Совершенствование схем испарительных установок ТЭС тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.14, кандидат технических наук Мошкарин, Антон Андреевич

• Мошкарин, Антон Андреевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мошкарин, Антон Андреевич

Введение.

Глава первая. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР РАБОТ

ПО ИСПАРИТЕЛЬНЫМ УСТАНОВКАМ ТЭС.

1.1. Термические методы водоподготовки - один из основных путей создания малосточных ТЭС.

1.2. Блочные испарительные установки.

1.3. Анализ работ по многоступенчатым испарительным установкам

1.4. Обзор исследований по испарительным установкам мгновенного вскипания.

1.5. Методы расчета топливной составляющих затрат на получение дистиллята.

1.6. Задачи исследования.

Глава вторая. ИСПАРИТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ

МГНОВЕННОГО ВСКИПАНИЯ.

2.1. Схемы испарительных установок мгновенного вскипания.

2.2. Методика расчета ИМВ.

2.2.1. Матричный метод расчета ИМВ.

2.2.2. Аналитический метод расчета ИМВ.

2.2.3. Алгоритм расчета.

2.3. Результаты расчета схем ИМВ.

2.4. Сравнение двух типов автономных испарительных установок.

2.5. Описание программного комплекса по расчету и моделированию испарительных установок мгновенного вскипания.

2.6. Выводы по второй главе.

Глава третья. МНОГОСТУПЕНЧАТЫЕ ИСПАРИТЕЛЬНЫЕ

УСТАНОВКИ.

3.1. Методика расчета МИУ.

3.1.1. Расчет давлений и температур пара по ступеням установки.

3.1.2. Методика расчета удельных показателей МИУ.

3.2. Прикладной программный комплекс «САПР общестанционных многоступенчатых испарительных установок».

3.3. Анализ схем многоступенчатых испарительных установок.

3.3.1. Описание схем многоступенчатых испарительных установок.

3.3.2. Результаты численного анализа схем МИУ.

3.4. Диаграммы режимов работы МИУ.

3.5. Методика и примеры расчета удельного расхода топлива на производство добавочной воды с помощью МИУ.

3.6. Выводы по третьей главе.

Глава четвертая. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СХЕМ АВТОНОМНЫХ ИСПАРИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК.

4.1. Методика определения топливной составляющей затрат на получение дистиллята в МИУ при наличии потерь теплоты с избыточным паром.

4.2. Совершенствование схем утилизации избыточного пара автономных МИУ на ТЭС различного типа.

4.3. Методика расчета тепловой составляющей затрат на получение дистиллята в комбинированной испарительной установке.

4.4. Выводы по четвертой главе.

Глава пятая. БЛОЧНЫЕ ИСПАРИТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ.

5.1. Методика расчета производительности БИУ.

5.2. Прикладной программный пакет по расчету и моделированию блочных испарительных установок.

5.3. Блочные испарительные установки мгновенного вскипания.

5.4. Методика оценки топливной составляющей затрат на получение дистиллят.

5.5. Выводы по пятой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование схем испарительных установок ТЭС»

Актуальность темы. На тепловых электрических станциях используются химические, термические и мембранные методы подготовки добавочной воды. Термические методы водоподготовки обладают неоспоримо более высокими экологическими показателями по сравнению с другими методами. Технические и научные разработки последних лет привели к созданию новых отечественных испарителей кипящего типа (двухзонных и проточных), башенных испарителей мгновенного вскипания, а также новых безотходных технологий термохимического обессоливания на основе многоступенчатых испарительных установок кипящего типа. Внедрение отмеченных технических разработок на отечественных ТЭС показало их высокую эффективность и открыло им достаточно широкие перспективы для использования при строительстве новых и реконструкции существующих водоподготовитель-ных установок ТЭС.

Сдерживающими причинами более широкого применения термических методов являлись не только отсутствие денежных средств, но и ошибки проектирования при выборе схемных решений, неучет зависимости производительности испарительных установок от режимов работы ТЭС, что приводило к заниженным показателям тепловой экономичности и дефициту дистиллята.

В последнее десятилетие результаты разработок сотрудников МЭИ, УралВТИ, ВНИИАМ, ИГЭУ позволили сделать значительные шаги в ликвидации отмеченных недостатков. Однако еще остается круг задач, решение которых могло бы способствовать повышению конкурентноспособности термических методов водоподготовки. Во-первых, это необходимость разработки прикладных программных пакетов, обеспечивающих выбор рациональных вариантов при выборе испарительных установок на основе проведения структурного и параметрического синтеза проектных решений. Во-вторых, это недостаточная исследованность схем испарителей мгновенного вскипания и способов их включения в тепловые схемы паротурбинных установок КЭС и ТЭЦ.

Исходя из вышеизложенного, совершенствование схем включения испарительных установок, оценка влияния режимов работы основного оборудования на их производительность, а также поиск новых рациональных технических решений по схемам самих испарительных установок на основе разработки и создания программных комплексов по их расчету и моделированию являются актуальными задачами теплоэнергетики.

Актуальность выбранной темы диссертации, подтверждается включением ее в научно-техническую программу «Научных исследований высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (Подпрограмма: Топливо и энергетика. Код проекта: 206.01.01.035).

Цель работы состоит в разработке математических моделей, алгоритмов и программных комплексов по расчету испарительных установок мгновенного вскипания автономного и блочного типа, многоступенчатых испарительных установок ТЭС; проведении на их основе расчетного исследования режимов работы испарительных установок, а также в совершенствовании схем их включения на основе методов анализа тепловой эффективности ТЭС.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Разработка математических моделей автономных МИУМВ и программного комплекса по их проектированию, проведение численного анализа возможных режимов их работы на ТЭС, а также методов оценки тепловой составляющей на получение дистиллята.

2. Создание программного комплекса САПР МИУ, исследование на его основе схем, режимов работы автономных МИУ и оценка тепловой эффективности получения дистиллята от МИУ в схемах КЭС и ТЭЦ.

3. Совершенствование схем утилизации избыточного пара МИУ для КЭС, ТЭЦ и ПТУ.

4. Разработка алгоритмов и программных пакетов по моделированию и расчету блочных испарительных установок на основе испарителей кипящего типа и башенных испарителей мгновенного вскипания, исследование режимов их работы в зависимости от нагрузки блока и анализ тепловой экономичности схем их включения.

Научная новизна работы: 1. Создана математическая модель многоконтурной испарительной установки мгновенного вскипания башенного типа произвольной структуры, позволяющая определять параметры рабочих сред при заданных поверхностях теплообмена элементов установки и обеспечивающая расчетный анализ возможных режимов ее работы при различных схемах питания контуров.

2. Получены новые данные по режимам работы автономных установок МИУ на основе испарителей кипящего типа в зависимости от схем питания, степени развитости регенерации, типа подогревателей, числа ступеней испарения и способов включения в тепловые схемы КЭС, ТЭЦ, ПТУ, позволяющие выполнять оценку надежности и тепловой экономичности получения требуемых количеств дистиллята.

3. Усовершенствованы методики оценки эффективности схем включения испарительных установок, учитывающие режимы работы основного оборудования ТЭЦ при определении топливной составляющей затрат на получение дистиллята на основе коэффициентов ценности теплоты, изменения мощности и приращения мощности на тепловом потреблении.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием известных методов расчета испарительных установок и термодинамического анализа реальных схем ТЭС, а также согласованием полученных результатов с данными других исследователей, опубликованными в технической литературе.

Практическая ценность результатов исследований:

1. Результаты численного анализа схем МИУМВ, БИУМВ, МИУ и комбинированных испарительных и установок могут быть использованы проектными организациями для обоснования выбора состава оборудования и схем включения испарительных установок.

2. Программные комплексы по моделированию и расчету БИУ, БИУМВ, МИУ и МИУ MB, включающие в себя подсистемы графической поддержки моделирования схем и обработки результатов расчета, ведения баз данных по оборудованию и трубопроводам, архивации и документирования, могут быть использованы для проектирования, позволяют определять расходные и теп-лофизические параметры рабочих сред в каждом элементе, показатели установок и диаметры трубопроводов в зависимости от выбранных схем и типоразмеров оборудования.

3. Диаграммы режимов работы автономных МИУ обеспечивают определение производительности установки в зависимости от схемы питания, числа ступеней испарения, типа испарителей, числа и типа регенеративных подогревателей, а также возможности утилизации избыточного пара.

4. Результаты оценки тепловой эффективности схем и производительности блочных испарительных установок различного типа в зависимости от нагрузки блока обеспечивают возможность правильного выбора испарительной установки.

5. Методы анализа тепловой составляющей затрат на получение дистиллята и численные примеры оценки схем включения испарительных установок различного типа на КЭС и ТЭЦ расширяют область применения методов энергетических коэффициентов для анализа тепловой эффективности.

Внедрение результаты работы. Программные комплексы по испарительным установкам используются в ООО «ЭКОТЕХ-99» (г. Челябинск), научно-исследовательской лаборатории «Парогенерирующей техники и экологии» (МЭИ).

Автор защищает:

1. Математическую модель многоконтурных испарительных установок мгновенного вскипания башенного типа, программный комплекс по их моделированию и расчету, результаты численного анализа режимов работы МИ

УМВ, методику и результаты расчета тепловой эффективности их включения в тепловые схемы ТЭЦ.

2. Программный комплекс «САПР МИУ» для проектирования автономных установок, построенные при его использовании диаграммы режимов работы МИУ, а также результаты анализа влияния на показатели работы МИУ схем питания, типов и числа регенеративных подогревателей, температуры исходной воды.

3. Способы утилизации теплоты избыточного пара МИУ, методы и результаты оценки их тепловой эффективности.

4. Алгоритмы и прикладные программные пакеты по моделированию и расчету испарительных установок блочного типа, результаты численной оценки их производительности от нагрузки блоков, а также методику и результаты оценки топливной составляющей на получение дистиллята.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы представлялись:

• на X, XI, XII международных научно-технических конференциях (МНТК) «Бенардосовские чтения» (г. Иваново, 2001, 2003, 2005 гг.);

• VIII, IX, X МНТК студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2001, 2002, 2003 гг.);

• III и IV Всероссийских НПК «Повышение эффективности работы теплоэнергетического оборудования» (г.Иваново, 2002, 2005 гг.);

• региональной конференции «Актуальные проблемы современной энергетики» (г. Екатеринбург, 2002 г.);

• IV российской НТК «Энергосбережение в городском хозяйстве, промышленности и энергетике» (г. Ульяновск, 2003 г.);

• выставке «Инновации 2004» (г Иваново, 2004 г.);

• электронной конференции по подпрограмме «Топливо и энергетика» (г. Москва, ноябрь 2004), а также на научно-методическом семинаре кафедры ТЭС ИГЭУ (г. Иваново, 2005).

Публикации. Основное содержание работы отражено в 33 публикациях, в том числе в 14 статьях [131-136, 138, 140, 141, 145, 147, 148, 155, 156], 2 патентах на изобретение [151, 152], 3 свидетельствах на программные продукты для ЭВМ [129, 130, 146], 14 тезисах докладов [128, 137, 139, 142-144, 149, 150, 153, 154].

Содержание и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа включает 224 страниц машинописного текста, 89 рисунков, 49 таблиц, три приложения. Библиография содержит 157 наименований.

Заключение диссертации по теме «Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты», Мошкарин, Антон Андреевич

5.5. Выводы по пятой главе

1. Уточнена методика расчета блочных двухступенчатых испарительных установок кипящего типа, на основе которой созданы алгоритм расчета и программный комплекс по их проектированию.

2. Проведены расчетные исследования режимов работы двухступенчатых БИУ, по результатам которых построены номограммы изменения параметров воды, пара и производительности по элементам установки в зависимости от нагрузки блока на примере блоков мощностью 200 и 800 МВт.

3. Разработана программа для ЭВМ по моделированию и расчету блочных испарительных установок мгновенного вскипания.

4. Выполнены расчетные исследования по определению зависимости производительности для трех схем блочных испарительных установок мгновенного вскипания и традиционной БИУ от электрической нагрузки на примере блока 800 МВт. Показано, что двухкорпусные БИУМВ с концевым конденсатором, охлаждающей водой для которого является основной конденсат, менее чувствительны к снижению нагрузки.

5. На основе коэффициентов изменения мощности проведена оценка топливной составляющей затрат на получение дистиллята. Получено, что в зависимости от схемы БИУ удельный расход условного топлива на получение дистиллята составляет 1,2 —2,9 кг/т.

Заключение по работе

1. Выполнен комплекс исследований, содержащий совокупность научных, методических и программных разработок для проектирования, который позволяет находить наиболее эффективные технические решения по выбору типа испарительных установок, а также схем их включения на ТЭС различных типов.

2. Разработана математическая модель МИУ MB башенного типа произвольной структуры. На ее основе создан программный комплекс, позволяющий определять параметры рабочих сред по элементам установки, производительность отдельных ступеней и показатели установки в целом при заданных поверхностях теплообмена конденсаторов ступеней испарения для двух исходных условий заданной производительности установки и заданном давлении греющего пара.

3. Проведена оценка показателей и режимов работы автономных МИ-УМВ. Показано, что снижение расхода циркулирующей воды в одном из контуров (корпусов) МИУМВ ведет к перераспределению температурных перепадов на корпуса, увеличению температурного перепада на корпус, в котором расход воды снижен, а в целом к снижению производительности установки.

4. Выполнено сравнение тепловой эффективности схем производства добавочной воды с помощью автономных МИУ и МИУМВ. Применение МИУМВ позволяет снизить удельный расход условного топлива на 6,4 кг/т по сравнению с МИУ при включении обеих установок на общестанционную магистраль пара 0,8,.1,28 МПа. В случае использования для МИУМВ пара из верхнего теплофикационного отбора экономия условного топлива достигает 8,9 кг/т.

5. Разработан алгоритм расчета МИУ, на основе которого создан программный комплекс «САПР МИУ», обеспечивающий структурный и параметрический синтез проектируемой установки, графическое моделирование схем МИУ, расчет параметров и расходов пара и воды по ступеням испарения, определение общих показателей, выбор диаметров паропроводов и характеристик оборудования из БД, графическое представление результатов расчета, их архивацию и вывод на печать.

6. Выполнен анализ схем МИУ. Выявлено влияние схем питания, числа ступеней испарения и типа регенеративных подогревателей питательной воды и дистиллята на показатели работы установки. Показано, что эффект от установки каждого последующего подогревателя, начиная с головной (первой) ступени испарения, снижается.

Использование одного пароводяного подогревателя повышает производительность шестиступенчатой МИУ на 3 и 8 % в параллельной и последовательной схемах питания, соответственно, в то время как включение пяти подогревателей на 7 и 16%. Эффект от применения одного водоводяного подогревателя составит 2,8 и 5 %, пяти - 6 и 10 %.

Показано, что вынужденное (аварийное) отключение системы регенерации при параллельной схеме питания менее существенно сказывается на снижении производительности МИУ.

7. Предложена методика расчета топливных затрат на производство добавочной воды для ТЭС различного типа, базирующаяся на понятиях энергетических коэффициентов, и даны числовые примеры оценки топливной составляющей. Расчеты позволили установить следующее:

• Для конденсационных турбоустановок и турбоустановок с отопительной нагрузкой (турбины типа Т) восполнение потерь пара конденсата в цикле с помощью МИУ сопровождается большим удельным расходом условного топлива на производство 1 т дистиллята. По сравнению с химическим обес-соливанием разница может достигать 7 кг/т и более.

• Для промышленно-отопительных и промышленных турбоустановок удельный расход условного топлива, связанный с восполнением потерь рабочего тела, при химическом обессоливании выше, чем для отопительных. Увеличение удельных расходов условного топлива при термическом методе водоподготовки по сравнению с химобессоливанием составляет 4,35 кг/т при наличии станционного коллектора низкопотенциального пара, а при его отсутствии - 1,28 кг/т.

• На ПГУ-ТЭС для всех типов турбоустановок при отсутствии регенеративного подогрева питательной воды снижение недовыработки электроэнергии, связанное с восполнением потерь рабочего тела, не зависит от способа водоподготовки. Следовательно термический метод водоподготовки, имеющий меньшие эксплуатационные затраты, для таких ТЭС обладает дополнительными преимуществами по сравнению с химическим методом, в том числе и экологическими.

8. Показано, что в летних режимах работы ТЭЦ традиционные МИУ в тепловом отношении уступают проектным схемам нагрева добавочной воды при химобессоливании, если имеет место поток избыточного пара МИУ, который невозможно утилизировать в цикле ТЭЦ.

9. Показано, что применение автономной комбинированной испарительной установки, состоящей из МИУ и подключенной на избыточный пар ее последней ступени МИУМВ, позволяет утилизировать потоки избыточного пара МИУ как на ПГУ ТЭЦ, так и на ТЭС с котлами на сверхкритическое давление даже для условий отсутствия потребителей низкопотенциальной теплоты в летних режимах работы оборудования. Комбинированная испарительная установка оказывается более экономичной в тепловом отношении схемы МИУ с паровым компрессором для сжатия избыточного пара и позволяет снизить удельный расход условного топлива на его получение на 2 кг/т в отопительный период и более чем на 4 кг/тв летний период.

10. Исследованы варианты использования ИУМВ для блочных ТЭС. Разработан программный комплекс по моделированию схем БИУМВ. На примере блока 800 МВт показано, что БИУМВ не только экономичней традиционных БИУ в тепловом отношении, но и обеспечивают меньшее падение производительности по дистилляту при снижении электрической нагрузки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Мошкарин, Антон Андреевич, 2006 год

1. Применение испарителей для водоподготовки основа создания бессточных ТЭС /Р.Ш.Бускунов, Ю.М.Кострикин, Г.Г.Швецова и др. //Теплоэнергетика. 1976. №2. С.60-62.

2. Области применения методов подготовки добавочной воды на ТЭЦ /Л.С.Стерман,

3. A.В.Мошкарин, Э.Н.Гоуфман, Т.Ф.Быстрова и др. //Электр, станции. 1976. №8. С.34-37.

4. Стерман Л.С., Абрамов А.И., Седлов А.С. Засоление сбросных вод при термическом и химическом методах водоподготовки //Труды МЭИ. 1978. Вып.354. С.96-102.

5. Повышение экологической безопасности тепловых электростанций. Под ред. А.С. Седлова. М.: Издательство МЭИ. 2001. 378 с.

6. Стратегия защиты водоемов от сброса сточных вод ТЭС ОАО «Мосэнер-го»/Н.И. Серебрянников, Г.В. Преснов, А.С. Седлов и др.// Теплоэнергетика. 1998. №7. С.2н-6

7. Исследование проблемы применения различных методов подготовки добавочной воды на ТЭС и разработка руководящих документов по обессоливанию воды с ограниченным воздействием на окружающую среду /Отчет о НИР. Рук. А.С.Седлов. -М.: МЭИ. 2002. 201 с.

8. Седлов А.С. Экологические показатели тепловых электростанций //Теплоэнергетика. 1992. №7. С.5-7.

9. Шищенко В.В., Седлов А.С. Водоподготовительнные установки с утилизацией сточных вод //Промышленная энергетика. 1992. №10. С.29-30.

10. Седлов А.С., Васина Л.Г., Ильина И.П. Многократное использование сточных вод в схеме водоподготовки //Теплоэнергетика. 1987. №9. С.57-58.

11. Методические указания по нормированию сбросов загрязняющих веществ со сточными водами ТЭС. РД 153-34.0-02.405.99. М.: 2000. 28 с.

12. Бускунов Р.Ш., Гронский Р.К. Пути повышения конкурентноспособности испарительных установок в схемах водоподготовки //Сб."Разработка и исследование вспомогательного оборудования турбинных установок ТЭС". М.: Энергоатомиздат. 1991. С.38-46.

13. Стерман JI.C. Испарители. М.: Машгиз. 1956.

14. Мошкарип А.В., Бускунов Р.Ш. Испарительные установки ТЭС. М.: Энергоатомиздат. 1994. 272 с

15. Методические указания по проектированию установок термической обработки воды на ТЭС. МУ 34-70-134-85 /Р.Ш.Бускунов, Н.И.Баулина, В.А.Харкевич // -М.: Союзте-хэнерго, 1985.

16. Рыжкин В.И. Тепловые электрические станции.- М.: Энергия, 1967.

17. Методические указания по проектированию установок термической обработки воды па ТЭС. МУ 34-70-134-85 /Р.Ш.Бускунов, Н.И.Баулина, В.А.Харкевич // М.: Союз-техэнерго, 1985.

18. Применение испарительных установок на ТЭЦ /Л.С.Стерман, А.С.Седлов,

19. B.И.Длугосельский и др. //Теплоэнергетика. 1983. №7. С.22-24.

20. Стерман JI.C., Седлов А.С., Рыков А.П. Применение испарителей на ТЭС, участвующих в покрытии переменной части электрической нагрузки энергосистемы //Труды МЭИ. 1991. Вып.531. С.23-28.

21. Способы восполнения потерь пра и конденсата на пиковых ГРЭС с испарителями /Л.С.Стерман, А.С.Седлов, В.МЛавыгин, А.П.Рыков //Труды МЭИ. 1981. Вып.531.1. C. 18-24

22. Бускунов Р.Ш., Блоштейн Б.Е. Исследование испарительной установки в схеме турбины К-300-240 ЛМЗ // Электрические станции. 1976. №4. С.39-41.21,22.