автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Анализ и структурно-параметрическая оптимизация энергоисточников в централизованных системах теплоснабжения

БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

УДК 621.165:621.182:697.4

РГб од

^ Г?У>! * "О

СЕДНИН Алексей Владимирович

АНАЛИЗ И СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ЭНЕРГОИСТОЧНИКОВ В ЦЕНТРАЛИЗОВАННЫХ СИСТЕМАХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

05.14.14-Тепловые электрические станции (тепловая часть)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск 2000

Работа выполнена на кафедре "Тепловые электрические станции" Белорусской государственной политехнической академии.

Научный руководитель кандидат технических наук,

доцент Балабанович В.К.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Лауреат государственной премии Республики Беларусь, Несенчук А.П.

кандидат технических наук, Брушкоа A.M.

Оппонирующая организация РУП БелНИПИэнергопром.

Защита состоится " декабря 2000 г. в 14-00 часов на заседании совета по защите диссертаций Д 02.05.01 при Белорусской государственной политехнической академии: 220027, г. Минск, пр. Ф. Скорины, 65, корп. 2, к.201, тел. 2-399-145.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусской государственной политехнической академии.

Автореферат разослан " ноября 2000 г.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций, кандидат технических наук, доцент

Н.Б, Карницкий

©Седнин А.В., 2000

I - 0А1. Г)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации.

Актуальность темы диссертационной работы определяется местом и ролью систем централизованного теплоснабжения (СЦТ) в национальном хозяйстве страны. В условиях практического отсутствия собственных топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) в республике на первое место выдвигаются вопросы энергосбережения, которые должны решаться таким образом, чтобы снижение потребления ТЭР не сказывалось на функционировании всех отраслей экономики, обеспечении производства конкурентоспособной продукции и повышении жизненного уровня населения. В этом плане организационно-технические мероприятия, позволяющие решать задачи повышения эффективности работы теплоисточников СЦТ, являются своевременными и экономически выгодными.

Современное состояние теплоэнергетики Республики Беларусь требует применения технических решений, направленных на повышение энергетической эффективности, в первую очередь, существующего оборудования энергосистемы, в т.ч. теплоисточников и тепловых сетей. Поэтому решение вопросов модернизации энергогенерирующего оборудования, оптимизации режимов ра-эоты систем теплоснабжения, является крайне актуальным.

Связь работы с крупным» научными программам», темами.

Задачи, решаемые в данной диссертационной работе, соответствуют основным направлениям энергетической политики Республики Беларусь на 2001->005 годы и на период до 2010 года в области развития электроэнергетики и основным организационно-экономическим направлениям в области энергосбе->ежения. Внедрение результатов работы осуществлялось в рамках региональ-1ых программ "Энергосбережение" г. Минска и Гродненской области в 1-997->000 гг.

Цель и задачи исследования.

Цель работы заключается в научном обосновании технических решений ювышения надежности и эффективности функционирования основного тепло-еиерирующего оборудования теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) - теплофикацион-[ых паротурбинных установок (ТПТУ), котельных и тепловых подстанций сис-ем централизованного теплоснабжения.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены и ешены следующие задачи:

- провести анализ режимов работы ТПГУ на примере турбины ПТ-60-130/13 в условиях, сложившихся в последние годы в белорусской энергосистеме, и оптимизацию низко-потенциальной части (НПЧ) турбоустановки на режимах работы с минимальными пропусками пара в конденсатор: разработать техническое предложение перевода турбины на ухудшенный вакуум;

- разработать аналитический метод аналнза и синтеза схем регенерации для ТПТУ с учетом многоступенчатого подогрева питательной воды и наличия конденсационной выработки электроэнергии;

- провести анализ и оптимизацию режимов работы и схемных решений для теплоисточников систем централизованного теплоснабжения в условиях массового внедрения средств автоматизации У потребителей теплоты.

Объект и предмет исследования.

Объектом исследования в работе являются элементы С ЦТ: ТПТУ, водогрейные котельные, тепловые подстанции-. Предметом исследования - структурные схемы и режимы работы объекта исследования.

Научная новизна и значимость полученных результатов.

1. На основании исследований режимов работы турбоустановки ГГГ-60-130/13 проведен сравнительный анализ известных и предложенных впервые технических решений по переводу ее на ухудшенный вакуум. Показан выбор оптимального решения для условий Гродненской ТЭЦ-2.

2. Получил дальнейшее развитие аналитический метод определения теоретически оптимальной температуры питательной воды для ТПТУ с многоступенчатой регенерацией и наличием конденсационной выработки электроэнергии. Показана возможность его применения для синтеза новых схем рег енерации ТПТУ, в том числе для схем с дубль-регенерацией.

3. Получили дальнейшее развитие основные принципы автоматического регулирования процессов на тепловых подстанциях. Впервые реализован метод управления отпуском теплоты на отопление по двум возмущениям: температуре и перепаду давления сетевой воды в контуре отопления.

4. Получены оригинальные результаты промышленного эксперимента на действующей системе теплоснабжения, анализ которых позволил предложить подходы к оптимизации режимов совместной работы теплоисточников с автоматизированными тепловыми подстанциями с применением количественно-качественного метода регулирования отпуска теплоты, аккумуляции теплоты в тепловых сетях, а также технические решения повышающие маневренность оборудования теплоисточников.

5. На основании аналитического исследования определена оптимальная структура водогрейной котельной при работе по количественному методу регулирования отпуска теплоты и критерию минимума затрат топлива на выработку и транспорт тепловой энергии.

Практическая и экономическая значимость.

Практическая и экономическая значимость результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в возможности их использования для научного обоснования технических решений при модернизации ТПТУ и оптимизации режимов их работы в зависимости от конкретных условий, диктуемых внешними системами и' обеспечивающих экономию топлива. Полученные структурные решения по организации оптимальных технологических перетоков в схемах водогрейных котельных по критерию минимизации расхода топлива на производство п транспорт тепловой энергии и предложенные технологические решения по организации управления тепловыми сетями в условиях оснащения потребителей средствами автоматизации реализованы при разработке и создании АСУ ТП теплоснабжением. Анализ и структурно-параметрическая оптимизация энергоисточников СЦТ позволили выявить основные резервы повышения эффективности их работы. Для ТПТУ они составляют 5-8%, для водогрейных котельных и тепловых подстанций 12-18%.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту. -

На защиту выносятся:

1. Методика и результаты теоретического исследования по переводу тур-эоустановки ПТ-60-130/13 на ухудшенный вакуум.

2. Новые подходы к формированию систем регенерации реконструируемых и новых ТПТУ, отличающихся многоступенчатым (более двух ступеней) "юдогревом сетевой воды и дубль-регенерацией.

3. Результаты натурного эксперимента и новые технологические решения п управлении элементами централизованных систем теплоснабжения с примене-шем, прямого цифрового регулирования тепловыми режимами и гидравличе-:кими процессами.

Личный вклад соискателя. .

Личный вклад соискателя состоит в постановке задач исследования, разра-ютке методик и программ численного анализа и оптимизации режимов работы I структурных схем модернизации ТПТУ, структурных схем водогрейных ко-ельных СЦТ, проведении натурного эксперимента, анализе экспериментальных данных и внедрении в проектную Документацию и на действующем обору-[овании научно-практических рекомендаций и технических решений.

Автор защищает:

методику и программу анализа работы тепловой схемы и части низкого давления (ЧНД) турбины ПТ-60-130/13 и параметры режимов их работы с ухудшенным вакуумом;

результаты анализа работы схемы регенерации ТГ1ТУ по критерию максимума выработки электроэнергии на тепловом потреблении с учетом многоступенчатого подогрева сетевой воды, наличия конденсационной выработки и дубльфегенерации;

результаты промышленного эксперимента на системе теплоснабжения от котельной УП "Минсккомуннтеплосеть" по ул. Купревнча, 30;

технические решения по повышению эффективности и надежности работы теплогенерирующего оборудования при установке.средств автоматического регулирования у потребителей теплоты.

Сведения о практическом использовании.

1. Полученные автором результаты исследований были использованы при создании и внедрении АСУ ТП тепловыми сетями УП "Минсккоммунтепло-сеть" и Волковыского ПОК и ТС.

2. Результаты исследований режимов работы системы теплоснабжения котельной "Купревича, 30" при автоматизации центральных тепловых пунктов (ЦТП) использованы в работах БелНИПИэнергопрома "Исследование, режимов работы систем теплоснабжения города Минска", выполняемые по заказу концерна "Белэнерго".

3. Результаты исследований по модернизации турбины ПТ-60-¡30/13 рассмотрены ПО "Гродноэнерго" и рекомендованы для использования при реконструкции энергогенерирующего оборудования Гродненской ТЭЦ-2.

Апробация результатов диссертации.

Основные положения диссертационной работы докладывались на 52, 53, 54-й международных научно-технических конференциях профессоров, преподавателей, научных работников, аспирантов и студентов БГПА (Минск, 1997, 1998, 2000 гг.), на IV республиканской научной конференции студентов и аспирантов Республики Беларусь (Гродно, 1998 г.), республиканском научно-практическом семинаре по инженерному обеспечению и благоустройству малых городов (Гродно, 1998 г.), республиканской научно-практической конференции по инженерному обеспечению городов (Минск, 1999 г.); международной конференции "Энергоэффективные технологии и возобновляемые источники энергии" (Минск, 1999 г.), X конференции стран СНГ с международным участием "Проблемы экологии и эксплуатации объектов энергетики" (Севасго-

поль, 2000 г.), международной конференции "Региональные проблемы энергосбережения в децентрализованной теплоэнергетике" (Киев, 2000 г.).

Опублнковаиность результатов.

Основные положения диссертации опубликованы в 9 работах, в том числе в 4 статьях в научных журналах, 5 тезисах докладов и-выступлений на конференциях. Четыре работы написаны самостоятельно. Общий объем опубликованных материалов - 30 е., в том числе без соавторов 14 с.

Структура к объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, четырех глав, заключения,, списка использованных источников и приложений. Полный объем диссертации - 161 страница. Всего иллюстраций-43; таблиц- 16. Объем, приложений — 18 страниц. Список использованных источников состоит из 135 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проведения исследований и разработки технических решений в области оптимизации схем и режимов работы существующих энергетических объектов и их модернизации.

В первой главе представлен литературный обзор и анализ основных тенденций повышения эффективности работы теплогенерирующего оборудования в действующих системах централизованного теплоснабжения.

Вторая глава посвящена совершенствованию схем и режимов работы ТПТУ. В качестве объекта исследований была выбрана турбоустановка ПТ-60-130/13 - одна из крупносерийных машин, которых только на белорусских ТЭЦ насчитывается около полутора десятков. Для анализа экономичности работы ТПТУ были составлены алгоритм и компьютерная программа, позволяющая" рассчитывать параметры вариантов тепловой схемы при любых режимах ее работы. Для повышения точности расчетов было произведено условное разделение цикла на "чисто теплофикационный" и "чисто конденсационный", что позволило отказаться от использования менее точного метода условного отбора, а также составлен отдельный модуль, позволяющий определить экономичность ЧНД на переменных режимах ее работы. Расчеты, произведенные для широкого диапазона режимов работы турбоустановки, показали следующие недостатки в работе ТПТУ: низкую экономичность выработки электроэнергии паром конденсационного пропуска на режимах с полностью закрытой поворотной диафрагмой ЧНД (0,42-0,47 т у.т./МВт-ч); неэффективную работу системы регене-

рации, особенно при отсутствии потребителя пара производственного (П) отбора; в работе НПЧ турбины, величина потерь в которой составляет, в зависимости от температуры сетевой воды 5-10 МВт, потребление мощности .практически на всех режимах 30 ступенью ЧНД.

Для улучшения работы системы регенерации при работе турбины без потребителя пара П-отбора рекомендованы перевод отбора пара на деаэратор с 3 на 4 регенеративный отбор, а также использование струйного компрессора для снижения потерь теплоты с дросселированием пара. Это позволяет повысить экономичность работы турбоустановки на 2-3%.

Одним из решений по устранению потерь теплоты с потоком, рециркуляции конденсата и улучшением работы ступеней ЧНД.является перевод турбины на ухудшенный вакуум. На первом эгапе исследования рассматривалась модернизация ЧНД турбины с организацией двухступенчатого подогрева сетевой воды в конденсаторе и сетевом подогревателе со свободным распределением пара между ними. Для этого были рассчитаны четыре различных варианта тепловой схемы, представленные на рис.1: а- вариант 1 (исходная проточная ЧНД); б -вариант 2 (удалена 30 ступень); в - вариант 3 (удалены 29 и 30 ступени); г - вариант 4 (удалена 30 ступень, отбор на верхний сетевой подогреватель выполнен за 27 ступенью). Анализ полученных результатов для вариантов 1-3 показал, что организация двухступенчатого подогрева сетевой воды в конденсаторе и сетевом подогревателе, основанная на использовании свободного парораспределения, может иметь место только при расходах сетевой воды менее 555 кг/с. •При расходах сетевой воды свыше 555 кг/с подобная модернизация турбоустановки ПТ-60-130/13 не улучшит экономичность и не обеспечит надежность работы турбины по следующим причинам:

практически на всех режимах работы давление за 26 ступенью находится на уровне менее 0,7 бар - минимально допустимого заводом-изготовителем (ЛМЗ). Это объясняется малым сопротивлением ЧНД вследствие повышенных расходов сетевой воды. Расход пара в ЧНД при этом для большинства режимов составляет всего около 5,5-11,1 кг/с, что практически соответствует расходу вентиляционного пропуска (рис.2). Естественно, ЧНД при таком расходе будет работать с КПД близким к нулевому, что делает нецелесообразным двухступенчатый подогрев сетевой воды.

Для варианта 4 характерно относительно благоприятное распределение подогрева воды по ступеням. Однако при его практической реализации могут

чнд й

рг, ¿"'"'"'д.., и

в систему "в систему

регенерации регенерации

Рис. 1. Схемы модернизации ЧНД турбины ПТ-60-130/13

607 • 702 797

Расход сетевой воды

5ис. 2. Зависимость расходов пара в конденсатор и сетевой подогреватель >т расхода и температуры обратной сетевой воды для вариантов 1-3; «сход пира в конденсатор; — - расход пара в сетевой подогреватель

возникнуть трудности с организацией отбора за 27 ступенью. Кроме того, на некоторых режимах работы давление за 29 ступенью находится в пределах 0,35-0,6 бар (при расчетном 0,167 бар), что существенно уменьшит приходящийся на ЧНД теплоперепад, а следовательно, и ухудшит работу 29 ступени.

Поднять давление можно двумя способами: частичным прикрытием поворотной диафрагмы, при котором неизбежны потери пара с дросселированием,» выполнением частичного обвода сетевого подогревателя по сетевой воде. Последнее естественным образом поднимает давление в камере верхнего отопительного отбора до уровня, обеспечивающего безопасную работу 26 ступени. Данный способ, называемый режимом работы с естественным повышением давления (ЕПД), Широко применяется на станциях при ночных разгрузках блоков, для увеличения давления в Т-отборе.

Расчет режимов работы модернизированной ЧНД для данной схемы производился по двум вариантам: вариант 5 (ЧНД турбины состоит из 27-29 ступеней), вариант 6 (ЧНД турбины состоит из 27-28 ступеней). При этом температура обратной сетевой воды изменялась от 40 до 54 °С, расход - от 555 до 971 кг/с. Расход пара в ЧСД принимался равным 47,2 кг/с, что соответствует егс расчетному режиму. На всех режимах расход пара в конденсатор составил око ло 16,7 кг/с - расход, при котором давление в камере верхнего теплофикацион ного отбора (за 26 ступенью) находится на уровне минимально допустимого (0,7 бар). Для варианта 5 актуальной является работа 29 ступени. На режимах < высокой температурой- обратной сетевой воды при ее расходах 555 - 694 кг/< ступень 29 работает с отрицательным КПД. При расходе сетевой воды, равно». 972 кг/с и более, 29 ступень будет работать с положительным КПД, вследствш меньшего нагрева сетевой воды в нижней ступени - конденсаторе.

Важным представляется анализ изменения мощности ЧНД, кривые кото рой для обоих вариантов, в зависимости от расхода пара в ЧНД и температурь обратной сетевой воды, показаны на рис.3. Видно, что при высокой температу ре сетевой воды (зимнее время года) мощность ЧНД в варианте 6 больше. Эт объясняется уже упомянутым ухудшением работы 29 ступени, характерны! для варианта 5. При низкой температуре сетевой воды (осень, весна) мощност будет больше уже в варианте 5, так как 29 ступень работает с положительны! КПД. .

Из вышеизложенного видна сильная зависимость надежности работы сту пеней 26,29 и ЧНД в целом от расходов сетевой воды, причем она не является

однозначной. Поэтому при переводе турбины на ухудшенный вакуум должна быть обеспечена схема, позволяющая реализояывать оба режима (варианты 5,6).

Расход пара в ЧНД ""

Рис. 3. Зависимость мощности ЧНД (варианты 5,6) от расхода пара в конденсатор и температуры обратной сетевой воды: — - вариант 5;.....вариант б

Такая возможность реализована в проекте перевода на ухудшенный вакуум одной из турбин ПТ-60-130/13 Гродненской ТЭЦ-2. Выполнение такой реконструкции позволяет получить годовую экономию условного топлива около 4300 т у.т.

В третьей главе представлены результаты исследования системы регенерации ТПТУ. Условием оптимума температуры питательной воды ТПТУ при неизменном количестве теплоты, отдаваемом внешнему потребителю, является максимум удельной выработки на тепловом потреблении. Исследовались схемы теплофикационных ТПТУ с двумя ступенями регенерации. Основными величинами, определяющими величину температуры питательной воды и распределение ее подогрева по ступеням для ТПТУ, являются величина противодавления и значение количества теплоты, отдаваемой греющим паром п подогревателе qr. Равный подогрев воды по ступеням будет только в том случае, когда = <7,2. Для случая, когда ц,\ / 4,2 распределение подогрева будет отличаться от равного, причем его неличина зависит и от величины противодавления. Аналогичные результаты были получены для схемы с 5-ступенчатым подогревом сетевой воды. Расчеты, проведенные для поверхностных подогревателей,,показали, что тип подогревателей и схема их включения оказывают существенное

влияние на значение температуры питательной воды. Это объясняется как самим принципиальным различием между смешивающим и поверхностным типами подогревателей, так и разными расходами питательной воды через подогреватели. Поэтому закономерности, полученные для смешивающих подогревателей, не могут быть автоматически перенесены на схему с поверхностными. В реальных условиях в теплофикационной турбоустановке сочетается несколько потоков пара, один или несколько вырабатывают энергию по теплофикационному циклу, причем с различной величиной противодавления, другой - по конденсационному циклу. Его величина зависит от режима работы турбоустанов-ки. Теоретически оптимальная температура конденсационного цикла не совпадает с теплофикационным, так как она определятся из условия максимума внутреннего КПД турбоустановкя, и для простейшей схемы с одним регенеративным отбором находится из соотношения.

"пвК , ^ 1 >

Для ТПТУ - соответственно

Из выражений (1) и (2) следует, что значения температуры питательной воды для турбин типа К и Г не совпадают. Оптимальная температура питательной воды для схемы КТ может быть определена из выражения

а ("'* +а 1°'" ,<>!'' _ т ивТ _ к пвК /Л-.

'н«кт ~ .............. 1

ат+ак

где аг - доля пара в теплофикационный отбор; ак - доля пара в конденсатор.

Применение полученных результатов к исследованию тепловых схем существующих ТПТУ показало, что на определенных режимах точки отбора пара на регенерацию не являются оптимальными, что уменьшает выработку электроэнергии на тепловом потреблении на 2-3%.

Повысить эффективность системы регенерации ТПТУ позволяет схема с дубль-регенерацией ТПТУ (рис.4), установка подогрева сетевой воды которой состоит из 4 подогревателей, что позволит турбине работать в большем диапазоне температур сетевой воды, тогда как в настоящий момент нижний предел ограничивается значением 70 "С. Кроме этого, 4-стуленчатый подогрев сетевой воды и 14-ступенчатый регенеративный подогрев повышают выработку электроэнергии на тепловом потреблении до 5 - 7%, а соответственно, и экономич-

иость ТПТУ. Данная схема обладает большой гибкостью и позволяет варьировать величинами потоков пара в турбинах.

Дубль-регенерация может быть одинаково реализована как при реконструкции существующих, так и на вновь создаваемых ТПТУ. Функциональные возможности схемы могут быть легко реализованы на существующих ТЭЦ, например, для решения проблемы отсутствия теплового потребителя пара 13 бар на турбине Г1Т-60-130/13. В этом случае вся регенерация высокого давления осуществляется за счег пара из отборов турбины ПТ-60-130/13, что приводит к увеличению расхода свежего пара и, соответственно, повышению КПД турбины, а также к увеличению количества теплоты, отпускаемой из сетевых подогревателей турбиныТ-50-130/13. - •

коллектор свежего пэра

И

коллектор { питательной воды

'Ф

_ 3,4 _г

н- 2 _1

к ПВК_СН5

ми__' г-1

коллектор основного __конденсата,—'

Л?

] сн1

-0--

обратная сетевая вода

Рис. 4. Принципиальная схема ТПТУ с дубль-регенерацией

В четвертой главе проведена оптимизация схем и режимов работы теплоисточников с учетом автоматизации потребителей. Исследования проводились

применительно к реальному объекту: три полностью автоматизированных ЦТП, подключенных к районной котельной (РЮ) по ул. Купревича, 30 г. Минска. Основные функции автоматизированного ЦТП сводятся к следующему: регулирование температуры в контуре горячего водоснабжения (ГНС) по заданному суточному и недельному графику; поддержание требуемого давления в контуре водоснабжения; управление давлением в контуре отопления и температурой в зависимости от температуры наружного воздуха; контроль граничных значений технологических параметров ЦТП; выполнение необходимых технологических блокировок; коммерческий учет воды и энергии в контуре ГВС; коммерческий учет в контуре отопления; коммерческий учет энергии н расхода сетевой воды, получаемой от теплоисточника. Эксперимент проводился в период с августа 1999 г. по апрель 2000 г. Работа АСУ ТП РК позволила накопить и обобщить значительный экспериментальный материал, из которого следует необходимость упорядочения режимов работы котельной, особенно в летний и переходный период отопительного сезона, в который эффективной будет работа по количественному методу регулирования тепловой нагрузки.

При структурной, и параметрической оптимизации реконструируемых и модернизируемых водогрейных котельных по критерию минимума энергозатрат на производство и транспорт теплоты следует поддерживать режимы работы котлоагрегатов с максимальным КПД и выбирать схемы с минимальным расходом теплоты и электроэнергии на собственные нужды. На рис.5 представлены применяемые на практике схемы обвязки водогрейных котлов линиями 'рециркуляции и перепуска, основным отличием вариантов которых является место включения насосных групп. Для каждого из вариантов были рассмотрены системы уравнений, определяющие расход электроэнергии на привод сетевых и рециркуляционных насосов. Результаты расчетов показали, что при правильной организации работы насосов потребление электроэнергии на котельной можно снизить до 30-50%, при этом наиболее экономичной будет схема с установкой насосов на прямой сетевой воде (рис.5, вариант 3). Исследования по выбору алгоритма оптимального управления работой котла позволили обосновать основные режимные параметры, в частности, регулирование мощности котлозгрегата должно вестись по импульсу температуры прямой сетевой воды, с поддержанием минимально допустимой температуры теплоносителя на входе в котел (рис.6). При этом КПД котла будет максимальным, а расход электроэнергии на привод насосов минимальным.

__Вр,

1

О

ск,

С^, ' .—ч (Зк, /оЛ

Вариант 1

0| о

А

РН

I___________сь. Ьс

Вариант 3

_ <5.с, 1-*

й

¿1

О О I

рнф

е< | _I

Вариант 2

5-, /.г______б«., К _

! I

ВК|

I

П

и , рн | снг ,

Вариант 4

в, 1.2

Рис. 5. Варианты включения насосов в схему водогрейной котельной

Рис. 6. Диаграмма режимов работы водогрейного котла при количественном метоле регулирования тепловой нагрузки

Анализ работы СЦТ показал высокую эффективность перехода работы котельной на метод количественного регулирования тепловой нагрузки. В связи с этим были проведены теоретические исследования по выбору температуры прямой сетевой воды при центральном количественном регулировании. В качестве критерия оптимизации температуры прямой сетевой воды принимались затраты топлива на производство и транспорт тепловой энергии. В случае, когда в системе теплоснабжения источником теплоты является водогрейная котельная, вышеуказанный критерий состоит из следующих составляющих: расхода сжигаемого топлива в котле для производства теплоты (?кот, которая в свою очередь включает тепловую нагрузку потребителей Qm„, расхода теплоты на собственные нужды (?,„, теплопотери при транспорте тепловой энергии от теплоисточника к тепловому потребителю Qrp и расхода топлива, сжигаемого на электростанциях энергосистемы, для выработки электроэнергии , потребляемые на собственные нужды котельной Екот и для привода сетевых насосов котельной Етр. Величина расхода топлива на производство теплоты QK0T в этом случае составит:

ß =----+ "т +Е,И\ЬП, (л\

где Ь„ - удельный расход топлива на выработку и транспорт электрической энергии; Скт - расход сетевой воды; Г,1С, tac, tM - температура прямой сетевой воды, обратной и окружающей среды; к - коэффициент теплопередачи от труб теплотрассы к окружающей среде; F - поверхность теплотрассы; у - удельный объем сетевой воды на входе в насос; Ар - перепад давления на насосе; <у„р-низшая теплотворная способность топлива, используемого в котельной; )/ка, »;r„, t]„ - коэффициент полезного действия котлоагрегата, теплового потока и сетевого насоса соответственно. После преобразований (4)

в . £тп + gtH + ¿РСлс + '.с ~2ГН.) + Qm v&p ь + Е ь

При любой нагрузке котельной (3,„ обеспечить отпуск заданного количества теплоты можно изменением двух параметров: либо увеличением расхода сетевой воды с уменьшением разницы температур, либо наоборот.

Однако их произведение практически останется неизменным. Учитывая это, выражение (5) можно представить:

В = Л, + А2(гпс + гос -2,

^нс ^пе

4 0К+0

где А1 =

1 лН

р 1кл I [П

Таким образом, видно, что при постоянных температурах наружного воздуха и обратной сетевой воды и собственных нужд в тепловой и электроэнергии, второе и третье слагаемые будут изменяться в противофазе. С увеличением температуры прямой сетевой воды третье слагаемое будет уменьшаться, второе увеличиваться. Очевидно, что данный критерий зависит от величин, специфичных для конкретной системы теплоснабжения и конкретных условий эксплуатации. Поэтому нельзя рекомендовать единый оптимальный температурный график в рамках республики, отрасли или региона.

Для действующих СЦТ на выбор температуры теплоносителя существенное влияние оказывает также величина запаса поверхности теплообменников, установленных на ДТП. Это подтверждают и результаты эксплуатации тепловых сетей, из которых видно, что снижение температуры обратной сетевой воды помимо увеличения расхода теплоносителя приводит к уменьшению разности /Пс-*ос. Анализ работы СЦТ от РК показал, что только при запасе поверхности свыше 25% и проценте теплопотерь более 5%, снижение температуры прямой сетевой воды может привести к экономии топлива. Вышеприведенные расчеты должны учитываться при выборе температуры прямой сетевой воды, однако не следует забывать, что основным фактором, значительно снижающим надежность теплоснабжения, является наружная коррозия стальных подземных теплопроводов. Поэтому для РК при переходе на количественный график регулирования температура сетевой воды рекомендуется на уровне 80-90 °С.

Выполнены исследования возможности использования аккумулирующей способности теплосети для прохождения ночных провалов графика тепловых нагрузок, характерных при покрытии однородной нагрузки горячего водоснабжения в неотопительный период, а также когда мощность потребителей при пике нагрузки больше максимальной мощности котельной. Даны конкретные рекомендации для работы РК в ночное время суток при провале тепловой нагрузки.

Показано влияние автоматизации потребителей СЦТ на работу ТПТУ ТЭЦ и предложены способы увеличения регулировочного диапазона турбин ТЭЦ при использовании автоматизированных систем управления теплоснабжением.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ результатов чнсленного эксперимента работы турбины ПТ-60-130/13 показал, что основными составляющими повышения эффективности работы ТПТУ являются организационно-технические мероприятия по сокращению теплопотерь: в холодном источнике (3-5%), в системах регенеративного подогрева питательной воды (2-3%) и подогрева сетевой воды (0,5-1,5%). Приоритетным решением при модернизации турбоустановки ПТ-60-130/13 является перевод ее на ухудшенный вакуум, что позволит сэкономить до 4300 т у.т./год при работе турбины в отопительный период [1,2,9].

2. Разработаны новые технические решения но вовлечению основных резервов повышения эффективности ТПТУ, основу которых составляют: схема регенеративного подогрева питательной воды с переменным числом отборов пара (2-3%), схема 4-ступенчатого подогрева сетевой воды и схема с дубль-регенерацией (4-5%). В совокупности представленные технические решения позволили предложить схему прототипа ТПТУ нового поколения [3].

3. Проведенные численные исследования тепловых схем и режимов работы водогрейных котельных показали, что оптимальными по минимуму затрат электроэнергии являются схема с установкой сетевых насосов на прямой сетевой воде и организация алгоритма регулирования мощности котлоагрегата по импульсу температуры Прямой сетевой воды с поддержанием минимально допустимой температуры теплоносителя на входе в котел [4,7].

4. Натурным экспериментом и внедрением результатов работы при создании АСУ ТП теплоснабжением в гг. Минске а Волковыске подтверждены основные технические решения, разработанные для повышения эффективности функционирования СЦТ. Обоснована целесообразность применения количественно-качественного отпуска теплоты от теплоисточников, что позволит снизить энергозатраты на транспорт тепловой энергии на 20-40% при сопоставимых условиях. Параметры температурного графика для каждого теплоисточника должны выбираться индивидуально по критерию минимума затрат энср1ии ь системе теплоснабжения [4,6,7]. Оптимизация режимов управления производством, транспортом и распределением теплоты обеспечивает экономию топлива 12-18 % в год [6]. Конкретно внедрение системы управления на районной котельной УП "Минсккоммунтеплосеть" по ул. Купревича, 30 позволило сэкономить 862 ту.т. только за 5 месяцев отопительного периода 1999/2000 года при среднем годовом расходе топлива около 15 тыс. т у.т.

СПИСОК

опубликованных работ по теме диссертации

1. Седннн А.ЕЦБалабанович В.(С. Исследование режимов работы ЧНД турбины ПТ-60-130/13 в условиях современной ТЭЦ с целью ее реконструкции в Г1ТР 60-130/13/0,3 // Энергетика... (Изв. высш. учеб. заведений и эперг. объединений СНГ). - 1998.- №2,- С. 62-64.

2. Сединн A.B., Батабанович В.К. К переводу турбины ПТ-60-130/13 на ухудшенный вакуум со свободным распределением пара в НПЧ и частичным обводом по сетевой воде основного сетевого подогревателя // Энергетика... (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). - 2000.- №1,- С. 45-50.

3. Седнин A.B. К вопросу об определении оптимальной температуры питательной воды для теплофикационной паротурбинной установки // Энергетика... (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). - 2000,- №4,- С. 56-62.

4. Седнин A.B. К выбору схемы включения сетевых насосов водогрейной котельной // Энергетика,.. (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). - 2000.- №6,- С. 67-73.

5. Седнин A.B. Опыт применения многопетлеиых конструкций вспомогательных паровых и газовых турбин // Технические вузы - Республике : Материалы международной 52-й научно-технической конференции профессоров, преподавателей, научных работников, аспирантов и студентов БГПА / БГПА. -Минск, 1997. - Часть 1,- С. 78.

6. Автоматизация" управления режимами систем теплоснабжения / A.B. Седнин, В.М. Пащенко, Д.И. Шкловчик, С.Н. Баркетов / Материалы международной 53-й научно-технической конференции профессоров, преподавателей, научных работников, аспирантов БГПА / БГПА. - Минск, 1999 .- Часть 1.- С. 46.

7. Седнин А.В.,Седнин В.А^Кравченко В.А. Повышение экономичности ра-. боты водогрейной котельной // Региональные проблемы энергосбережения в децентралиюванной теплоэнергетике: Материалы международной конференции / Институт технической теплофизики'HAH Украины. - Киев, 2000.-С. 9295.

8. Принципы и подходы к построению корпоративной вычислительной сети системы теплоснабжения / A.B. Седнин, U.A. Седнин, В.М. Ващенко, И.Л. Су-, ходкий II Региональные проблемы энергосбережения в децентрализованной те-

плоэнергетике: Материалы международной конференции / Институт технической теплофизики HAH Украины. - Киев, 2000 - С. 95-98.

9. Седнин A.B. Исследование параметров тепловой схемы турбины ГГГ-60-130/13 при работе ее в современных условиях // Вклад вузовской науки в развитие приоритетных направлений производственно-хозяйственной деятельности, разработку экономичных и экологически чистых технологий и прогрессивных методов обучения: Материалы международной 54-й научно-технической конференции профессоров, преподавателей, научных работников БГПА / БГПА,-Минск, 2000. - Часть 2.- С. 71.

РЭЗЮМЕ СЕДН1Н Лляксей Уладз1м1рав1ч

АНАЛ131 СТРУКТУРНА-ПАРАМЕТРЫЧНАЯ АПТЫМ13АЦЫЯ ЭНЕРГАКРЫН1Ц У ЦЭНТРАЛ13АВАНЫХ С1СТЭМАХ ЦЕПЛАЗАБЕСПЯЧЭННЯ

Структурна-параметрычная аптым13ащя, цеплафкацынная паратурбшная установка, цеплавая схема, рэжымы работы цеплавых сетак ! установа^якчя ге-нерыруюць цеплату, кацельня, цэнтральны цеплавы пункт, сютэма аутаматызаванага шравзння.

Дасследаванш праводзшюя датычна да тэхналапчных элементау сктзм цэнтрал1заванага цеплазабеспячэння: цеплафжацыйным паратурбшным установкам (ЦПТУ), вадагрэйным кацельням (ВК), цэнтральным цеплавым пунктам (ЦЦП).

Аб'ектам даследаванняу у рабоде з'яуляюцца элементы Ыстэм цэнтра-л1заванага цеплазабеспячэння. Прадметам даследавання - структурныя схемы 1 рэжымы работы аб'екта даследавання.

Мэта работы - навуковае абгрунтаванне тэхшчных рашэнняу павышэння надзейнасц) 1 эфектыунасц1 функцыянавання абсталяватш якое генерыруе цеплату I ЦЦПсютэм цэнтрал1заванага цеплазабеспячэння.

Прыменяуся метад анал'нычнага анал1зу эфектыунасщ 1 аптыМ1зацьп цеплавых схем ЦПТУ 1 ВК з выкарыстаннем вьшчальнага 1 натуральнага эксперимента.

Абаснаваны тэхшчныя рашэнш па варыянту перавода турбшы ПЦ-60-130/13 на пагоршаны вакуум, адаптаванага да сучасных умоу эксплуатацьп аб-сталявання, рэгуляванню 1 апым1зацьн тэхналапчных працэсау ЦЦП 1 ВК пры стварэнш аутаматызаванай стстэмы прамога л1чбавага шравання астэмай цеплазабеспячэння, аптым'пацы'! структуры ВК пры рабоце па метадзе колькасна-га рэгулявання, папяпшэнню рэжымау работы сютэм цеплазабеспячэння з аутаматызаваным1 ЦЦП, дзе цеплаэлектрацэнтраль з'яуляецца цеплакрынщай.

Вышш работы был:' ужыты пры стварэнш аутаматызаванай астэмы мравання цеплавымг сеткам! УП "Мшсккамунцепласець" 1 Ваукавыскага ПАК 1 УС, а таксама выкарыстаны у рабоце БелН1П1энергапрама пры даследаванш рэжымау работы астэм цеплазабеспячэння г. Мшска.

РЕЗЮМЕ

СЕДНИН Алексей Владимирович

АНАЛИЗ И СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ЭНЕРГОИСТОЧНИКОВ В ЦЕНТРАЛИЗОВАННЫХ СИСТЕМАХ •ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Структурно-параметрическая оптимизация, теплофикационная паротурбинная установка, тепловая схема, режимы работы теплогенерирующих установок и тепловых сетей, котельная, центральный тепловой пункт, система автоматического управления

Исследования проводились применительно к технологическим элементам систем централизованного теплоснабжения: теплофикационным паротурбинным установкам (ТПТУ), водогрейным котельным (ВК), центральным тепловым пунктам (ЦТП).

Объектом исследования в работе являются элементы систем централизованного теплоснабжения. Предметом исследования - структурные схемы и режимы работы объекта исследования.

Цель работы - научное обоснование технических решений повышения надежности и эффективности функционирования теплогенерирующего оборудования и тепловых подстанций систем централизованного теплоснабжения.

Применялся метод аналитического анализа эффективности и оптимизации тепловых схем ТПТУ и ВК с применением численного и натурного эксперимента.

Обоснованы технические решения по варианту перевода турбины ПТ-60-130/13 на ухудшенный вакуум, адаптированного к современным условиям эксплуатации оборудования, регулированию и оптимизации технологических процессов ЦТП и ВК котельной при создании автоматизированной системы прямого цифрового управления системой теплоснабжения, оптимизации структуры водогрейной котельной при работе по методу количественного регулирования, улучшению режимов работы системы теплоснабжения с автоматизированными ЦТП, где теплоисточником является ТЭЦ.

Результаты работы были внедрены при создании автоматизированной системы управления тепловыми сетями УП "Минсккоммунтеплосеть" и Волковы-ского ПОК и ТС использованы в работах БелНИПИэнергопрома при исследование режимов работы систем теплоснабжения г. Минска.

SUMMARY

SEDNIN ALEXEI

ANALYSE AND STRUCTURE-PARAMETER OPTIMIZATION OF ENERGY SOURSES IN CENTRAL HEATING SUPPLY SYSTEMS

Structure and parameter optimization, extraction steamturbine unit, thermal schema, heat-generating plants and heat networks operating regimes, boiler-house, central heat supply sfation, automatic control system.

The study deals with technological elements of district heating systems: extraction steamturbine unit (ESTU), hot-water boiler (HWB), central heat supply station (CHSP).

The subjects of investigation are technological elements of district heating systems. Subject of investigation - structure schemes and subjects of investigation operating regimes.

The aim of the work is the scientific substantiation of engineering solutions that increase the reliability and operating benefits of heat-generating and CHSP equipment.

The analytical analysis method of effectiveness and optimization with use of numerical and full-scale experiment was used.

Engineering solutions of steam turbine PT-60-130/13 modernization to deteriorated vacuum adopted to the current condition of equipment exploitation, regulation and optimization of technological processes in CHSP and IIWB during creating direct digital control system of heat networks, optimization the structure of HWB working with quantitative method of regulation, improvement the heat supply system operating regimes with thermal power plant are proved out.

The results of the research were introduced during creating of the automatic control system UP "Minskkommunteploset' and Volkovysk PHB heat networks in 1997-2000, and were used in "BelNIPlenergoprom" works during investigation of Minsk heat supply system operating regimes.