Эффективность пылеугольных ТЭЦ с новыми малоинвестиционными экологообеспечивающими технологиями

Создание и внедрение новых технологий сжигания угля на электростанциях является чрезвычайно актуальной задачей. Это обусловлено низкими экологическими характеристиками традиционных технологий использования твердых горючих ископаемыхотсутствием для нужд энергетики удобного в эксплуатации и часто обладающего лучшими экологическими параметрами при сжигании природного газанеобходимостью снижения расходов мазута на подсветку при сжигании твердых топливнеобходимостью более широкого вовлечения в энергобаланс доли углей с ухудшенными характеристиками без снижения надежности энергоснабженияухудшением качественного состава ряда марок углей, поставляемых на электростанции, при снижении надежности их сжигания.

С другой стороны, в современных условиях хозяйствования новые технологии должны отличаться малыми затратами на внедрение и освоение, что во многом ограничивает возможности их создания. При этом вопросы, связанные с улучшением экологических характеристик действующего оборудования, главным образом — котельного, требуют внедрения технологий, удовлетворяющих условиям модернизации и обеспечивающих снижение выбросов вредных веществ до требуемого уровня. Это особенно актуально для ТЭЦ, расположе-ных в крупных промышленных центрах и вынужденных работать в районах с повышенными фоновыми загрязнениями, которые создаются, в том числе и промышленной и транспортной инфраструктурой городов.

В то же время работа современного энергоблока не может рассматриваться без учета большого числа системных факторов, которые условно можно разделить на две большие группы:

— инфраструктурные факторы (создание и поддержание в эксплуатационно-пригодном состоянии производственной инфраструктуры, обеспечивающей работу энергоблокасоциальной и экологической инфраструктуры, удовлетворяющей санитарным нормам, и при необходимости — ее восстановление и др.);

— факторы, учитывающие включение энергоблока в единую энергосистему (готовность к несению нагрузкирезервирование установленной мощностизаполнение графика нагрузки и соответственно вытеснение базовых или пиковых мощностейвозможности работы на переменных режимах и др.).

Следует учитывать также и то, что изменение условий сжигания топлива с целью снижения вредных выбросов и получения лучших экологических показателей может не только изменить конструкцию котлоагрегата, но и повлиять на оптимальные с технико-экономической точки зрения параметры термодинамического цикла. В последнем случае может измениться оптимальный профиль энергоблока.

При таком системном исследовании энергоблоков с новыми технологиями их перспективность будет определяться не только и не столько экологическими требованиями, но в том числе и комплексным влиянием большого количества влияющих факторов и всеми видами системных ограничений.

В настоящей работе представлены результаты системных исследований технологии сжигания твердого топлива в вихревой топке и технологии сжигания твердого топлива с применением плазменной подсветки основного факела в сравнении с традиционной технологией сжигания угля. Предложенные технологии позволяют снизить выбросы вредных веществ, главным образом окислов азота, являются малозатратными и, что особенно важно, пригодными к использованию на действующем в настоящее время энергооборудовании в рамках его реконструкции.

Кроме того, рассмотрена технология эмульгаторной золоочистки [18].

Исследования проведены с целью выработки рекомендаций к практическому применению предложенных технологий.

Цель работы: определение эффективности ТЭЦ с новыми малоинвестиционными экологообеспечивающими технологиями.

Основные задачи исследования:

1. Разработка методики технико-экономических расчетов и оптимизации функционирования ТЭЦ с новыми малоинвестиционными экологообеспечивающими технологиями при комплексном учете обеспечения графиков нагрузки, заданной надежности энергоснабжения, возможных режимов работы в энергосистеме и современных требований к инфраструктуре (экологической, социальной, производственной) при неопределенности исходной информации.

2. Проведение экспериментов и обобщение результатов экспериментальных исследований новых экологообеспечивающих опытно-промышленных установок в составе ТЭЦ по энергоносителям, термодинамическим и расходным параметрам, эмиссии вредных веществ, конструктивно-компоновочными параметрам.

3. Комплексная вероятностная оптимизация функционирования ТЭЦ с новыми технологиями с целью получения рекомендаций по выбору параметров и характеристик энергооборудования.

4. Определение вероятностной технико-экономической эффективности и оптимального профиля ТЭЦ с новыми экологообеспечивающими технологиями и оценка рациональных областей их применения.

Методы исследования: методология системных исследований в энергетике, математическое и компьютерное моделирование ТЭЦ с новыми экологообеспечивающими технологиями в реальных условиях их функционирования, методы экономико-эксергетического анализа теплоэнергетических электростанций и систем в условиях неопределенности исходной информации.

Научная новизна работы.

Разработана методика технико-экономических расчетов и оптимизации функционирования ТЭЦ с новыми экологообеспечивающими технологиями при комплексном учете обеспечения графиков нагрузки, заданной надежности энергоснабжения, возможных режимов работы в энергосистеме и современных требований к инфраструктуре (экологической, социальной, производственной) при неопределенности исходной информации.

Проведены эксперименты и впервые обобщены с позиции информационного обеспечения системного анализа результаты экспериментальных исследований опытно-промышленных установок плазменной подсветки, вихревой топки, эмульгаторной золоочистки по энергоносителям, термодинамическим, расходным, экологическим и конструктивно-компоновочным параметрам.

Впервые выполнена комплексная оптимизация этих технологий в составе теплофикационных энергоблоков и на ее основе выявлены основные закономерности влияния системных факторов на оптимальные характеристики энергооборудования, профиль энергоблока и его технико-экономическую эффективность в условиях, обеспечения графиков нагрузок, надежности ТЭЦ и энергоснабжения при экологических и финансовых ограничениях.

На основе полученных в результате вероятностных оптимизационных расчетов закономерностей по выбору параметров, характеристик энергооборудования и технико-экономической эффективности определены рациональные области применения новых малоинвестиционных экологообеспечивающих технологий в составе ТЭЦ.

Практическая значимость.

Результаты системных исследований ТЭЦ с новыми малоинвестиционными экологообеспечивающими технологиями комплексно определяют:

— взаимосвязь технологических, режимных, экономических, надежностных, экологических и инфраструктурных факторов при производстве и отпуске электрои теплоэнергии в реальных условиях работы теплофикационных энергоблоков в энергосистеме;

— научно-методическую основу формирования исходной информации по определению рациональных путей создания и совершенствования эколого-обеспечивающих технологий в составе теплофикационных энергоблоков.

Получены оптимальные характеристики энергооборудования ТЭЦ с технологиями плазменной подсветки, вихревой топкой и эмульгаторной золоочи-сткой. Определены рациональные области их применения. Показана перспективность плазменной подсветки как для вновь проектируемых теплофикационных энергоблоков, так и для действующих в рамках их реконструкции.

Разработана новая конструкция и получено авторское свидетельство го-релочного устройства с плазменным поджигом топлива.

Получены и обобщены с позиций информационного обеспечения системного анализа результаты экспериментальных исследований опытно-промышленных установок плазменной подсветки, вихревой топки, эмульгаторной золоочистки.

Достоверность результатов и выводов работы обоснована использованием методологии системных исследований в энергетике, фундаментальных закономерностей технической термодинамики, теплопередачи, теории надежности и эксергетического подхода. Математические модели и компьютерное моделирование функционирования ТЭЦ с новыми экологообеспечивающими технологиями базируется на методах, апробированных и хорошо себя зарекомендовавших на решении ряда других задач подобного класса. Проведено сравнение параметров теплофикационных энергоблоков при имитационном моделировании с реальными параметрами.

Внедрение результатов.

Результаты работы внедрены в проектной организации ОАО «Теплоэлек-тропроект» на стадии технико-экономического обоснования проекта реконструкции НТЭЦ-2, НТЭЦ-3, на Новосибирских ТЭЦ-2, ТЭЦ-3, ТЭЦ-4 на стадии создания и экспериментального исследования опытно-промышленных установок. Результаты исследований получили практическую реализацию в НГТУ: в Проблемной лаборатории теплоэнергетики и в учебном процессе — при дипломном проектировании (по специальностям 500 900 — теплоэнергетика и 1005 — тепловые электрические станции).

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на семинаре проблемной лаборатории теплоэнергетики НГТУ (Новосибирск, 1999 г.), на Всесоюзных конференциях: «Горение органического топлива» (Новосибирск, 1984 г.), «Теплообмен в парогенераторах» (Новосибирск, 1988 г.), на региональном семинаре «Новые технологии и научные разработки в энергетике» (Новосибирск, 1994 г.), на международном семинаре «Новая техника и технологии в теплоэнергетике» (Новосибирск — Гусиноозерск, 1995 г.).

Публикации.

Основные положения и результаты работы опубликованы в десяти печатных изданиях.

Основное содержание работы.

В первой главе изложены технико-экономические проблемы применения на угольных ТЭЦ новых малоинвестиционных экологообеспечивающих технологий. Приводятся общие сведения и направления развития технологий. Обсуждается и анализируется готовность их к использованию в составе ТЭЦ. В этой связи обозначились такие новые котельные технологии как сжигание измельченного угля в вихревой топке, плазменный розжиг и подсветка, эмульгаторная золоочистка дымовых газов. На основании проведенного анализа сформулированы цели и задачи исследования.

Во второй главе изложена методика исследования угольных ТЭЦ с новыми малоинвестиционными экологообеспечивающими технологиями. Используется механизм коммерческой оцени эффективности, в основе которого лежит оптимизационная балансовая модель функционирования энергоблока с применением имитационной модели финансирования капиталовложений в исследуемую технологию.

В общем случае критерием эффективности (функцией цели) функционирования энергоблока ТЭЦ является отношение полученных от продаж за отпущенную энергопродукцию сумм к полным затратам за тот же период.

В работе путем аналитических зависимостей определены все затратные составляющие критерия технико-экономический эффективности, которые полностью определяются значениями термодинамических, расходных и конструктивно-компоновочных параметров, параметров вида технологической схемы энергоблока, а также значениями системных влияющих факторов.

В условиях неопределенности исходной информации критерий оптимизации представлен в вероятностном виде, в котором учитывается как его математическое ожидание, так и дисперсия.

При исследовании ТЭЦ используются математические подходы системного анализа. Развивая эти подходы к оценке эффективности экологообеспечи-вающих технологий в составе ТЭЦ, формируются основополагающие принципы методики исследования таких технологий.

Энергоблок рассматривается в виде структурной схемы функционирующих частей. Детализация структурной схемы определяется глубиной системных исследований. Малоинвестиционные экологообеспечивающие технологии при исследовании могут быть включены, например, в парогенерирующую часть к. структурной схемы. Каждая функционирующая часть рассматривается как преобразователь энергии (многомерный технологический оператор). Такой подход позволяет использовать единообразные математические приемы имитационного компьютерного моделирования функционирования ТЭЦ. Расчет частей производится последовательно и итерационно. В процессе расчета последовательно суммируются затраты рассчитанных функционирующих частей. При моделировании удобно полагать, что насчитанные таким образом затраты относятся к энергии, производимой рассматриваемой функционирующей частью. Таким образом, энергии, производимой каждой частью, ставятся в соответствие затраты, включающие в себя не только затраты собственно функционирующей части, но и — переносимые с подводимой энергией.

Экономико-энергетические связи структурной схемы описываются с использованием функции Лагранжа, минимизация которой позволяет определить множители Лагранжа, характеризующие удельные затраты на отпускаемую электрои теплоэнергию.

Разработанная методика реализована в вычислительном компьютерном комплексе, имитирующем работу теплофикационных энергоблоков ТЭЦ с новыми малоинвестиционными экологообеспечивающими технологиями.

Третья глава посвящена системным исследованиям. Исследование проведено для энергоблоков ТЭЦ стандартных типоразмеров в диапазоне мощностей от 50 до 250 МВт (турбины ПТ-50, ПТ-80, Т-110, ПТ-135, Т-175, Т-180, Т-250). За цену отпущенной электрои теплоэнергии приняты осредненные значения тарифов для всех групп потребителей.

При определении доверительного интервала (дисперсии) реультатов расчетов учитывался только вероятностный перерасход затрат на создание и освоение энергоблока с новой технологией.

Выполнена комплексная вероятностная оптимизация функционирования ТЭЦ с новыми технологиями с целью получения рекомендаций по выбору параметров и характеристик энергооборудования. Определены вероятностная технико-экономическая эффективность и оптимальный профиль ТЭЦ с новыми экологообеспечивающими технологиями и рациональные области их применения.

Показано, что применение мощных теплофикационных энергоблоков (180.250 МВт) целесообразно и экономически оправдано для избыточных систем и при обеспечении коэффициента готовности энергоблоков не менее 0,95.

Технология сжигания твердого топлива в вихревой топке эффективна для систем практически любой мощности при условии, что фоновые концентрации вредных веществ в районе функционирования не должны превышать 0,6 ПДК.

Для эффективного использования технологии сжигания твердого топлива в вихревой топке единичная мощность энергоблока должна быть на уровне 250.300 МВт и выше.

Технология плазменного розжига и подсветки пылеугольного факела конкурентоспособна с традиционным сжиганием во всем рассмотренном диапазоне мощности теплофикационных энергоблоков стандартных типоразмеров (50.250 МВт).

Технология плазменного розжига и подсветки пылеугольного факела к. пригодна к использованию в энергосистемах практически любой мощности. В условиях изменений экологических факторов эффективность работы теплофикационных блоков практически не меняется, что говорит об устойчивости и комплексной сбалансированности оптимальных решений для технологии плазменного розжига и подсветки пылеугольного факела.

Технология эмульгаторной золоочистки для теплофикационных энергоблоков неэффективна во всем рассматриваемом диапазоне мощностей, так как матожидание функции цели на 6. 11% ниже, чем у традиционной технологии.

Целесообразность использования технологии эмульгаторной золоочистки следует рассматривать с одновременным применением дополнительных систем подавления вредных выбросов.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям технологий, выработке практических рекомендаций и обобщению данных для системного анализа.

Исследования опытно-промышленной технологии вихревой топки в составе котла ТПЕ-427 НТЭЦ-3 выполнялись на переменных режимах при сжигании смеси назаровского и ирша-бородинского углей. Отработка технологических решений и технологии плазменного розжига и стабилизации горения пы-леугольной аэросмеси проводилась на опытно-промышленном стенде в составе котла ТП-170НТЭЦ-2.

Работа эмульгаторов исследовалась на котле ТП-81 НТЭЦ-4 при сжигании кузнецких углей.

Обобщены результаты экспериментальных исследований по энергоносителям, термодинамическим и расходным параметрам, эмиссии вредных веществ, конструктивно-компоновочным параметрам.

Заключение

содержит выводы и рекомендации.

Список литературы

включает 111 наименований, в том числе 20 иностранных и 10 публикаций автора.

В приложении приводятся акты о внедрении и использовании результатов работы.

4.4. Выводы.

Проведены эксперименты и обобщены результаты экспериментальных исследований новых экологообеспечивающих опытно-промышленных установок в составе ТЭЦ по энергоносителям, термодинамическим и расходным параметрам, эмиссии вредных веществ, конструктивно-компоновочным параметрам.

Выполненные исследования позволили установить системные эффекты технологий.

Заключение

.

Разработана методика технико-экономических расчетов и оптимизации функционирования пылеугольных ТЭЦ с новыми малоинвестиционными эко-логообеспечивающими технологиями при комплексном учете обеспечения графиков нагрузки, заданной надежности энергоснабжения, возможных режимов работы в энергосистеме и современных требований к инфраструктуре (экологической, социальной, производственной) при неопределенности исходной информации.

Впервые выполнена комплексная вероятностная оптимизация функционирования ТЭЦ с новыми технологиями с целью получения рекомендаций по выбору параметров и характеристик энергооборудования. Определены вероятностная технико-экономическая эффективность и оптимальный профиль ТЭЦ с новыми экологообеспечивающими технологиями и рациональные области их применения.

Целесообразно и экономически оправдано применение мощных теплофикационных энергоблоков (180.250 МВт) для избыточных систем и при обеспечении коэффициента готовности энергоблоков не менее 0,95.

Технология сжигания твердого топлива в вихревой топке эффективна для систем практически любой мощности при условии, что фоновые концентрации вредных веществ в районе функционирования не будут превышать 0,6 ПДК.

Для эффективного использования технологии сжигания твердого топлива в вихревой топке единичная мощность энергоблока должна быть на уровне 250.300 МВт и выше.

Технология с плазменным розжигом и подсветкой пылеугольного факела конкурентоспособна с традиционным сжиганием топлива во всем рассматриваемом диапазоне мощности теплофикационных энергоблоков стандартных типоразмеров (50. .250 МВт).

Технология с плазменным розжигом и подсветкой пылеугольного факела пригодна к использованию в энергосистемах практически любой мощности.

В условиях изменений экологических факторов эффективность работы теплофикационных энергоблоков практически не меняется, что говорит об устойчивости и комплексной сбалансированности оптимальных решений для технологии плазменного розжига и подсветки пылеугольного факела.

Технология эмульгаторной золоочистки для теплофикационных энергоблоков неэффективна во всем рассматриваемом диапазоне мощностей, так как матожидание функции цели на 6. 11% ниже, чем традиционной технологии.

В связи с низким коэффициентом готовности и недостаточной комплексной сбалансированностью оптимальных решений, оптимальная температура острого пара для энергоблока с эмульгаторной технологией находится на уровне 590.600 °С, что ведет к увеличению капиталовложений в оборудование. В то же время в условиях изменяющихся фоновых загрязнений оптимальные температуры острого пара и питательной воды для энергоблока с эмульгаторной технологией неустойчивы, что ограничивает возможности ее применения.

Целесообразность использования технологии эмульгаторной золоочистки следует рассматривать с одновременным применением дополнительных систем подавления вредных выбросов.

Проведены эксперименты и впервые обобщены с позиций информационного обеспечения системного анализа результаты экспериментальных исследований новых экологообеспечивающих опытно-промышленных установок в составе ТЭЦ по энергоносителям, термодинамическим и расходным параметрам, эмиссии вредных веществ, конструктивно-компоновочным параметрам.

Совокупность полученных результатов составляет научную основу системных исследований пылеугольных ТЭЦ с новыми малоинвестиционными экологообеспечивающими технологиями.