре производственно-отопительных ТЭЦ малой и средней мощности.
4. Результаты исследования оптимального распределения долей топлива между камерой сгорания газовой турбины и дожигающим устройством котла-утилизатора газотурбинных установок ТЭЦ малой и средней мощности;
Кратное содержание работы.
В первой главе на основании литературных данных рассмотрено состояние энерегетического комплекса России и показано место газовых турбин в производстве теплоты и электроэнергии, проанализированы научные разработки и достижения в области парогазовых технологий; приведены характеристики основного энергетического оборудования, находящегося в эксплуатации в настоящее время. Дано сравнение основных показателей вводимых в строй станций с использованием газотурбинного оборудования производства России и стран СНГ с зарубежными аналогами.
Рассмотрены подходы различных научных и опытно-конструкторских организаций к вопросам выбора структуры и оптимизации характеристик газотурбинных ТЭЦ малой и средней мощности.
На основании проведенного анализа сделан вывод, что, несмотря на многочисленность теоретических и проектных проработок, вопросы оптимального состава оборудования при строительстве, модернизации или реконструкции ТЭЦ исследованы недостаточно.
Показано, что аналогичные методики и исследования, освещаемые в зарубежных источниках, неразрывно связаны с ценовыми и тарифными системами, действующими в этих странах, законодательными актами, влияющими на стоимость электрической и тепловой энергии, а также с особенностями процесса проектирования, принятого в этих странах, и не могут быть перенесены в отечественную практику.
Вторая глава посвящена разработке
а) инженерной методики и математической модели теплового расчета характеристик газотурбинных ТЭЦ, позволяющим обосновывать области применения существующих отечественных ГТУ в структуре ТЭЦ малой и средней мощности с учетом изменения их характеристик при работе в составе станции в условиях неопределенности исходной информации и неоднозначности изменения цен на топливо и соотношения удельных капиталовложений в ГТУ-ТЭЦ и КЭС;
б) аналитического метода определения оптимального коэффициента теплофикации при работе газотурбинного оборудования в составе ТЭЦ с пиковыми водогрейными котлами и выбора оптимальной доли топлива, сжигаемого в котле.
В третьей главе изложены результаты исследования области применения существующих отечественных ГТУ на следующих газотурбинных ТЭЦ: ГТУ- и ПГУ-ТЭЦ обеспечивающих потребителей горячей водой, ГТУ- и ПГУ-ТЭЦ, отпускающих потребителям горячую воду и пар 0,6...1,0 МПа.
В расчетах были рассмотрены газовые турбины ГТУ-15 П0"3а-ря", ГТУ-25 АО"Турбомоторный завод", ГТ-60 СТЭ АО "Рыбинские моторы", ГТЭ-45 и ГТЭ-115 ХТГЗ и паровые турбины Т-250/300-240, ПТ-60/75-13 и ПТ 25/30 - 3,5/1,0.
Четвертая глава посвящена выбору оптимальной доли нагрузки теплофикационной газотурбинной установки от общей присоединенной нагрузки ТЭЦ с учетом изменения капитальных вложений в станции и колебания рыночных цен на топливо.
