Оптимизация параметров энергоблоков угольных мини-ТЭЦ, работающих в автономных системах энергоснабжения

Актуальность работы.

Одним из приоритетных направлений экономики России является развитие энергетики. В настоящее время ситуацию в сфере энергетики можно охарактеризовать как затяжной кризис. Значительная часть населенных пунктов нашей страны не имеет централизованного энергоснабжения, а обеспечивается теплом и электроэнергией от автономных (изолированных) энергоисточников. Это характерно для некоторых регионов Сибири, Дальнего Востока и Крайнего Севера. Тепловую энергию изолированные потребители получают от котельных, сжигающих местное или привозное твердое топливо, а электрическую энергию, во многих случаях, — от дизельных электростанций (ДЭС), работающих на дорогом привозном жидком топливе. Комбинированное производство тепла и электроэнергии является одним из способов повышения экономической и энергетической эффективности систем энергоснабжения. Поэтому в последние годы уделяется все большее внимание строительству паротурбинных мини-ТЭЦ, сжигающих местное твердое топливо и обеспечивающих потребителей тепловой и электрической энергией.

Можно привести ряд примеров. Предварительные исследования показали высокую экономичность двухблочной ТЭЦ мощностью 12 МВт на зырянском угле в населенных пунктах бассейна р. Колыма (Республика Саха (Якутия)) по сравнению с существующей раздельной схемой энергоснабжения (ДЭС плюс угольные котельные). Их относительная экономичность при стоимости дизельного топлива 216 — 432 дол./т, угля 29 — 43 дол./т. составляет 40 — 60%. Кроме того, при этом высвобождаются десятки транспортных средств (речных, морских танкеров, бензовозов), занятых перевозкой дальнепривозного дизельного топлива [1]. В Республике Саха (Якутия) планируется строительство угольных мини-ТЭЦ в поселках Черский, Сангар, Зырянка, Угольное, Депутатский, Джебарики-Хая [2−6].

В Корякском автономном округе строятся мини-ТЭЦ в окружном центрепоселке Палана и селе Корф. Помимо этих, программа развития региона предусматривает строительство еще трех аналогичных объектов в Оссоре, Тигиле и Манилах. Все пять мини-ТЭЦ, которые будут построены в Корякин, будут работать на бурых углях, добываемых из собственных корякских месторождений, что существенно снизит себестоимость оказываемых ими услуг. Кроме того, они дадут комбинированную выработку тепла и электроэнергии, а это даст возможность применять различные схемы энергоснабжения [7−11]. Перечень запланированных мероприятий на ближайшее время в Эвенкийском автономном округе включает строительство мини-ТЭЦ в поселках Тура и Байкит и комплекс работ по освоению угольного месторождения «Кораблик» [12, 13]. Рассматривается возможность строительства угольных мини-ТЭЦ и использования на них углей Крутогоровского месторождения в Камчатской области [14]. Научно-производственным предприятием ОАО «Малая энергетика» ведутся разработки вариантов сооружения автономных мини-ТЭЦ на базе местных угольных месторождений в Корякском и Эвенкийском автономных округах с различным составом основного оборудования. Предусматривается разработка новых типов оборудования, наиболее пригодных для использования в удаленных северных территориях страны [15].

Золотодобывающее предприятие «Артель старателей „Полярная“» (Чукотский автономный округ) имеет в своем составе несколько шахт, транспортные и ремонтные цеха, а также угольный разрез. Поэтому несколько лет назад была построена собственная мини-ТЭЦ, которая обеспечивает коллектив теплом и электроэнергией [16].

Золотодобывающей компанией «Полюс» ведется разработка Кокуйского месторождения каменного угля в Нижнем Приангарье. Здесь планируется построить мини-ТЭЦ мощностью 20−25 МВт для покрытия потребности рудников в электроэнергии. Запасы Кокуйского месторождения оцениваются в.

300 млн. тонн. Раньше в регион ввозили уголь из Хакасии, что обходилось значительно дороже. Качественные характеристики местного угля не уступают черногорским углям. Запущен проект по переоборудованию самой крупной в районе котельной, расположенной на Северо-Ангарском горнометаллургическом комбинате, в мини-ТЭЦ, работающей на местном угле. Пока она законсервирована, комбинат, занимающийся добычей и обогащением магнезита и золота, работает на электроэнергии дизельной станции. Практически все дизельные электростанции региона закрываются, а сооружаются мини-ТЭЦ, работающие на местном угле [17].

Следует отметить, что сооружение угольных мини-ТЭЦ планируется не только для энергоснабжения изолированных потребителей, но и потребителей, расположенных в зоне действия централизованного энергоснабжения. ОАО Угольная компания «Южный Кузбасс» рассматривает возможность строительства мини-теплоэлектроцентрали мощностью 16 МВт в рамках реконструкции технологической котельной на углеобогатительной фабрике в г. Мыски на юге Кемеровской области. Окончательное решение будет зависеть от стоимости проекта. Если все же начнется строительство мини-станции, это будет уже второй проект подобного рода в Кузбассе. В 2003 году небольшой энергоблок на 3,5 МВт построила в Анжеро-Судженске «Кузбасская топливная компания», планируется построить второй блок на 5 МВт [18, 19].

При решении вопроса об эффективности строительства угольной мини-ТЭЦ в поселке Сангар в Якутии с тепловой нагрузкой 40 Гкал/ч и электрической нагрузкой 6 МВт ставился вопрос о выборе давления пара на входе в турбину. При увеличении начального давления возрастают требования к квалификации и ответственности обслуживающего персонала, но при этом можно заметно уменьшить потребление пара и установить четыре котла (КЕ-25−24 «Бийскэнергомаша») вместо пяти и соответственно уменьшить потребление топлива при одинаковой выработке тепловой и электрической энергии. В качестве турбин приняты блочные турбогенераторы П-1,5−24/7 конденсационные с регулируемым отбором пара), которые серийно выпускаются Калужским турбинным заводом [20].

Из вышесказанного можно сделать вывод о том, что в ближайшие годы можно ожидать достаточно массовое строительство угольных мини-ТЭЦ.

Следует отметить, что все указанные проекты основаны на использовании паровых турбин и котлов, разработанных в 50-е — 60-е годы прошлого века. Обоснование параметров этого оборудования проводилось без учета современных критериев экономической эффективности и современных соотношений между ценами на оборудование и топливо, а также без достаточно корректного учета режимов функционирования.

В связи с этим актуальной представляется задача оптимизации конструктивных и термодинамических параметров энергоблоков угольных мини-ТЭЦ. Указанная задача (задача I) может решаться для разных условий.

Во-первых, решение задачи возможно для некоторых «типовых» условий функционирования (к которым относятся: соотношение электрической и тепловой нагрузок, графики отпуска тепла и электроэнергии, цена топлива и т. д.), хорошо представляющих фактические условия работы достаточно большого числа реальных мини-ТЭЦ. В результате решения этой задачи определяется конструкция оборудования, являющегося наиболее подходящим в качестве типового для всего множества мини-ТЭЦ со сходными условиями работы. Тогда при проектировании конкретной станции решается задача II, состоящая в выборе числа устанавливаемых на ТЭЦ типовых блоков и технологической схемы станции.

Во-вторых, решение задачи оптимизации параметров энергоблока (задачи I) возможно для условий функционирования конкретной мини-ТЭЦ (в ближайшем будущем многие заводы-изготовители смогут адаптировать поставляемое оборудование к конкретным условиям работы станции-заказчика). В этом случае также решается задача II по выбору числа устанавливаемых на мини-ТЭЦ энергоблоков. Причем между этими задачами возможна итерационная взаимоувязка.

Кроме задачи оптимизации конструктивных и термодинамических параметров энергоблоков и задачи оптимизации числа энергоблоков на мини-ТЭЦ можно выделить задачу оптимизации параметров системы теплоснабжения, в первую очередь, выбора температурного графика отпуска тепла с горячей водой (задача III). В общем случае (при оптимизации энергоблока для конкретной мини-ТЭЦ) задача I может итерационно увязываться как с задачей И, так и с задачей III.

Данная диссертационная работа посвящена решению первой задачизадачи оптимизации конструктивных и термодинамических параметров энергоблоков угольных мини-ТЭЦ, существенно влияющих на экономическую и энергетическую эффективность, как мини-ТЭЦ, так и системы энергоснабжения в целом.

Современные паротурбинные установки (ПТУ) представляют собой сложные технологические схемы взаимосвязанных элементов. Кроме того, тепловая и электрическая нагрузки ПТУ меняются в течение года. Электрическая нагрузка зависит от типа потребителя энергии — население или производственный потребитель. В ее изменении в общем случае можно выделить суточные и сезонные колебания. Тепловая, в первую очередь, отопительная нагрузка зависит от температуры наружного воздуха. Для северных и восточных регионов, где в первую очередь будут строиться угольные мини-ТЭЦ, характерны большие перепады температуры наружного воздуха в течение года. Разница между максимальной тепловой нагрузкой, рассчитываемой по температуре воздуха самой холодной пятидневки, и минимальной — летней, когда остается только нагрузка горячего водоснабжения, оказывается значительной. Такие графики нагрузок особенно характерны для теплоэнергетических установок, работающих в автономных энергетических системах и снабжающих тепловой и электрической энергией изолированных потребителей. Особенностью работы мини-ТЭЦ, в отличие от крупных ТЭЦ, является именно то, что они покрывают как базовую, так и пиковую часть графика электрической нагрузки самостоятельно, поскольку работают вне системы централизованного электроснабжения. Таким образом, выбор оптимальных параметров энергоблоков мини-ТЭЦ должен проходить с учетом изменения графиков нагрузок.

Поиск оптимальных конструктивных и термодинамических параметров энергоблоков угольных мини-ТЭЦ с учетом переменного характера тепловых и электрических нагрузок необходимо вести с помощью методов математического моделирования и оптимизации с использованием современных компьютерных технологий.

Необходимость в применении математического моделирования и оптимизации в энергетике возникла в связи с существенным усложнением энергетических установок в процессе их развития. Начиная с момента изобретения теплового двигателя в начале XIX века, ученые стремятся к совершенствованию процессов для приближения к «идеальному циклу» преобразования энергии топлива в теплоту и энергию. До появления электронно-вычислительных машин в первой половине XX века велись «ручные» расчеты с использованием аналитических методов. Были созданы: метод теплового баланса, с помощью которого можно определить источники потерь тепла и пути их сниженияметоды оценки влияния изменения в тепловой схеме на экономичность станции с помощью коэффициента ценности теплоты, коэффициента изменения мощности [21] и др. Появились работы в области экономики энергетики и технико-экономического обоснования параметров и оценки эффективности разных типов электростанций, видов топлива и энергоносителей [22]. В 60-е гг. В. Я. Рыжкиным [23, 24] был разработан метод эквивалентных теплоперепадов, использующийся для термодинамического анализа паротурбинных установок. Оптимизации параметров теплоэнергетических установок (ТЭУ), основанной на применении эксергетического подхода, были посвящены работы А. И. Андрющенко, Р. З. Аминова и др., выполненные в Саратовском государственном техническом университете [25−28].

Появление в конце 50-х годов электронно-вычислительных машин обусловило массовую разработку математических моделей для исследований и управления развитием и функционированием систем во всех областях энергетики. В начале ЭВМ использовались для «механизации» расчетов по имеющимся методикам и методам, позже начали разрабатываться новые математические методы и модели, специально ориентированные на применение вычислительной техники [29].

Известно достаточно много работ по применению математического моделирования и оптимизации, направленных на повышение экономической и энергетической эффективности ТЭУ. Такие работы ведутся как в нашей стране, так и за рубежом [28, 30−45]. С целью расширения исследований по развитию энергетики с использованием математического моделирования и ЭВМ в 1960 г. был создан Сибирский энергетический институт СО АН СССР (сейчас Институт систем энергетики СО РАН). Разработкой математических моделей в области расчетов нестационарных и установившихся режимов электроэнергетических систем, управления ими и оценки их надежности занимались многие научно-исследовательские (ВНИИЭ, ЭНИН им. Г. М. Кржижановского, ИСЭМ, Энергосетьпроект и др.) и учебные (МЭИ, УПИ, ЛПИ и др.) институты [46−52].

Подход, основанный на сочетании аналитических методов оптимизации с математическим моделированием энергоустановок атомных электростанций, представлен в работе Андреева П. А., Гринмана М. И., Смолкина Ю. В. (НПО ЦКТИ) [53]. Вульманом Ф. А. и Хорьковым Н. С. (ЦНИИКА) предложено построение математических моделей теплоэнергетических установок на основе модульного программирования [54−56]. Большой комплекс исследований в области оптимизации процессов и конструкций турбомашин и автоматизации их проектирования проведен в Институте проблем машиностроения АН Украины Шубенко-Шубиным Л.А., Палагиным А. А. и др. [57−63]. Применение методов нелинейного программирования реализовано в ННГТУ А. С. Карабасовым, Г. Б. Усыниным и др. [64−67]. Работы В. М. Боровкова, С. А. Казарова А.Г. Кутахова [68, 69], выполненные в СПбГТУ и Ленэнерго, посвящены автоматизированному проектированию тепловых схем паротурбинных установок ТЭС и АЭС и моделированию переменных и стационарных режимов их работы.

В Новосибирском государственном техническом университете Ноздренко Г. В., Щинниковым П. А. и др. разработан и эксплуатируется в течение ряда лет вычислительный комплекс для многовариантных технико-экономических и оптимизационных расчетов ТЭС с традиционными и новыми технологиями. Функциональной частью вычислительного комплекса является структурная схема TEPLOT. Настройка блоков программы производится по агрегатам (котлу, турбине, техническим схемам и др.) и в целом по энергоблоку. Для определения показателей котлов и настройки их моделей применяются специализированные программы, а при расчете газификаторов — программы, разработанные в НГТУ [45]. Выполнен ряд работ по исследованию экологически перспективных энерготехнологических блоков электростанций с новыми технологиями [70−72], разработана методика технико-экономической оптимизации энергоблоков ТЭС с использованием интегрального критерия эффективности [73].

Работы по моделированию энергетических установок проводились и за рубежом [30−32, 74−79]. Более подробно следует отметить работы итальянских ученых A. Toffolo, A. Lazaretto [31], в которых используется, как и в данной диссертационной работе, вариант подхода к оптимизации ТЭУ с учетом как экономической, так и энергетической эффективности. Проводится поиск Паретто-оптимальных решений для ГТУ с регенеративным подогревом воздуха и котлом-утилизатором для получения сухого насыщенного пара давлением 2,0.

МПа. Используется весьма простая модель с двумя критериями эффективности: 1) эксергетический КПД, 2) приведенные затраты, определяемые с нормативным коэффициентом эффективности капиталовложений, равным 0,182. С использованием эволюционного (генетического) алгоритма оптимизации ищется множество Паретто-оптимальных решений (по указанным двум критериям). Причём такие множества строятся для разных цен на топливо. К недостаткам этой работы можно отнести следующее. Используются упрощенные модели элементов, в которых нет внутренних параметров теплообменников и др. аппаратовотсутствуют аэродинамический и гидравлический расчёты, расчёт температур металла труб теплообменниковне сформулированы и соответствующие им ограничения-неравенства. Учитываются только термодинамические ограничения-неравенства, соблюдение которых необходимо для передачи тепла в нужном направлении. Для оптимизации параметров установки используется генетический алгоритм, фактически сочетающий элементы алгоритма случайного поиска и направленного перебора, который применим только для задач оптимизации малой размерности (не более 5−6 оптимизируемых параметров) и простых математических моделей.

Значительный опыт математического моделирования и оптимизации процессов и схем теплоэнергетических установок накоплен в ИСЭМ СО РАН в работах Левенталя Г. Б., Попырина JI.C., Каплуна С. М., Наумова Ю. В., Клера.

A.M., Декановой Н. П., Тюриной Э. А. и др. [50, 80−98]. В институте был разработан оригинальный подход к автоматизации построения программ расчета сложных ТЭУ, базирующийся на графовом представлении систем нелинейных алгебраических и трансцендентных уравнений (работы.

B.Г.Карпова, Л. С. Попырина, В. И. Самусева, В. В. Эпельштейна [99−101]). Был создан программно-вычислительный комплекс «Система машинного построения программ» (СМПП), позволяющий автоматически генерировать программу расчета сложной ТЭУ на основе графического изображения технологической схемы и архивов математических моделей ее элементов, формировать задачи оптимизации параметров ТЭУ (назначать целевую функцию, а также оптимизируемые параметры и ограничения-неравенства, задавать возможные границы их изменения). Были созданы эффективные методы оптимизации параметров энергоустановок, подходы к оптимизации их схем. Предложены методы декомпозиции, позволяющие поэтапно проводить оптимизацию параметров технологических связей и внутренних параметров элементов ТЭУ. Выполнены многочисленные исследования паротурбинных и парогазовых установок, атомных электростанций [81, 84, 85, 102].

Следует отметить, что в указанных работах для исследования сложных установок использовались либо модели, ориентированные только на конструкторские расчеты оборудования, либо только на поверочные расчеты.

В работе A.M. Клера, Н.ГТ. Декановой, Т. П. Щеголевой [103] была предложена методика оптимизации параметров теплоэнергетической установки с учетом переменных условий ее работы. В соответствии с этой методикой число характерных режимов должно выбираться таким образом, чтобы расхождение между годовым расходом топлива энергетической установки, определенным как сумма расходов топлива по всем режимам, и фактическим годовым расходом топлива, определенным на основе всей совокупности режимов работы ТЭЦ в году, находилось в допустимых пределах. В одном из характерных режимов (как правило, в режиме с максимальными нагрузками) проводится конструкторский расчет, ориентированный на определение конструктивных характеристик теплоэнергетической установки по заданным термодинамическим параметрам. В остальных режимах проводятся поверочные расчеты, ориентированные на оценку тепловой эффективности при заданных внешних условиях и конструктивных характеристиках. В работе использованы «традиционные» подробные модели теплофикационной парогазовой установки ПГУ (работающей на природном газе), ориентированные на выполнение одного конструкторского и серии поверочных расчетов. Из-за громоздкости этих моделей решение оптимизационной задачи потребовало чрезвычайно больших затрат машинного времени. При этом из-за «накапливающейся» погрешности последовательно проводимых конструкторского и серии поверочных расчетов имела место неудовлетворительная сходимость оптимизационного процесса.

Основные вычислительные трудности в решении задачи оптимизации ТЭУ с учетом переменных режимов функционирования связаны с выполнением серии поверочных расчетов установки в характерных режимах ее работы. В связи с этим A.M. Клером и А. Ю. Маринченко [104−106] использовался нестрогий упрощенный подход, основанный на решении ряда более простых оптимизационных задач, в каждой из которых рассматривался только один режим работы комбинированной теплопроизводящей установки (КТУ) и проводился либо конструкторский, либо поверочный расчет установки. Рассматривались КТУ двух видов: 1) КТУ, состоящая из теплового насоса и пикового источника тепла- 2) КТУ, состоящая из теплового насоса, газотурбинной установки и котла-утилизатора. Метод состоит из трех этапов. На первом этапе определяются наборы конструктивных параметров КТУ, обеспечивающие максимальную экономическую эффективность установки при условии постоянства тепловых нагрузок на протяжении всего расчетного периода. Причем такие наборы определяются при различных стоимостях топлива, выбираемых в достаточно широком диапазоне. Кроме того, тепловые нагрузки, при которых определяются различные наборы параметров, могут быть различными. Для каждого определенного таким образом конструктивного решения определяются капиталовложения. На втором этапе для каждого определенного ранее конструктивного решения проводятся расчеты работы установки для множества характерных режимов, хорошо отражающих всю совокупность условий функционирования КТУ на протяжении расчетного периода. На основе этих расчетов определяются годовые расходы топлива. На третьем этапе на основе данных, полученных на предыдущих этапах, определяется критерий экономической эффективности (например, внутренняя норма возврата капиталовложений) при фактических значениях стоимости тепла и топлива. Сопоставляя значения критерия экономической эффективности, полученные при различных конструктивных решениях, можно найти наилучшее среди них. Такой метод решения зачастую не позволяет получить удовлетворительные результаты, достаточно близкие к оптимальным.

Однако имеющий место в последнее время прогресс вычислительной техники в сочетании с совершенствованием алгоритмов оптимизации (в первую очередь в плане повышения надежности их работы) сделали возможным одноэтапную оптимизацию всех параметров ТЭУ. Это, в свою очередь, открыло возможность оптимизационных исследований зависимостей между энергетической и экономической эффективностью ТЭУ.

Целыо настоящей диссертационной работы является:

Разработка методики оптимизации конструктивных и термодинамических параметров энергоблока паротурбинной мини-ТЭЦ с учетом переменных условий ее функционирования, разработка математической модели угольного паротурбинного энергоблока для исследования ТЭЦ малой мощности, выполнение оптимизационных расчетов угольного паротурбинного энергоблока с учетом переменных графиков тепловых и электрических нагрузок при различных сочетаниях цен на топливо и оборудование.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые получены и вынесены на защиту следующие результаты:

1. Методика согласованной оптимизации конструктивных и термодинамических параметров энергоблока паротурбинной мини-ТЭЦ с учетом переменных условий ее функционирования, основанная на использовании линеаризации зависимостей выходных параметров модели поверочного расчета от ее входных параметров.

2. Математическая модель угольного паротурбинного энергоблока, позволяющая проводить конструкторский расчет и согласованную с ним серию поверочных расчетов.

3. Результаты оптимизационных технико-экономических исследований угольного паротурбинного энергоблока с учетом переменных графиков тепловых и электрических нагрузок при различных сочетаниях цен на топливо и оборудование.

Практическая ценность заключается в возможности использования разработанного методического подхода на стадии проектирования новых угольных паротурбинных мини-ТЭЦ или при реконструкции существующих котельных в ТЭЦ малой мощности.

Апробация работы;

Результаты диссертационных исследований опубликованы в 7 печатных работах и обсуждались:

— на Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» (Иркутск: ИрГТУ, 2004);

— на XXXV конференции-конкурсе научной молодежи ИСЭМ СО РАН (Иркутск, 2005);

— на Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» (Иркутск: ИрГТУ, 2005) — на Всероссийской конференции «Энергетика России в XXI веке: развитие, функционирование, управление» (Иркутск: ИСЭМ, 2005);

— на XXXVI конференции-конкурсе научной молодежи ИСЭМ СО РАН (Иркутск, 2006);

— на Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» (Иркутск: ИрГТУ, 2006).

Структура и объем работы:

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем составляет 130 стр.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведенные в рамках диссертации исследования позволяют получить следующие основные результаты:

1. Сформулирована задача согласованной оптимизации конструктивных и режимных параметров энергоблока угольной паротурбинной мини-ТЭЦ по критерию минимума суммарной стоимости тепловой и электрической энергий при заданной норме возврата капиталовложений с учетом переменного характера тепловых и электрических нагрузок в течение расчетного периода.

2. Разработана методика согласованной оптимизации конструктивных характеристик и режимов работы энергоблока мини-ТЭЦ, основанная на использовании линеаризации зависимостей выходных параметров модели поверочного расчета от входных параметров этой же модели.

3. Создана комплексная математическая модель энергоблока угольной паротурбинной мини-ТЭЦ, позволяющая проводить конструкторский (для режима с максимальными нагрузками) и серию поверочных (для остальных режимов) расчетов.

4. На основе разработанных методики оптимизации и комплексной математической модели проведены технико-экономические исследования энергоблока угольной паротурбинной мини-ТЭЦ, осуществляющей автономное энергоснабжение горно-обогатительного предприятия, по критериям минимума суммарной стоимости тепловой и электрической энергий, минимума годового расхода топлива, минимума капиталовложений. Получена оптимальная зависимость минимальных капиталовложений от годового расхода топлива. Для оценки влияния соотношения тепловой и электрической нагрузки на технико-экономические показатели энергоблока проведен оптимизационный расчет с увеличенной тепловой нагрузкой при неизменной электрической. Проведено сопоставление энергетической и экономической эффективности энергоблоков с оптимизированными и «стандартными» параметрами.

5. Методика оптимизации и математические модели, разработанные в диссертации, могут использоваться при разработке оборудования энергоблоков для угольных мини-ТЭЦ, а также при выполнении проектов конкретных мини-ТЭЦ.