автореферат диссертации по энергетике, 05.14.01, диссертация на тему:Исследование эффективности применения на ТЭС энергоблоков с котлами циркулирующего кипящего слоя

На правах рукописи

0030578Б2

РУССКИХ Евгений Евгеньевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НА ТЭС ЭНЕРГОБЛОКОВ С КОТЛАМИ ЦИРКУЛИРУЮЩЕГО КИПЯЩЕГО

СЛОЯ

Специальность 05 14 01 - энергетические системы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 2007

003057862

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет»

Научный руководитель •

доктор технических наук, профессор Ноздренко Геннадий Васильевич

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Фишов Александр Георгиевич доктор технических наук Томилов Виталий Георгиевич

Ведущая организация

Институт систем энергетики им Л А Мечентьева СО РАН, г Иркутск

Защита диссертации состоится «18» мая 2007 года в 12 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212 173 02 при Новосибирском государственном техническом университете по адресу 630092, г Новосибирск, пр К Маркса, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного технического университета

Автореферат разослан «1?» апреля 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент

Шаров Ю И

Общая характеристика работы Актуальность проблемы

Современное состояние отечественной энергетики требует масштабных инвестиционных проектов с целью наращивания энергетических мощностей При этом долговременная концепция развития отечественной энергетики, формируется как угольная, а уголь рассматривается как стратегическое топливо

Реализация инвестиционной программы предусматривает строительство современных электростанций, в том числе на базе угольных энергоблоков с циркулирующим кипящим слоем

Основными преимуществами технологии ЦКС являются возможности

- эффективного сжигания низкокалорийных, высокозольных топлив, а также топлив с малым выходом летучих,

- эффективного (более 90%) связывания оксидов серы путем подачи известняка в топку,

- совместного сжигания топлив различного качества и состава в одном и том же котле, упрощенная схема подготовки топлива,

- обеспечения низких выбросов оксидов азота на уровне 200-300 мг/нм3 без дополнительных мероприятий,

- уменьшения котельной ячейки, обусловленного отсутствием средств серо- и азотоочистки,

- относительно быстрого изменения нагрузки, глубокой разгрузки котла В настоящий момент, котлы с ЦКС являются отработанной технологией

В то же время, ЦКС-котлы более дороги по сравнению с традиционными факельными, и для высококачественных углей не всегда имеют однозначное преимущество

Несмотря на успешный опыт эксплуатации котлов с ЦКС в мировой энергетике, комплексного технико-экономического исследования ЦКС-технологии в составе энергоблоков ТЭС не проведено Вместе с тем такое исследование актуально, так как позвочит учесть многофакторное влияние термодинамических, технических, конструктивно-компоновочных, топливных, структурных и

др ограничений и сформулировать практические рекомендации при проектировании ЦКС-энергоблоков любых типов и мощностей

Целью диссертации является исследование эффективности применения на ТЭС энергоблоков с котлами циркулирующего кипящего слоя

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые получены и выносятся на защиту следующие наиболее важные результаты

1 Методика решения задачи сопоставления эффективности ЦКС-энергоблоков с традиционными ТЭЦ на основе комплексной технико-экономической оптимизации и установления зависимостей между рас-ходно-термодинамическими параметрами и технико-экономической эффективностью ЦКС-энергоблоков

2 Методика комплексной технико-экономической оптимизации энергоблоков ТЭС с ЦКС-котлами, их математическая модель и новые результаты по наивыгоднейшим сочетаниям термодинамических, расходных, технико-экономических параметров и показателей с учетом влияния системных факторов, марок угля, типов и мощностей энергоблоков

3 Практические рекомендации по выбору параметров, схем, марок угля и областей применения энергоблоков с ЦКС-котлами на тепловых электростанциях при учете системных факторов

Методы исследования: методология системных исследований в энергетике, математическое и компьютерное моделирование ТЭС, методы эксергети-ческого анализа и технико-экономической оптимизации в условиях неопределенности исходной информации

Практическая значимость и использование результатов работы. Разработанная методика, математическая модель, алгоритмы и программа расчета позволяют получать оптимальные схемно-параметрические решения по ЦКС-энергоблокам в составе ТЭС Разработанные практические рекомендации по выбору параметров, схем, марок угля и областей эффективного применения технологии ЦКС для энергоблоков ТЭС могут служить базой для обоснования

рациональных решений на стадиях разработки и проектирования, а также прн реконструкции ТЭС

Результаты работы использованы в работах ЗАО «СибКОТЭС» при разработке технико-коммерческих предложений, ОАО «Новосибирскэнерго» и ОАО «Русал Ачинск» при оценке экономической эффективности строительства и выборе технологии сжигания, с учетом топливной базы предприятий, в учебном процессе кафедры ТЭС НГТУ - по специальности 140101 - «Тепловые электрические станции» (при дипломном проектировании)

Основные почожения диссертации вошли в состав отчета по работе, выполненной НГТУ в рамках государственного контракта №02 438 11 7027 от 06 03 2006 г (шифр 2006-РИ-16 0/003/016) «Научно-организационное, методическое и техническое обеспечение организации и поддержки научно-образовательных центров в области природоохранных технологий переработки и утилизации техногенных образований и отходов и осуществление на основе комплексного использования материально-технических и кадровых возможностей совместных исследований и разработок»

Достоверность результатов и выводов диссертационной работы подтверждается использованием апробированных методик, в основе которых лежат фундаментальные положения законов термодинамики и эксергетического анализа, применением вероятностного подхода и сопоставлением рассчитанных и фактических параметров и показателей функционирования ЦКС-котлов и энергоблоков ТЭС

Апробация работы Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференции молодых ученых (г Новосибирск, НГТУ, 2004, 2005, 2006), на научных семинарах каф ТЭС НГТУ, «Сибтехэнерго», «СибКОТЭС», (г Новосибирск, 2006 2007 гг), на пятой Российской научно-техническая конференция "Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности" (г Ульяновск, 20-21 апреля 2006 г , УлГТУ), 6-й Всероссийской конференции "Горение твердого топлива" (г Новосибирск, 8-10 ноября 2006г , ИТ СО РАН)

Личный вклад заключается в разработке методик исследования, проведении комплексных оптимизационных расчетов, анализе результатов, выработке практических рекомендаций

Публикации Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 8 печатных изданиях из них одна научная статья в рецензируемом издании, входящим в перечень рекомендованных изданий ВАК, две статьи в материалах всероссийских конференций, пять статей в сборниках научных трудов

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения Основной текст изложен на 127 страницах, содержит 33 рисунка, 7 таблиц

Основное содержание работы Во введении дана краткая характеристика диссертации В первой главе обоснована актуальность проблемы Изложены принципиальные особенности ЦКС-технологии Показано, что до настоящего времени не проведено обобщающего исследования, которое позволит комплексно оценить достоинства и недостатки данной технологии Отмечено, что наибольший вклад в развитие теоретических основ исследования эффективности ЦКС-технологии внесли Баскаков А П , Рябов Г А , Базу П , Надыров И И и др

На основании проведенного анализа были сформулированы цели и задачи исследования

Во второй главе изложена методика комплексного исследования энергоблоков с ЦКС-котлами в составе ТЭС Изложены основные положения подхода к технико-экономической оптимизации, целями которой является определение наивыгоднейшего сочетания термодинамических параметров и профиля ЦКС-энергоблока с учетом всех видов ограничений При этом в качестве внутренних ограничений выступают начальные параметры энергоблока, режимные факторы технологических процессов, конструктивные особенности оборудования (в первую очередь котлов) и т п, внешними ограничениями являются условия

приведения расчетных вариантов к сопоставимому виду, которые учитывают влияние экологических, социальных, инфраструктурных факторов, включение энергоблока в энергосистему, его готовность к несению нагрузки, работа в условиях несортовых поставок топлива и др

Разработанная модель комплексного технико-экономического исследования, в которой заложены принципы эксергепгческой методологии и теории аг-регативных систем, по существу является дальнейшим развитием активно прорабатываемого в НГТУ в последние годы направления комплексных исследований энергетических установок, которое прослеживается в работах Ноздренко Г В , Щинникова П А , Овчинникова Ю В , Томилова В Г , Бородихина И В , Григорьевой О К и др

Для построения эффективной математической модели ЦКС-энергоблока применяется методики агрегатирования и декомпозиции Агрегатирование -уменьшение размерности схемы путем замены группы одинаковых параллельно работающих и равномерно загруженных элементов на один элемент расчетной схемы Суть декомпозиции - в разделении схемы энергоблока на несколько частей, связи между которыми немногочисленны и построении для каждой части своей математической модели с последующей увязкой математических моделей между собой

Основополагающей является эксергетическая методология, в которую значимый вклад внесли работы Эванса Р, Трайбуса М, Андрющенко А И, Бродянского В М и др Эксергетическая методология использует эксергетиче-ский потенциал (величину максимально возможной работы разных энергоносителей, которая характеризует термохимические и термодинамические процессы превращения энергии, заканчивающиеся при наступлении термодинамического равновесия системы) для анализов процессов превращения энергии на различных участках энергоблока Эксергетический потенциал позволяет оценить работоспособность энергоносителей в любой части энергоблока и на основе эк-сергетических балансов определить показатели термодинамической эффективности, как отдельных частей, так и в целом энергоблока Настоящая диссерта-

ция опирается на эти работы и является естественным их развитием

Энергоблок представляется в виде шести взаимосвязанных функционирующих частей (рис 1)

Первая

£ часть включает в себя парогенери-рующее оборудование с техническими системами топливоподачей и топливоподготов-

Рис 1 Принципиальная структурно - функциональная схема энергоблока с ЦКС- котлоагрегатом 0 - характеризует поставки топли- кой, КОТЛОМ, ТЯГО-ва, 1 6 - функционирующие части, И, Ет - потребители электро- и

теплоэксергии, X -множители Лагранжа, Е„- потоки эксергии дутьевой установ-

кой, золошлако-

удалением, отвода и очистки дымовых газов и др Вторая - ЧВД турбины Третья - ЧСНД паровой турбины Четвертая часть объединяет электрическое оборудование Пятая - система технического водоснабжения и регенеративного подогрева питательной воды Шестая часть - оборудование системы отпуска теплоэнергии

Разработанная схема представляет собой совокупность математических моделей элементов (и их групп) реально функционирующего энергоблока, связи между которыми устанавливаются на основе метода Лагранжа Функция Лагранжа записывается в виде

?у

I I

где 3, - затраты в создание и функционирование г-ой части, Л, - множители Лагранжа, Ех- множество, компонентами которого служат все входные переменные всех функционирующих частей энерготехнологического блока, Еу - множество, компонентами которого служат все выходные переменные всех функ-

Ь = 13,(^)4- II [-ЕУ+Ъ^ЕУ^)

(1)

ционирующих частей энергоблока, а эксергетическая эффективность 1-й функционирующей части определяется как

I Щ

Уравнения связей представляются в виде

-Еу+ЕХ(ЕУ,7] ) = О ге/, (3)

У ] }

Удельные затраты (на единицу эксергетической производительности) Л, для каждой г-й функционирующей части находятся из условия

— = 0, ге/ (4)

ЪЕ?

Для всех рассматриваемых вариантов выполняются с взаимной увязкой тепловые и балансовые расчеты котлов, турбин, систем регенерации и подогрева сетевой воды Выполняется определение капиталовложений в основное оборудование турбоагрегат, котел, вспомогательные системы (топливоподача, пы-леприготовление, тягодутьевое оборудование, системы очистки и эвакуации золы и шлака) и т д

В соответствии с принятой методологией, расчетная система также включает в себя процедуры определения основных расходно-термодинамических параметров энергоблока Расчет тепловой схемы производится итерационно по отношению к расходу топлива на энергоблок

Капиталовложения в агрегаты, технические системы, в функционирующие части и в целом в энергоблок

= (5)

где К° - базовое значение капиталовложений, са - коэффициенты приведения по параметрам и показателям, учитывающие конструктивные особенности,

особенности функционирования и компоновки, сор - относительные параметры, определяющие отклонения капиталовложений от базового значения, лр - показатели степенной зависимости

Базовые значения К° включают расходы на создание, доставку оборудования на место строительства, монтаж, техническое освоение, а также пропорционально отнесенные затраты на строитетьство главного корпуса, подготовку территории, возведение временных зданий и сооружений, проектно-изыскательские работы, объекты подсобного назначения Математическое ожидание капиталовложений при распределении случайных величин Кса, пр по законам распределения /(К°), /[са), Длр) в интервале (а*ь с^а), (лр,,

«Р2>

КГ=М[КГ} =

хП

Кг

(6)

¡са/[са)^а П I

Чс«1 У V"!5! ,

В качестве показателя технико-экономической эффективности ЦКС-энергоблока принято вероятностное значение удельного дисконтированного интегрального дохода

(7)

где Л/[т)2], £>, - математическое ожидание и дисперсия ц2 , V - коэффициент, характеризующий расчетный уровень достоверности определения г\2,

(8)

где Цу, Ця - плата за отпущенную электроэнергию (АО и теплоэксергию (Ет) в данном т-м году, интегральные затраты

(1 + Е) е +1

где Цт - стоимость топлива, Кг - капиталовложения в г-е оборудование, Е -ставка дисконта, тр - расчетный срок службы основного оборудования, Ъ5 -затраты в замещаемые энергоблок и котельную, в обеспечение заданной надежности энергоснабжения с учетом графика нагрузки, коэффициента готовности и режимных особенностей, в системы сокращения вредных выбросов, в экологическую инфраструктуру, в энергоснабжение дальних потребителей, в производственную и социально-бытовую инфраструктуры, на содержание штатного, ремонтного и эксплутационного персонала

Имитационно-вычислительный комплекс представлен в виде

{™п[л2 (х)]-1 |[фи (со) = 0, н е С/]}, (Ю)

где [фц (со) = 0, кб ¡7] - формализованное представление вычислительного комплекса, <ри (со) - вероятностный логико-числовой оператор функциональных отношений, и - множество логико-числовых операторов, ю=(х, у, Г, б, К", П) - информационная структура, Г - множество энергоблоков, Ь - множество логических управляющих параметров, б - множество внешних связей и исходных данных с известными законами распределения случайных компонент

В третьей главе проводятся комплексные оптимизационные исследования ЦКС-энергоблоков Рассчитываются термодинамические и расходные параметры с учетом влияния таких системных факторов, как мощность энергокомпаний, фоновая концентрация промышленного ареала, разуплотнение графика электрической нагрузки Оптимизируемыми параметрами приняты начальные параметры пара (Р0, 10), температура и давление промперегрева (/„„, Рпп), температура питательной воды (?„„), коэффициент теплофикации («тэц)> давление в конденсаторе (Рк) На оптимизируемые параметры наложены ограничения в виде неравенств, соответствующие технически достижимому диапазону, а также учитывающие направление развития современного энергомашиностроения

Оптимизационные исследования проводились для теплофикационных и конденсационных энергоблоков мощностью 50 500 МВт, с учетом ограничений по паропроизводительности котлоагрегатов с ЦКС, технически проработанных и готовых к внедрению в настоящий момент Расчеты велись для шести характерных типов углей бурые угли, кузнецкие угли марок «Г», «Д», кузнецкие угли второй группы окисленности, тощие кузнецкие угли марок «Т», «СС», антрациты, высокозольные и высоковлажные шламы, отсевы На рис 2, 3, 4 представлены для примера некоторые результаты исследований по определению оптимальных термодинамических параметров для ЦКС - энергоблоков

580 560 540

Nc МВт 520 tns С 270 240 210 180

.РоМПа

30 29 28 t0°C 545 535 525

g. р; г 1

\

■ — п

r^rsr T5fl—1

. _ й

. -й---

д-

----- —S-

•Й- ----- - — А

/ 1

S=rr=Sr

150

250

350

450 Ne МВт

50 100 150 200 Ne МВт Рис 2 Оптимальные начальные параметры па- Рис 3 Оптимальные начальные параметра для энергоблоков типа «Т» (о - температура ры пара для энергоблоков типа «К» /о -острого пара, Ро - давление острого пара, /пв - температура острого пара, Ра - давление температура питательной воды, /„„ — темпера- острого пара, гпв - температура питатель-тура промперегрева ной воды, /„„ - температура промперегрева А Бурые угти О Угли марок "Г", "Д" О Окисленный ОК П П Угли марок "Г", "СС" А Антрацит О Шламы, отсевы -Турбинытипа "Т" — ■ — Турбины типа 'К"

Обозначения марок углей по тексту идентичны приведенным на рис 2, 3

Из представленных зависимостей видно, что начальные параметры отличаются от традиционно принятых, что обусловлено комплексным учетом стоимостных, надежностных, экологических показателей Скачкообразное измене-

ние Р0, /о соответствует переходу к энергоблокам с промперегревом Для теплофикационных энергоблоков без промперегрева оптимальное начальное давление 10 12 МПа, при введении промперегрева оптимален переход на сверхкритические параметры для всех энергоблоков Оптимальная температура острого пара и промперегрева для теплофикационных установок варьируется в зависимости от мощности энергоблока и стоимости угля Чем дороже уголь, тем

выше температура и эконо-

мичность

Для конденсационных энергоблоков с заданным (базовым) режимом работы оптимальным является начальное давление 28 30 МПа при температуре острого пара 530 550°С для

24 16 I

to,°CC 545 J 535 525

--------

srztzzz --В —_

.-.-J J . .JC1

A-- """ — , ^ , __ -в

i3oNe, МВт большинства марок углей,

Рис 4 Оптимальные начальные параметры пара для что обусловлено влиянием энергоблоков типа «ПТ» to - температура острого

пара, Р0 - давление острого пара, Гпв - температура надежных показателей энер-питательной воды

гоблока и неооходимостью снижения влажности на последних ступенях турбины при повышении температуры промперегретого пара

Температура промперегрева значительно зависимости от мощности энергоблока и марки угля, однако можно отметить повышение температуры промперегрева при увеличении стоимости угля

Оптимальная температура питательной воды для теплофикационных энергоблоков типа «Т» с барабанными ЦКС-котлами находится на уровне 180 190°С при работе на всех углях за исключением шламов и антрацита, возрастая при переходе к закритическим параметрам и введении промперегрева Уменьшение tm обусловлено для теплофикационных энергоб токов, большим расходом пара на сетевую установку при малом пропуске пара в конденсатор

На этих режимах экономичность определяется комбинированным производством тепло-электроэнергии

Для конденсационных энергоблоков оптимальная г„в находится на уровне 280 300°С для всех марок углей за исключением антрацита Повышение температуры питательной воды на 30 40°С компенсирует снижение температуры острого пара до 530 540°С

Оптимизация параметров энергоблоков приводит для большинства теплофикационных энергоблоков с турбинами типа «Т» и конденсационных энергоблоков к росту КПД по отпуску электроэнергии - в 1,02 1,22 раза, КПД по отпуску теплоэксергии - в 1,03 1,27 раза

Оптимальные параметры (Р0, h, t„„, О ЦКС-энергоблоков на базе конденсационных турбин устойчивы в условиях работы в энергогенерирующей компании практически любой мощности, в условиях изменения экологической обстановки в ареале функционирования (при увеличении фоновых концентраций вредных веществ в приземном слое атмосферы от 0 до 0,8 ПДК) и в условиях изменения числа часов использования установленной мощности от 5500 до 7500 ч/год Изменения стоимости топлива (от 600 до 4000 руб /тут) приводит к возрастанию параметров температура острого пара возрастает на 7 15°С про одновременном росте температуры промперегрева с 530 до 580 600°С для всех марок углей

Оптимальные параметры ЦКС-энергоблоков на базе теплофикационных турбин типа Т - менее устойчивы в тех же условиях В относительно небольших энергосистемах (мощностью до 2 ГВт) применение крупных теплофикационных ЦКС-энергоблоков мощностью более 175 МВт требует тщательной проработки с оптимизацией термодинамических параметров Увеличение числа часов использования установленной мощности приводит к возрастанию температуры промперегрева на 20 50°С при незначительном изменении остальных параметров Повышение стоимости топлива приводит к возрастанию начальных параметров пара

В четвертой главе основе интегрального критерия определен диапазон эффективности применения ЦКС-энергоблоков с учетом марки угля в диапазоне мощностей 50 500 МВт и определены стоимостные затраты на сооружение новых ТЭС на базе ЦКС-энергоблоков, основные технико-экономические показатели функционирования новых ТЭС, показатели финансовой и инвестиционной привлекательности строительства новых генерирующих мощностей

На рис 5, 6 представлены расчетные капиталовложения в энергоблоки на базе ЦКС-технологии

-Без оптимизации---С оптимизацией

А Бурый уголь О Угли марок "Г", "Д"

О Окисленный ОКП □ Угли марок "Т", "СС"

Д Антрацит □ Шламы, отсевы

Рис 5 Капиталовтожения в конденсационные (а) и теплофикационные типа «Т» (б) ЦКС-энергоблоки на стандартные/ оптимизированные параметры

Во всех расчетах принято lye =30 руб

Проведенные расчеты показывают, что удельная стоимость строительства энергоблоков обратно пропорциональна мощности, и в зависимости от типа угля уменьшается на 4 6% для теплофикационных, и

Рис 6 Капиталовложения теплофикационные ЦКС-энергоблоки типа «ПТ» на стандартные/ оптимизированные параметры

на 8 10% для конденсационных энергоблоков без оптимизации, на 1 7% для теплофикационных и на 12 18% для конденсационных энергоблоков с учетом оптимизации

В общей стоимости строительства учитывались затраты на строительство тепловых сетей, и выводов ЛЭП Стоимость строитечьства теплосетевого хозяйства (выводы ТЭЦ, тепловые магистрали, повысительно-понизительные насосные станции) в варианте ТЭЦ достигает 12 16% от общей стоимости строительства, а в случае промышленной ТЭЦ с «ПТ» турбинами - 14 20% Для крупных ГРЭС мощностью более 1000 МВт, осуществляющих отпуск электроэнергии сетями ВЛ 220 кВ и ВЛ 500 кВ стоимость строительства электросетевого хозяйства составляет 10 14% от стоимости строительства На рис 7, 8 представлены результаты исследований по определению интегрального критерия эффективности энергоблоков с ЦКС - котлами по отношению к традиционным факельным котлам со стандартными параметрами

Рис 7 Отношение функций цели ЦКС- Рис 8 Отношение функций цели оптичизи-

котлоагрегат/ традиционный факельный рованный ЦКС-коттоагрегат/ традиционный

котлоагрегат на стандартные параметры факельный котлоагрегат на стандартные па-пара раметры пара

А Бурый уголь в Угли чарок "Г", "Д" О Окисленный ОК И

В Угли марок "Т", "СС" Д Антрацит □ Шламы, отсевы

Турбины типа "Т" — - -Турбины типа "К" ... - Турбины типа "ПТ"

Расчеты проводились в условиях приведения энергоблоков к сопоставимому виду в двух вариантах ЦКС-энергоблоки с традиционными параметрами

пара (рис 7) и ЦКС-энергоблоки с оптимизированными параметрами (рис 8), что, по сути, соответствует вариантам реконструкции/ нового строительства Очевидно, что в случае т]гКС ¡Лг^ > 1 строительство ЦКС - энергоблока является экономически более эффективным, чем строительство традиционного пы-чеугольного энергоблока

Представленные расчеты свидетельствуют о наличии диапазона эффективного применения ЦКС-технологии, при Г!^кс¡г]1^'^ > 1,1

Теплофикационные Т-энергоблоки эффективны для единичных мощностей 50 250 МВт на углях марок «Т», «СС», окисленных углях, шламах и отсевах, бурых углях, а на антрацитах - для единичных мощностей 180 250 МВт, для всех марок углей и единичных мощностей 50 250 МВт применение технологии ЦКС эффективно только при оптимальных параметрах

Конденсационные энергоблоки единичных мощностей 50 500 МВт эффективны на отсевах, шламах, окисленных углях, и на углях марок «Т», «СС», антрацитах и бурых углях эффективны только при оптимальных параметрах для единичных мощностей 150 230 МВт

Теплофикационные ПТ-энергоблоки единичных мощностей 80 140 МВт эффективны на окисленных углях, шламах и отсевах, бурых углях На углях марок «Т», «СС» - при оптимальных параметрах для энергоблоков единичных мощностей 80 140 МВт

Показано, что применение ЦКС-технологии оправдало только в случае сравнения с традиционными факельными котлами с системами серо-азотоочистки, доводящими их до сопоставимых с ЦКС-котлами уровнем выбросов

Наиболее эффективным является применение ЦКС-котлов прежде всего для теплофикационных энергоблоков, ввиду их функционирования на территориях городов, и соответственно, повышенными требованиями к экологическим характеристикам энергоблоков ТЭЦ

Произведен расчет экономической эффективности строительства новых генерирующих мощностей на низкокачественных углях на базе ЦКС-технологии в двух вариантах ГРЭС-1650 МВт и ТЭЦ-780 МВт

Показано, что простой/ дисконтированный срок окупаемости для ГРЭС-1650 МВт составляет 10/14 лет, и для ТЭЦ-780 МВт -10/12 лет

Показано, что оптимизация позволяет уменьшить сроки окупаемости на 5 10%, увеличивает ЧДД проекта на 198 млн рублей для варианта строительства ГРЭС-1650, и на 1684 млн рублей для варианта со строительством ТЭЦ-780

Основные результаты работы

1 Разработана методика решения задачи сопоставления эффективности ЦКС-энергоблоков тепловых электростанций с традиционными на основе комплексной технико-экономической оптимизации и установления зависимостей между расходно-термодинамическими параметрами и технико-экономической эффективностью ЦКС-энергоблоков

2 Разработана методика комплексной технико-экономической оптимизации энергоблоков ТЭС с ЦКС-котлами, их математическая модель, выполнены комплексные исследования и получены новые результаты по наивыгоднейшим сочетаниям термодинамических, расходных, технико-экономических параметров и показателей с учетом влияния графиков нагрузки, надежности энергоснабжения, связи с энергосистемой, требований к экологической, социальной, промышленной инфраструктуре, удельных стоимостных показателей, марок угля, типов и мощностей энергоблоков при неопределенности исходной информации

Оптимальные термодинамические параметры энергоблоков с ЦКС-котлами следующие

• в составе теплофикационных энергоблоков типа «Т» - без промперегрева (для Т-50. Т-175 МВт) - Р0=8,9 14,2 МПа, ¿0=555 600°С при температуре питательной воды ?пв=185 200°С и удельной паропроизводительности Др4,11 4,57 т/(кВт ч)

- с промперегревом (для Т-180 Т-250 МВт) параметры свежего и вторично перегретого пара - /УЛш=21,6/3,61 29,5/4,9 МПа, /<//„„=530/530 550/565°С при температуре питательной воды Гпв= 180 300°С и удельной паро-производительности Оа =2,85 4,2т/(кВтч)

• в составе теплофикационных энергобчоков типа «ПТ»

- без промперегрева (для ПТ-50 ПТ-140 МВт) - Р„=8,9 29,5 МПа, /с=530 550°С при температуре питательной воды /„„=180 300°С и удельной паропроизводительности Ду=4,65 7,5 т/(кВт ч)

• в составе конденсационных энергоблоков

- с промперегревом (для К-225 К-500 МВт) параметры свежего и вторично перегретого пара - /уЛт=28,5/4,76 29,5/4,92 МПа, /о/л„.-530/550 540/600°С при температуре питательной воды /пв=225 300°С и удельной паропроизводительности £)0 =2,42 3,05 т/(кВт ч)

3 Разработаны практические рекомендации по выбору параметров, схем, марок угля и областей применения энергоблоков с ЦКС-котлами на тепловых электростанциях при учете системных факторов

- Теплофикационные Т-энергоблоки эффективны для единичных мощностей 50 250 МВт на углях марок «Т», «СС», окисленных углях, шламах и отсевах, бурых углях, а на антрацитах - для единичных мощностей 180 250 МВт, Для всех марок углей для единичных мощностей 50 250 МВт применение технологии ЦКС эффективно только при оптимальных параметрах

- Конденсационные энергоблоки эффективны для единичных мощностей 50 500 МВт на отсевах, шламах, окисленных углях, и на углях марок «Т», «СС», антрацитах и бурых углях эффективны только при оптимальных параметрах для единичных мощностей 150 230 МВт

- Теплофикационные ПТ-энергоблоки для единичных мощностей 80 140 МВт на окисленных углях, шламах и отсевах, бурых углях, и на углях марок «Т», «СС» при оптимальных параметрах для энергоблоков единичных мощностей 80 140 МВт

4 Определены стоимости строительства новых генерирующих мощностей на базе ЦКС-технологии Показано, что удельные капиталовложения составляют 32 400 46 500 руб/кВт (1080 1550 уе/кВт) для К-энергобтоков,

33 000 48 000 р>б/кВт (1100 1600 уе/кВт) для Т-энергоблоков,

34 500 50 400 руб /кВт (1150 1680 у е /кВт) дчя ПТ-энергоблоков Произведен расчет экономической эффективности строительства и показано, что оптимизация позволяет уменьшить сроки окупаемости на 5 10%, увеличивает ЧДЦ проекта на 1 10%

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1 Русских, Е Е Основные конструктивно-компоновочные решения по котлам с циркулирующим кипящим слоем /ЕЕ Русских // Энергосистемы, электростанции и их агрегаты Сб науч тр /Под ред Акад РАН В Е Накорякова Сб науч тр Вып 8 - Новосибирск НГТУ, 2004 - С 131-141

2 Русских, Е Е Технико-экономическая характеристика котлов с ЦКС / Е Е Русских, Н Г Зыкова, Г В Ноздренко // Энергосистемы, Электростанции и их агрегаты Сб науч тр /Под ред Акад РАН В Е Накорякова -Новосибирск НГТУ, 2005 - Вып9 -С 201-206

3 Русских, Е Е Реконструкция Новосибирских ТЭЦ-2,3,4 по технологии ЦКС /ФА Серант, П Ю Коваленко, Е Е Русских, О О Бурдукова // Энергосистемы, Электростанции и их агрегаты Сб науч тр /Под ред Акад РАН В Е Накорякова - Новосибирск НГТУ, 2005 - Вып 9 - С 147 - 159

4 Русских, Е Е Влияние топлива на оптимальные параметры энергоблоков с ЦКС-котлами/ Е Е Русских, Г В Ноздренко // Энергосистемы, Электростанции и их агрегаты Сб науч тр /Под ред Акад РАН В Е Накорякова - Новосибирск НГТУ, 2005 - Вып 10 - С 27-38

5 Русских, Е Е Варианты реконструкции Новосибирских ТЭЦ-2, 3, 4 с применением новых технологий /ФА Серант, Ю Л Пугач, П Ю Коваленко, ЕЕ Русских // Программа энергоэффективности и энерго-

безопасности Новосибирской области до 2020 г (Сборник обосновывающих материалов Выпуск 1 ) Новосибирск Изд-во «Профи», - 2005 -С 163-176

6 Русских, Е Е Применение ЦКС - котлов в проектах ТЭС /ФА Се-рант, Е Е Русских, Г В Ноздренко // Сб докладов шестой Всероссийской конференции «Горение твердого топлива» Часть 2 - Новосибирск Изд-во ИТФ СО РАН, - 2006 - С 217-231

7 Русских, Е Е Экономия на ТЭС кондиционных топлив путем применения котлов с циркулирующим кипящим слоем /ЕЕ Русских, Г В Ноздренко // Материалы Пятой Российской научно-технической конференции «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности» -Т 2-Ульяновск Изд-во УлГТУ, - 2006 - С 155-157

8 Русских, Е Е Исследование эффективности применения ЦКС-технологии на ТЭС / Г В Ноздренко, Е Е Русских // Научный вестник НГТУ -Новосибирск НГТУ, 2007 -Вып1(26) - С 173-182

Подписано в печать {0 04 07 г Формат 84x60x1/16 Бумага офсетная Тираж 100 экз Печ л 1,5 Заказ №

Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630092, г Новосибирск, пр К Маркса, 20

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ КОТЛОВ С ЦИРКУЛИРУЮЩИМ КИПЯЩИМ СЛОЕМ И АКТУАЛЬНОСТЬ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ.

1.1. История создания и общие положения метода сжигания в ЦКС.

1.2. Конструктивно-компоновочные схемы котлов с ЦКС.

1.3. Влияние качества топлива на выбор конструктивных решений для котлов с ЦКС.

1.4. Сравнение технико-экономических и стоимостных показателей котлов с ЦКС и традиционных факельных котлов.

1.5. Цели и задачи исследования.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Комплексный подход к анализу технико-экономической эффективности энергоблоков с ЦКС-котлами.

2.2. Критерий эффективности.

2.3. Методика математического моделирования ЦКС-котла.

2.4.0собенности методики расчета ЦКС-котлоагрегатов и вспомогательных систем котла.

2.4.1. Особенности расчета ЦКС-котлоагрегатов.

2.4.2. Расчет вспомогательных систем ЦКС-котлов.

2.5. Методика оптимизации и вариантных расчетов.

Выводы к главе 2.

ГЛАВА 3. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭНЕРГОБЛОКОВ С КОТЛАМИ ЦКС.

3.1. Постановка задачи оптимизации.

3.2. Учет влияния марки топлива.

3.3. Анализ термодинамических и расходных параметров.

3.4. Оценка устойчивости оптимальных параметров.

3.4.1. Устойчивость оптимальных параметров в условиях изменяющейся мощности энергосистемы.

3.4.2. Устойчивость оптимальных параметров в условиях изменяющейся экологической обстановки (изменение фоновых концентраций).

3.4.3.Устойчивость оптимальных параметров в условиях изменения числа часов использования установленной мощности.

3.4.4. Устойчивость оптимальных параметров в условиях изменения стоимости топлива.

Выводы к главе 3.

Ь ГЛАВА 4. АНАЛИЗ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭНЕРГОБЛОКОВ С КОТЛАМИ ЦКС.

4.1. Определение эффективности применения ЦКС-технологии.

4.2. Стоимостные показатели строительства энергоблоков по ЦКС-технологии.

4.3. Примеры ввода генерирующих мощностей на базе ЦКС-технологии.

4.3.1. Проект строительства ГРЭС на кузнецких углях мощностью 1650 МВт.

4.3.2. Проект строительства Новосибирской ТЭЦ-6 на отсевах антрацита мощностью 780 МВт.

Выводы к главе 4.

Современное состояние отечественной энергетики требует масштабных инвестиционных проектов с целью наращивания энергетических мощностей. При этом долговременная концепция развития отечественной и, в.первую очередь, сибирской энергетики, формируется как угольная, а уголь рассматривается как стратегическое топливо. Доля использования твердых топлив по отношению к жидким и газообразным возрастает, несмотря на увеличение добычи нефти и газа в последние годы и на перспективу [34, 66]. При этом топливо-обеспечение ТЭС характеризуется сменой гаммы топлив, наблюдаемой в настоящее время. Топливные компании констатировали «окончание газовой паузы» в энергетике и переход к программам «Уголь - энергетическое топливо 21-го века» [77]. Эффективное использование угля в энергетике России является актуальной задачей [23,29,56].

Современное состояние отечественной энергетики характеризуется новыми чертами.

Первое - значительная доля оборудования отработало свой ресурс, и в перспективе без проведения работ по восстановлению, продлению ресурса и замене оборудования на новое, не сможет обеспечить надежной работы в перспективе. Принята к внедрению Концепция развития ОАО РАО «ЕЭС России».

Второе - идет реформирование электроэнергетики России с целью повышения эффективности предприятий отрасли, создание условий для ее развития на основе стимулирования инвестиций, обеспечение надежного и бесперебойного энергоснабжения потребителей. При этом меняется система государственного регулирования отрасли, формируется конкурентный рынок электроэнергии, создаются новые компании с разделением естественномонопольных (передача электроэнергии, оперативно-диспетчерское управление) и потенциально конкурентных (производство и сбыт электроэнергии, ремонт и сервис) функций.

Третье - для многих существующих электростанций (особенно Сибирского региона) основное топливо — каменный и бурый уголь. Качество поставляемого угля зачастую не соответствует заложенным проектным требованиям, что приводит к ухудшению технико-экономических показателей электростанций в целом, снижению надежности. Большинство электростанций запроектировано в 50-е — 70-е годы прошлого века с привязкой к конкретным разрезам и маркам угля. В настоящий момент наблюдается естественное ухудшение качества угля в процессе выработки старых разрезов.

Четвертое - в существующих экономических условиях топливодобывающие компании становятся совладельцами энергогенерирующих; при этом наблюдается тенденция к смене проектных марок угля, соответствующей интересам собственников, а то и к коренной смене топливной базы. Это ведет к необходимости сжигания непроектных углей и связанных с этим масштабными реконструкциями.

Пятое - снижение тепловой нагрузки при сохранении электрической, что ведет к увеличению доли конденсационной выработки. Это связано с тем, что многие электростанции раньше входили в единый комплекс «предприятие-электростанция», в связи с распадом такой системы произошло коренное изменение структуры производства электроэнергии с уменьшением теплофикационной выработки и отборов пара. Кроме того, в формирующихся рыночных условиях, многие угольные ТЭЦ ощущают жесткую конкуренцию со стороны газовых котельных.

Шестое - в силу вышеприведенных обстоятельств, актуальной задачей является привлечение инвестиций. Это, в свою очередь, формирует различные способы финансовых средств, набирающих практику в настоящее время - IPO (первичное размещение ценных бумаг), привлечение денег по механизму гарантирования инвестиций.

Согласно утвержденной инвестиционной программы энергокомпании Холдинга РАО «ЕЭС России», до 2011 г. планируется построить 34,2 тысячи

МВт. Общий объем финансирования инвестпрограммы составит 3,1 трлн. рублей. Реализация инвестиционной программы позволит полностью покрыть потребности растущей экономики и бытового сектора в электрической и тепловой энергии и исключить возможность возникновения дефицита мощности. В строительство новых энергоблоков генерирующие компании энергохолдинга направят 1,8 трлн. рублей. Реализация инвестиционной программы предусматривает строительство современных электростанций, в том числе на базе угольных энергоблоков с циркулирующим кипящим слоем, (http://www.rao-ees.ru/ru/news/news/pr/ show.cgi7prl50207prog.htm).

Учитывая отмеченные выше тенденции в развитии ТЭС, особую актуальность приобретают оптимальные системные решения в энергетике и, в частности, - оптимальные решения по энергетическим котлам (как наиболее капиталоемкой части энергоблоков, затраты в которую с учетом зданий и сооружений, косвенных расходов могут составлять - до 50 %) с новыми котельными технологиями. Одной из таких технологий является технология сжигания в циркулирующем кипящем слое (ЦКС).

Технология циркулирующего кипящего слоя (ЦКС) применялась в нефтехимической промышленности уже в первой половине 20-го века. Однако внедрение ее в энергетических установках было не просто переносом известного применения. Использование технологий кипящего слоя было инициировано энергетическим кризисом начала 70-х годов. Кроме того, с середины 70-х годов происходило постоянное ужесточение норм на допустимые выбросы. Технологии стационарного кипящего слоя были вполне приемлемы для систем, сжигающих низкокачественное топливо, такое, например, как отходы лесоперера-ботки, шламы и.т.п. Было установлено, что это топливо можно эффективно сжигать, поддерживая небольшой уровень выбросов. [6,17,44].

Рассматривалась возможность широкомасштабного сжигания угля в установках стационарного кипящего слоя. Однако оказалось, что низкореакционное топливо трудно сжигается в кипящем слое. Недожог оставался высоким, а регулирование температуры и выбросов было затруднено. Для решения этих проблем была предложена идея увеличить скорость ожижения, усилить турбу-лизацию и смешение частиц для улучшения выжига углерода и связывания серы. Рост скорости приводил к увеличению выноса частиц из слоя. Для возврата частиц в топку и поддержания процесса ожижения, было предложено использовать циклон. Все это и было основой технологии ЦКС для сжигания топлива [6].

Основными преимуществами технологии ЦКС являются возможности [6, 9,15,17,47]:

- эффективного сжигания низкокалорийных, высокозольных топлив, а также топлив с малым выходом летучих, которая определяется стабильной температурой в топке, низким содержанием углерода в слое, длительным временем пребывания коксозольного остатка в реакционной зоне;

- совместного сжигания топлив различного качества и состава в одном и том же котле, упрощенная схема подготовки топлива;

- эффективного (более 90%) связывания оксидов серы путем подачи известняка в топку при оптимальной температуре слоя около 870°С и длительном времени пребывания частиц известняка в реакционной зоне;

- обеспечения низких выбросов оксидов азота (на уровне 200-300 мг/нм3) без дополнительных дорогостоящих мероприятий, которые обусловлены низкой и стабильной температурой слоя и надслоевого пространства, при организации ступенчатого подвода воздуха;

- уменьшения котельной ячейки, обусловленного отсутствием средств серо- и азотоочистки, что позволяет разместить котел с ЦКС в существующих котельных ячейках;

- относительно быстрого изменения нагрузки, глубокой разгрузки котла.

К недостаткам технологии можно отнести [30, 45] усложнение конструкции котла (воздухораспределительная решетка, принятие мер для защиты поверхностей нагрева от эрозии [36] др.), наличие большей (по сравнению с традиционным котлом) массы футерованных элементов. Кроме того, усложняется ряд вспомогательных систем котла (дренаж слоя, возврат золы, подвод известняка), повышаются расходы на собственные нужды за счет использования высоконапорных дутьевых вентиляторов.

Несмотря на успешный опыт эксплуатации котлов с ЦКС в мировой энергетике, комплексного технико-экономического исследования ЦКС-технологии в составе энергоблоков ТЭС не проведено. Вместе с тем такое исследование актуально, так как позволит учесть многофакторное влияние термодинамических, технических, конструктивно-компоновочных, топливных, структурных и др. ограничений и сформулировать практические рекомендации при проектировании ЦКС-энергоблоков любых типов и мощностей.

В диссертации разработана методика комплексной оптимизации ЦКС-котлоагрегатов в составе энергоблоков ТЭС.

Проведена комплексная оптимизация ЦКС-технологии в составе энергоблоков широкого диапазоне мощностей и типоразмеров на различных марках топлива. На основе расчетов определены оптимальные параметры оборудования, выявлены основные закономерности влияния системных факторов при обеспечении всех требуемых показателей функционирования и с учетом экологических, финансовых и топливных ограничений.

На основе полученных (в результате вероятностных оптимизационных расчетов) закономерностей по выбору параметров и характеристик оборудования и технико-экономической эффективности выработаны практические рекомендации по применению ЦКС-котлоагрегатов.

Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс НГТУ (при дипломном проектировании), а также использованы в работах ЗАО «Сиб-КОТЭС» при разработке технико-коммерческих предложений, ОАО «Новосибирскэнерго» и ОАО «Русал Ачинск», при оценке экономической эффективности строительства и выборе технологии сжигания, с учетом топливной базы предприятий.

Основные положения диссертации вошли в отчет по работе, выполняемой в рамках государственного контракта №02.438.11.7027 от 06.03.2006 г. (шифр 2006-РИ-16.0/003/016) «Научно-организационное, методическое и техническое обеспечение организации и поддержки научно-образовательных центров в области природоохранных технологий переработки и утилизации техногенных образований и отходов и осуществление на основе комплексного использования материально-технических и кадровых возможностей совместных исследований и разработок».

В первой главе обоснована актуальность проблемы. Изложены принципиальные особенности ЦКС-технологии. Показано, что до настоящего времени не проведено обобщающего исследования, которое позволит комплексно оценить достоинства и недостатки данной технологии.

Сформулированы цели и задачи исследования.

Во второй главе изложена методика исследования ЦКС-технологии в составе энергоблоков ТЭС. Изложены основные положения подхода к технико-экономической оптимизации, целями которой является определение наивыгоднейшего сочетания термодинамических параметров и вида технологической схемы ЦКС-энергоблока с учетом всех видов ограничений. При этом в качестве внутренних ограничений выступают начальные параметры энергоблока, режимные факторы технологических процессов, конструктивные особенности оборудования (в первую очередь котлов) и т.п., внешними ограничениями являются условия приведения расчетных вариантов к сопоставимому виду, которые учитывают влияние экологических, социальных, инфраструктурных факторов, включение блока в энергосистему, его готовность к несению нагрузки, работа в условиях несортовых поставок топлива и др.

Разработанная модель комплексного технико-экономического исследования, в которой заложены принципы эксергетической методологии и теории аг-регативных систем, по существу является дальнейшим развитием активно прорабатываемого в НГТУ в последние годы направления комплексных исследований энергетических установок, которое прослеживается в работах Ноздренко Г.В., Щинникова П.А., Овчинникова Ю.В., Томилова В.Г., Зыковой Н.Г, Боро-дихина И.В., Григорьевой O.K.

Сформулирована целевая функция в вероятностной постановке, которая в современных условиях хозяйствования должна отражать как доходную, так и расходную составляющие.

Предложены определяющие принципы и обобщающий математический подход для исследования ЦКС-котлоагрегатов в составе энергоблоков ТЭС. К термодинамическим независимым параметрам котла относятся: начальные и конечные параметры пара, параметры промежуточного перегрева, конечные параметры системы регенерации. Совокупность расходных параметров определяет материальные балансы и задает значения расходов рабочих тел и теплоносителей по всем технологическим связям энергоблока. Функционирование элементов энергоблока с ЦКС-котлом и зависимости между параметрами связей моделируются уравнениями энергетического, расходного, гидравлического (аэродинамического) балансов. Система уравнений балансов функционирующих элементов устанавливает такое соотношение между термодинамическими и расходными параметрами связей, которое обеспечивает получение заданной нагрузки ЦКС-котла и в целом энергоблока.

Сформулированы ограничения на применяемые методы. Предложенные методики реализованы в вычислительном компьютерном комплексе, имитирующем работу ЦКС-энергоблоков в составе ТЭС. Приведены основы методики поверочно-конструкторского расчета ЦКС-энергоблоков.

В третьей главе проведена оптимизация параметров энергоблоков и ЦКС-котлоарегатов в составе ТЭС.

На основе расчетных экспериментов впервые выполнена структурная оптимизация энергоблоков с ЦКС-котлоагрегатами, включающая оптимизацию термодинамических и расходных параметров как ЦКС-котлов, так и энергоблока в целом. Проведена оценка устойчивости оптимальных решений при изменяющихся внешних факторах: включению ЦКС-технологии в энергосистемы различной мощности; в условиях изменения экологической обстановки в ареале функционирования; в условиях изменения стоимости топлива и числа часов функционирования.

В четвертой главе на основе разработанных методических подходов определен диапазон эффективного применения энергоблоков с ЦКС с учетом мирки сжигаемого угля и типа энергоблока. Рассмотрено влияние оптимизации начальных термодинамических параметров на эффективность применения ЦКС-технологии, оценено влияние учета затрат в экологическую инфраструктуру. Показано, что оптимизация параметров существенно эффективнее для теплофикационных энергоблоков.

Приведены примеры расчетов экономической эффективности и примеры проектов строительства новых генерирующих мощностей на базе ЦКС-технологии. Показано, что энергоблок, оснащенный ЦКС-технологией позволяет получить доход больший, чем при традиционной компоновке котла на 200 млн.рублей (за весь срок жизни) для ГРЭС-1650 МВт, и 1684 млн. руб для ТЭЦ-780 МВт. При этом дисконтированные сроки окупаемости ЦКС-энергоблоков ТЭЦ сокращаются на год.

В заключении сформулированы основные результаты работы и практические рекомендации по применимости ЦКС-технологии на ТЭС.

Приложение содержит акты о практическом использовании результатов диссертационной работы.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: конференции молодых ученых (Новосибирск, НГТУ, 2004, 2005, 2006), на научных семинарах каф. ТЭС НГТУ, «Сибтехэнерго», «СибКОТЭС», (Новосибирск, 2006.2007 гг.), на пятой Российской научно-техническая конференция "Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности" (г. Ульяновск, 20-21 апреля 2006 г., УлГТУ), 6-й Всероссийской конференции "Горение твердого топлива" (г. Новосибирск, 8-10 ноября 2006г., ИТ СО РАН).

Личный вклад заключается в разработке методик исследования, проведении комплексных оптимизационных расчетов, анализе результатов, выработке практических рекомендаций.

Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 8 печатных изданиях: из них одна научная статья в рецензируемом издании, входящим в перечень рекомендованных изданий ВАК, две статьи в материалах всероссийских конференций, пять статей в сборниках научных трудов.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложения. Основной текст изложен на 127 страницах, содержит 33 рисунка, 7 таблиц.

Выводы к главе 4

1. На основе интегрального критерия определен диапазон эффективности применения ЦКС-энергоблоков с учетом марки угля в диапазоне мощностей 50.500 МВт; с учетом оптимизации начальных термодинамических параметров и на стандартные параметры пара; с учетом и без учета затрат на восстановление экологической инфраструктуры. Показано, что марка угля имеет определяющее значение для выбора технологии сжигания (факельный/ ЦКС) и профиля энергоблока. Оптимизация параметров ЦКС-энергоблоков приводит к увеличению их эффективности на 3.8%, расширяя диапазон возможного применения.

2. Показано, что наиболее эффективным является применение ЦКС-котлов прежде всего для теплофикационных энергоблоков, ввиду их приближенности к крупным городам, и соответственно, повышенными требованиями к экологическим характеристикам энергоблоков ТЭЦ.

3. Определены стоимостные затраты на сооружение новых ТЭС на базе ЦКС-энергоблоков и ЦКС-котлоагрегатов. Показано, что стоимость строительства обратно пропорциональна мощности энергоблока и составляет, в зависимости от марки угля и мощности блока 1080. 1550 у.е./кВт для энергоблоков типа «К», 1100. 1600 у.е./кВт для энергоблоков типа «Т», 1150. .1680 у.е./кВт для энергоблоков типа «ПТ».

4. Определены основные технико-экономические показатели функционирования новых ТЭС, показатели финансовой и инвестиционной привлекательности, на основании которых можно сделать вывод об эффективности применения ЦКС-котлоагрегатов на базе низкосортных топлив, таких как отсевы и угольные шламы, окисленные угли, а также об эффективности внедрения мероприятий по оптимизации расходно-термодинамических параметров при новом строительстве.

Основные технико-экономические показатели строительства ГРЭС-1650 МВт на базе окисленных углей Кузнецкого бассейна составили (в вариантах на стандартные/ оптимизированные параметры):

- Капитальные затраты: 61380/62429 млн. руб; удельные капитальные затраты: 1240/1261 у.е./кВт;

- Чистый дисконтированный доход: 21618/21810 млн. руб.

- Внутренняя норма доходности: 19,40/19,95%;

- Индекс доходности: 2,12/2,17.

- Срок окупаемости/ дисконтированный срок окупаемости: 10/14 лет для обоих вариантов.

Основные технико-экономические показатели строительства ТЭЦ-780 МВт на базе отсевов антрацита составили (в вариантах на стандартные/оптимизированные параметры):

- Капитальные затраты: 31707/28712 млн. руб; удельные капитальные 1 ^сс/1/ "о .

Затраты, ujj/i^z./ y.c.íkjji,

- Чистый дисконтированный доход: 16173/17857 млн. руб.

- Внутренняя норма доходности: 22,0/23,72%;

- Индекс доходности: 2,59/2,92.

- Срок окупаемости/дисконтированный срок окупаемости: 10/12 лет для варианта строительства на традиционные параметры пара и 9/11 лет для варианта с оптимизацией.

109

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации содержится решение задачи, заключающейся в исследовании эффективности применения на ТЭС энергоблоков с котлами циркулирующего кипящего слоя, имеющей существенное значение для энергетики:

1. Разработана методика решения задачи сопоставления эффективности ЦКС-энергоблоков тепловых электростанций с традиционными на основе комплексной технико-экономической оптимизации и установления зависимостей между расходно-термодинамическими параметрами и технико-экономической эффективностью ЦКС-энергоблоков.

2. Разработана методика комплексной технико-экономической оптимизации энергоблоков ТЭС с ЦКС-котлами, их математическая модель, выполнены комплексные исследования и получены новые результаты по наивыгоднейшим сочетаниям термодинамических, расходных, технико-экономических параметров и показателей с учетом влияния графиков нагрузки, надежности энергоснабжения, связи с энергосистемой, требований к экологической, социальной, промышленной инфраструктуре, удельных стоимостных показателей, марок угля, типов и мощностей энергоблоков при неопределенности исходной информации Произведена оценка наивыгоднейших сочетаний термодинамических, расходных и технико-экономических параметров и показателей. Выполнено исследование влияния системных факторов и типов энергоблоков на схемно-параметрические оптимальные решения Определено, что оптимальными параметрами пара для энергоблоков с ЦКС-котлами являются:

•для конденсационных энергоблоков: - Ро/РПп=28,5/4,76.29,5/4,92 МПа, 1оЛпп=530/550. 540/600°С при температуре питательной воды 1:пв=225.300оС и удельной паропроизводительности Б0 =2,42.3,05 т/(кВт-ч).

•для теплофикационных энергоблоков типа «Т»:

- без промперегрева (для Т-50.Т-175 МВт) - Р0=8,9.14,2 МПа; 1о=555.600°С при температуре питательной воды 1ПВ=185.200°С и удельной паропроизводительности О0=4Д 1. .4,57 т/(кВт-ч);

- с промперегревом (для Т-180.Т-250 МВт) параметры свежего и вторично перегретого пара - Ро/Рпп=21,6/3,61.29,5/4,9 МПа; У1пп=530/530 .550/565°С при температуре питательной воды 1ПВ=180.300°С и удельной паропроизводительности Оо =2,85.4,2 т/'(кВт-ч).

•для теплофикационных энергоблоков типа «ПТ»: Р0=8,9.29,5 МПа, 1о=530.550°С при температуре питательной воды 1ПВ=180.300°С и удельной паропроизводительности Оо=4,65. .7,5 т/(кВт ч);

3. Разработаны практические рекомендации по выбору параметров, схем, марок угля и областей применения энергоблоков с ЦКС-котлами на тепловых электростанциях при учете системных факторов.

- Теплофикационные Т-энергоблоки эффективны для единичных мощностей 50.250 МВт на углях марок «Т», «СС», окисленных углях, шламах и отсевах, бурых углях; а на антрацитах - для единичных мощностей 180.250 МВт; Для всех марок углей для единичных мощностей 50.250 МВт применение технологии ЦКС эффективно только при оптимальных параметрах.

- Конденсационные энергоблоки эффективны для единичных мощностей 50.500 МВт на отсевах, шламах, окисленных углях, и на углях марок «Т», «СС», антрацитах и бурых углях эффективны только при оптимальных параметрах для единичных мощностей 150.230 МВт.

- Теплофикационные ПТ-энергоблоки для единичных мощностей 80. 140 МВт на окисленных углях, шламах и отсевах, бурых углях; и на углях марок «Т»,«СС» при оптимальных параметрах для энергоблоков единичных мощностей 80. 140 МВт.

Применение ЦКС-технологии оправдано в случае сравнения с традиционными факельными котлами с системами серо-азотоочистки, доводящими их до сопоставимых с ЦКС-котлами уровнем выбросов.

Наиболее эффективным является применение ЦКС-котлов прежде всего для теплофикационных энергоблоков, ввиду их приближенности к крупным городам, и соответственно, повышенными требованиями к экологическим характеристикам энергоблоков ТЭЦ.

4. Определены стоимости строительства новых генерирующих мощностей на базе ЦКС-технологии. Показано, что удельные капиталовложения составляют 32 400.46 500 руб/кВт (1080. 1550 у.е./кВт) для К-энергоблоков, 33 000.48 000 руб/кВт (1100. 1600 у.е./кВт) для Т-энергоблоков, 34500.50400 руб/кВт (1150. 1680 у.е./кВт) для ПТ-энергоблоков. При этом капиталовложения в ЦКС - котлоагрегаты варьируются от марки сжигаемого топлива и профиля котлоагрегата. Стоимость оптимизированных ЦКС-котлоагрегатов уменьшается на 12. 15% для конденсационных энергоблоках на бурых углях и углях марок «Т», «СС»; на 3.5% для энергоблоков на окисленных углях. Для энергоблоков на углях марок «Г», «Д», шламах - стоимость котлоагрегата увеличивается на 3.8%. Для теплофикационных энергоблоков без промперегрева общее удорожание котлоагрегата составляет 9. 15% для всех марок углей; при переходе на промперегрев общее удорожание составляет 12. .18%. Удорожание энергоблоков типа «ПТ» составляет 7.15%. Для всех энергоблоков большие значения соответствуют более дорогим маркам углей (в связи с переходом на повышенные параметры пара).

Показано, что простой/дисконтированный срок окупаемости для ГРЭС-1650 МВт составляет 10/14 лет; и для ТЭЦ-780 МВт -10/12 лет.

Показано, что оптимизация позволяет уменьшить сроки окупаемости на 0,5. 1 год, увеличивает ЧДД проекта на 198 млн. рублей для варианта строительства ГРЭС-1650, и на 1684 млн. рублей для варианта со строительством ТЭЦ-780.

1. Авруцкий Г Д. Савенкова И. А. Лазарев М.В., и др. Разработка технических решений по созданию турбоустановки для блока суперкритических параметров пара. // Электрические станции, 2005, № 10.-С. 36-40.

2. Аминов Р.З., Борисенков А.Э., Доронин М.С. Эффективность сооружения ПТУ и концепция устойчивого развития // Материалы конф. «Экология энергетики 2000». М.: Изд-во МЭИ, 2000. -С. 281285.

3. Андрющенко А.И. Методика системных термодинамических исследований в теплоэнергетике. Саратов: СГТУ, 1996. -97 с.

4. Андрющенко А.И. Термодинамические расчеты оптимальных параметров тепловых электростанций. М.: Высшая школа, 1963. - 230 с.

5. Андрющенко А.И., Дубинин А.Б., Ларин Е.А. О показателях экономической эффективности энергетических объектов. // Изв. ВУЗов. Энергетика. 1990. - №7. - С. 3-6.

6. Баскаков А.П., Мацнев В.В., Распопов И.В. Котлы и топки с кипящим слоем. М.: Энергоатомиздат, 1996. - 352 с.

7. Бродянскш В.М. Эксергетический метод термодинамического анализа. М.: Энергия, 1973. - 269 с.

8. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. М.: Наука, 1978. -400 с.

9. Карпенко Е.И., Мессерле В.Е., Перегудов B.C. Основные этапы совершенствования способов сжигания твердых топлив и их наиболее перспективные современные направления// Теплоэнергетика, 2003, № 12.-С. 42-45.

10. Каталог-справочник подольского машиностроительного завода. -Подольск: Изд-во ЗиО-Подольск, 2004 г. 73 с.

11. Комплексные исследования ТЭС с новыми технологиями: Монография /

12. П.А. Щинников, Г.В. Ноздренко, В.Г. Томилов и др. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2005. - 528 с.

13. Котельные агрегаты. Справочник. Центр НИИИНФОРМТЯЖМАШ.к

14. М: ЦНИИТЭстроймаш, 1969 г. 144 с.

15. Лундквист Р.Г. Технология сжигания в циркулирующем кипящем слое // Электрические станции. -2002. №10. -С. 61-67.

16. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов (Вторая редакция) / Под ред. В.В. Косова, В.Н. Лившиц, А.Г. Шахназаров. М.: Экономика, 2000. - 422 с.

17. Мелентьев Л.А. Системные исследования в энергетике. М.: Наука, 1983.-455 с.

18. Теплоэнергетика, 1990, № 3. С. 72-75.

19. Неуймин В.М. Обновление оборудования ТЭС-веление времени. // Энергомашиностроение, 2005, № 2-3. С. 76-87.

20. Номенклатурный каталог ТКЗ. Таганрог: Изд-во ОАО «Красный котельщик», 2002 г. - 132 с.

21. Образцов С.В., Эдельман В.И. Электроэнергетика России в 1998 году. Основные итоги // Электрические станции, 1999, № 5. С. 2-9.

22. Ольховский Г.Г., Тумановский А.Г. Применение новых технологий при техперевооружении угольных ТЭЦ. // Новые технологии сжигания твердого топлива: их текущее состояние и использование в будущем. Сборник докладов. 23-24 января 2001 г. -С. 4-16.

23. ЪХ.Попырин Л.С. Математическое моделирование и оптимизация теплоэнергетических установок. М.: Энергия, 1978. -416 с.

24. Я/7 НеШ-К8 Версия 2.0. Поверочный тепловой расчет с топкой кипящего слоя. Инструкция пользователя. СПб: НПО ЦКТИ, 2004. -77 с.

25. Практические рекомендации по оценке эффективности и разработке инвестиционных проектов и бизнес-планов в электроэнергетике (сттхтт/мэг.т*жт;г утт^апоипЛ ЛЛгтэ ТТттгооли* ПАП // Т^г Р1. ЛЛЛТГТ1«1. М„ 1999.-325 с.

26. Ъ А. Пугач ЛИ. Энергетика и экология. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1999. -197 с.

27. Пугач Л.И., Ноздренко Г.В., Зыкова Н.Г., Пугач Ю.Л. Расчетные исследования. Влияние качества топлива и схемных решений: Учеб. пособие.- Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1997. 58 с.

28. Редько А.Ф., Ильченко А.А., Пуль В.Н. Эрозионный износ оребренных поверхностей нагрева в кипящем слое. // Теплоэнергетика, 1990, № 1. -С. 46-48.

29. Рябов Г.А., Курочкин А.И., Фоломеев О.М. Исследование теплообмена к настенным экранам на аэродинамической модели котла с ЦКС // Теплоэнергетика. 1999. - N 8. - С. 53-58.

30. Рябов Г.Г., Надыров И.И., Фоломеев О.М. и др. Научное обоснование использования технологии сжигания отечественных твердых топлив в циркулирующем кипящем слое // Теплоэнергетика. 2001. - N 6. - С. 38-43.

31. Рябов Г.А., Толчинский E.H., Надыров И.И. и др. Применение котлов с циркулирующим кипящим слоем для замены устаревших пылеугольных котлов. // Теплоэнергетика. 2000. - N 8. - С. 14-19.

32. Рябов Г.А., Дик Э.П., Соболева А.Н., Соловьева Т.Е. Особенности процессов сжигания биотоплив в котлах с кипящим слоем// Теплоэнергетика, 2005, № 9. С. 54.60.

33. Серант Ф.А., Русских Е.Е., Ноздренко Г.В. Применение ЦКС котлов в проектах ТЭС. Материалы шестой Всероссийской конференции «Горение твердого топлива». - Новосибирск: Изд-во ИТФ СО РАН, -2006.-С. 206 - 209.

34. Серант Ф.А., Пугач Ю.Л., Коваленко П.Ю., Русских Е.Е. Варианты реконструкции Новосибирских ТЭЦ-2,3,4 с применением новых технологий. Программа энергоэффективности и энергобезопасности

35. Нппприйппль'пи пйтгастн л Г» 9ГГ7П г1 ^Г^ЛПИИИ" лйлрилргтоотлттгу1 n/iiVJ VII V/IlU V1W * i M.4/MV X . ^ »—' ч V/ III UV VV V/ VX X XJ LMU± UUi W UL^XX^Vматериалов. Выпуск 1.).Новосибирск: Изд-во «Профи», 2005. - С. 163 -176.

36. Саламов A.A. Котлы с циркулирующим кипящим слоем, эксплуатируемые в США // Теплоэнергетика, 2006, № 6. С. 69-70.

37. Саламов A.A. Удельные капитальные затраты на сооружение ТЭС за рубежом // Теплоэнергетика, 1997, № 2. С. 76-79.

38. Саламов A.A., Филъков В.М. Парогазовые установки со сжиганием топлива в кипящем слое под давлением. // Теплоэнергетика, 1998, № 8. -С. 71-74.

39. Саломатов В.В. Природоохранные технологии на тепловых и атомных электростанциях. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. - 852 с.

40. Семенов В.А. О росте доли угля в мировой энергетике. // Энергетика, 2006, №4. с. 24-25.

41. Смирнов И.А., Хрипев Л.С., Белоусенко И.В., Коренное Б.Е. Определение экономической эффективности реконструкции ТЭЦ // Теплоэнергетика, 1999. № 4. - С. 7-13.

42. Тепловой расчет котельных агрегатов (Нормативный метод) СПб: НПО ЦКТИ, 3-е изд., 1998. -256 с.

43. Тепловой расчет котлов с топкой кипящего слоя. Методика расчета. -СПб: ШО ЦКТИ, 2002. -36 с.

44. Толчинский E.H., Надыров И.И., Рябов Г.А. Анализ конструктивных особенностей котлов с кипящим слоем фирмы «Foster Wheller». Технический отчет. М.: ВТИ, 1996. 128 с.

45. Томилов В.Г., Щинников П.А., Ноздренко Г.В. и др. Обоснование направлений развития пылеугольных ТЭЦ с новыми ресурсосберегающими технологиями. Новосибирск: Наука, 2000. -147 с.

46. Томилов В.Г., Щинников П.А., Ноздренко Г.В. и др. Эффективность пылеугольных ТЭЦ с новыми экологообеспечивающими технологиями. Новосибирск: Наука, 1999. - 97 с.

47. Трухачев СЛ., Рябов Г.А. Инженерная методика расчета теплообмена к настенным поверхностям нагрева в топке ЦКС // Тепломассообмен ММФ-2000: IV Минский междунар. форум, 22-26 мая 2000 г. В 11 т. Т.6. Минск, 2000. - С. 24-33

48. Чичкин A.A. Производство и использование нефтяного топлива из каменного угля в ЮАР. / Уголь, декабрь, 1988. С. 50-52.

49. Чубайс А.Б. РАО «ЕЭС России»: Новая Энергетическая Политика. По материалам конференции «РАО «ЕЭС России» открытая компания». 29 ноября 2005 г, Москва. (www.rosteplo.ru/news.php?zag=l 133335345).

50. Шаргут Я., Петела Р. Эксергия. // Перевод с польского Батурина Ю.И., Стржижовского Д.Ф. / Под ред. Бродянского В.М. М.: Энергия, 1968. - 278 с.

51. Шатилъ A.A. Расчетное исследование топочных устройств. СПб: НПОЦКТИ, 2003.-152 с.71 .Шатилъ A.A.Топочные процессы и устройства (исследования и расчет). СПб: НПО ЦКТИ, 1997. -185 с.

52. Щинников П.А. Постановка задачи оптимизации генерирующих мощностей энергосистемы. / Энергетика (Изв. Вузов и энергетических объединений СНГ). 2000. - №6. - С. 66-72.

53. Щинников П.А., Овчинников Ю.В., Пугач Л.И. и др. Системные исследования малоинвестиционных технологий в составе ТЭЦ // Энергетика: Изв. вузов и энергетических объединений СНГ. 2000.- № 2.-С. 54-59.

54. Щинников П.А., Ноздренко Г.В., Ловцов A.A. Эффективность реконструкции пылеугольных паротурбинных ТЭЦ в парогазовые путем паротурбинной надстройки и исследование показателей их функционирования. Новосибирск: Наука, 2002. - 96 с.

55. Яхилевич Ф.М., Семенов А.Н., Глебов В.П. и др. Энергетический котел с топкой кипящего слоя на прибалтийском сланце // Теплоэнергетика, 1984,№5.-С. 8-30.

56. Hoskins Bill, Booras George. Assessing the cost of new coal-fired power plants. Power (USA). 2005.149, №8, pp. 24-28.

57. Jons R.F. Pulverised coal v.s. circulating fluidized bed. Economical comparison // American Power Conference, Chicago, Illinois, 1989.

58. S5.Kavidass S., Alexander K.C. Design considerations of B&W industrial and utility size reheat/ non-reheat IR-CFB boilers. // Power-Gen Asia-96. September 17-19,1996, New Delhi, India.

59. Lafanechere L., P. Basu, L. Jestin, 1995. Effects of the fuel parameters on the size and configuration of Circulating Fluidized Bed boilers, Journal of Institute of Energy, 1995, December. 68, pp. 184-192.

60. Kl.Morin Jean-Xavier. Recent ALSTOM POWER large CFB and scale up aspects including steps to supercritical. // 47th International Energy Agency Workshop on Large Scale CFB, Zlotnicki, Poland, October, 13th, 2003.

61. RafalPsik, Janusz Jablonski, Mati Uus. Utility power plans repowering with application of CFB technology-experiences of Polish and Estonian plants. I I Russia Power-Gen 2006 conference proceeding, Moscow, Russia, 14-16, March, 2006.

62. Ryabov G.A., Nadirov I.I. The Implication of CFB Technology for repowering of old pulverized coal boiler in Russia. // Proceedings of the 15th International Conference on Fluidized Bed Combustion. May 16 19, 1999 Savannah, Georgia.

63. Singer J. G. Combustion, Fossil Power. Fourth Edition. Combustion Engineering Inc., Windsor, CT. 1991. p. 1-12.

64. Stephen J. Goidich, Ragnar G. Lundqvist The utility CFB boiler -Present status, short and long term future with supercritical and ultra-supercritical steam parameters. // Power Gen Europe-2002 conference, Milan July 11-13, 2001.

65. Stephen J. Goidich, Timo. Hyppanen. Foster Wheeler compact CFB boilers for utility scale // 16th International conference on Fluidized Bed Combustion, Reno, Nevada, May 13-16 2001.

66. Stephen J. Goidich, Timo Hyppanen, Kari Kauppinen. CFB boiler design and operation using the INTREX™ heat exchanger. // 6 International Conference on Circulating Fluidized Beds. August 22-27, 1999, Wurzburg, Germany.

67. Talukdar J., Basu P. The effect of fuel parameters on the performance of a circulating fluidized bed boiler. II Circulating Fluidized Bed Technology Conference-V, Science Press, Beijing, 1997, pp. 307-320.

68. Venalainen /., Ruiz F. J. A., Jubitero J. M., Scaling Up Once-Through Supercritical CFB Boilers to 800 MW. // Power-Gen Europe, Milan, Italy, June 28-30,2005.v