Выбор экологически перспективного направления развития ТЭЦ на канско-ачинских углях в современных экономических условиях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.14, кандидат технических наук Щинников, Павел Александрович

• Щинников, Павел Александрович
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Щинников, Павел Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА! ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. ЦЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Анализ состояния энергетического хозяйства с точки зрения экологически перспективных технологий производства электроэнергии и тепла.

1.2. Системы очистки дымовых газов - как элементная база создания новых технологий.

1.2.1. Общие сведения.

1.2.2. Выбросы золы и очистка от них.

1.2.3. Методы химической очистки дымовых газов.

1.3. Совершенствование топочных процессов - как элемент перспективного производства электроэнергии и тепла.

1.3.1. Общие сведения.

1.3.2. Внутрицикловая газификация топлива.

1.3.3. Котлы с циркулирующим кипящим слоем (ЦКС).

1.3.4. Усовершенствование методов факельного сжигания.

1.3.5. Предварительная термическая подготовка твердого топлива с частичной газификацией.

1.4. Высокотемпературная термоподготовка топлива в специальном предтопке - как элементная база экологически перспективного направления развития ТЭЦ.

1.5. Цели и задачи исследования.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИ

ПЕРСПЕКТИВНЫХ ТЕПЛОФИКАЦИОННЫХ ЭНЕРГОБЛОКОВ.

2.1. Методика технико-экономической оптимизации.

2.1.1. Методические проблемы оценки эффективности новых технологий в энергетике в современных условиях.

2.1.2. Сущность подхода к технико-экономической оптимизации.

2.1.3. Обоснование критерия эффективности.

2.1.4. Определяющие принципы сравниваемых вариантов.

2.1.5. Определение составляющих критерия эффективности.

2.1.6. Вероятностная оценка достоверности результатов вычислений.

2.2. Определяющие принципы и алгоритм расчета термической подготовки топлива в термоциклонном предтопке.

2.3. Выводы.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ПЕРСПЕКТИВНОГО ПАРОТУРБИННОГО ЭНЕРГОБЛОКА ТЭЦ С ТЕРМИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКОЙ ТОПЛИВА В ТЦП.

3.1. Исходные предпосылки.

3.2. ТЦП - как элемент технологии.

3.3. Паротурбинный блок ТЭЦ с предварительной подготовкой топлива в ТЦП.

3.4. Предварительная подготовка топлива в ТЦП в рамках реконструкции действующих энергоблоков ТЭЦ.

3.5. Выводы.

ГЛАВА 4. ВЫБОР ЭКОНОМИКО-ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЭФФЕКТИВНОГО ПРОФИЛЯ ТЕПЛОФИКАЦИОННОГО ЭНЕРГОБЛОКА.

4.1. Влияние коэффициента готовности и коэффициента резерва на профиль энергоблока.

4.2. Влияние режимных факторов на профиль теплофикационного энергоблока.

4.3. Устойчивость оптимальных решений при изменении экологических факторов.

4.4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Выбор экологически перспективного направления развития ТЭЦ на канско-ачинских углях в современных экономических условиях»

В соответствии с мировой тенденцией развития энергетики, когда прогнозируется более широкое вовлечение в энергобаланс твердых горючих ископаемых, главным образом за счет низкосортных топлив, и в условиях жестких экологических ограничений, требуется создание технологий, позволяющих сжигать эти топлива с минимальным ущербом для окружающей среды.

В нашей стране энергетическое хозяйство характеризуется высокой долей выработки электроэнергии и тепла на тепловых электростанциях за счет сжигания твердых горючих ископаемых. При этом отмечено, что качество поставляемого на электростанции топлива (особенно для вновь разрабатываемых месторождений) значительно отличается от проектного и вызывает ухудшение работы оборудования и увеличение вредных выбросов в окружающую среду. Положение усугубляется старением парка энергетического оборудования при значительном увеличении удельных расходов топлива и при невысокой степени очистки продуктов сгорания от вредных веществ. Эти факторы особенно проявляются в энергосистемах Сибири, где доля использования углей на электростанциях особенно высока, в связи с чем во многих промышленных центрах сложились зоны техногенного воздействия на окружающую среду с неблагоприятными экологическими условиями для жизни и деятельности. В то же время в Сибири находится крупнейшее из эксплуатируемых Кан-ско-Ачинское месторождение бурого угля, который по комплексу экономических, технологических, экологических и физико-химических свойств, следует считать перспективным, в том числе и для использования в крупных городах на ТЭЦ, и от использования которого во многом зависит энергетическая политика государства.

Такое положение требует создания экологически «чистых» технологий сжигания твердых топлив как для вновь проектируемого энергетического оборудования, так и для действующего, что особенно актуально для крупных промышленных центров, где большая часть электроэнергии и тепла вырабатывается на ТЭЦ.

Основным источником загрязнения от действия ТЭС являются дымовые газы и от содержания в них вредных веществ во многом зависит экологическая чистота зоны функционирования ТЭС. В этой связи обозначились два направления развития электростанций. Первое - это создание развитых систем серо-и азотоочистки, и второе - это получение минимального содержания вредных веществ в дымовых газах за счет совершенствования топочных процессов.

Диссертация посвящена актуальной задаче - выбору экологически перспективного направления развития ТЭЦ на канско-ачинских углях в современных экономических условиях.

В качестве перспективной технологии, обеспечивающей совершенствование топочного процесса, исследуется технология предварительной термической подготовки твердого топлива, которая удовлетворяет современным международным экологическим требованиям, предъявляемым к тепловым электростанциям, работающим на угле, и может быть использована как на вновь проектируемых теплоэнергетических установках, так и на действующих, в рамках их реконструкции.

Целями настоящей работы являются:

1. Разработка методики технико-экономических расчетов и оптимизации экологически перспективных паротурбинных ТЭЦ как с новыми технологиями термической подготовки КАУ, так и с технологиями денитрации и десульфариза-ции дымовых газов с комплексным учетом обеспечения графиков нагрузки, заданной надежности энергоснабжения, возможных режимов работы в энергосистеме и современных требований к инфраструктуре (экологической, социальной, производственной) при неопределенности исходной информации.

2. Обобщение результатов исследований экспериментальных и опытно-промышленных установок термической подготовки угля и установок с химической очисткой дымовых газов по выходу, составу, свойствам и характеристикам получаемых продуктов.

3. Комплексная вероятностная оптимизация экологически перспективных ТЭЦ с целью получения рекомендаций по выбору параметров процессов и характеристик оборудования.

4. Определение вероятностной технико-экономической эффективности оптимального профиля и рационального направления развития ТЭЦ в новых и перспективных экономических условиях.

В диссертационной работе разработана методика и на ее основе - алгоритм инженерных расчетов термоподготовки твердого топлива перед его сжиганием в топке энергетического котла.

Разработана методика технико-экономической оптимизации паротурбинных теплофикационных энергоблоков как с новыми технологиями термической подготовки угля, так и с традиционными технологиями денитрации и де-сульфаризации дымовых газов. Проведена комплексная оптимизация этих технологий в составе теплофикационных энергоблоков и на ее основе выявлены основные закономерности влияния системных факторов на оптимальные характеристики энергетического оборудования, профиль энергоблока и технико-экономическую эффективность теплоэнергетических установок в условиях обеспечения заданных графиков электрической и тепловой нагрузок, коэффициента готовности, надежности энергоснабжения при экологических и финансовых ограничениях.

На основе полученных в результате вероятностных оптимизационных расчетов закономерностей по выбору параметров процессов, характеристик оборудования и технико-экономической эффективности определено рациональное направление развития ТЭЦ в новых экономических условиях.

На базе расчетных экспериментов получены конструктивно-компоновочные характеристики и впервые разработана конструкция термоциклонного предтопка (ТЦП) для различных типов энергоблоков. Получены оптимальные характеристики теплоэнергетического оборудования для энергоблоков с предварительной термической подготовкой топлива. Доказана перспективность технологии с предварительной термической подготовкой топлива как для вновь проектируемых энергоблоков, так и для действующих в рамках их реконструкции. Показано, что технология с предварительной термической подготовкой топлива экономически эффективнее по сравнению с традиционными технологиями денитрации и десульфаризации дымовых газов.

Результаты диссертационной работы внедрены (приложение 4) в проектной организации «Теплоэлектропроект» на стадии технико-экономического обоснования проекта реконструкции Новосибирских ТЭЦ-2 и ТЭЦ-3, в Новоси-бирскНИИхиммаш при разработке ТЭО для модернизации ТЭЦ ЛВС Западно-Сибирского Металлургического Комбината. Результаты исследований получили практическую реализацию в Проблемной лаборатории теплоэнергетики НГТУ. Аналитическая методика и алгоритм инженерных расчетов термической подготовки топлива используется в учебном процессе Новосибирского государственного технического университета при подготовке инженеров-теплоэнергетиков по специальности 1005, «Тепловые электрические станции».

Основное содержание работы изложено в четырех главах.

В первой главе показана перспективность использования КАУ в крупных городах на ТЭЦ с новыми технологиями сжигания угля, удовлетворяющими жестким экологическим требованиям. В этой связи обозначились: создание развитых систем серо- и азотоочистки, и перспективная система предварительной термической подготовки топлива в специальном термоциклонном предтопке (ТЦП). На основании проведенного анализа сформулированы цели и задачи исследования.

Во второй главе изложена методика исследования экологически перспективных теплофикационных энергоблоков. Показано, что в современных условиях методика технико-экономической оценки должна сочетать механизмы рыночного ценообразования и государственного регулирования хозяйственной деятельности. Изложены основные положения подхода к технико-экономической оптимизации, целями которой является определение наивыгоднейшего сочетания термодинамических параметров и вида технологической схемы перспективного энергоблока с учетом всех видов ограничений.

Применение новых технологий использования угля делает энергоблоки многоцелевыми с выработкой и отпуском потребителю двух и более видов продукции. В этом случае при сравнении вариантов принимаются положения системного подхода, что означает выравнивание вариантов по энергетическому эффекту и комплексный учет готовности энергоблоков к несению нагрузки, режимов работы, коэффициента резерва в энергосистеме, экологических и социальных факторов.

В разработанной модели технико-экономического исследования заложены принципы эксергетической методологии и теории агрегативных систем.

Так как показатель технико-экономической эффективности в новых условиях хозяйствования должен отражать доходную и расходную части от действия ТЭУ, в качестве критерия эффективности принято отношение полученных от продажи сумм за отпущенную энергопродукцию к полным затратам за тот же период, то есть критерий технико-экономической эффективности имеет безразмерный вид. Все затратные составляющие критерия технико-экономической эффективности полностью определяются значениями термодинамических, расходных и конструктивных параметров, параметров вида технологической схемы энергоблока, а также значениями внешних влияющих факторов на основе аналитических зависимостей.

Произведена вероятностная оценка критерия технико-экономической эффективности.

В диссертационной работе предложены определяющие принципы и сущность математического подхода, на основе которого разработан алгоритм инженерных расчетов для предварительной термической подготовки топлива.

Предложенные методики реализованы в вычислительном компьютерном комплексе, имитирующем работу экологически перспективного энерготехнологического блока ТЭС.

В третьей главе проведено исследование экологически перспективного паротурбинного энергоблока ТЭЦ с термической подготовкой топлива в ТЦП. На основе разработанной методики термоподготовки угля получены расчетные зависимости по составу газовзвеси, которые хорошо согласуются с экспериментальными данными опубликованными другими авторами. Исследование ТЦП как элемента технологической схемы энергоблока проведено путем расчетных экспериментов для теплофикационных блоков различной мощности. В результате получены параметры всех рабочих сред и конструктивно-компоновочные характеристики ТЦП. На основе результатов расчетов впервые разработана конструкция предтопка. Показана перспективность технологии в рамках реконструкции действующих топливоиспользующих установок в силу ее простоты и дешевизны.

Исследование перспективных теплофикационных энергоблоков проводилось путем расчетных экспериментов повариантно для блоков различной мощности стандартных типоразмеров. На основе расчетов показано, что энергоблоки с предварительной термической подготовкой топлива эффективнее, чем традиционные блоки с системами серо- и азотоподавления.

В четвертой главе исследовано влияние системных факторов на профиль энергоблока и оценена устойчивость оптимальных решений при изменяющейся экологической обстановке в зоне функционирования. Влияние ввода блока в энергосистему исследовалось путем изменения количества вводимых энергоблоков. Расчетные эксперименты показали, что термоподготовка топлива в составе теплофикационного энергоблока эффективна для энергосистем практически любой мощности. Показано влияние коэффициента резерва и коэффициента готовности на возможности использования энергоблоков на ТЭЦ. Исследована работа теплофикационного блока с термоподготовкой на переменных режимах, при этом показано, что при снижении нагрузки, регулирование топочного процесса осуществляется уменьшением расхода рабочего топлива при неизменном режиме инициирующего факела.

Оценка экономической и энергетической устойчивости оптимальных решений для теплофикационных блоков с термоподготовкой была проведена путем серии расчетных экспериментов в условиях изменения фоновой загазованности атмосферы от 0,4 до 0,8 ПДК. Расчеты показывают, что оптимальные начальные параметры пара для энергоблоков практически не изменяются. Незначительно изменяется и степень газификации рабочего топлива. Это говорит об устойчивости оптимальных значений параметров как для процесса термоподготовки, так и термодинамического цикла. В то же время, даже при двукратном увеличении индекса загрязнений атмосферы, снижение эффективности энергоблока не превышает 6%, что говорит об устойчивости оптимальных решений для принятой технологической схемы энерготехнологического блока с термоподготовкой угля.

Таким образом, в диссертационной работе разработаны теоретические положения и методика технико-экономической оптимизации экологически перспективных энергоблоков ТЭЦ как с предварительной термической подготовкой угля, так и с традиционными системами подавления вредных веществ, комплексно учитывающая затраты, связанные с обеспечением заданной надежности энергоснабжения, режимы работы в энергосистеме, готовность к несению нагрузки, затраты в экологическую, социальную и производственную инфраструктуры при неопределенности исходных данных и использовании безразмерного вероятностного критерия технико-экономической эффективности.

Выполнены вероятностные системные исследования теплофикационных энергоблоков с новой технологией термоподготовки угля в термоциклонном предтопке (ТЦП), позволяющие разработать и сформулировать рекомендации по их применению на ТЭЦ, оптимальным схемам и параметрам. Показана перспективность технологии как для вновь проектируемых, так и для действующих топливоиспользующих установок при термической подготовке разных марок углей.

На основе проведенных расчетных экспериментов выбрано экологически перспективное направление развития ТЭЦ на канско-ачинских углях в современных экономических условиях на базе применения теплофикационных энергоблоков с новой технологией термической подготовки угля и разработаны рекомендации по оптимальным параметрам и профилю таких энергоблоков.

В приложениях представлена дополнительная информация по конструк-тивно-компоновочным характеристикам ТЦП (приложение 1) и исходным данным (приложение 2). Приложение 3 содержит акты о внедрении результатов диссертационной работы.

Основные положения и результаты диссертации опубликованы в двенадцати печатных изданиях.