автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Анализ энергетической эффективности угольного топливного цикла котельных промпредприятий

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕКСТИЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ имени А: Н. Косыгина

На правах рукописи Никитина. Елена Александровна УДК 621.182.003.13:662.66(043.3)

АНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ УГОЛЬНОГО ТОПЛИВНОГО ЦИКЛА КОТЕЛЬНЫХ ПРОМНРЕДПРИЯТИЙ

Специальность; 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор Охотин A.C.

Москва - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ

4

ГЛАВА I. АНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЦЕНТРАЛИЗОВАННЫХ КОТЕЛЬНЫХ И ТЭС, РАБОТАЮЩИХ НА УГОЛЬНОМ ТОПЛИВЕ.

1.1. Общая методика определения параметров и критериев эффективности различных фаз технологических процессов получения энергии........................................9

1.2. Структура производства энергетической продукции на основе угольного топлива...................................18

1.3. Понятие Угольного Топливного Цикла. Оценка энергетической эффективности использования угольного топлива на

1.4. Результаты расчетов энергетической эффективности технологий производства энергии на ТЭС и промышленных

ГЛАВА II. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ УГОЛЬНОГО ТОПЛИВА.

2.1. Анализ уравнений полного горения угольного топлива . . .41

2.2. Математическая модель систем управления угольным

ТЭС

25

котельных на основе угольного топлива.

30

факелом

63

ВЫВОДЫ

86

ЛИТЕРАТУРА......................................88

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1.......................................95

Приложение 2.......................................102

з

ВВЕДЕНИЕ

По мере развития современного общества растут его потребности в энергетической продукции. Проблема обеспеченности энергетическими ресурсами стала актуальной как для каждого государства в отдельности, так и для планеты в целом.

По мере изучения основных проблем энергетики и охраны окружающей среды, все более становится очевидным, что их невозможно понять и тем более решить изолированно друг от друга. И только комплексный подход к народному хозяйству позволит добиваться прогресса в охране окружающей среды, не снижая производства ресурсов, необходимых для экономического развития.

В качестве основного критерия сравнения различных технологий получения энергии как от традиционных источников энергии на органическом топливе так и от новых в мировой и отечественной практике часто используют экономический критерий типа приведенные или расчетные затраты на производство энергии [7].

Однако практика использования этого критерия показала и определенную ограниченность использования чисто экономического подхода.

Кроме энергетических ресурсов энергетические технологии потребляют и много других природных материалов: металлы, строительные и химические материалы, природные запасы которых также ограничены и дефицит которых в будущем может стать препятствием в развитии технологии.

Соизмерение энергозатрат с получаемой полезной энергией с целью поиска новых технологических решений требует использования в практике энерго-экологического анализа единых методологии и методов расчета и оценки энергозатрат.

Существенным является проведение комплексного анализа методов оценки энергетической эффективности при производстве энергии на основе угольного топлива.

При этом всегда нужно иметь в виду и обеспечение максимальной экологической направленности процесса горения угольного топлива.

Работы, направленные на снижение выбросов вредных веществ тепловых электростанций и котельных промпредприятий (дающих более одной трети общего валового выброса) [20], показали, что эти вещества можно классифицировать на две группы. К первой относятся вещества, количество которых определяется, в основном, составом топлива (оксид серы IV), летучая зола, токсичные примеси, содержащиеся в золе, соединения ванадия. Во вторую группу входят вещества, образование которых в основном зависит от технологии, в том числе от режимов сжигания топлива (оксида азота, оксид углерода(П), канцерогенные вещества). В существующих схемах автоматического регулирования процессов горения сигналом служит обычно концентрация кислорода. Неравномерность распределения кислорода по сечению газохода, зависимость этого распределения от нагрузки, а также инерционность приборов снижают достоверность этого сигнала. Поэтому внедрение средств, контролирующих вредные вещества второй группы, позволит достигнуть

оптимальности режимов горения и экономить топливо при одновременном снижении выбросов в атмосферу [3].

Представляется возможным выделить группу компонентов, связанных со сжиганием ископаемого топлива: угля, нефтепродуктов и газа на тепло- и электроэнергетических и других промышленных предприятиях, на транспортных средствах. Реально топливо не сгорает полностью, поэтому в выбросах присутствуют компоненты-загрязнители. К ним относят оксид углерода (II) СО или угарный газ, оксид углерода (IV) СО2. Из оксидов серы в атмосфере присутствуют в основном оксид серы (IV) Б02 и оксид серы (VI) БОз. Оксид азота (II) N0 и оксид азота (IV) N02 являются главными загрязнителями воздуха, причем в продуктах сгорания при высоких температурах значительно больше N0, чем N02.

В процессе эксплуатации котельных агрегатов наряду со стабилизацией ряда технологических параметров целесообразно вести процесс сжигания топлива таким образом, чтобы факел равномерно заполнял топку. Это обеспечивает одинаковый нагрев стенок топки, и как следствие этого - отсутствие повышенного шлакования экранных труб, возможного при местных перегревах.

На основе анализа технологических процессов в котельном агрегате с тангенциальным расположением горелок в предположении возможности постоянного измерения температуры стенок топочной камеры рассматриваются вопросы разработки системы управления положением факела в топке котла с вихревым способом сжигания угольного топлива.

С учетом сказанного в работе рассмотрено математическое описание обеспечения оптимальных энергоэкологических режимов процесса горения угольного топлива. Оно может быть реализовано

на стандартных управляющих устройствах, применяемых при эксплуатации котельных агрегатов.

Цель работы. Целью работы являлось разработка аналитических методов определения основных характеристик процессов горения угольного топлива в котельных промпредприятий, экологически оптимальных характеристик уходящих газов, методов управления факелом топки, а также энергетических характеристик угольного топливного цикла.

Научная новизна работы состоит в том, что разработана методика расчета энергетической эффективности угольного топливного цикла для котельных промпредприятий и ТЭС. Рассчитаны энергетические затраты и энергетические отношения для котельных промпредприятий и ТЭС. Разработана математическая модель процессов горения угольного топлива. Предложена система управления угольным факелом в топке котлоагрегата.

Практическая ценность состоит в определении превалирующей доли затрат энергии в потерях на собственные нужды как в котельных промпредприятий, так и на ТЭС. Дан расчетный метод контроля состава продуктов сгорания, коэффициента избытка воздуха и химической неполноты сгорания для угольного факела. Разработана математическая модель управления угольным факелом топки и предложена структурная схема его автоматического регулирования.

Апробация работы. Результаты, полученные в ходе выполнения данной работы, докладывались на научно-практических конференциях и конференциях профессорско-преподавательского состава МГТА им. А.Н. Косыгина, проходивших в 1995 - 1998 годах.

Содержание работы. Диссертация состоит из введения, двух глав и приложения.

В первой главе изложена общая методика определения параметров эффективности различных этапов технологических цепочек. Рассмотрен угольный топливный цикл.

Во второй главе рассмотрены материальный баланс процессов горения и уравнение процесса горения. Изложены приближенное математическое описание переменных и математическая модель системы управления симметрированием температуры стенок топки котла.

В приложениях к диссертации приведены программы расчета энергетических затрат на встроенном в EXCEL-5 языке VISUAL BASIC, дана программная реализация системы анализа Угольного Топливного Цикла.

Публикации. По вопросам, связанным с данной работой имеются публикации:

1. Ковальчук А.Б., Никитина Е.А., Соколовский Р.И. ПРЕПРИНТ Энергетическая эффективность угольного топливного цикла. -М.ИНКРУ, 1996г.

2. Соколовский Р.И., Никитина Е.А. Энергетическая эффективность угольного топливного цикла. - Материалы научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов, М.:МГТА им. АН. Косыгина, 1996 г. - с. 69-71

3. Галузо A.B., Никитина Е.А. Энергетическая эффективность ТЭС и централизованных котельных Центрального региона России. -Межвузовский сборник научных трудов "Теплофизические вопросы энергосбережения", М.: МГТАим. А.Н. Косыгина, 1998г., с.90-99

ГЛАВА I. АНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЦЕНТРАЛИЗОВАННЫХ КОТЕЛЬНЫХ И ТЭС, РАБОТАЮЩИХ

НА УГОЛЬНОМ ТОПЛИВЕ.

1.1. Общая методика определения параметров и критериев эффективности различных фаз технологических процессов

получения энергии.

Создание систем, производящих энергию, требует значительного количество труда, дорогостоящих материалов, а также непосредственно энергии, затрачиваемой как на строительство так и на эксплуатацию не только энергетических установок, но и на систему предприятий топливного цикла. В результате количество располагаемой энергии существенно уменьшается. По мере приближения к стадиям конечного потребления в продукции аккумулируются полные затраты энергии предшествующих стадий ее производства. В результате количество располагаемой энергии существенно уменьшается. Сопоставление добытой и затраченной на добычу энергий наряду с мощностью месторождения является той основой, на базе которой возникают количественные оценки как используемых, так и вновь вводимых технологий.

Для решаемых нами задач важно, что тем выше энергетическая окупаемость прогнозируемых конечных результатов, тем выше эффективность вариантов технологического развития с точки зрения рационального природоиспользования.

Так, эффективность использования метода и технологии повышения отдачи угольных пластов зависит от геолого-

физических, экономических, социальных условий (цены, дефицит и др.). Принятие решений о выборе технологий разработки конкретного месторождения должно основываться на детальном исследовании процессов его освоения с учетом потребления первичных ресурсов, экологических и социально-экономических последствий принятых решений. В противном случае существует высокий риск нарушения экологического баланса, получения малого энергетического эффекта и возможности экономического ущерба.

Прирост добычи угля, обеспечивающийся применением рассматриваемой технологии должен компенсировать как экономические издержки (капитальные и эксплуатационные затраты), так и использование ограниченных природных, материально-технических и трудовых ресурсов.

Энергетический и экологический анализы угольных технологий совместно с экономическими позволяют сформировать объективную оценку технологии.

Основным признаком доминирования ресурсосберегающих тенденций при оценке технологии являются, прежде всего, динамика показателей энергоемкости и энергетической эффективности. При этом следует иметь в виду, что с увеличением горизонта прогнозирования показателей качества технологии роль энергоэкологических характеристик будет только возрастать.

Адекватным ответственности и сложности решаемых задач технологического развития производства угля является комплексный энерго-экологический подход, который имеет опережающий характер при решении проблем, связанных с вопросами соизмерения затрат ресурсов и результатов производства при оценке и отборе перспективных технологий.

Методика оценки эффективности различных технологий основана на разбиении технологических цепочек на этапы применительно к существующей информации об удельных материальных затратах в натуральных показателях. Совокупность натуральных показателей разбивается на блоки, адаптированные к существующим технологическим процессам. В информационной базе содержатся данные о материальных показателях, характеризующих анализируемые технологии в энергетическом отношении, что позволяет анализировать энергоемкость технологий. Критерием энергетической эффективности служит минимизация затрат (прямых и косвенных) энергии, затрачиваемой при производстве энергии за весь технологический цикл.

Развиваемый метод энергетического анализа опирается на средние статистические данные по удельной энергоемкости промышленной продукции, электрической и тепловой энергии, а также данные по обеспеченности трудовых ресурсов жильем, инфраструктурой и т.п.

Расчет полных затрат энергии, затраченной на получение энергетической продукции (электроэнергии и тепла), основан на определении связей между потоками материальных ресурсов, технологиями и энергетическими затратами, позволяющими учесть изменения эффективности технологической цепочки в результате динамики производственной системы и влияния научно-технического прогресса.

Методика предусматривает расчет полных энергозатрат на производство каждого представленного в производственно-технологической цепочке продукта.

и

Расчеты построены по иерархическому принципу от геологической разведки сырья до получения конечной продукции (электроэнергии и тепла), включая утилизацию отходов.

Методика определения энергетических затрат на каждом этапе технологического процесса определяет структуру аналитического блока.

Полные затраты энергии включают:

- прямой расход энергии на данном этапе производства;

- полные затраты энергии на материалы и ресурсы, потребляемые на данном этапе производства;

- расход энергии на прочие нужды (вспомогательный транспорт, освещение, отопление и т.п.);

- косвенные затраты, включающие полные затраты энергии на создание основных производственных фондов.

Порядок расчета прямых затрат энергии состоит в следующем:

- составляется описание технологических процессов производства продукции, которая включает объем производства продукции и структуру производства продукции по технико-технологическим решениям;

- определяется удельный и полный расход ресурсов на выпускаемую продукцию в натуральном выражении;

- определяется удельный и полный расход ресурсов на выпускаемую продукцию в энергетическом выражении.

При формировании агрегированных технологий учитывается с одной стороны возможность их информационного обеспечения, а с другой - возможность использования их для оценки влияния на энергопотребление технологических структурных изменений и изменения удельных расходов энергии от совершенствования

технологических процессов и технических средств. В результате расчета прямых затрат определяются полный и удельный расходы энергии на технологические процессы, обеспечивающие добычу и утилизацию энергетического сырья.

В основу проводимых расчетов положены формулы, описывающие производство электрической и тепловой энергии на ТЭС и тепловой энергии на централизованных котельных, их потребности в органическом топливе. Количество отпущенной ТЭС в сеть за год электроэнергии (кВт*ч/год) рассчитывается по следующей формуле [49]:

где N - установленная электрическая мощность ТЭС (брутто) в кВт, к - коэффициент расхода энергии на собственные нужды, кш -среднегодовой коэффициент использования установленной мощности (КИМ). Годовая потребность в органическом топливе в натуральном исчислении (т/год) исчисляется по формуле:

где М - средний удельный расход условного топлива на 1кВт*ч отпущенной в сеть электроэнергии в кг у.т./(кВт*ч); q - коэффициент относительной калорийности условного топлива по сравнению с натуральным (для малосернистого мазута д = 0,74, для бурого подмосковного угля q = 2,8). Формулы (1.1.1) и (1.1.2) не учитывают ряд факторов, которые повышают расход топлива и понижают

\\ = 1Ч*(1 - к)*8760*кт,

(1.1.1)

о = ЧУ*М*я/1000,

(1.1.2)

выработку электрической энергии на данной конкретной ТЭС. К ним относятся: нестабильность качества применяемого топлива, эксплуатация на переменных и нерасчетных режимах, работа на пониженной мощности и т.д. Схема расчета ТЭЦ использует значения установленной электрической и тепловой мощностей. Из установленной тепловой мощности 2/3 приходится на водогрейные котлы, работающие в холодные дни года, поэтому необходимо задать число часов работы на установленной мощности как при производстве электроэнергии (например, 5500) так и тепла (например, 4500).

Введем соответствующие