автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Эксергетический анализ теплоэнергетического оборудования и определение тарифов в АО "Дальэнерго"

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ РФ

ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра теоретической и общей теплотехники

УДК 621.1.016 На правах рукописи

ИПАТОВ Виктор Борисович

ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТАРИФОВ В АО "ДАЛЬЭНЕРГО"

Специальность 05 Л4.04. Промышленная теплоэнергетика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ ШТЫМ А.Н.

г. Владивосток, 1999г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................................4

Глава 1. ОБЗОР МЕТОДОВ АНАЛИЗА ЭКОНОМИЧНОСТИ ТЕПЛОВЫХ

ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ...................................................................................10

1.1. Принципы оценки экономичности тепловых электростанций................10

1.2. Анализ экономичности тепловых электростанций на базе использования "физического" метода распределения затрат топлива...................13

1.3. Аналитический обзор методов распределения затрат топлива в

энергетическом производстве..................................................................23

1.4. Действующий в теплоэнергетике метод распределения затрат топлива при совместном производстве электроэнергии и тепла...........................38

Глава 2. АНАЛИЗ РАБОТЫ КОТЛОАГРЕГАТОВ НА БАЗЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭКСЕРГЕТИЧЕСКОГО МЕТОДА..............................................................43

2.1. Тепловой баланс котельной установки.....................................................43

2.2. Эксергия рабочего тела.............................................................................47

2.3. Окружающая среда....................................................................................51

2.4. Эксергия топлива.......................................................................................56

2.5. Потери от необратимости внутрикотловых процессов............................63

2.5.1. Топка....................................................................................................63

2.5.2. Конвективные теплообменные поверхности.....................................70

2.6. "Внешние" потери эксергии......................................................................82

2.7. Обобщающие эксергетические характеристики котлагрегатов..............87

2.8. Сводные данные эксергетических характеристик котлоагрегатов

АО "Дальэнерго"........................................................................................93

Глава 3. АНАЛИЗ РАБОТЫ ТУРБОАГРЕГАТОВ АО "ДАЛЬЭНЕРГО"

НА БАЗЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭКСЕРГЕТИЧЕСКОГО МЕТОДА...........98

3.1. Эксергетический анализ проточной части турбин...................................98

3.2. Эксергетический анализ регенеративных схем турбоагрегатов............115

3.3. Результирующие эксергетические характеристики работы

турбоагрегатов.........................................................................................136

Глава 4. ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЭКОНОМИЧНОСТИ РАБОТЫ ТЭС АО "ДАЛЬЭНЕРГО" НА БАЗЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭКСЕРГЕТИ-ЧЕСКОГО МЕТОДА И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕГО РЕФОРМИРОВАНИЯ. ..155

4.1. Определение удельных расходов условного топлива...........................155

4.1.1. Конденсационная электростанция..................................................155

4.1.2. Теплоэлектроцентраль.....................................................................159

4.1.3. Расчет удельных расходов топлива электростанций

АО "Дальэнерго"...............................................................................168

4.2. Состояние и проблемы АО "Дальэнерго"...............................................189

4.3. Себестоимость и тарифы АО "Дальэнерго"...........................................197

4.4. К стратегии тарифной политики и перспективы реформирования

АО "Дальэнерго"......................................................................................204

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................................................221

ЛИТЕРАТУРА...........................................................................................................225

Приложение 1 (Поручение Главтехуправления).....................................................233

Приложение 2 (Эксергетические расчеты котлоагрегатов)....................................234

Приложение 3 (Диаграммы изменения эксергии в котлоагрегатах)......................262

Приложение 4 (Расчет месячных затрат эксергии на турбоустановку ВТЭЦ-2)...274 Приложение 5 ("О совещании-семинаре в г. Конаково 29.09-1.10.97").................286

ВВЕДЕНИЕ

Вопросы энергосбережения в нашей стране, в связи с удорожанием всех видов топлива, становятся чрезвычайно актуальными. Для того, чтобы определить, где и в каком количестве можно уменьшить расход топлива, теплоты или электроэнергии необходимо проводить тщательный анализ совершенства энергоиспользования на каждом энергетическом предприятии и в каждом его технологическом процессе. Существует прямая связь между уровнем анализа экономичности и достигнутыми технико-экономическими показателями тепловых электростанций.

Исследование совершенства различных теплоиспользующих установок до настоящего времени проводится, как правило [1,2], посредством составления тепловых балансов, основанных на Первом законе термодинамики - законе сохранения и превращения энергии, включающем в себя принцип эквивалентности различных видов энергии.

При составлении энергетических балансов тепловых электростанций и проведении их сопоставления все виды энергии выражаются в эквивалентных энергетических величинах. Роль эквивалента выполняет энергия, как количественная мера различных движений материи, и виды энергии, входящие в энергетический баланс, выражаются в дж, ккал или кВт-ч.

Следует заметить, что несмотря на общепринятую системой СИ единицу измерения энергии - джоуль, до сих пор в методической [ 56 ] и прочей документации большее применение находят ккал и кВт-ч.

Развитие теплоэнергетика! привело к такому усложнению тепловых схем, что их анализ с использованием только энергетических балансов стал недостаточным.

Так на тепловой электростанции в процессах преобразования исходной энергии топлива в электроэнергию участвуют такие виды энергии, как: химическая энергия топлива, энергия потока тепла, энергия потока пара, механическая

энергия и электрическая энергия - ценность которых с точки зрения возможности их практического использования различна.

Налагаемое Вторым законом термодинамики ограничение на превратимость теплоты в работу позволяет во всех теплоэнергетических установках дополнительно составить баланс работоспособной энергии (эксергетический баланс).

Поскольку энергетические процессы в любой термодинамической системе протекают в окружающей среде, параметры которой практически остаются неизменными, то используя Второе начало термодинамики, всегда можно определить максимальное количество работы, которое может быть получено при данных условиях любым энергетическим потоком, и тем самым оценить его работоспособную часть, названную эксергией.

Этот термин ввел в термодинамику в 1955 г. югославский ученый 3. Рант [ 3 ], чтобы разделить энергию на работоспособную и неработоспособную (анергию) части. Эксергия - это максимальное количество работы, которое может быть получено при переходе термодинамической системы обратимым путем в состояние равновесия с окружающей средой.

"Эксергия характеризует энергию любого вида не только по ее количеству; она дает возможность количественно оценить и качественную ее сторону, т.е. она представляет собой некоторую универсальную меру энергетических ресурсов"

[5].

В связи с тем, что действительная выработка механической или электрической энергии в теплоэнергетической установке прямо пропорциональна использованной работоспособности, эксергетический баланс позволяет выявить не только очаги потерь, но и степень влияния каждой потери на общую выработку энергии и расход топлива. Эксергетический баланс, при сравнении его с тепловым, дает возможность рационально оценить параметры отдельных потоков циркулирующего рабочего тела, а также дать оценку распределению потерь в отдельных звеньях тепловой электростанции.

Разработка теоретических основ эксергетического метода, начатая в XIX веке Д. Максвеллом, У. Томсоном, Ж. Гюи, А. Стодолой и др., получила завершение во второй половине XX века в обобщающих монографиях В.М. Бродянского [ 4, 17, 5 ], Г.Д. Бэра [ 18 ], Я. Шаргута [ 3 ]. Это послужило широкому приложению современного метода термодинамического анализа в различных отраслях техники. В теплоэнергетике хорошо известны работы А.И. Андрющенко [ 63 ] и Д.П. Гохштейна [ 6 ].

Анализ работы тепловых электростанций на основе понятия эксергии позволяет оценить влияние необратимости процессов на экономичность станций и выявить пути повышения их эффективности.

A.C. Горшков считает, что внедрение эксергетического подхода необходимо начинать с разработки конкретных методик нормирования показателей работы тепловых электростанций, расчета тарифов на отпуск электрической энергии и тепла, сравнительного анализа современных схем комбинированного производства энергии, т.е. постепенно [ 36 ].

А.И Андрющенко [ 39 ] указывает на сдерживание эксергетического метода тем, что до сих пор не разработаны соответствующие показатели и связи между ними.

При переходе экономики страны к рынку особенно актуальным стал вопрос распределения затрат производства между теплом и электроэнергией при их комбинированном производстве на ТЭЦ.

Теплофикация, т.е. комбинированная выработка электрической и тепловой энергии, стала внедряться в нашей стране с начала 30-х годов. Суммарные затраты топлива при комбинированной выработке электрической и тепловой энергии значительно ниже, чем при их раздельном производстве, но просто вычленить расходы топлива на каждый вид продукции невозможно. Поэтому с зарождения теплофикации ведутся поиски и разработки методов распределения затрат топлива между электроэнергией и теплом на ТЭЦ.

Для обоснования преимуществ теплофикации был директивно внедрен в

в Министерстве электростанций (МЭС) "физический" метод распределения затрат топлива между теплом и электроэнергией при их совместном производстве [11], несмотря на его критику вследствие термодинамической несостоятельности.

Основным существенным недостатком этого метода является отсутствие неразрывной связи потоков тепла с их энергетической ценностью, т.е. практической пригодностью. Отпуск тепла от станции может осуществляться за счет тепла свежего, отборного и отработавшего в турбине пара, а удельные расходы топлива на отпуск тепла по методике, в основу которой положен "физический" метод, остаются неизменными. Согласно "физическому" методу распределения затрат топлива экономия от комбинированной выработки полностью относится к электрической энергии.

При переходе к новым условиям хозяйствования, с элементами рыночной экономики, потребители тепла, не видя никакой выгоды от комбинированного использования ТЭЦ, например, в Приморском крае начали расконсервировать свои старые, вводить новые котельные, устанавливать в массовом порядке южнокорейские бойлеры и даже паровозные топки в миникотельных.

Актуально в создавшихся условиях стало заинтересовать этих потребителей, предложив более низкие удельные расходы топлива, а соответственно и тарифы, на отпускаемое им тепло, побочно улучшая экологию населенных пунктов. Осуществить это можно только изменив принцип распределения затрат топлива на производимую энергию, что возможно при переходе на эксергетическую оценку выработки тепла от ТЭЦ.

Настоящая диссертационная работа выполнена на кафедре "Теоретической и общей теплотехники" Дальневосточного государственного технического университета, имеющей опыт применения эксергетического метода анализа в учебном процессе и технических приложениях [ 7, 79-=-81]. Выполнен ряд дипломных проектов по эксергетическому анализу систем пневмо-энергоснабжения пром-предприятий и тепловых электрических станций.

Перед автором диссертации была поставлена задача по разработке последовательного эксергетического анализа основного оборудования ТЭС с привлечением существующей нормативной базы и выходом на удельные расходы топлива и расчет тарифов на отпускаемые ТЭЦ тепло и электроэнергию на примере ГРЭС и ТЭЦ Дальневосточной энергосистемы [ Приложение 1].

Результаты работы оказались востребованными и весьма полезными при поиске выхода из энергетического кризиса в ТЭКе Приморского края [ 69, 70 ].

Для студентов теплоэнергетической специальности разработаны учебные пособия [ 77, 78 ] по эксергетическому анализу котельных агрегатов, турбин и определению удельных расходов топлива.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, списка литературы из 85 наименования и приложения, содержит 154 страницы текста, 22 рисунка и 41 таблицу.

В первой главе диссертации дан аналитический обзор принципов анализа экономичности тепловых электростанций, отражены недостатки действующей в нашей стране методики оценки экономичности тепловых электростанций на базе использования "физического" метода распределения затрат топлива, сделан анализ предлагаемых и принятого в энергетической отрасли нового метода распределения затрат топлива.

Во второй главе дается оценка потерь от необратимости внутрикотловых процессов и "внешних" потерь эксергии в конкретных котельных агрегатах. Приводятся формулы эксергетических характеристик котлоагрегатов, дана графическая интерпретация изменений и потерь эксергии во всех типах котлоагрегатов АО "Дальэнерго" и Приморской ГРЭС.

ТЧ о чу

В третьей главе показаны недостатки действующей системы технико-экономических показателей работы для теплофикационных турбоагрегатов, даются расчетные зависимости эксергетических характеристик турбоагрегатов и показана возможность пересчета существующих их нормативных характеристик. Выполнен

эксергетический анализ проточных частей и регенеративных схем основных типов турбоагрегатов АО "Дальэнерго" и Приморской ГРЭС.

В четвертой главе увязан предложенный способ распределения затрат топлива и эксергетические показатели работы котло- и турбоагрегатов при расчете удельных расходов условного топлива на отпуск электро- и теплоэнергии от КЭС и ТЭЦ, приведены примеры расчетов удельных расходов условного топлива и себестоимости производства электроэнергии и тепла как отдельной станцией, так и энергообъединением в целом. Даны конкретные рекомендации по перераспределению нагрузок между ТЭС Дальневосточной энергосистемы и по повышению эффективности их работы.

Автор принимал участие в дискуссии, проводимой журналом "Электрические станции" по вопросу о распределении затрат топлива на ТЭЦ [ 28 ]. Основные положения и результаты проведенных исследований докладывались на межвузовском научном семинаре по проблемам повышения эффективности проектируемых теплоэнергетических установок и энергосбережения, (Саратов, 1989 г.), на семинарах-совещаниях по внедрению новых "Методических указаниях по составлению отчета электростанций и АО-энерго о тепловой экономичности оборудования" в ОЭС: "Уралэнерго" ( Екатеринбург, 1995 г.), "Востокэнерго" (Хабаровск, 1996 г.), "Центрэнерго" (Конаково, 1997 г.).

Глава 1. ОБЗОР МЕТОДОВ АНАЛИЗА ЭКОНОМИЧНОСТИ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

1.1. Принципы оценки экономичности тепловых электростанций

Совершенствование эксплуатации, повышение экономичности и оптимизация режимов работы оборудования тепловых электростанций неразрывно связаны с анализом их тепловой экономичности.

Принципы, положенные в основу анализа тепловой экономичности, в нашей стране и в странах дальнего зарубежья различны. Это связано в первую очередь с отличиями в обеспечении потребителей теплом.

Энергетика зарубежных стран базируется на блочных конденсационных электростанциях, а на нужды отопления широко используется электроэнергия.

Использованию электроэнергии для отопления в США, например, способствуют: с одной стороны - стремление электроконцернов за счет этого обеспечить дальнейший сколько-нибудь значительный рост прибылей, с другой стороны -слабое развитие централизованного теплоснабжения. Это, в свою очередь, обусловлено спецификой расселения жителей США (преимущественно в индивидуальной застройке) и особенностью климата страны, требующего в большинстве ее районов летнее кондиционирование воздуха (при относительно короткой и теплой зиме).

Анализ экономичности электростанций в США [ 8 ] основан на принципе контроля отклонений от расчетной экономичности, в качестве которой принимается гарантируемая заводом-изготовителем, или полученная при приемочных испытаниях.

Оцениваются отклонения параметров свежего пара и промежуточного перегрева, давления отработавшего пара, температуры питательной воды. Учитывается эффективность подогрева конденсата в схеме регенерации низкого давления.

Вся методика анализа построена на учете отклонений энтальпий рабочего тела от номинальных значений при изменении этих величин.

Оценка отклонений энтальпий рабочего тела (свежего пара, пара на выходе из ЦВД и на входе в ЦСД, пара на выхлопе из турбины, питательной воды перед деаэратором и после ПВД, конденсата перед конденсатным насосом и средневзвешенной энтальпии пара регенеративных отборов ЦН