Повышение эффективности и экологичности ТЭС, работающих на твердых низкореакционных топливах, при переменных режимах

В двадцатом веке человечество в своих интересах освоило эффективный источник энергии — электроэнергию, привыкло к нему и, вероятно, не сможет отказаться от его использования в будущем. В течение всего столетия шло интенсивное наращивание мощностей для производства и активного потребления электроэнергии. К 70.80 годам появились первые признаки тревоги за экологическую безопасность жизни на нашей планете, в которую немалый вклад, к сожалению, внесла и энергетика. К концу ХХ-го века и началу нового тысячелетия возникли опасения не только по поводу загрязнения окружающей среды, но и быстрого исчерпания запасов таких высококалорийных и удобных для использования топлив, как нефть и природный газ. В связи с этим были созданы международные организации, координирующие дальнейшее развитие энергетики, как основного потребителя топлива. Уже в 92−95 годах Мировой энергетический совет (МИРЭС) отмечал в своих решениях, что мировых запасов угля хватит на 200−250 лет, а по нефти и газу трудности могут появиться уже к 2020 году. И хотя в решениях 17-го конгресса МИРЭС (сентябрь 1998 г.) нет столь категоричного вывода, тревога по поводу исчерпания запасов этих видов топлива остается. В настоящее время у специалистов, занимающихся энергетикой, выработано мнение, что: в будущем ядерное топливо и уголь являются двумя наиболее доступными источниками энергии в значительных количествахобеспечение требуемых энергетических услуг для растущего населения планеты должно осуществляться без последствий для окружающей среды и с наибольшей эффективностью. Это доказывает, что на пороге следующего тысячелетия человечество столкнулось с необходимостью создания новых, экологически чистых, высокоэффективных технологий производства электроэнергии.

Энергетика не может аккумулировать энергию и тепло для дальнейшего использования в удобное для потребителя время. Электроэнергетика вынуждена работать в тесной системной связи с потребителем, который полностью диктует свои условия потребления нагрузки. Суточные графики электропотребления имеют неравномерный характер с пиками увеличения нагрузок в вечерние и утренние часы. Причем, как показывает опыт эксплуатации, со временем неравномерность суточных графиков нагрузок возрастает.

В период становления современной энергетики (50.60 года) структура ее закладывалась по принципу: базовая нагрузка должна производиться на тепловых (угольных) и атомных электростанцияхполупиковая — на газомазутных тепловых электростанциях и пиковая — на гидроэлектростанциях. Несмотря на большую металлоемкость оборудования и большие капиталовложения на сооружение энергоагрегатов, к концу двадцатого века появилось понимание того, что в энергетике должна произойти реструктуризация производства электроэнергии. Характер изменений в энергетике определяется необходимостью иметь наименьшую себестоимость и наибольшие экологическую чистоту, и маневренность производства электроэнергии. Исходя из этого, экономически развитые страны постепенно переходят на другую структуру энергопроизводства. Базовую нагрузку предполагается вырабатывать на атомных электростанциях (АЭС). К полупиковой нагрузке все чаще привлекаются не только газомазутные энергоблоки, но и мощные угольные тепловые электростанции (ТЭС) — к пиковой — газотурбинные установки (ГТУ) и гидравлические электростанции (ГЭС). Наиболее сбалансированным производством электроэнергии сейчас считается выработка ее на ТЭС -60.70%- на АЭС — 15.30% и ГЭС — 10.20%. Такую структуру распределения выработки электроэнергии имеют многие развитые страны: Россия, США, Германия, Япония и др. Однако это не исключает и другие варианты целесообразного использования структурных оптимальных решений и технологий по производству электроэнергии для некоторых стран и регионов. Например, Канада, Бразилия и Парагвай 60.99% электроэнергии вырабатывает на ГЭС. В Литве более 70% энергии производится на АЭС. Ярким примером реструктуризации энергетики за последние десятилетия является Франция. Если в начале 70-х годов во Франции вырабатывалось 65% электроэнергии на ТЭС, 27% на ГЭС и только 8% на АЭС, то в начале 90-х годов она становится крупнейшим экспортером базовой электроэнергии: более 70% ее во Франции вырабатывается на АЭС.

Тепловые электростанции, использующие для сжигания в котлах твердое топливо, работают в условиях, с одной стороны, ухудшения качества топлива, поставляемого на ТЭС, с другой — постоянного изменения нагрузки электропотребления. Если в 60-е годы ХХ-го века, когда создавалось большинство угольных ТЭС южного региона (в то время еще СССР), для Новочеркасской ГРЭС такое топливо как АШ в проекте характеризовалось калорийностью 24,3 МДж/кг (5800 ккал/кг), то в 90-х годах электростанция уже получала уголь с теплотой сгорания в пределах 18. 19,3 МДж/кг (4300.4600 ккал/кг).

В настоящее время регулирование нагрузки на угольных ТЭС, в основном, осуществляется сезонными остановами и пусками энергоблоков. Однако и работающее энергооборудование в той или иной мере участвует в регулировании нагрузки. Как правило, котлы угольных энергоблоков ТЭС выполняются двухкорпусными. Изменение нагрузки на одном корпусе котлоаг-регата допускается всего на 25% (от 100% до 75%) номинальной нагрузки. Поэтому при вынужденной эксплуатации на сниженных нагрузках энергоблоки ТЭС переводят на работу с одним корпусом котла, что дает возможность нести энергоагрегату половинную нагрузку, изменяя ее на допустимые 25%. Таким образом, не редкость, когда Новочеркасская ГРЭС при установленной мощности 2400 МВт и отпускной мощности с шин примерно в 500.600 МВт несет эту нагрузку тремя — четырьмя энергоблоками по 150 МВт. При этом большинство энергоблоков с номинальной мощность в 300 МВт работают на одном корпусе котельного агрегата, имея другой корпус в резерве (иногда в горячем), с тем, чтобы при подъеме нагрузки иметь возможность быстро повышать мощность энергоблоков. Следовательно, опыт эксплуатации Новочеркасской ГРЭС показывает, что энергоблоки, работающие на твердом топливе, в последнее время привлекаются к регулированию нагрузки электропотребления и, что они должны приспосабливаться к маневренным, переменным режимам.

Под маневренностью энергооборудования ТЭС понимается способность электростанций или отдельных энергоблоков обеспечить в минимальное время переход к новому уровню нагрузки и эффективно работать в переменных, нестационарных и даже аварийных режимах. В свою очередь, переменными режимами называется работа энергооборудования на неноминальных, но стационарных нагрузках. Маневренность энергооборудования определяется: интервалом допустимых нагрузок, которые энергоблок может надежно и экономично нести длительное времямобильностью, характеризующейся быстротой пуско — остановочных процессов, а также реализацией своего вращающегося резерваприемистостью энергооборудования, т. е. способностью быстро изменять нагрузку, участвуя в регулировании мощности, частоты и в ликвидации аварийных ситуаций энергосистемспособностью энергоагрегатов к кратковременным перегрузкам и выдаче дополнительной пиковой мощности.

Целью работы является разработка способов и методов оптимизации переменных режимов работы основного оборудования ТЭС, сжигающих в своих котлах твердое низкореакционное топливо, а также мероприятий по повышению эффективности и экологической чистоты работы теплоэнергетических установок ТЭС, использующих твердое низкореакционное топливо в условиях переменных графиков электропотребления.

В первой главе проведен анализ динамики суточных графиков нагрузок энергосистем Южного региона в течение года и за последнее десятилетие. Определены условия, влияющие на формирование суточных графиков нагрузок, и оптимизации процессов регулирования мощности с учетом динамических характеристик энергооборудования при переменных режимах его работы.

Вторая глава посвящена проблемам сжигания твердого низкореакционного топлива при традиционном способе сжигания тонкодисперсной пыли в камерной топке котла. Даны предложения по повышению эффективности переменных режимов работы котла, использующих эти топлива.

В третьей главе рассмотрены экологические аспекты использования твердых высокозольных, низкореакционных топлив в котлах, а также технологическая целесообразность и возможность переработки золошлаковых отходов ТЭС. Исследована возможность применения экологически чистого котла с высокотемпературной аэрошлаковой газификацией топлива в стационарных и переменных режимах.

В четвертой главе приведен аналитические и экспериментальные исследования объемного сжигания генераторного газа в физической модели котла с камерой газификации в аэрошлаковом расплаве.

В пятой главе предложена схема и разработана на уровне технического задания к проектированию установки предвключенного низкотемпературного газификатора в кипящем слое. Проведены исследования физико-химических процессов газификации низкореакционного топлива типа АШ методом математического моделирования основных реакций окисления топлива с определением тепловой эффективности этой установки.

В шестой главе исследованы процессы, возникающие в пароводяном тракте котла при переменных режимах. Показано влияние аккумуляции тепла в пароводяном пространстве на колебания температуры перегретого пара барабанного и прямоточного котла. Даны предложения по определению перерасходов твердого топлива в котлах использующих твердые топлива.

Основная часть материалов диссертации была опубликована и докладывалась на Всероссийских и международных конференциях и симпозиумах. Имеется патент на способ слоевой газификации твердого низкореакционного.

11 топлива в предвключенном к котлу низкотемпературном газификаторе. Поданы заявки и имеются положительные решения на выдачу патентов по предвключенному низкотемпературному газогенератору и по способу ступенчатой газификации и сжигания твердого топлива в аэрошлаковом расплаве. Отдельные разделы диссертации выполнялись в рамках НИИ «Экологические проблемы энергетики» (ген. директор, д.т.н., проф. Мадоян A.A.) в соответствии с федерально-целевой научно-технической программой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения», подпрограмма «Экологически чистая энергетика» и направление «топливо и энергетика» (приказы Миннауки РФ от 24.02.92 г. № 1079 и от 15.09.98 г. № 165) — по госбюджетным программам и планам ЮРГТУ (НИИ) — по региональным и отраслевым НИР в области энергетикипо хоздоговорам с энергетическими предприятиями.

6.7. Выводы к главе.

Таким образом, по шестой главе можно сделать следующие выводы.

1. Как показывают результаты проведенных исследований скорость изменения тепла аккумулируемого в объёме теплообменника определяется при переходных процессах внешними возмущающими факторами, учитываемыми тепловым балансом подогревателя.

2. Для переменных режимов немаловажное значение имеют внутренние объемы рабочих сред теплообменника, так как с их увеличением уменьшаются скорости изменения температур {(М^йт).

3. При переходных режимах процесс изменения аккумулируемого тепла в паровом объёме пароперегревателя протекает более сложно, чем в газовом, поскольку скорость изменения температуры (¿-/¿-&bdquo-/¿-/т) в различных его ступенях может иметь как положительные, так и отрицательные значения, что способствует развитию колебательного процесса изменения температур пара на выходе из котла.

4. При переменных режимах, несмотря на то, что в общем изменения тепловых потоков имеют апериодический характер, в пароперегревателях прямоточных котлов также возможно появление неконтролируемых колебаний температуры, как и в барабанном. Однако эти колебания проявляются в меньшей степени в связи с увеличением положительной части параметра, А по сравнению с барабанными котлами.

5. Вспомогательный параметр А, учитывающий аккумулирующие способности теплообменника и определяемый термодинамическими свойствами воды и пара, можно использовать для анализа колебательных процессов в пароперегревателях при переменных режимах работы котлов.

Паротурбинные установки, особенно на твердом низкореакционном.

6. топливе, в связи с большими затратами на аккумуляцию тепла при переменных режимах не могут обеспечить требуемую скорость регулирования на.

265 грузки. При изменении режима работы они непроизводительно в десятки и сотни раз больше расходуют топливо, чем, например, газотурбинные установки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Общим итогом выполненной диссертационной работы является научно обоснованное решение комплексной проблемы повышения эффективности и экологической чистоты функционирования оборудования ТЭС, работающих на твердых низкореакционных топливах в переменных режимах. При решении этой проблемы автором получены следующие результаты.

1. Проведенный анализ характера изменения нагрузок энергосистем в течение суток, сезона и года позволил установить закономерности таких изменений и предложить коэффициенты, учитывающие продолжительность светлого времени суток и температуры воздуха в регионе, а также условия потребления и производства электроэнергии, что позволяет прогнозировать трансформацию суточных графиков нагрузок электропотребления и оценивать возможность участия ТЭС (в том числе, сжигающих твердые низкореакционные топлива) в покрытии полупиковых и пиковых нагрузок.

2. Сформулирована и решена задача оптимизации регулирования нагрузки для ТЭС, работающих на твердых низкореакционных топливах, и повышения эффективности функционирования энергооборудования при пиковом и полупиковом режимах работы энергосистем с учетом существующей не идентичности суточных графиков нагрузки в летний и зимний периоды (скорость изменения которых колеблется от 5.10 до 10.15 МВт/мин соответственно в указанные периоды), а также высокой неравномерности (до 30.50%) суточных графиков электропотребления, особенно, зимой.

3. На основе результатов проведенных исследований процессов горения твердого низкореакционного топлива в топке котла при переменных режимах определены условия, обеспечивающие наиболее полное сгорание частицы топлива.

4. Показано, что требования обеспечения высоких экологоэкономиче-ских показателей энергопроизводства с учетом повышения маневренности в условиях неравномерности суточного электропроизводства на ТЭС, работающих на низкосортных твердых топливах, могут быть удовлетворены при превращении тепловой электростанции в многопрофильное предприятие с газификацией твердого топлива и эффективной утилизацией золошлаковых отходов.

5. Определены закономерности объемного сжигания генераторного газа применительно к физической модели котла с высокотемпературной газификацией твердого топлива в аэрошлаковом расплаве. Доказано, что на таких котлах оптимальное выгорание генераторного газа регулируется подачей направленных струй воздуха поворотными соплами второго и третьего ярусов с учетом брызгоуноса из камеры газификатора.

6. Предложен способ эффективного использования твердого низкореакционного топлива, отличающийся установкой предвключенного слоевого газификатора, в котором 10.50% топлива, поступающего в топку котла, газифицируется при температурах 900. 1200 °C и затем генераторный газ с теплотой сгорания 4,0. .5,5 МДж/м направляется в основные горелки, предварительно смешиваясь с остальной частью топлива. Этот способ позволяет существенно повысить эффективность и экологичность сжигания твердого низкореакционного топлива без подсветки мазутом или природным газом, как при номинальных, так и переменных режимах работы котла.

7. Разработана конструкция и схема подключения к основным горелкам предвключенного низкотемпературного газификатора производительностью до 5,0 т/ч угля, состоящего из двух цилиндрических корпусов встроенных один в другой, что позволяет решить проблему температурных расширений металла внутреннего корпуса относительно внешнего и подогрева воздуха, поступающего на газификацию. Как показывают исследования математической модели физико-химических процессов низкотемпературной газификации топлива АШ, проведенной в диссертационной работе, регулирование температуры газификации осуществляется впрыском водяного пара в слой топлива в количестве 10. .20%.

8. Разработан новый метод расчета теплового баланса теплообменника при переменных режимах с учетом изменения аккумуляции теплоты, позволяющий определить закономерность появления неконтролируемых колебаний температуры перегретого пара в пароперегревателях с амплитудой 40.100 °С при изменении нагрузки барабанного или прямоточного котла, а также оценить снижение интенсивности неконтролируемых колебаний температуры перегретого пара при регулировании нагрузки энергоблока скользящими параметрами.

9. Разработан метод определения оптимальных соотношений «топливо-воздух-влага» на основе математического моделирования кинетики физико-химических процессов низкотемпературной газификации в кипящем слое при заданном составе топлива, коэффициентов скорости основных химических реакций и температуре газификации.

10. Результаты диссертационной работы внедрены на ряде электростанций, в том числе:

— в опытно-промышленной установке газификации твердого топлива в аэрошлаковом расплаве, монтируемой на Экспериментальной ТЭС (Не-светай ГРЭС) — метод расчета аэродинамики топки котла;

— на Углегорской ГРЭС (Украина), Новочеркасской ГРЭС и др. — метод оптимизации регулирования нагрузки;

— на Новочеркасском керамическом заводе — использование твердых отходов ТЭС для производства вторичного сырья (шлакощебня).

11. Теоретические разработки автора нашли свое отражение в разделах курсов лекций и методических указаниях и пособиях по дисциплинам «Режимы работы оборудования ТЭС», «Природоохранные технологии на ТЭС», «Методы оптимизации в расчетах на ЭВМ» и др.