автореферат диссертации по энергетике, 05.14.01, диссертация на тему:Многофакторное исследование перспектив развития систем дальнего теплоснабжения на базе транспорта теплоты в химически связанном состоянии

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ СИБИГ:КМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

Годомолзин Анатолий Николаевич

УДК 621.311.25: 621.039. 001:697.35

МНОГОФАКТОР НОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРСПЕКТИВ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ ДАЛЬНЕГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ НА БАЗЕ ТРАНСПОРТА ТЕПЛОТЫ В МИМИЧЕСКИ СВЯЗАННОМ СОСТОЯНИИ

Специальность 05.14.01 - Энергетические

комплексы и системы

Авторе ^раг на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иркутск - 1992

Работа выполнена в Сибирском энергетическом институте СО РАН (СЭИ).

Научные рук водители: доктор технических наук,

профессор Хрилев Л. С.

кандидат технических наук,

Федяев А. В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

Бублик Е Л кандидат технических наук,

Наумов Е В.

Ведущая opi анизация: ВНИПИЭнергопром, г. Москва

Защита сос. оится 30.10.92 в 10 часов на заседании

специализирован! ого совета Д. 002.30.01 * Сибирского энергетического института СО РАЙ по адресу: 664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 130, СЭИ, к. 355.

С диссерта: лей можно ознакомиться в библиотеке Сибирского энергетического института СО РАЕ

Автореферат разослан 30 сентября 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета, к. т. н. ~ А. М. Тришечкин

ОВШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Тепловое хозяйство оказывает значительное влияние на развитие энергетики страны. С учетом происходящего существенного изменения производственной структуры энергетики, вопросы его совершенствования приобретают особое значение. Одним из возможных направлений технического прогресса в области систем централизованного теплоснабжения (СЦТ) является создание хемотермических систем дальнего теплоснабжения (ХГС ДТ). Этому способствуют: тенденции ускоренного развития промышленно-жилых агломераций (ПЖА); возрастающие трудности с размещением источников энергоснабжения; требования рационального использования ресурсов за счет создания комплексов многоцелевого назначения и др. Возникает необходимость исследования хемотермических систем как с учетом специфики этих систем энергоснабжения, так и в зависимости от структуры и режимов работы ЭЭС, производственной структуры и направлений развития энергетического хозяйства крупного экономического района и страны в целом.

Цель работы - разработка методики и инструмента для оценки перспектив развития хемотермических систем дальнего теплоснабжения на стадии долгосрочного прогнозирования.

Научная новизна исследования. Сформулирована задача оценки показателей безопасности транспорта хемотермических энергоносителей, разработана методика ее решения и выполнены исследования. Предложен подход к учету в исследованиях особенностей ХГС, связанных с новизной предлагаемых решений, включая временной и технико-экономический аспекты проблемы, а также вопросы гибкости развития.

Предложена методика комплексной оптимизации ХГС ДТ (на стадии долгосрочного прогнозирования), отражающая, с одной стороны, сложный характер внутренних и внешних взаимосвязей функционирования этих систем в рамках теплового хозяйства, а с другой - взаимосвязи этапов жизненного цикла развития технологии. Дана постановка задачи комплексной оптимизации собственно ХГС ДТ и описан разработанный в соавторстве программно-вычислительный комплекс, предназначенный для ее решения. Предложено два алгоритма дискретной оптимизации разветвленных газовых сетей - на основе метода динамического программирования и метода последовательного зквива-лентирования, разработанного, автором.

Проведено многовариантное исследование показателей хемотермических систем дальнего теплоснабжения на основе процессов конверсии и синтеза метана, сделана оценка экономической эффектив-

ности этих систем и уровня риска капитальных вложений, вьивлены основные факторы, влияювде на»перспективы развития ХГС ДТ, оценены возможные области и масштабы их применения. •

На защиту выкосятся следующие результаты. 1) Методика оценки показателей безопасности хемотермических энергоносителей; 2) Методика комплексной оптимизации развития хемотермических систем дальнего теплоснабжения (на стадии долгосрочного прогнозирования); 3) Результаты многофакторного анализа перспектив развития хемотермической системы дальнего теплоснабжения на основе процессов конверсии и синтеза метана.

Практическая ценность и внедрение. Разработанные, методические подходы, mi тодики и модели использовались в работах СЭИ СО РАН при обосновании перспектив развития систем теплоснабжения. Результаты работы получили внедрение в следующих организациях: ВНИГШЗнергопром - целевая программа О. Ц. 001 "Создание новых и модернизация действ: тощих энергоблоков с ядерными реакторами для производства элек роэнергии, тепла и воспроизводства ядерного горючего"; ВУГОК, г.Прага (ЧСФР) - проект интегрированных систем; ИАЭ им. Курчатова ■ при создании банка моделей; ГИАП (г. Москва) -приоритетное напр: .вление ГКНГ N 17 "Создание методов химического аккумулирования и транспортировки энергии".

Апробация pai юты. Основные результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на конференциях молодых ученых СЭИ (Иркутск, 1986 , 198" ); секции развития и функционирования электроэнергетических и теплоснабжающих систем Научного совета по комплексным проблемам энергетики АН СССР (Москва, 1987); семинарах по атомно-водородной энергетике в ИАЭ им. Курчатова (Москва, 1988, 1990); семинаре но исследованию трубопроводных систем (Туапсе, 1989); международных конференциях IIASA в Шэпроне (Венгрия, 1987) и Праге (ЧСФР, 19;59); научной симпозиуме СЭИ по современным проблемам системных исследований в энергетике (Иркутск, 1990 г.); международном Летлем Институте ESI VIII по проблемам безопасности систем транспорта и комплексных производств (Швеция, 1992).

Публикации. ' >сновные методические положения диссертации и результаты исследований опубликованы в 11 работах и 6 отчетах НИР.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав заключения, изложенных на 126 страницах основного текста, спис а литературы из 135 наименований и четырех приложений. Работа иллюстрирована 20 рисунками и 13 таблицами.

- 5 -СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований, показаны научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе "Анализ состояния разработок по хемотерми-ческим системам дальнего теплоснабжения и основные направления исследования" анализируется состояние уровня разработок основного оборудования ХТС ДТ, методические подходы к оценке перспектив их развития и формулируются основные направления исследований, выполненных в данной работе.

В отечественных (ИАЗ им. Курчатова, ГИАГЗ, ВНИПИЭнергопром, МЭИ, СПИ и др.) и зарубежных (в основном в ФРГ и США) разработках наибольшее внимание уделяется атомным системам дальнего теплоснабжения (АСДТ), рассматриваются и ХТС на базе источника на органическом топливе <ОСДТ). В настоящее время имеются инженерные предпосылки для создания ХТС, базирующихся на процессах конверсии и синтеза метана, и высокотемпературных гелиевых ядерных реакторах (ВТГР). Ожидается, что с помощью ХТС ДТ удастся: привлечь ядерное горючее для целей теплоснабжения мелких и средниу тепло-потребителей, расширив области применения атомных источников теплоты С АИТ); централизованно снабжать промышленных потребителей; решать экологические проблемы развития энергетики.

Необходимость дальнейшего углубленного изучения :ХТС ДТ потребовало решения следующих вопросов: проблема безопасности крупных СЦТ, включающих элементы "большой химии"-, оценка реализуемости и готовности к внедрению; комплексная оптимизация, в полной мере отражающая технологические, территориальные и временные аспекты развития этих систем; оценка и соизмерение риска и эффективности развития ХТС ДТ; гибкость развития новых технологий.

Во второй главе "Методическое и информационное обеспечение исследований перспективности ХТС ДТ" проработаны следующие вопросы: 1) оценка показателей безопасности хемотермических энергоносителей; 2) учет при исследованиях особенностей ХТС ДТ, связанных с новизной предлагаемых решений.

1. Оценка уровня безопасности новых энергоносителей в общем виде является трудноразрешимой задачей. Для двух энергоносителей наиболее часто называемых в качестве перспективных (система на основе процессов конверсии и синтеза метана (КОМ) и водоаммиачная система транспорта (ВАОТ)), оценка последствий и риска реализации основных опасностей выполняется с учетом опыта функционирования

промышленных аналогов, включая статистику отказов и результаты натурных экспериментов.

Анализ литературы показывает, что промышленными аналогами указанных энергоносителей являются системы магистрального транспорта продуктов газификации угля в США, Германии и Англии в 2040-е гг. (общая протяженность около 200 тыс.км), современный транспорт водородосодержащих газов, природного газа и аммиака. Накоплена обширная статистика отказов, имеется описание и анализ крупных аварий на этих системах. Методики исследования процессов реализации основных опасностей и определения уровня риска на промышленных аналогах были учтены автором при исследованиях показателей безопасности хемотермических энергоносителей.

Расчетная оценка последствий и риска реализации основных опасностей включает в себя следующее: а) определение физико-химических свойств и токсического воздействия вешеств; б) прогнозирование основных опасностей-, в) расчет аварийного истечения и рассеивания выброса и определение ширины зоны поражающего воздействия; г) отбор статистики отказов и повторяемости условий окружающей среды; д) расчет вероятностей поражающих воздействий и рекомендации по размерам санитарно-защитной зоны (СЗЗ); е) оценка сравнительной безопасности. В рамках данного методического подхода автором были созданы: информационная база, включая данные по статистике отказов трубопроводных систем и повторяемости условий окружающей среды; основные характеристики вредных веществ; модели основных процессов развития аварийных ситуаций. В свою очередь, это позволило провести многовариантные исследования уровня безопасности хемотермических энергоносителей.

2. Новизна научно-технических разработок определяет собой такие факторы, как: 1) скорость внедрения новшеств; 2) неопределенность исходных данных; 3) уровень риска капиталовложений. Было выполнено обобщение результатов исследований закономерностей создания, внедрения и использования новшеств. Это позволило сделать количественные прогнозные оценки перечисленных факторов в зависимости от стадии жизненного цикла развития основных элементов и в целом ХГС ДТ. Исходя из возможности создания наиболее капиталоемкого и инерционного элемента - ВТГР, на первую 'фазу внедрения АСДГ требуется по крайней мере 8-10 лет, для перехода на стадию серийного производства - еще 10-15 лет. Диапазон возможного изменения (увеличения) стоимости нового оборудования, характеризующий степень неопределенности внутренних показателей, составляет для

ВТГР 30-40%, нагреваемого гелием в петле ВТГР термоконверсионного аппарата - 50-60%, метанаторов - 40-50%, системы транспорта -10-20%. Для обоснования перспектив развития АСДТ при уровне рискованных капиталовложений порядка 40% требуется достижение 10% экономии затрат по сравнению с традиционными СЦТ. Были также сделаны рекомендации по учету фактора гибкости при исследовании ХГС.

В третьей главе "Комплексная оптимизация развития хемотерми-ческих систем дальнего теплоснабжения (на стадии долгосрочного прогнозирования)" сформулированы: постановка задачи комплексной оптимизации развития ХТС ДТ; задача оптимизации собственно ХГС ДТ и описаны основные модели для ее решения; задача оптимизации разветвленных газовых сетей и описаны алгоритмы и модели ее решения.

На стадии прогнозирования перспективности ХГС ДТ возникает необходимость в определении технологических и конструктивных параметров отдельных агрегатов, профиля и состава основного оборудования, возможных областей и масштабов применения таких систем в складывающихся на перспективу условиях развития электроэнергетических систем (ЗЗС) и энергетического комплекса (ЭК) страны, а также специфику новых систем энергоснабжения. Исследования должны отражать (рис.1) с одной стороны, сложный характер внутренних и внешних взаимосвязей функционирования этих систем в рамках теплового хозяйства (технологический и территориальный аспекты), а с другой - прямые и обратные связи этапов жизненного цикла развития технологии (временной аспект).

По территориальному признаку рассматриваются следующие уровни: город, ПЖА, регион и страна в целом. На уровне города обосновываются местоположение, технологическая схема, единичная мощность и состав основного оборудования ХГС ДТ. На уровне ПЖА агломерации увязываются требования ЭЭС и ЭК с региональными особенностями развития систем энергоснабжения (условия топливоснабжения, обеспеченность водой, трудовыми ресурсами, материалами). В рамках ЭК определяются целесообразные регионы и возможные,масштабы применения ХГС ДТ. \

При исследованиях хемотермических систем дальнего теплоснабжения выделяются следующие технологические уровни: 1) элементы и агрегаты; 2) ХГС ДТ в целом (см. рис. 1-2). На первом из них определяются оптимальные конструктивные параметры и вид технологической схемы источника теплоты, конверсионного агрегата, установки сероочистки, установки метанирования, турбины, системы утилизации теплоты и др.; на втором - состав и профиль основногочоборудова-

ния (отпуск теплоты от конверсионного центра (КЦ) и пиково-резервных котельных (ПКР), единичная мощность и состав основного оборудования КЦ, системы транспорта и меганаторного центра (ОД).

Трудность решения рассматриваемой задачи заключается в необходимости учета: а) целочисленности (число и единичная мощность основного обор/цования ХГС ДТ и альтернативных СЦТ); б) нелинейности (нелинейные зависимостей капиталовложений от мощности основного оборудования, и др.) в) динамики (учет постепенности роста нагрузок по годам расчетного периода); г)существенной неоднозначности исходной информации и наличием факторов, зачастую не поддающихся формализации.

Как показывают многолетние исследования, проводимые в СЭИ СО РАН, она может быть решена на основе применения методов декомпозиции и агрегирования (выполняемых по технологическому и территориальному признаку) путем выделения из общей задачи ряда взаимосвязанных подзадач и нахождения локальных оптимумов по каждой из них и общего оптимума по комплексной задаче в целом. При этом, наряду с методиками, основанными на совместном применении методов линейной и нелинейной оптимизации, необходимо использовать эвристические алгоритмы, процедуры и принципы решения задач.

Учет неопределенностей выполняется на основе анализа локально-оптимальных решений задачи при зафиксированных неопределенных значениях. Бри этом исследуются следующие вопросы: 1) на сколько меняются локально-оптимальные решения при смене совокупностей условий (риски и выгоды развития новой технологии); 2) нельзя ли найти такие совокупности сочетаний условий, на которых оптимальные решения инвариантны (анализ чувствительности); 3) как влияют качественные показатели на оценку результатов исследований?

В рамках единой иерархии задач большое внимание уделялось исследованиям собственно ХГС ДТ. Она представлена тремя основными частями и соответствующими математическими моделями (рис.2): 1) конверсионным центром, где осуществляются процессы связывания и аккумулирования энергии, вырабатываемой на источнике теплоты на ядерном горючем или органическом топливе, в энергию химических соединений; 2) транспортной системой; 3) метанатфным центром, в котором происходит обратный процесс перевода энергйи из химически связанного состояния в тепловую энергию требуемых параметров. Параметрами связи между моделями являются количество и качество химически связанной энергии (объемы, давление и состав газовой смеси, "теплотворная способность" газа,др.).

- о _

Математическая постановка задачи оптимизации показателей ХТС

ДТ, построенная на общих принципах комплексной оптимизации систем

энергоснабжения и теплосиловых систем, формулируется следующим

образом. Минимизировать

3 =¿3i" CXi, Yi (Xi, W), V, П]Е (1)

и* 0

при ограничениях

Ф1 CXi, Yi (Xi, W), W, Für = 0 (2)

t-c>

Fimin í Fi [Xi, Yi (Xi, V), V, ГП£е« Fimax (3) Yimin ч< Yi [Xi, Yi (Xi, V), V, ГП= « Yimax (4) Ximirw Xi í Ximax, 1=1,n; (5)

Wmin 4 V i Wmax (6)

где 3 - целевая функция; 3i - целевая функция i-й подзадачи; Xi -независимые параметры i-й подсистемы; Yi - зависимые параметрь i-й подсистемы; W - связывающие параметры системы; Ео - характеристика заданных внешних условий; $i - совокупность балансовых уравнений по i-й подсистеме; Fi - технико-экономические характеристики для элементов i-й подсистемы, по которым задаются ограничивающие условия; Ti - параметры вида принципиальной схемы i-й подсистемы; шах и min - индексы максимально и минимально допустимых значений.

Расчет составляющих ХТС включает моделирование энерго-гехно-логических процессов и оценку технико-экономических показателей. Модели состоят из двух уровней: а) элементы и агрегаты основного оборудования; б)подсистема в целом. Для ядерно-конверсионногс центра (ЯКЦ) схема разбивается на следующие основные части:реактор, включая промежуточный контур; конвертор с системой утилизации теплоты конвертированного газа; парогенератор; турбина;. установка сероочистки. Рассматривался дискретный ряд реакторов мощностью от 200 до 4000 МВт(т) с соответствующей привязкой оборудования технологической и теплосиловой частей. Выбор технологической схемы метанаторной установки определяется требованиям}' потребителей энергии. Выделены следующие их модификации, предназначенные для: а)производства горячей воды на отопление и горячее водоснабжение; С)производство пара и горячей воды; в)комбинированное производство электроэнергии, пара и горячей воды. Дги оценки профиля метанаторных установок рассматривалась шкала мощностей от 5 до 250 МВг(т). При определении стоимостных показателей ЯКЦ и ЫЦ использовался прием перехода от аналога к hoboí установке, используя степенную зависимость с показателе* регрессии учитывающим ее нелинейный характер. В качестве устаю-

- ли -

вок-аналогов использовались показатели оценочных расчетов ЯКЦ на базе ВТГР мощностью ЮбОМВг(т) и метанаторной установки 50МВт(т).

Модели расчета системы транспорта включают: а) участок сети; б) система транспорта в целом. Модель работы газопровода состоит из следующих основных блоков: гидравлический расчет, расчет термодинамических и транспортных свойств смесей газов и оптимизацию технико-экономических показателей на дискретном наборе оборудования (газоперекачивающие агрегаты (ГПА) мощностью от 1 до 25 МВт, трубопроводы диаметром от 100 до 1400 мм.). Для определения оптимальных технико-экономических показателей по системе транспорта в целом разработано две модели - для детального (метод динамического программирования) и упрощенного (метод последовательного экви-валентирования) расчетов.

В четвертой главе "Многофакторный анализ систем дальнего теплоснабжения на основе процессов конверсии и синтеза метана" приводятся основные результаты исследований.

В случае аварии на системах транспорта хемотермических энергоносителей возможны серьезные последствия (человеческие жертвы, масштабное поражение окружающей среды и значительный материальный ущерб). В результате исследований: 1) проранжированы основные влияющие факторы, определяющие уровень потенциальной опасности систем транспорта; 2) получены абсолютные оценки поражающих воздействий, соответствующих а) самому неблагоприятному . стечению обстоятельств и б) приемлемому (пороговому) уровню риска; 3) получены сравнительные оценки: а) сопоставление хемотермических энергоносителей между собой и б) с традиционными системами передачи энергии - транспортом природного газа и, в порядке предварительного обсуждения, транспортом электроэнергии; 4) сделана оценка затрат на мероприятия по обеспечению безопасности.

Опасность на транспорте синтез-газа меняется при изменении следующих факторов: интенсивность рассеивания от минимальной до максимальной - до 4 раз; расстояние между задвижками с 2 до 150 км. - до 4 раз; изменение величины нагрузки на порядок г до 2 раз; тип опасности (пожарная опасность и опасность токсического поражения) - до 10£.На примере передачи теплоты для обеспечения нагрузки 2000 МДж/с видно, что потенциальная опасность, соответствующая самому неблагоприятному стечению обстоятельств (максимум нагрузки, " максимальный разрыв трубопровода, слабый ветер и т. п.), от 5 до 10 раз превышает опасность с приемлемым уровнем риска (таол.). радиус зоны поражения с уровнем риска.

соответствующему принятому пороговому значению 5х105, можно рекомендовать в качестве размера санитарно-зашитной зоны.

Таблица

Радиус зоны поражения при аварии на транспорте' различных энергоносителей (нагрузка 2000 МДж/с, дальность 150 км)

Транспорт Типоразмер Радиус зоны

линейной части поражения,м

Уровень риска (7,5rl)xlOS (5т1)ХЮ'Б

"Богатый" раствор аммиака 900 мм 4000-6400 800-1300

Конвертированный газ 1400 мм 950-1730 100-180

Природный газ 750 ММ 200-300 20-30

Линия электропередачи 3x500 KB нет 24-55

S=400 мм данных

Уровень безопасности природного газа несколько выше - на 10-40%, чем у ЛЭП. Среди хемотермических энергоносителей явное предпочтение следует отдать системе КОМ, уровень безопасности которой пятикратно превышает аналогичный показатель ВАСТ. Но при этом нужно помнить, что КОМ менее безопасна, чем транспорт природного газа примерно в 5 раз, а различие с ЛЭП хотя и менее значительно, но существенно. В результате обеспечения мероприятий по безопасности (установке секционирующих задвижек, специального оборудование и т.п.) увеличение затрат на транспорт хемотермических энергоносителей может составить порядка 30%.

Многовариантные исследования газотранспортных сетей различной конфигурации показывают: 1) Относительная эффективность транспорта энергии в химически связанном состоянии в 1,5 раза выше однотрубных и более, чем в 5 раз - двухтрубных водяных тепловых сетей. 2) Имеется существенный резерв повышения пропускной ¡ способности дальнего транспорта при различных схемных реализациях ;

ХГС ДТ. Удаление CO¿ на КЦ с последующим его добавлением на МЦ j позволяет в ¿Т^повысить пропускную способность дальней передачи теплоты. 3) Для подающей магистрали: а) предпочтительнее вариант с одной головной компрессорной станцией (КС) при дальности транспорта не более 200 км; б) оптимальным по экономике является диапазон изменения давления с 7,5 до 4,0 МПа; в) учитывая требования безопасности целесообразно понизить уровень давлений до 5,6/4,0 МПа; г) требуется переход к большим единичным мощностям

ГПА и необходимо \ сследование ГПА с паровым приводом. Для обратной магистрали: О в зависимости от организации газосборной сети изменение мощноси ГПА меняется от 1-5 МВт (КС расположена на М© до 10-16-25 МВт (гри кустовом присоединении с промежуточными КС); б) для средних по размерам ПЖА (3000 - 4000 МДж/с) оптимальным является транспорт газа под давлением 4,0/2,7 ШТа без подкачки с последующим нагнетанием до давления конверсии уже на КЦ.

Выполненные v¿следования позволили определить укрупненные технико-экономические показатели АСДТ и выявить влияние различных факторов на эффективность и выбор технических решений по основным элементам (состав оборудования ЯКЦ, МЦ и системы транспорта) и по ХГС ДТ в целом (оптимальная доля присоединяемой к ЯКЦ тепловой нагрузки). Оптимгльная доля покрытия тепловых нагрузок от ЯКЦ составляет 0,4-0,!: и, кроме экономичекого обоснования, низкая доля ЯКЦ отвечает трэбованиям безопасности функционирования. На 70-75% величина суммарных приведенных затрат определяется затратами в ЯКЦ. Доля МЦ сос гавляет 20-25%, газовых сетей - около 5Z.

На выбор оптимальной величины доли присоединяемой к ЯКЦ тепловой нагрузки (\,пг) существенное влияние оказывают затраты на органическое топлизо и совершенство тепловой схелы ЯКЦ. Расчет, выполненный для отопительной тепловой нагрузки 12000 МВт(т) и дальности транспорта 150 км показывает, что при отсутствии ближних потребителей аопг составляет 0,2-0,5 при низкой стоимости топлива и возрастает до 0,4-0,6 при дорогом. • Ери наличии ближних потребителей аогг возрастает и составляет, соответственно, 0,4-0,6 и 0,6-1,0. Исследовался широкий диапазон изменения тепловых нагрузок от 63 до 4600 МДж/с при изменении стоимости топлива и дальности до цен гра тепловых нагрузок от 50 до 150 км. Как следует из результатов расчетов, АСДТ неэффективно во всем диапазоне изменения нагрузок при низкой стоимости топлива. Для средних стоимостей органичес юго топлива данная система становится конку-рентноспособной с \ТЭЦ и ACT при концентрациях тепловых нагрузок более 1400-1500 *Щж/с. Бри очень дорогом органическом топливе АСДТ становятся Активными и при низких концентрациях нагрузок, начиная с 310-400 Щ/с,конкурируя таким образом с паротурбинными и парогазовыми ТЭП Дальность транспорта оказывает несущественное влияние на эффективность АСДТ.

Вычислительны 1 инструмент позволяет учитывать особенности конкретных районов энергоснабжения. Исследовался вариант комплексного тепло- и водоснабжения Ростовской ПЖА, включающей 36

крупных, средних и мелких потребителей суммарной мощностью 19800 МДж/с с радиусом теплоснабжения 210 км. В этом случае возможно замещение около 5% годовой потребности в воде Ростовской области. Повышение экономической эффективности - около 5%, получается как с учетом замыкающих затрат на воду, так и с учетом чистого потребительского эффекта. Эффективность АСДТ могла бы быть повышена при расположении ЯКЦ в районе Азовского моря для опреснения морской воды за счет утилизации теплоты конвертированного газа.

На примере ПЖА в районе г.Кемерово (16 крупных и средних потребителей, радиус теплоснабжения 130 км.) исследовались две задачи: а) возможности развития ХГС ДТ на базе источника на органическом топливе; б) комбинированная выработка электроэнергии и теплоты в местах теплопотребления на базе МЦ-ТЭЦ. Предварительные исследования показали, что ОСДТ с метанаторными котельными неэффективны на всем диапазоне изменения затрат на электроэнергию по сравнению альтернативными системами на базе угольных котельных и ТЭЦ. Уровень сравнительной эффективности повышается при переходе к ОСДТ с МЦ-ТЭЦ, тем не менее лишь при высоких затратах на электроэнергию эти системы становятся эффективнее альтернативных.

Применительно к условиям ЧСФР рассматривались перспективы использования модульных ВТГР. Для ПЖА с суммарной нагрузкой 30004000 МДж/с реализация АСДТ возможна на базе приемлемого количества (8-10) модулей. По экономике предпочтительнее рассматривать блочные ВТГР (мощностью 1000-3000 МВт(т). В том и другом случае для прогнозируемых внутренних показателей и средних внешних условий развития эффективность АСДТ ниже альтернативного варианта, соответственно, на 25-30 (без учета динамики прироста тепловых нагрузок и соответствующего ввода реакторов) и 8-10%.

Существенным для оценки перспектив развития ХГС ДТ является соотношение уровня рискованных капиталовложений, обусловленных в частности долей нового и новейшего оборудования, и уровнем сравнительной эффективности. Для АСДТ с реакторами большой единичной мощности доля рискованных капиталовложений составляет порядка 40%, что требует обеспечения 10% преимущества в экономичности перед альтернативными системами. АСДТ на базе модульных ВТГР и ОСДТ рассматривались в работе в качестве возможных направлений снижения риска. В первом случае сокращается темп капиталовложений, что особенно важно при постепенном росте тепловых нагрузок, но возрастает доля (более 45%) и величина рискованных капиталовложений. В случае ОСДТ также требуется разработка новой техники, поскольку

использование для этих целей низкокачественного топлива возможно лишь на основе нетэадиционных*способов их сжигания. Тем не менее, доля рискованных капиталовложений (причем неядерных) для ОСДТ ниже, чем в случае \СДТ, соответственно - ниже и требуемый уровень сравнительной эффективности. Ши принятых технико-экономических показателях перспе сгивы развития^ в" большей мере ограничиваются уровнем эффективно:ти, а в меньшей - величиной рискованных капиталовложений.

Была выполнен» оценка возможных масштабов использования АСДТ в ЭК страны. Во вс¡х рассмотренных вариантах применение АСДТ оказывается наиболее эффективным в Европейской части страны и составляет 92-95% от общего их ввода, а применение возможно в семи районах, а наиболее целесообразно - в двух районах (Северо-Запад, Юг). Применен ie новых систем может быть эффективным даже при достаточно широком варьировании стоимостных показателей АСДТ. Так при изменении капи 'аловложений в АСДТ от 100 до 140% происходит увеличение затрат в ЭК приблизительно па 3Z, в го же время доля отпуска теплоты от АСДТ уменьшается с 6,5 до 0,8% в суммарной величине отпуска теплоты на централизованной теплоснабжение.

Эффективность и масштабы применения АСДТ возрастают при наличии ограничений )а развитие АТЗЦ и ACT и уменьшении ресурсов природного газа на цели энергоснабжения. При уменьшении ресурсов газа, выделяемого га цели энергоснабжения, на 30 млн.т/го^ затраты в ЭК увеличиваемся на 1,9%, в то же время доля отпуска'теплоты от АСДТ в рассматриваемом диапазоне меняется незначительна и колеблется от 4,3 до 4,8%. При сравнении вариантов с АСДТ и без них при мощности АТЭЦ 1 ACT до 1200 млн. ГДж/год экономия топлива составляет 46 млн. ту. т. /год. При увеличении мощности АТЭЦ и ACT до 1600 млн. ГДж/го; экономия топлива составляет 36 млн..fу. т./год, а при неограничен» й мощности АТЭЦ и ACT - 15 млн. ту. т. /год. При этом уменьшается деля угля и повышается доля газа для целей теплоснабжения. HanpiMep, в варианте с мощностью АТЭЦ и ACT...до 1200 млн. ГДж/год доля г; за, применяемого на цели теплоснабжещя> увеличивается с 64Х в варианте без АСДТ до 67% в варианте с АСДТ (при уменьшении абсолютных его объемов).

В приложениях дан материал, поясняющий некоторые положения вынесенной на публ! чную защиту разработанной методики и результат тов проведенного к ногофакторного анализа, а также показывающий практическое испол!зование и внедрение результатов работа

г 15 -

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Настоящая работа посвящена разработке основных методических и практических рекомендаций по оценке перспектив развития хемотермических систем дальнего теплоснабжения на стадии долгосрочного прогнозирования. Она продолжает ранее выполненные проработки в этой области. Принципиально новыми положениями являются следующие.

1. В связи с важностью изучения новых хемотермических систем дальнего теплоснабжения сформулирована постановка задачи комплексной оптимизации развития ХТС ДТ (на стадии долгосрочного прогнозирования), разработана методика ее решения, позволяющая рассматривать разные уровни технологической (элементы и агрегаты оборудования и ХТС в целом) и территориальной (город, ПЖА, регион, страна) иерархии, увязывать оптимальные решения найденные на каждом из них, учитывая при этом прямые и обратные связи этапов жизненного цикла технологии.

2. Рассматриваемые задачи являются нелинейными и дискретными с неоднозначным характером большинства исходных технико-экономических показателей. Поэтому комплекс задач по оценке перспектив развития ХТС ДТ решался на основе применения методов декомпозиции и агрегирования, линейной и нелинейной оптимизации, а также эвристических алгоритмов, процедур и принципов решения'задач. Результаты проведенных расчетов свидетельствуют об эффективности их применения как для целей исследования, так и в практике^долгосрочного прогнозирования.

3. Разработанные математические модели доведены до практической реализации в виде программно-вычислительного комплекса и отдельных программ реализованных для ЭВМ типа 1ВМ РС. На основе разработанных подходов и с помощью вычислительных моделей в работе решены следующие задачи: а) определение урозня безопасности хемотермических энергоносителей; б) оценка достоверности исходной технико-экономической информации по основному оборудованию и в целом по ХТС ДТ; в) оптимизация показателей разветвленных газопроводных сетей; г) оптимизация профиля и состава основного оборудования ХТС ДТ; д) оценка и соизмерение экономическойч эффективности и риска развития ХТС ДГ; е) определение целесообразных областей и масштабов применения ХГС ДГ.

4. Доведенные исследования позволили получить ^следующие основные рекомендации по. развитию ХГС ДТ: 1) по системе транспорта: ' а; показана возможность, цена и меры обеспечения приемлемого уровня безопасности хемотермических энергоносителей; б)выбор оп-

тимальных решений по обратной магистрали в большей степени зависит от конфшурации сети, чем для подающей; в) существенно повышается пропускная способность дальнего транспорта на базе различных схем с удалением и добавкой С02; 2) по ХТС ДТ: а) обоснованы оптимальные доли покрытия тепловых нагрузок от центрального источника и пи :ово-резервных котельных; б) определен оптимальный состав оборудования в зависимости от условий теплоснабжения; в) перспективы развития АСДТ ограничиваются значительной долей и величиной рисков, шных капиталовложений, для ОСДТ же в большей мере ограничивающим является уровень экономическая эффективности; г) способность к щаптации позволяет иметь существенный резерв повышения эффектив гости; 3) по ХТС в рамках 1ША: показана возможность а) развития ЮДТ на базе приемлемого количества модульных ВТГР (районы в ЧСФР ; б) повышения эффективности АСДТ за счет комплексного теплз- и водоснабжения (Ростовская обл.); в) эффективности ОСДТ при переходе от метанаторных котельных к метанаторным ТЭЦ (в районе \Кемерово); по ХТС в рамках ЭК страны: а) выявлены экономрайоны е которых наиболее целесообразно развитие АСДТ; б) определены возможные масштабы развития АСДТ; в) эффективность и масштабы АСДТ возрастают при ограничениях на развитие АТЭЦ и ACT и уменьшении ресурсов природного газа на цели теплоснабжения; г)применение /СДТ позволяет уменьшить расход органического топлива на цели теглоснабжения, улучшить его структуру. .

5. Разрасоганные методические подходы, вычислительные модели и результаты исследований получили практическое внедрение в работах СЭИ СО PAI.', института ВНШШЭнергопром, ИАЭ им. Курчатова, ГИ-АП, ВУПЕК (г.Прага, ЧСФР).

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Голомелзин А. Е, Измайлов JI Д., Федяев A.B., Федяева О. Е Разработка IE Ж для исследования систем теплоснабжения и их оборудования В сб. "Программно-вычислительные комплексы для математического моделирования и оптимизации теплоэнергетических установок", Под ред. JL С. Попырина. - Иркутск.- 198бг, с.75-85

2. Голом' >лзин А. Н. Оптимизация параметров системы транспорта продуктов конверсии и синтеза метана в системах теплоснабжения городов и про мышленных центров // В сб.: Труды XVI конференции молодых ученых )иб. энерг. ин-та СО АН СССР. - Иркутск.-1986.

3. Хемот фмическая система централизованного теплоснабжения, основанная на реакциях конверсии и синтеза метана: основные свойства, показат5ли и перспективы развития / Федяев А. В., Голомолзин

А. К , Кочанов С. А. и др. // В сб. "Комплексные исследования энергетических установок и систем". Под ред. JL С. Попырина. - М. : 1989. -с. 61-62.

4. Fedyaev А. V. , Fedyaeva 0. N. , Golomolzin А. N. Composition and structure of mathematical models for evaluating the efficiency of energy supply systems based on HTGR and chemothermal heat transport // 11ASA. - Austria.- Veina.- 1987.

5. Голомолзин A. E Эффективность дальнего транспорта в системах теплоснабжения городов и промышленных центров //В сб. : Труды XVII конференции молодых ученых СЭИ СО АН СССР. - Иркутск.-1987 .- с. 30 -41.- Деп. в ВИНИТИ N 8696-В87.

6. Fedayev А. V. , Golomolzin А. N. , Kochanov S. А. , Izmailov L.D. Modeling and prospects for HTGR-based long-distance heat-supply systems J Integrated Energy Systems: Socioeconomic and Ecological Issues // Final editing-: V. Okorokov, A. Jiresova. -Prague. - 1989,- p.-103-107.

7. Фэдяев А. В., Голомолзин A. H. , Кочанов С. А. Эффективность и масштабы применения хемотермических систем дальнего теплоснабжения в ТЭК СССР // Комплексные исследования энергетических установок и систем: Сб. науч. тр. ЭШН им. Г. М. Кржижановского. - U. : 1989,- с. 61-72.

8. Моделирование хемотермических систем дальнего теплоснабжения / Голомолзин А. Е , Жарков С. А. , Измайлов JL Д. , Федяев А. В. // Методы анализа и оптимального синтеза трубопроводных систем. -Иркутск. - 1990. - с. 64-75

9. Голомолзин А. Е, Федяев А. В. Комплекс исследовательских моделей определения Ьсновных параметров и технико-экономических показателей атомных систем дальнего теплоснабжения (ТЭП-АСДТ)/ Препринт СЭИ СО АН СССР. - Иркутск. - 1989.- 41с.

10. Голомолзин А. Н. О проблеме безопасности транспорта.хемо-термических энергоносителей / Вопросы атомной науки и техники. Сер. : Ядерная техника и технология. - N2. -М. : ИАЗ. - 1990. - с. 56-58.

И. Голомолзин А." Е Оценка сравнительной опасности транспорта в хемотермических системах дальнего теплоснабжения / Современные проблемы системных исследований в энергетике.-Иркутск.-1990.-с. 122-128.

• Технологический i территориальный уровни

Факторы

•da дачи

Временной аспект

Страна

Регион

Пронышленко-килая аглоиераци!

Город, ПГТ

ПС ДТ

Эсновное зборуд

ИСТСмЗ

в целок

Внешние ограничения (на развитие АНТ, на использование газа в ИК)

Сюииости топлива, электроэнергии, оборудования Специфика района энергоснабжения (клииатология, схеиа рагнещеияя нагрузок, потребности в сырье, материалах в др.) Альтернативные СЦТ ^котельные, ТЭД,

Принципиальные схеиа (иСДТ с блочниии и ьълульишк аТГР, ОидХ, ЛД-котельные

и ад-тзд

«1асатгбы развития

Области прииекеиня

¿коноикческзя эффективность

лконоиическки риск

Оптиаизация профиля и

состава обо;.-удов.

рйшигельная оез-опзсйость экорго-joc.iieisü

5 Инрокоиаспта®-ioe использовала

1 ■

{оииерческая установка

1

3 ицнтко-проина-ленная установка

1

г ОКР

i

X Лсследозаиия

Рис. 1 . Технолог! ческие, терраюриадьвые и аспокти, основные илкянцие

фактора ; задачи исследования пе;спекгяв развития КТС ДТ

Конверсионный центр

Элементы к агрегаты основного оборудования Станц я в цел и

Система транспорта тепловой энергии

Участок сети (газовой, водяной, паровой) Система транспорта в целой

Летанаторныи.цзнтр

¡элементы и

агрегаты ос- Станция

новного обо- в целой

рудования

Расчет физических ила энергетических характерно тик i ~~

Т

Расчеты тахнмко-зконоиичесиих показателей

Рис.2. . Приэд лиальная блон-схеиа определения технико-эконоаических характеристик ПС

Подписано к печати 09.03.92. 7 ■<

- - Усл. 1.0 неч. лист. Заказ № 5V?. тира* ПО экз Отпечатано в СШ СО РАН' 6)4033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 130