Ефективність парогазових установок при використанні різних видів палива

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеському національному політехнічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор МАЗУРЕНКО Антон Станіславович, Одеський національний політехнічний університет, МОН України завідувач кафедри теплових електричних станцій та енергозберігаючих технологій.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, чл.-кор. НАН України, ШУБЕНКО Олександр Леонідович, Інститут проблем машинобудування ім. А.М.Підгорного НАН України, зав.відділом оптимізації процесів і конструкцій турбомашин

кандидат технічних наук, професор ШЕЛЄПОВ Ігор Григорович Українська інженерно педагогічна академія, МОН України, професор кафедри теплоенергетичних установок ТЕС та АЕС

Захист відбудеться «01» липня 2010 р. о 16.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.41.052.04 в Одеському національному політехнічному університеті за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1, ауд.22-ттл.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Одеського національного політехнічного університету: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1.

Автореферат розісланий: «28» травня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради А.Є. Денисова

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Основним напрямком державної політики України в галузі енергетики є і розвиток галузевої енергетичної науки, прискорення реконструкції існуючого енергоустаткування й будівництво нових ТЕС із застосуванням передових енерготехнологій з оптимальним використанням різних видів палива, в тому числі, вугілля, бо по мірі зменшення запасів органічного палива, в першу чергу газу, буде неухильно зростати різниця в ціні на газ і вугілля, запаси якого перевищують в декілька разів запаси нафти й газу. Результати досліджень, які містяться в дисертаційній роботі дозволять обирати оптимальні схемні рішення для крупних енергоблоків ТЕС з урахуванням основних параметрів їх функціонування та зміни цін на різні види палива.

Широко відомі наукові роботи професорів Мацевитого Ю.М., Мисака Й.С., Халатова А.А., Майстренка О.Ю., Шубенка О.Л., Шелєпова І.Г. та інш., які спрямовані на підвищення ефективності теплових електростанцій. Щодо розповсюдження результатів відомих робіт на вибір оптимальних теплових схем ТЕС в умовах динамічної зміни співвідношення цін на різні види палива, відомостей недостатньо. Особливо це стосується питань вибору схеми та структури енергоблоків ТЕС з урахуванням критерію цінової доцільності, який, в свою чергу, залежить від співвідношення цін на різні види палива.

Наукова задача дисертаційного дослідження складається у визначенні оптимальної структури та параметрів парогазових енергоблоків ТЕС при зміні співвідношення цін на різні типи органічного палива. В умовах ринкової зміни цін на різні види палива структура ПГУ повинна формуватись з урахуванням цих особливостей. Для рішення сформульованої задачі необхідно знайти науково-обґрунтовану структуру парогазових енергоблоків ТЕС за критерієм мінімальної ціни на паливну складову при високій термодинамічній ефективності.

Зв'язок роботи з науковими планами, програмами, темами. Основні теоретичні і практичні результати дисертаційної роботи відповідають «Енергетичній стратегії України на період до 2030 року» та одержані у відповідності зі статтею 7 Закону України “Про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки”, напрямок 6. “Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі”. Робота велась у відповідності з галузевою науково-технічною програмою Міністерства освіти і науки України за пріоритетним напрямком 38 - “Наукові проблеми енергозбереження шляхом діагностики, інтенсифікації технологій в енергетиці, промисловості і сільському господарстві при дотриманні екологічних вимог”, у межах держбюджетної НДР №563-41 (№ ДР 0107U001964) «Вдосконалення структури паливно-енергетичного балансу регіональної енергетики», 2006-2008 рр. та ряду господарсько-договірних робіт.

Робота виконувалась за планом роботи аспіранта по тематиці, яка є складовою частиною наукової тематики ОНПУ, яка відповідає Енергетичній стратегії України, затвердженої Кабінетом Міністрів України від 15 березня 2006 р. № 145-р.

Мета і задачі дослідження.

Основною метою є синтез та обґрунтування схемних й структурних рішень для оптимального використання парогазових енергоблоків теплових електростанцій, які базуються на теоретичних і технологічних засадах, здатних забезпечити високу ефективність в умовах ринкової зміни цін на різні види органічного палива для паливно-енергетичного комплексу України.

Досягнення поставленої мети забезпечується шляхом вирішення науково-технічного протиріччя, яке визначило завдання дослідження:

провести структурний синтез й аналіз різних схемних рішень енергоустановок на органічному паливі та визначити проблеми й шляхи їх оптимального використання в умовах динамічної зміни цін на різні види органічного палива;

виконати аналіз енергетичної ефективності теплових схем парогазових енергоблоків ТЕС різної конфігурації (при широкому діапазоні зміни співвідношення кількості палива що спалюється в паровому котлі до загальної витрати палива) й обґрунтувати доцільність їх використання в умовах динамічної зміни цін на різні види палива;

вдосконалити методику розрахунку ефективності енергоблоків ТЕС з урахуванням зміни цін на різні види палива;

– розробити математичну модель ГТУ, як з котлом-утилізатором, так і з можливістю додаткового спалювання палива, виконати числове моделювання, аналіз та оптимізацію параметрів щодо узгодження графіків електричного і теплового навантаження з потребами споживачів.

розробити рекомендації щодо структури крупних енергоблоків ТЕС при зміні цін на різні види палива.

Об'єкт дослідження. Об'єктом дослідження є структура парогазових енергоблоків ТЕС.

Предмет дослідження. Принципові теплові схеми парогазових енергоблоків ТЕС та їх ефективність в умовах зміни цін на різні види органічного палива.

Методи досліджень. Математичне моделювання структури принципових теплових схем парогазових енергоблоків ТЕС засобами комп'ютерних технологій. Достовірність отриманих наукових положень, висновків і рекомендацій заснована на сучасних засадах теплотехніки, на коректному використанні математичного апарату, і підтверджена тим, що отримані результати не суперечать висновкам відомих теорій термодинаміки.

Наукова новизна одержаних результатів.

Наукова новизна роботи міститься в отриманні результатів теоретичних досліджень, спрямованих на підвищення ефективності енергоблоків ТЕС в умовах зміни цін на різні види палива і визначається так:

– вперше обґрунтовано структурний підхід до синтезу й аналізу різних схемних рішень енергоблоків ТЕС за умов зміни цін на різні види органічного палива для більш ефективного їх функціонування та виконано зіставлення їх з точки зору ККД енергоустановки;

– вперше запропоновані характерні коефіцієнти та критерії, які дозволяють оцінити основні параметри та обрати оптимальну структуру схем енергоустановок ТЕС в умовах двох, різних за температурним рівнем, джерел підведення та відведення теплоти ;

– отримала подальший розвиток методика визначення ефективності різних за структурою теплових схем енергоустановок ТЕС за критерієм, що враховує співвідношення витрати газу та твердого палива й ціни на різні види органічного палива.

Практична значимість одержаних результатів.

Запропонована в дисертації методика синтезу та моделювання структури парогазових енергоблоків на основі аналізу ефективності принципових теплових схем ТЕС за критерієм, який враховує динаміку зміни цін на різні види органічне паливо дозволяє:

– визначати оптимальні схемні рішення побудування та впровадження крупних енергоблоків ТЕС для паливно-енергетичного комплексу України та інших країн в умовах зміни цін на різні види органічного палива;

- визначати оптимальні режими функціонування крупних енергоустановок ТЕС за критерієм максимальної економічності в умовах зміни цін на різні види органічного палива;

– визначати межі доцільного використання різних схем парогазових енергоустановок ТЕС;

– розширити можливості і підвищити надійність проектних рішень для паливно-енергетичного комплексу України.

Результати роботи були впроваджені на Молдавській ДРЕС стосовно ПГУ-250 (енергоблоки №11 та №12); на кафедрі ТЕС та ЕТ ОНПУ при виконанні науково-дослідних робіт, у межах відповідних державних і галузевих програм та в поточній діяльності науково-виробничої лабораторії “Енергозберігаючі технології” ОНПУ. Матеріали, які наведені в дисертації, використовуються в навчальному процесі в ОНПУ для дисциплін «Технічні системи та обладнання енергоустановок», «Режими роботи ТЕС», «Техніко-економічні основи проектування ТЕС», «ТЕС та АЕС», «Математичні методи моделювання теплових процесів на ТЕС», а також при курсовому і дипломному проектуванні.

Особистий внесок здобувача. Основні ідеї й положення дисертаційної роботи розроблені автором особисто. У дисертації узагальнені всі результати, які отримані при виконанні науково-дослідних робіт. Робота [1] написана самостійно. В роботах [2,3,4] автору належить методика синтезу структури парогазових енергоблоків ТЕС з оцінкою доцільності їх використання в умовах зміни цін на різні види органічного палива, числове моделювання параметрів ТЕС різної структури, опрацювання та аналіз результатів дослідження, розробка нових технічних рішень [5,6,7], а також рекомендації до практичного супроводження розробок.

Апробація результатів дисертації.

Основні результати дисертації доповідались та обговорювались на:

- на IХ Міжнародному форумі енергетиків GRE'2004 „Енергетичне господарство і устаткування” з доповіддю “Пути повышения эффективности оборудования энергоблоков ТЕС в рыночных условиях ”, м. Бєльсько-Бяла, Ополе (Польща), 7- 9 червня 2004 р.;

- на науково-практичному семінарі «Проблемы энергосбережения Украины и пути их решения», секція 2 «Проблемы совершенствования теплоэнергетического оборудования» з доповіддю “Оценка эффективности когенерационной ГТУ при изменении сооотношения производства теплоты и электроэнергии”, м. Харків, Україна, 26 квітня 2006 р.; - на ІІІ-ій виставці інноваційних технологій з доповіддю: «Повышение эффективности парогазових энергоблоков ТЭС в условиях изменения цен на топливо», м. Київ (Україна), 19-20 жовтня, 2006 р.; - на ХI-ому Міжнародному форумі енергетиків GRE'2008 „Енергетичне господарство і устаткування” з доповіддю «Моделювання структури крупних ТЕС в ринкових умовах», м. Бєльсько-Бяла Ополе (Польща), 12 - 14 червня 2008 р.;

- на науково-технічній конференції «Енергозберігаючі технології в теплоенергетиці - 2007» з доповіддю на тему: «Результати числового моделювання параметрів ТЕС в ринкових умовах», м. Одеса, 7 - 8 лютого 2008 р.

- на ХIII-ій міжнародній науково-технічній конференції ІПМаш НАНУ «Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования», секція 1, з доповіддю «Эффективность паротурбинных и парогазовых установки с учетом соотношения цен на различные виды топлива», Зміївска ГРЕС, с. Задонецьке, Харківська обл., Украина, 21-25 вересня 2009 р.

Публікації. За результатами роботи опубліковано 7 наукових праць, у тому числі 6 у фахових журналах, що входять до відповідного переліку ВАК України, з них 1 одноосібна.

Структура роботи: Робота складається із вступу, 4-х розділів, висновків, 3-х додатків та списку використаних джерел з 96 найменувань. Повний об'єм дисертації 122 стор. , зокрема : 6 рисунків на окремих сторінках, 3 таблиць на окремих сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми, визначено мету і задачі дослідження, наукову новизну та практичне значення результатів, наведено інформацію про особистий внесок здобувача, апробацію, публікації і використання результатів.

У першому розділі виконано аналіз світового стану розвитку енергетики та перспектив розвитку паливно-енергетичного комплексу України з урахуванням тенденції зростання цін на органічне паливо та переважної орієнтації на використання твердого палива в тепловій енергетиці. Оскільки відбувається рух енергетики України до повного фізичного зносу енергоблоків ТЕС, запропоновані шляхи виходу з кризового стану шляхом будівництва нових парогазових енергоблоків, які відрізняються оптимальною структурою при комбінованому використанні газу та твердого палива, що забезпечує мінімальні витрати на паливну складову експлуатаційних витрат. Показано, що існуюча в дійсний час складова теплової енергетики в загальному балансі генерації електроенергії України повинна зберігатись на рівні 50 %, особливо з урахуванням можливості використання енергоблоків ТЕС в змінній частині навантаження, бо використання АЕС передбачено для роботи в базовому режимі. Оскільки тенденція зниження коефіцієнтів установленої потужності електростанцій України пояснюється зростанням пікових навантажень, необхідно збільшення частки високоманевреного обладнання в загальній потужності електростанцій, як за рахунок ПТУ, так і ГТУ у складі ПГУ. В умовах зміни цін на різні види палива структура ПГУ повинна формуватись з урахуванням цих особливостей. Для цього необхідно провести дослідження структури і схемних рішень ПГУ і розробити рекомендації щодо вибору оптимальних умов роботи з урахуванням динаміки ринкових цін на різні види палива.

Обґрунтовано, що реальним протиріччям сучасної енергетики є те, що найбільш високу економічність мають парогазові блоки з котлом утилізатором (КУ), в той же час, паротурбінні блоки, які мають низьку економічність, здатні працювати на більш дешевому паливі. Тому запитом практики є синтез, аналіз й оптимізація схемних та структурних рішень, які спрямовані на підвищення ефективності ПГУ та базуються на теоретичних засадах, що дозволяють варіювати співвідношення використання частки різних видів палива при зміненні цін на них. У другому розділі виконано теоретичні дослідження енергетичної ефективності ідеалізованих теплових схем парогазових енергоблоків ТЕС різної структури на базі запропонованої термо-економічної методики, яка дозволяє обирати перспективні напрямки використання комбінованих циклів енергетичних установок при зміні цін на різні види палива та шляхи їх вдосконалення в ринкових умовах, що визначає доцільність їх використання. Для моделювання енергетичної ефективності паро- газових енергоблоків ТЕС різної структури (рис.1) запропоновано співвідношення, яке є термічним ККД еквівалентного циклу Карно при наявності двох, різних за температурним рівнем, джерел підведення та відведення теплоти:

енергетика органічний паливо парогазовий

де a₁=Q₁^ptu/ Q₁^gtu - частка теплоти, що підводиться від зовнішнього джерела до циклу крізь ПТУ у відношенні до теплоти, що підводиться до циклу крізь ГТУ; a₂=Q₂^ptu/ Q₂^gtu - частка теплоти, що відводиться від циклу в довкілля крізь ПТУ, у відношенні до теплоти, що відводиться в довкілля безпосередньо від ГТУ.

Для граничних умов, наприклад ГТУ, коефіцієнти (a_1--та--a₂) 0, для ПТУ (a_1--та--a₂) , а для ПГУ з котлом-утилізатором a_1--0, а a₂ . При існуючій тенденції підвищенні початкових вхідних параметрів ПТУ, багатократного проміжного перегріву, коли, як окремий граничний випадок, ,:

. (2)

Тобто питомий тепловий потік до ПТУ (a₁) в даному випадку не має значення й без втрати економічності енергоустановки можна повністю витіснити ГТУ й перейти до роботи на вугіллі. При глибокій утилізації теплоти газів після ГТ в циклі ПТУ, коли практично все відведення теплоти в довкілля від ПГУ буде йти через конденсатор (a₂ ) справедливо:

. (3)

При a_1-- формула (3) перетворюється в формулу, що справедлива для ПТУ: , а при a_1--0 відповідає випадку ПГУ з повною утилізацією теплоти газів після ГТУ у паровому циклі .

Результати числового моделювання для широкого діапазону зміни середньо-термодинамічних температур при підведенні теплоти для ГТ та ПТ й різній комбінації величини коефіцієнтів a_1--та--a₂-- показують, що при переході від схеми ГТУ при повному скиданні газів в атмосферу до схеми з котлом, де утилізується теплота після ГТУ, на її ефективність впливають тільки вхідні параметри ГТУ та ступінь наближення схеми установки до схеми з повною утилізацією теплоти. Початкові параметри ПТУ не впливають на її ефективність установки, в т.ч. й для схеми з повною утилізацією теплоти в паровому котлі (ПК).

При збільшених початкових параметрах ПТУ, а ця тенденція характерна для перспективних паротурбінних блоків підвищеної економічності, можна досягти ККД, що дорівнює ККД ПГУ, але підвищення початкових параметрів автономної ГТУ не дозволяє досягти показників, характерних для ПГУ.

Результати моделювання для всього діапазону - від парогазової установки з повною утилізацією теплоти в КУ до чисто паротурбінної установки, який включає й ПГУ з доспаленням палива в ПК, наведені на рис. 3. Окремому випадку, коли догоряння відбувається в середовищі кисню газів після ГТУ, відповідає значення питомого підведення теплоти крізь ПТУ a₁ = 5 … 6.

Величина паливної складової експлуатаційних витрат, з урахуванням частки теплоти, що підводиться до відповідного елементу ПГУ , є важливою економічною характеристикою комбінованих циклів. Середньозважена величина витрат на паливо S за нашою методикою, з урахуванням одержаних вище взаємозв'язків, дорівнює.

Приведені питомі витрати на паливо (s) використані для порівняльного аналізу з урахуванням того, що вартість палива на ГТУ прийнята за умовну одиницю.

Для випадку повної утилізації тепла газів після ГТУ у паротурбінному циклі остання формула має вигляд.

Результати розрахунку витрат на паливо для комбінованого енергетичного циклу з середньо-термодинамічними температурами Т_1m^gtu = 900 К і Т_1m^ptu= 550 К та Т_2m^gtu = 500 К і Т_2m^ptu= 300 К при a₂=1___, відповідають випадку майже повної утилізації газів після ГТУ у паротурбінному циклі. З прикладу видно, що при ціні, приведеній до умовного палива, більш дешевого палива (вугілля) для парового котла, менше 0,7…0,65 від ціни на газ для ГТУ, майже для всього діапазону зміни a₁, доцільним є використання схеми з доспаленням палива у паровому котлі, в т.ч. в середовищі кисню виходячих газів (a₁H6). При відносній ціні на дешеве паливо (0,6…0,65) від вартості палива для ГТУ, позиція ПГУ з доспаленням палива у ПК виявляється у зоні мінімальних витрат на паливо. А при ціні на більш дешеве паливо (вугілля, торф і ін.) менше 50 % від вартості газу доцільним є використання енергоустановок з більш великими значеннями a₁,----тобто звичайних паротурбінних блоків. Аналіз відносної зміни паливної складової витрат для ПГУ з доспаленням палива у котлі (при =6) та звичайної ПТУ, у порівнянні з ПГУ з КУ, показує, що при однаковій вартості палива для газової і парової частини ПГУ з доспаленням палива у котлі (К=1), відбувається збільшення витрат на паливо приблизно на 32 %, у порівнянні зі схемою з КУ. При такій ціні на паливо застосування звичайної ПТУ призводить до перевитрати коштів на паливо на 50 %. Використання ПТУ або ПГУ зі спаленням вугілля у ПК, при ціні на вугілля в 2 рази менше ціни на газ (К=0,5), призводить до 25 % економії витрат на паливо, у порівнянні з ПГУ з КУ, незважаючи на те, що у такої ПГУ значно більш висока економічність.

Отже, напрямок до збільшення ККД енергоустановки за рахунок збільшення частки потужності ГТУ вступає у протиріччя з намаганням до збільшення частки дешевого низькоякісного палива, що спалюється в паровому котлі. Для остаточного з'ясування цього питання необхідний аналіз технічних параметрів ПГУ, наближених до реальних, при комбінації різних видів палива.

Третій розділ містить результати числового моделювання параметрів функціонування різних схемних рішень з використанням схеми-моделі ПГУ, виконаного за запропонованою методикою, а також аналіз технічних характеристик ПГУ різної структури: ГТУ; ПГУ з КУ; ПГУ з доспаленням палива в ПК; ПТУ зі спаленням палива тільки в ПК. В залежності від особливостей обраної схеми-моделі ПГУ деякі структурні елементи або цілі частини схеми знаходились в байпасному стані.

За результатами моделювання технічних параметрів ГТУ визначені можливі параметри паротурбінної частини ПГУ - там, де утилізується тепло газів на відповідному температурному рівні й там, де доспалюється паливо у ПК в середовищі кисню відходячих газів ГТ.

У випадку доспалення вугілля в ПК, без подачі додаткового повітря, відомо, що кисню в газах після ГТ повинно бути не менше 15 %, а це можливо лише для області допустимих параметрів ГТУ.

Наприклад, при виборі схеми з доспаленням вугілля в паровому котлі, слід поступатись високою температурою робочого тіла ГТ при відповідному тиску, навіть не на користь економічності ПГУ.

Саме тому для числового моделювання прийнято базові параметри газів перед ГТ - 1000 ⁰С та 2 МПа, при цьому температура газів після ГТ - 410 ⁰С, але при доспаленні вугілля в ПК, температура в топці буде достатньою для отримання пари високих параметрів.

Числове моделювання ПГУ виконувалось у широкому діапазоні зміни умов її роботи (використання КУ; робота з високою питомою часткою вугілля, що спалюється в ПК; робота в чисто паротурбінному режимі).

Результати числового моделювання ефективності такої енергоустановки у широкому діапазоні зміни початкових параметрів перед турбіною свідчать про однозначний вплив на економічність ПТУ вхідних параметрів.

Результати числового моделювання функціонування ПГУ при зміні параметрів ГТУ при фіксованих базових параметрах ПТУ показують, що підвищення температури перед ГТ збільшує потужність ПТ, що пояснюється більшою кількістю тепла, що утилізується в ПК, а підвищення тиску перед ГТ, навпаки, зменшує частку потужності ПТ. Для ПГУ з КУ без доспалення палива економічність нашої, дещо спрощеної схеми становить 52,8 %.

Доспалення палива в ПК представляє інтерес через можливість використання більш дешевих видів палив, в т.ч. вугілля. Числове моделювання роботи ПГУ виконувалось для двох випадків - доспалення палива в котлі, як в середовищі виходячих після ГТУ газів, так і при підведенні додаткового повітря.

Аналіз результатів моделювання роботи ПГУ з доспаленням палива в котлі без подачі додаткового повітря при зміні a₁=Q₁^ptu/ Q₁^gtu та фіксованих базових параметрах ГТУ і ПТУ показує, що найбільший інтерес представляє діапазон зміни a_1--від 0,5 до 1,86, бо при a₁0 ПГУ перетворюється в чисто утилізаційну установку.

Деяке зниження економічності при a₁ < 0,5 пояснюється різким збільшенням температури газів після газоводяного підігрівача (ГВП) ПК і відповідними втратами, коли один ГВП замінюють на ПНТ. При a₁=1,86 відбувається використання кисню газів після ГТУ до нормованої величини 0,04. Подальша подача палива в котел без додаткового повітря призводить до зменшення нормованої величини збитку кисню, неповного згоряння палива та відповідного різкого зниження ефективності ПГУ. Змінення співвідношення потужності ПТ і ГТ має лінійний характер до точки a₁?2,8 - неповного згоряння палива в котлі.

Виявляється різкий вплив подачі додаткового палива в ПК на потужність ПТ - при a₁?0,5 потужність ПТ і ГТ приблизно однакова, а при a₁=1,86 потужність ПТ стає в 2,5 разів більше ніж ГТ.

Оскільки подальше збільшення частки палива для ПК є можливим тільки при подачі додаткового повітря, було виконано числове моделювання роботи такої ПГУ, де система регенеративного підігріву конденсату і живильної води повністю переведена на пару з відборів ПТ на ПВТ і ПНТ. Результати розрахунку, що виконані для діапазону a₁--від 2 до 12 показують, що економічність ПГУ зростає при зменшенні частки палива, що спалюється в ПК. Але при a₁?7 зростання ККД ПГУ відбувається повільніше. Це пояснюється різким збільшенням температури газів за ПК, коли газоводяні підігрівачі системи регенерації замінені на пароводяні підігрівачі води і конденсату. Спостерігається також пропорційне збільшення потужності ПТ у зрівнянні з ГТ.

При збільшенні a₁--до 70…80, що означає практично повний перехід до ПТУ, інтенсивність спаду економічності зменшується, наближуючись до свого мінімуму, характерного до чисто паросилової установки, а температура відходячих газів підтримується на рівні 120 ^оС, зберігається пропорційна залежність відношення потужності ПТ до потужності ГТ.

Результати числового моделювання параметрів ПГУ при різних співвідношеннях кількості теплоти чи палива a₁, що підводиться в ПК ПТУ і камері згоряння ГТУ, для різних випадків - ГТУ, ПТУ, ПГУ з утилізацією тепла в котлі та ПГУ з доспаленням палива в ПК, та різних коефіцієнтах співвідношення цін на паливо (К) є науковим підґрунтям для вибору оптимальної структури ТЕС.

Якщо зіставити одержані результати дослідження моделей ПГУ, наближених до реальних умов і параметрів, з даними теоретичного аналізу еквівалентного циклу Карно для ПГУ, то можна зробити висновок про їх якісну подібність. Кількісна різниця пояснюється тим, що реальні енергоустановки мають значно більш низький ККД у порівнянні з еквівалентним циклом Карно. Проте, досить точно співпали результати щодо оптимальної величини співвідношення різних видів палива. Наприклад, і по реальним даним розрахунку, і по даним термодинамічного аналізу, при ціні на паливо для котла, яка становить 0,7 від ціни на паливо для ГТУ одержано оптимальне значення величини a₁--біля 2,0, а при співвідношенні цін------_,65--- для обох випадків a₁ знаходиться біля 4,0. Співпадають тенденції і при подальшому збільшенні a₁.

За результатами розрахунків питомі витрати на паливо при a₁=_,--тобто для схеми з утилізацією теплоти в котлі, становлять 2,19. Отже, всі випадки, коли s < 2,19 є більш вигідними з точки зору паливної складової витрат.

Якщо порівняти одержані результати з величиною відносних витрат на паливо для найбільш досконалих сучасних ПГУ з ККД 55 %, виявляється, що при таких показниках їх ефективності величина відносних витрат на паливо становить 1,9.

Це означає, що при відносній ціні на більш дешеве паливо для парового котла (К=0,65), навіть наша спрощена, як за схемними рішеннями, так і за параметрами робочого тіла, характерними більше для енергоустановок невеликої і середньої потужності, запропонована схема-модель ПГУ виявляється більш вигідною по показникам витрат на паливо, ніж найсучасніша ПГУ з котлом-утилізатором. А при ціні на паливо для ПК вдвічі нижче ціни на газ для ГТУ найбільш доцільною є ПТУ. При використанні досконалої теплової схеми ПТУ (більш розвинена система регенерації, наявність проміжного перегріву) й відповідних високих параметрів пари, може виявитись, що доцільним є перехід до ПТУ і при більш близькому співвідношені цін на різні види палива.

У четвертому розділі виконаний аналіз величини і діапазону регулювання теплового потоку за ГТУ у складі комбінованих енергоустановок в режимі когенерації з використанням розробленої нами схеми-моделі ГТУ з використанням об'єктно-орієнтованих методів програмування. Головною умовою роботи з максимально можливою тепловою ефективністю ГТУ є можливість повної утилізації газів після турбіни, що можливо лише за умови точного узгодження відпуску теплоти і електроенергії з графіком відповідних навантажень споживача.

Класичні способи рішення цієї проблеми за рахунок використання регулюємих відборів пари з використанням діаграми режимів, як для ПТУ, не підходять. Отже, для регулювання співвідношення електричної і утилізованої теплової потужності когенераційної установки на базі ГТУ використано зміну робочих параметрів газу (p, t) перед турбіною по аналогії з регулюванням ковзаючими параметрами ПТУ. Оскільки ефективність когенераційних установок прийнято оцінювати за коефіцієнтом використання палива (КВП), то можливе зниження абсолютного електричного ККД (_е) ГТУ компенсується відповідним збільшенням частки утилізованої теплоти і слабо впливає на КВП.

Аналіз результатів розрахунку впливу вхідних параметрів на співвідношення теплової та електричної потужності - Q/N показує, що це співвідношення змінюється в широких межах (1…3,5) при зміні t_o у межах 700…1500 ^oC та p_o у межах 3…24 бар, що характерно для промислових об'єктів, для яких можна вирішити задачу узгодження відпуску теплоти і електроенергії запропонованим способом.

Оскільки зміна вхідних параметрів суттєво впливає на _е, який змінюється у межах 5…45 %, задача визначення параметрів газів, що забезпечують задане співвідношення Q/N вирішувалась сумісно з задачею забезпечення максимальної економічності установки.

Математичний опис поверхонь здійснювався на основі числових методів шляхом інтерполяції матриць, описуючих ці поверхні та одержання інтерполяційних поліномів Ньютона з використанням засобів MathCad, що дозволило вирішити задачу оптимізації параметрів ГТУ - задачу пошуку екстремуму функції двух змінних (p, t).

Одержані оптимальні значення t_опт та p_опт в результаті рішення системи рівнянь (8) забезпечують максимальний абсолютний електричний ККД _е^мах при певному Q/N.

Результати рішення задачі оптимізації для діапазону Q/N =1,1…2,3 показують, що максимальна ефективність когенераційної ГТУ буде при Q/N =1,1…1,7, подальше збільшення цього діапазону не призводить до суттєвого зменшення _е^мах.

ВИСНОВКИ

1. Зниження коефіцієнтів установленої потужності електростанцій України через підвищення пікових навантажень вимагає збільшення частини високоманевреного устаткування ТЕС, зокрема ПГУ. Структура теплової енергетики повинна формуватися з урахуванням тенденції росту цін на газ. При виборі оптимальної структури ПГУ виникає протиріччя, пов'язане з тим, що найбільшу економічність мають ПГУ з котлами-утилізаторами, що працюють на дорогому паливі (звичайно газі), а ПТУ і ПГУ з доспаленням палива в паровому котлі, здатні працювати на

дешевому паливі (звичайно вугіллі), мають низьку економічність. Для рішення цього протиріччя, відповідно до запиту практики, необхідна оптимізація схемних і структурних рішень, спрямованих на підвищення ефективності ПГУ, у яких варіюється співвідношення використання різних видів палива в камері згоряння ГТУ і паровому котлі з обліком зміни цін на них.

2. Запропоновано методику обґрунтування доцільності використання ПГУ різної структури в умовах динамічних змін на різні види палива за критерієм приведених питомих витрат на паливо. При цьому, враховується співвідношення цін на різні види палива - К і співвідношення часток потоків теплоти, що підводяться у паровому котлі та у камері згоряння - , та часток потоків теплоти, що відводяться в навколишнє середовище з вихлопу ГТУ і конденсатору ПТУ - . Запропоновано формулу оцінки ККД еквівалентного циклу Карно для умови двох джерел теплоти з різними середньотермодинамічними температурами в процесі підводу теплоти до комбінованого циклу і з двома потоками тепла, що відводиться, у навколишнє середовище із відповідними температурними рівнями.

3. Узагальнення результатів математичного моделювання енергетичної ефективності теплових схем, виконаного на основі методів термодинамічного й економічного аналізу, показав, що збільшення ККД ПГУ за рахунок збільшення частки потужності ГТУ вступає в протиріччя з прагненням збільшувати частину відносно дешевого твердого палива (вугілля, торфу, відходів і т.п.), що спалюється в паровому котлі ПГУ з доспаленням палива. Так, при вартості більш дешевого палива, що спалюється в паровому котлі, яка у 1,5 - 2 менше, ніж ціна на дороге паливо для газової турбіни, більш ефективним є використання ПГУ зі спалюванням значної частини палива в паровому котлі, або навіть чисто паротурбінних установок.

Зіставлення даних, отриманих за результатами термодинамічного аналізу різних схем ПГУ і результатів розрахунків числових моделей ПГУ, наближених до реальних умов, показало їхню якісну подібність. При обчисленні оптимального співвідношення різних видів палива з урахуванням розходження в їх ціні, виявлений і кількісний збіг.

4. Аналіз результатів досліджень технічних характеристик ПГУ при комбінації різних видів палива на основі запропонованої методики числовими методами показав, що при роботі ГТУ в складі ПГУ з доспаленням палива в паровому котлі без подачі додаткового повітря, доцільним є використання газових турбін з невисокою температурою на вході для забезпечення вмісту кисню в газах на виході з ГТ не менш 15 %. Для ПТУ в складі ПГУ початкові параметри пари мало впливають на загальну економічність енергоустановки, тому можна використовувати для ПГУ з доспаленням палива в паровому котлі відносно прості і недорогі парові турбіни.

5. Для вирішення проблеми узгодження графіків електричного і теплового навантаження ГТУ з відповідними навантаженнями споживачів сформульована і вирішена задача оптимізації, що забезпечує максимальний коефіцієнт використання палива. Запропоновано регулювання відношення утилізованої теплоти до електричної потужності ГТУ зміною параметрів газу перед турбіною та виконана оцінка ефективності запропонованого способу зміни співвідношення різних видів навантаження.

Публікація основних положень дисертації

1. Сычева Е.А. Энергетическая эффективность ПГУ различной конфигурации с учетом возможности использования различных видов топлива / Сычева Е.А. // Холодильна техніка та технології. 2009. - № 3 - С. 48 -51.

2. Мазуренко А.С. Эффективность паротурбинных и парогазовых установки с учетом соотношения цен на различные виды топлива / Мазуренко А.С., Сычева Е.А. // Проблемы машиностроения. - 2009. -Т.12.-№ 5 - С. 49 -52.

3. Сычева Е.А. Ефективність ГТУ при зміні співвідношення виробництва теплоти та електроенергії / Сычева Е.А., Мазуренко А.С., Баласанян Г.А. // Энергетические и теплотехнические процессы и оборудования. - 2006. - №5. - С. 133 -136.

4. Сычева Е.А. Эффективность регулирования отпуска теплоты когенерационной газотурбинной установкой / Сычева Е.А., Мазуренко А.С., Баласанян Г.А. // Вестник нац. техн. ун-та «ХПИ». -- Харьков, 2005. -- Вып. 6. -- С. 108112.

5. Сычева Е.А. Повышение эффективности системы энергоснабжения на базе установки когенерации малой мощности / Сычева Е.А., Баласанян Г.А., Мазуренко А.С. // Новини енергетики. - 2005. - № 3. - С. 34 -38.

6. Сичова Е.А. Оцінка ефективності когенераційної ГТУ при зміні співвідношення теплоти та електроенергії / Сичова Е.А., Мазуренко А.С. // Холодильна техніка та технології. -2005.- Додаток до журналу Холодильна техніка та технології ”Збірник наукових праць міжнародної н-т конференції”- С. 54 -57.

7. Sucheva E.A. Reliability of liquid slag deleting at various technical condition of lighting zone of steam boiler / Sucheva E.A. Dekhtiar I.G., Pogogiy L.M., Tkachev S.P., Mazurenko A.S. // Zeszyty Naukowe Politechnika Opolska. Seria Elektryka, z. 53, № 295. - 2004. - V.1, P. 156 -161.

АНОТАЦІЇ

Сичова О.А. Ефективність парогазових установок при використанні різних видів палива. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.14.14 - теплові та ядерні енергоустановки. - Одеський національний політехнічний університет, Одеса, 2010 р.

Дисертаційна робота присвячена вибору структури та параметрів парогазових енергоблоків ТЕС при зміні співвідношення цін на різні типи органічного палива за критерієм мінімальної ціни на паливну складову при високій економічній й термодинамічній ефективності.

В роботі виконано узагальнення літературної інформації щодо доцільної структури теплових схем ТЕС та встановлені шляхи їх оптимізації в умовах зміни цін на різні види палива.

На основі математичного моделювання енергетичної ефективності теплових схем ПГУ різної структури запропонована методика вибору оптимальної структури в умовах змін цін на різні види палива за критерієм приведених питомих витрат на паливо та визначені резерви підвищення ефективності сучасних ПГУ

На основі теоретичних досліджень, виконаних методами термодинамічного і економічного аналізу, доведено, як намагання щодо збільшення частки дешевого палива для парового котла впливають на ККД ПГУ і на частку дорогого палива на ГТУ.

Визначено умови ефективного функціонування ПГУ для різних співвідношень ціни на газ та вугілля.

Обґрунтовано, коли найбільш ефективною по витратам на паливо є ПГУ, а коли ефективною є чисто ПТУ.

Встановлена оптимальна структура та схемні рішення для ПГУ за умов тенденції збільшення різниці в ціні на дороге паливо (газу) для камер згоряння ГТУ та дешевого палива (вугілля) для парового котла ПТУ. Ключові слова: парогазові енергоблоки, структура ТЕС, мінімальна паливна складова експлуатаційних витрат, максимальна ефективність, когенерація .

Сычева Е.А. Эффективность парогазовых установок при использовании различных видов топлива. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.14 - тепловые и ядерные энергоустановки. - Одесский национальный политехнический университет, Одесса, 2010.

Диссертационная работа посвящена выбору структуры и параметров парогазовых энергоблоков ТЭС при изменении соотношения цен на различные типы органического топлива по критерию минимальной цены на топливную составляющую эксплуатационных затрат при одновременно высокой термодинамической и экономической эффективности цикла ПГУ.

В работе выполнено обобщение литературной информации по выбору целесообразной по технико-экономическим соображениям структуры тепловых схем крупных энергоблоков ТЭС и установлены пути их оптимизации в условиях изменения цен на различные виды органического топлива.

Выполнено математическое моделирование энергетической эффективности тепловых схем ПГУ различной структуры и предложена методика выбора оптимальной их структуры для условий изменения цен на различные виды топлива по критерию удельных затрат на топливо в составе эксплуатационных затрат.

Предложен критерий экономической целесообразности различных структур ПГУ и определены резервы дальнейшего повышения эффективности современных ПГУ.

В результате теоретических исследований, выполненных на основе методов термодинамического и экономического анализа, показано, как увеличение доли использования дешевого топлива для парового котла сказывается на КПД ПГУ и каково при этом соотношение мощностей ГТ и ПТ и целесообразная доля дорогого топлива.

Определены условия эффективного функционирования ПГУ для широкого диапазона соотношений цен на газ и уголь. Обосновано, при каких условиях предпочтение следует отдавать ПГУ, а когда более эффективной является чисто ПТУ.

Установлены оптимальные структуры и схемные решения ПГУ для условий, когда увеличивается разница в цене на газ для камер сгорания ГТУ и угля для ПК ПТУ

Ключевые слова: парогазовые энергоблоки, когенерация, структура ТЭС, минимальная топливная составляющая эксплуатационных затрат, максимальная эффективность

Suchova O.A. Efficiency of vapor-gas units at using of different kinds of fuel. Manuscript.

Thesis for scientific degree of sciences by specialty 05.14.14 - Thermal and nuclear power units ”. - Odessa National Polytechnic University. Odessa, 2010.

Dissertational work is devoted to optimization of structure and parameters of vapor-gas units (VGU) of HPP at change of costs for various types of organic fuel at criterion of minimal expenses for fuel component of operational costs and high thermodynamic and economic efficiency of cycle vapor-gas installation simultaneously

Generalization of the literary information deals with the choice of expedient thermal circuit's structure of large power units HPP at technical-economic reason and ways of optimization at conditions of change of costs for various kinds of organic fuel are executed.

Mathematical modelling of power efficiency of thermal circuits' of vapor-gas units HPP of various structure is worked out and the technique of choice of its optimum structure for conditions of change of costs for various kinds of fuel at criterion of minimal specific expenses for fuel in common structure of operational expenses is offered.

The criterion of economic feasibility of various structures VGU is offered and reserves of further efficiency rise of modern HPP are elaborated.

As a result of theoretical researches executed on the basis of methods of the thermodynamic and economic analysis is shown how the increase of cheap fuel ratio for steam boiler influence on general efficiency of VGU and how the ratio of capacities of gas and vapor turbines influence on expedient share of expensive fuel.

Conditions of effective functioning of VGU for a wide range of gas and coal costs are determined. It is proved at what conditions the preference should be given to VGU and when the preference should be given to vapor turbine unit as more effective that VGU.

Optimum structures and circuit decisions for VGU for conditions of when difference between the cost of gas for combustion box of gas turbine and the cost of coal for the vapor boiler of vapor turbine unit rise are established

Keywords: vapor-gas units, cogeneration, HPP structure, minimal fuel component of operational costs, maximal efficiency.

Размещено на Allbest.ru