автореферат диссертации по энергетике, 05.14.01, диссертация на тему:Оптимизация параметров и системная эффективность газопаровых установок

На правах рукописи

Рожнов Сергей Павлович

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ И СИСТЕМНАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ГАЗОПАРОВЫХ УСТАНОВОК

Специальность 05.14.01 - Энергетические системы и комплексы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 О МАП 2015

Саратов 2015

005569124

005569124

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина ЮЛ.» на кафедре «Теплоэнергетика»

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор

Ларин Евгений Александрович

Официальные оппоненты: Столяревский Анатолий Яковлевич,

доктор технических наук,

Общество с ограниченной ответственностью

«Центр комплексного развития технологий

и энерготехнологических систем», г. Москва,

директор

Ильин Роман Альбертович,

кандидат технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Астраханский государственный технический университет», г. Астрахань, заведующий кафедрой «Теплоэнергетика»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт», г. Москва

Защита состоится « 30 » июня 2015 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.07, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая,77, корпус 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» и на сайте www.sstu.ru

Автореферат разослан « » ¿Я^у/и?*^)' 2015 г.

Ученый секретарь ^

диссертационного совета Ларин Евгений Александрович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Энергетика является технической основой социально-экономического развития страны. Очевидно, что экономический рост должен сопровождаться опережающим ростом энергетики, от которой напрямую зависят темпы, устойчивость и безопасность экономического развития. В настоящее время экономика страны столкнулась с рядом внешних и внутренних вызовов, а в энергетической сфере с вызовом, продиктованным ухудшением технического состояния современных систем энергообеспечения, необходимостью преодоления технологической отсталости в энергетике, а также рядом экономических проблем.

За предыдущее десятилетие топливно-энергетический комплекс (ТЭК) обеспечил экономическую выживаемость страны. В долгосрочной перспективе требуется переосмысление роли ТЭК в российской экономике не в силу исчерпания природных ресурсов, а в силу технологических и финансовых ограничений, сдерживающих не только расширенное, но и простое воспроизводство энергетического потенциала, которое становится все более капиталоемким. За последние 15 лет энергетика столкнулась с самой серьезной проблемой. Сократился ввод новых мощностей, износ энергетического оборудования достиг угрожающих размеров: 70 % генерирующих и электропередающих мощностей требуют замены; до 70 % теплосетей выработали свой ресурс, а 15-25 % из них находятся в аварийном состоянии.

Сегодня энергетика стоит перед необходимостью решения ряда важнейших задач ускоренного развития ресурсной базы, замены и масштабного ввода новых генерирующих мощностей с качественно более высокими показателями тепловой и топливной эффективности, кардинального повышения надежности систем тепло- и электроснабжения, т. е. создания инфраструктурной основы для диверсификации экономики страны и ее развития.

Применение перспективных газотурбинных технологий для создания одноцелевых газотурбинных установок даже при высоких температурах газа перед турбиной неэффективно вследствие относительно низких значений КПД. Кардинальным направлением повышения эффективности газотурбинных установок является создание на их основе комбинированных установок различных типов.

Создание отопительных газопаровых установок (ГПУ) и оценка их эффективности требует проведения большого комплекса научных исследований, включающих определение их системной тепловой и топливной эффективности с учетом режимов теплопотребления и климатических факторов, решение вопросов обеспечения надежности теплоэнергоснабжения потребителей, вопросов размещения, экологического воздействия на окружающую среду и общей технико-экономической эффективности.

Настоящая работа выполнена в рамках выполнения работ по федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по теме «Разработка методологии исследования и создание энергоэффективных систем управления потребле-

нием электрической и тепловой энергии в энергоемких промышленных комплексах» (ГК 14.740.11.01.07 от 10.09.2010 г.).

Объект исследования - отопительные газопаровые установки в системах теплоэнергоснабжения.

Предмет исследования — системный анализ топливной и общей эффективности комбинированных ГПУ в системах теплоэнергоснабжения.

Цель работы - повышение системной эффективности отопительных газопаровых установок на основе оптимизации схем, параметров и характеристик оборудования.

Задачи исследования:

1. Разработка методики расчета тепловой и топливной эффективности отопительных ГПУ в системах теплоэнергоснабжения.

2. Разработка математической модели расчета энергетических характеристик отопительных ГПУ и проведение расчетно-теоретических оптимизационных исследований параметров и характеристик ГПУ с учетом режимных и климатических факторов.

3. Разработка методики расчета и технико-экономическое обоснование средств обеспечения надежности систем теплоснабжения на базе отопительных ГПУ с учетом реальных условий эксплуатации.

4. Определение экономической эффективности создания отопительных ГПУ в системах теплоэнергоснабжения.

Методология и методы исследования. Решение задач диссертационного исследования основано на методологии системных исследований в энергетике с использованием современных методов математического моделирования процессов, энергетических и конструктивных характеристик оборудования отопительных ГПУ.

Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждается использованием методологии системных исследований в энергетике, а также фундаментальных законов технической термодинамики, тепломассообмена, теории надежности энергетических установок и систем, а также широко распространенных методов расчета общей эффективности теплоэнергетических установок.

Кроме того, достоверность результатов, полученных в работе, подтверждается приемлемой сопоставимостью с результатами расчетно-теоретических исследований и экспериментальными данными других авторов.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

- разработаны теоретические положения расчета системной тепловой и топливной эффективности отопительных газопаровых установок в системах теплоэнергоснабжения;

- разработана математическая модель расчета энергетических характеристик отопительных ГПУ в системах теплоэнергоснабжения с учетом реальных режимных и климатических факторов;

- разработана методика оптимизации параметров и характеристик газопаровых установок;

— предложена методика расчета и обеспечения показателей надежности ГПУ и систем теплоэнергоснабжения на их основе;

— разработана методика определения экономической эффективности создания и областей эффективного использования отопительных ГПУ.

Практическая значимость и реализация работы:

— разработаны рекомендации по выбору оптимальных параметров отопительных ГПУ, определены топливная и общая эффективность использования отопительных ГПУ в системах теплоэнергоснабжения с учетом реальных условий их эксплуатации, в том числе в зависимости условий их размещения.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методические положения и результаты расчета тепловой и топливной эффективности ГПУ в системах теплоснабжения;

2. Математические модели агрегатов ГПУ и результаты расчетно-теоретических исследований определения энергетических и показателей системной топливной эффективности отопительных ГПУ с учетом реальных режимов работы, климатических факторов и обеспечения надежности теплоэнергоснабжения;

3. Методика и результаты оптимизационных исследований параметров отопительных газопаровых установок;

4. Методические положения и результаты расчетов экономической эффективности отопительных ГПУ в системах теплоэнергоснабжения.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены и обсуждены на следующих Международных конференциях: VIII Международной научно-технической конференция «Дни науки-2012», Чехия, Прага, 2012; XI Международной научно-технической конференции «Современные научно-технические проблемы теплоэнергетики. Пути решения», Саратов, 2012; III Международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи», Екатеринбург, 2012; VIII Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности энергетического оборудования - 2013», Москва, 2013; XII Международной научно-технической конференции «Современные научно-технические проблемы теплоэнергетики. Пути решения», Саратов, 2014.

Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 9 печатных работах, в том числе 2 в изданиях, входящих в Перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов диссертаций. Получено 1 свидетельство о регистрации программы расчета параметров и энергетических характеристик газопаровых установок для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов по диссертации, списка использованных источников, включающего 124 наименования. Работа изложена на 186 страницах, содержит 65 рисунков и 28 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследования, отражены научная и практическая значимость полученных результатов, апробация работы, основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Анализ состояния изучаемой проблемы». Одной из ключевых проблем современной теплоэнергетики является коренное повышение эффективности использования топлива при производстве электрической и тепловой энергии за счет применения новейших технологий, в частности, газотурбинных. Наряду с созданием парогазовых установок одним из направлений повышения эффективности газотурбинных установок является создание газопаровых установок (ГПУ) с впрыском пара в камеру сгорания, выполняемых по различным схемам. Предварительный анализ схем ГПУ показал, что наибольшую эффективность обеспечивают ГПУ с комбинированной выработкой электрической и тепловой энергией.

Исследованию рациональных схем, параметров и конструктивных характеристик оборудования ГПУ посвящен ряд работ научных коллективов МВТУ им. Н.Э. Баумана, НИУ «Московский энергетический институт», Самарского и Саратовского ГТУ имени Гагарина Ю.А. Наибольший вклад в развитие теоретических основ исследования газопаровых установок различных типов внесли Христианович С.А., Аминов Р.З., Дикий Н.В., Куди-нов A.A., Ольховский Г.Г., Столяревский А.Я. и др. В ходе исследований трансформировались целевые установки создания ГПУ от форсирования мощности до ГПУ с комбинированной выработкой электроэнергии и теплоты. Аналитический обзор выполненных исследований по схемам, параметрам, режимам работы и оценке общей эффективности комбинированных теплоэнергетических установок показывает, что проблема создания и функционирования источников электрической и тепловой энергии на основе отопительных ГПУ представляет собой сложный комплекс научно-технических задач. Факторами, усложняющими решение этих задач, являются: отсутствие соответствующей эффективной законодательной и нормативно-правовой базы функционирования независимых производителей электрической и тепловой энергии, работающих параллельно с энергоснаб-жающими организациями на региональном энергетическом рынке; недостаточная теоретическая проработка вопросов создания малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГПУ, проявляющаяся в недостаточной обоснованности теоретических положений расчета действительной экономии топлива в системах теплоэнергоснабжения с учетом реальных режимов работы и климатических факторов; отсутствуют теоретические положения и практические рекомендации по вопросам расчета и обеспечения надежности систем теплоэнергоснабжения от ТЭЦ на базе ГПУ; необходимость совершенствования методов технико-экономического анализа ТЭЦ на базе ГПУ в новых экономических условиях.

Таким образом, на основании выполненного анализа установлено, что комплексные исследования по проблеме оценки системной эффективности комбинированных ГПУ не проводились. Преимущественно исследования носили частный, в основном, характер термодинамических исследований и не увязаны единой общеэкономической методологией. Вопросы оптимизации параметров комбинированных ГПУ в системах теплоэнергоснабжения вообще не ставились. Все это обусловило выбор направления исследования.

Во второй главе «Основы методики исследования» проведено обоснование и разработана методика расчета показателей системной тепловой и топливной эффективности отопительных газопаровых установок в системах теплоснабжения.

Принципиальная тепловая схема ГПУ с комбинированной выработкой электрической и тепловой энергии приведена на рисунке 1, а условный термодинамический цикл установки на рисунке 2.

Рисунок 1 - Принципиальная схема ГПУ Рисунок 2 - Условный термодинамический

Из рисунка 2 видно, что полезная работа ГПУ представлена тремя составляющими, из которых величины Д/;ю ,Д/"" и Д/™ соответствуют высокоэффективной выработке электроэнергии на тепловом потреблении, а величина ДЦ. соответствует неэкономичной выработке электроэнергии с низким КПД, что может приводить к перерасходу топлива в системе. Таким образом, топливная эффективность отопительных ГПУ зависит от термодинамических параметров ГПУ, структуры и режимов потребления тепловой энергии и климатических факторов. Влияние температуры наружного воздуха и величины тепловых нагрузок на конфигурацию условного термодинамического цикла отопительной ГПУ приведено на рисунке 3.

цикл отопительной ГПУ

1 к Г. л

Рисунок 3 — Влияние температуры наружного воздуха на конфигурацию термодинамического цикла ГПУ

В качестве показателя системной топливной эффективности использован предложенный проф. Андрющенко А.И. показатель удельной экономии топлива в системе теплоэнергоснабжения Рт = / В"ц, где ДВ"^ - системная экономия топлива от комбинированной выработки электроэнергии и теплоты по сравнению с раздельной; в1/'1 - расход топлива на ГПУ ТЭЦ.

Системная экономия топлива ДВд^от комбинированной выработки электроэнергии и теплоты при использовании отопительных ГПУ рассчитывается по формуле

ав:;;=

е..

У,

1

л Г

л7

а

гг">ф Г

к,..„ г/

Л тт г]о

v.

г1„

к"!

(П

■Г'-^-Г л.

Г!

где у'" - удельная выработка электроэнергии на тепловом потреблении; пТ - электрический КПД КЭС; К"* - коэффициент использования теплоты топлива в теплофикационном цикле ГПУ; г/"'1' - электрический КПД ГПУ;

— КПД котельной; ц/ух - доля теплоты уходящих газов ГПУ, используемая для выработки теплоты; Ql„n - теплота, отпущенная от ГПУ; ¿¡"а, , - соответственно, коэффициенты, учитывающие тепловые потери при транспорте теплоносителя, потребление электроэнергии на перекачку теплоносителя сетевыми насосами и выработку пиковой тепловой энергии. Расчет величины у™ для отопительных ГПУ имеет свои особенности. Разработана методика расчета этой величины в условиях конденсации влаги из газопаровой смеси при ее глубоком охлаждении с соответствующим выделением теплоты.

Теоретический анализ (1) показывает, что величина удельной системной экономии топлива определяется, в основном, следующими показателями: удельной выработкой электроэнергии на тепловом потреблении у", коэффициентом использования теплоты топлива К"* теплофикационного потока ГПУ, электрическим КПД замещаемой КЭС, а также величиной потерь энергии при транспорте теплоты. Расчетно-теоретическим исследованиями по разработанной методике установлено, что при использовании отопительных ГПУ удельная годовая экономия топлива в системе Рт достигает 0,231-0,339 в зависимости от параметров ГПУ, климатических факторов и тепловых нагрузок.

Для определения сравнительной экономической эффективности различных схем ГПУ ТЭЦ разработана расширенная экономико-математическая модель, в основу которой положены расчет интегрального социально-экономического эффекта, определяемого по формуле

да = |;(дз;"!+дз;+дз;+дз;).(1+£У"-' +дф„ -(1+£Г, (2)

где ЛЗ,"'', ЛЗ," - соответственно, экономия затрат в сферах производства и потребления всех видов энергии, вырабатываемых системой в 1-й год операционной деятельности; АЗ' - стоимостная оценка социального эффекта в /-и год в сравниваемых вариантах; ЛЗ" - стоимостная оценка системного эффекта при сравнении вариантов энергетических систем, отличающихся уровнем надежности энергоснабжения потребителей в /-и год; ДФ„,— разность остаточной стоимости основных фондов на конец расчетного периода времени Т; Е - норматив приведения разновременных затрат и эффектов.

Для корректного использования указанного критерия сформулированы и соблюдены условия сопоставимости сравниваемых вариантов, учитывающие энергетическую сопоставимость, требования надежности теплоснабжения и социальные факторы.

Одним из обязательных условий проектирования и функционирования систем теплоэнергоснабжения является обеспечение надежности энергоснабжения потребителей. Так как исследуемые системы теплоснабжения на базе ГПУ являются многофункциональными, то показатели надежности по отпуску каждого вида энергии определяются отдельно. В этих условиях критерием выбора оптимальных решений является условие

ДЭ^. -»птах при условии ПН'„ < ПНп(Х,У,г), 11Н[, <////,, (А', Г, 2), (3)

где Ш!,?)МНп{х,У,2\ПН'Э,ПИ[, - соответственно, расчетные значения показателей надежности по отпуску электрической и тепловой энергии, зависящие от термодинамических параметров, конструктивных решений и внешних условий и их нормативные значения.

Выполнение требуемых значений показателей надежности энергоснабжения обеспечено учетом дополнительных затрат в системе на компенсацию недоотпуска энергии в случае полного или частичного отказов работоспособности отдельных элементов систем энергоснабжения. Величина дополнительных затрат в системе (Л3„) для обеспечения заданной (оптимальной) надежности включает следующие составляющие: затраты на создание аварийного резерва электрической мощности Л?,.' в энергосистеме; затраты на создание аварийного резерва тепловой мощности (пиковые водогрейные котлы); топливные затраты на пуски-остановы и функционирование резервных установок; ущерб, наносимый ухудшением качества электроэнергии вследствие нарушения баланса мощностей при аварийном останове генерирующего оборудования; затраты трудовых и материальных ресурсов на ремонт (замену) отказавшего оборудования. Разработаны методики расчета указанных дополнительных системных затрат на обеспечение заданного уровня надежности энергоснабжения. Обеспечение надежности теплоснабжения потребителей в системах теплоснабжения на базе ГПУ ТЭЦ осуществляется путем создания гибких технологических схем, использования всех видов резервирования: нагрузочного, структурного, функционального и временного.

В третьей главе «Математическое моделирование процессов и энергетических характеристик отопительных ГПУ» проведен выбор расчетных схем ГПУ с комбинированной выработкой электрической и тепловой энергии. Рассмотрены схемы с глубокой утилизацией теплоты газопаровой смеси после турбины и конденсацией влаги в поверхностном или контактном теплообменниках. В основу математической модели процесса расширения газопаровой смеси в турбине положено допущение о том, что в каждой точке процесса расширения принято равновесное состояние смеси. Это означает, что температура газов и пара на выходе турбины одинаковы. Эффективная мощность ГПУ рассчитывается по формуле

л', = пт ■ ■ о- • с;- • т\ ■ (1 - «у*)- с. ■ с-;, ■ г, • (,<■• -1)--ч„, , (4)

Чк

где С" - расход газопаровой смеси с учетом доли впрыскиваемого пара в камеру сгорания; с™ - теплоемкость смеси продуктов сгорания, зависящая

от доли и параметров впрыскиваемого пара; я-™*, ят"г - степень повышения давления воздуха в компрессоре и степень понижения давления в турбине; т° — температура газопаровой смеси перед турбиной с учетом влияния температуры впрыскиваемого пара; Г, - температура воздуха на входе в компрессор.

Из (4) следует, что впрыск пара в камеру сгорания ГПУ приводит не только к росту расхода рабочего тела через турбину, но и росту теплоемкости газопаровой смеси в процессе расширения.

В основу математической модели расчета конструктивных характеристик котла-утилизатора положены закономерности гидрогазодинамики при использовании интенсифицированных поверхностей нагрева с поперечным оребрением труб диаметром 32 мм из ст. 20. С использованием математической модели КУ исследована возможность и эффективность получения пара различных параметров для впрыска пара в камеру сгорания. Определены условия предельной паропроизводителыюсти КУ в зависимости от параметров ГПУ для впрыска пара в камеру сгорания. Установлено, что предельная паропроизводительность КУ не превышает 18-21% от расхода воздуха через компрессор.

Для расчета конструктивных характеристик поверхностного и контактного теплообменников с глубоким охлаждением газопаровой смеси (ГПС) и конденсации влаги разработана методика расчета теплоты при охлаждении ГПС. В основу положено деление всего температурного интервала охлаждения ГПС на элементарные интервалы Д/,- при этом теплота охлаждения с учетом конденсации пара рассчитывается по формулам: для поверхностного теплообменника

q"=■ te - к:е)+ ter • - (ест - сс? ) • />:"'"■)+о™" т„, (5)

для контактного теплообменника

сг: = с-г • д>с+л&г ■ с + лес, • дл;,",. (6)

где G™ ,AG™ ,AG"'_, - соответственно, средний расход «чистых» продуктов сгорания и водяного пара в т-м интервале и средний расход воды на предыдущем (от-1)-м интервале; Ah", r'j", ДА", - соответственно, изменение энтальпии «чистых» продуктов сгорания и водяного пара на т-м интервале, теплота парообразования при температуре m-ого интервала, изменение энтальпии воды на (/я-1)-м интервале.

Разработанные математические модели использованы при оптимизации параметров ГПУ.

В четвертой главе «Оптимизация параметров отопительных газопаровых установок» проведены оптимизационные исследования ГПУ отопительного типа с учетом реальных условий их работы в системах теп-лоэнергоснабжения. Предварительными исследованиями установлено, что определяющими эффективность ГПУ являются степень повышения давления воздуха в компрессоре и доля впрыска пара в камеру сгорания.

В качестве критерия оптимальности принят чистый дисконтированный доход

ЧЦД = ¿(Я, — 11,)-а, — К, (7)

(=i

где r, - доход от реализации электрической и тепловой энергии, достигаемый на t-м шаге расчета, определяемый объемами полезного отпуска и та-

рифами на электрическую и тепловую энергию; И, - эксплуатационные затраты, осуществляемые на 1-м шаге расчета; Т- продолжительность расчетного времени; а, - коэффициент дисконтирования, К - приведенные капитальные вложения в установку.

Эксплуатационные издержки ГПУ ТЭЦ определяются по формуле

И = Ит+И.м+И.+И„+И„+Ир+Пл + И„, ' (8) где ит - затраты на топливный газ; иш - амортизационные отчисления; ив - затраты на воду; ит - затраты на оплату труда; ис„ - отчисления на социальные нужды; ир - затраты на все виды ремонтов; Ял - плата за предельно допустимые выбросы; И„р — прочие затраты.

В общем виде капиталовложения в ГПУ могут быть представлены как К = К1т+Кку+К31Ю+К1Ю+Кэу+Кярти, (9)

где Кту, Кхю, Кку,К'", Я01', 1С"""" - соответственно, капиталовложения в газопаровую установку, КУ, химводоподготовку, вспомогательное оборудование, систему выдачи электрической мощности, систему автоматизации и управления и др.

Оптимизационные исследования проведены с помощью разработанного программного комплекса «ТЬегтСа1сОТи» для ГПУ при следующих исходных данных: температура наружного воздуха +15 °С; температура газопаровой смеси на входе в газовую турбину 1000 °С; расход воздуха через компрессор 40 кг/с; доля впрыскиваемого пара в камеру сгорания 10%; температура генерируемого пара 300 °С; расход пара на собственные нужды 20% от количества впрыскиваемого пара; расчетный температурный график теплосети 130°С /70°С. В таблице 1 приведены результаты расчетов характеристик ГПУ в зависимости от степени повышения давления воздуха.

Таблица 1 - Результаты расчетов параметров ГПУ при различных степенях повышения давления воздуха в компрессоре_

Степень повышения

Показатель давления ну

6 14 23

Расход подаваемого воздуха 0„юд, кг/с 40 40 40

Расход впрыскиваемого пара Оп, кг/с 4 4 4

Расход топлива в КС От, кг/с 1,14 0,93 0,81

Электрическая мощность ГПУ Ме, МВт 12,87 14,92 14,48

Электрический КПД ГПУ,% 23,92 31,93 33,49

Расход газопаровой смеси в КУ Ос„, кг/с 48,30 48,43 48,79

Температура смеси продуктов сгорания Тсч, °С 626 568 553

Расход генерируемого пара в КУа*у кг/с 4,8 4,8 4,8

Давление генерируемого пара Р„, МПа 0,76 1,72 2,64

Температура генерируемого пара Т„, °С 300 300 300

Температура ГПС после пароперегревателя , °С 600 542 527

Коэффициент теплопередачи пароперегревателя ¿„„, 62,8 63,4 65,1

Вт/(м2К)

Окончание таблицы 1

Степень повышения

Показатель давления я^

6 14 23

Плошадь теплообмена пароперегревателя Р„„, м2 82,1 71,0 59,9

Тепловая мощность пароперегревателя (,)„„, кВт 1387 1326 1259

Температура смеси продуктов сгорания после испарителя Тсм 415 357 342

Коэффициент теплопередачи кисп, Вт/(м2К) 87,19 88,24 88,68

Площадь теплообмена испарителя Р'11сп, мг 537 499 482

Тепловая мощность испарителя 0жп, кВт 9844 9855 9867

Расход питательной воды Ст„.в., кг/с 5,04 5,04 5,04

Температура газопаровой смеси после экономайзера , °С 388 330 315

Коэффициент теплопередачи к,К, Вт/(м2К) 56,1 56,9 57,61

Площадь теплообмена экономайзера Рэк, м2 160 225 302

Тепловая мощность экономайзера С?зк, кВт 1416 1477 1537

Тепловая мощность КУ 0КТ, кВт 12647 12658 12663

Температура смеси продуктов сгорания после ГВТО , °С 79 77 75

Коэффициент теплопередачи к гш0, Вт/(м2 К) 58,84 59,83 61,26

Площадь теплообмена ГВТО РГвто. м2 561 538 503

Тепловая мощность ГВТО Огвто: кВт 12530 12530 12530

Количество образовавшегося конденсата с1к, кг/с 0,94 1,12 1,23

Площадь теплообмена ПСВ РПсв, м2 93,0 89,8 86,0

Тепловая нагрузка подогревателя сырой воды 0„св, кВт 824 820 819

Температура смеси продуктов сгорания после ПСВ Те"~,, °С 64 62 60

Количество образовавшегося конденсата с1к, кг/с 0,41 0,49 0,57

Суммарное количество образовавшегося конденсата ОКО|Ц| кг/с 1,35 1,61 1,80

На рисунках 4 и 5 показано влияние степени повышения давления на величину и доли впрыска пара в камеру сгорания ГПУ на величину ЧДД.

чдд. ЧДА

млн.руб. ° млн.руб.

----- 1000

900 800 700 600 500 400

Рисунок 4 - Изменение величины ЧДД от Рисунок 5 - Влияние доли впрыска пара степени повышения давления лк в камеру сгорания ГПУ на величину ЧДД

Расчетно-оптимизационными исследованиями установлено, что оптимальное значение кк находится в пределах 14,2...16,4 и оказывается меньше, чем для простейших ГТУ. Также выявлено, что оптимальная степень повышения давления воздуха снижается с увеличением доли впрыскиваемого пара. Оптимум доли впрыскиваемого пара отсутствует.

Пятая глава «Расчет и обеспечение надежности отопительных газопаровых установок в системах теплоэнергоснабжения» посвящена разработке методических положений расчета показателей надежности элементов и ГПУ в целом. Отопительные ГПУ, предназначенные для отпуска двух видов энергии, являются элементами двух подсистем - электроснабжения и теплоснабжения. Многофункциональность ГПУ определяет необходимость расчета взаимозависимых показателей надежности по отпуску каждого вида энергии. В работе обосновано применение как единичных, так и комплексных, в том числе и динамических, показателей надежности для решения различных задач.

Энергетический впрыск пара в камеру сгорания ГТУ приводит к росту расхода рабочего тела через проточную часть и изменению термонапряженного состояния рабочих и сопловых лопаток, температурный режим которых зависит от параметров рабочего тела, способа охлаждения лопаток, конструктивных особенностей, конструкционных материалов, режима эксплуатации и других факторов.

Безотказность ступени проточной части газопаровой турбины определяется вероятностью непревышения величины нагружения Х(1) прочности У(1), т.е. попадания случайной функции работоспособности (ФР) Z(t)=X(t)-Y(t) в область отрицательных значений. Значение аргументов функций X(t) и Y(t) в общем случае определяется ее номинальными значениями Л'/' и

У/!, а также постоянными АХ, и AY, и переменными во времени SX, и <57, отклонениями. Если ступень содержит m лопаток, имеющих одинаковую надежность, безотказность каждой из них характеризуется п (п = 1 ,п) ФР, то условие безотказности запишется в виде

2iwl(0 = {min[K„(/)-X„(0]}'">0, тещ п ей. (8)

В общем случае, когда несколько ФР определяют безотказность и они независимы, вероятность безотказной работы запишется в виде

m п

^т(0 = ПГИ^т(0>о}. (Ю)

п=1

Вероятность того, что для m-й рабочей лопатки (опуская в дальнейшем индекс m) действующие напряжения o(t) превысят допустимые значения т.е. cr(t) > â(t) определится как

F[a(t)>a(t)] = Hf(cr,â,t)dcrdâ, (11)

где /(ег,сг,г) - совместная дифференциальная функция распределения вероятностей приведенных напряжений и длительной прочности.

Так как условие работоспособности имеет вид ) = а(с) — <х(() < 0, то, используя его для определения областей интегрирования, получим

да

Р{ст(/) <ст(/)}= 1 - / (12)

о о

Задача расчета вероятности безотказной работы проточной части газопаровой турбины (12) решена в предположении нормальных законов распределения действующих напряжения и их допустимых значений.

По разработанной методике проведены расчетные исследования влияния параметров рабочего тела и доли впрыска пара в камеру сгорания ГПУ на вероятность безотказной работы проточной части турбины. Расчеты проводились для установки мощностью 12 МВт.

На рис. 6 приведена зависимость вероятности безотказной работы турбины от доли впрыска пара в КС. Раечетно-теоретическими исследованиями установлено, что увеличение доли впрыска пара до 13-15% приводит к снижению ресурса работы проточной части на 9-11 %.

• ■ - •

- _ ** *.

*

••■ }••; _« - i; • i

"N

-4

i

!

; i 4 jT-........

looo юго юао юсо loso 1100

Т„°С ■

Рисунок 6 - Изменение вероятности безотказной работы турбины P(t) в зависимости от доли впрыска пара в КС и температуры ГПС перед турбиной

В основе расчета структурной надежности установки лежит описание ее функционирования с помощью марковского процесса с дискретным множеством состояний и непрерывным временем. Процедура формирования графа состояний энергоустановки, матрицы интенсивностей переходов и решений системы дифференциальных уравнений вероятностей состояний формализованы. Каждому возможному состоянию ГПУ соответствуют вероятности работоспособных состояний с определенным уровнем работоспособности энергоустановки по отпуску электрической .V* и тепловой О* энергии. Представляя требуемые условия функционирования отопительной ГПУ в виде детерминированной кусочно-постоянной функции Nv(j = l,G) и Q,t¡{J = 1,G), все состояния установки разделены на два подмножества. Одно

из них (2 е характеризуется уровнями работоспособности Л'* > и 0'р ><2Г1, а другое (г е б") состояниями отказа работоспособности или отказа функционирования, т.е. /V* <Ы, и д'р <др . Вероятность безотказной работы или коэффициент готовности по отношению к фиксированному уровню работоспособности в момент времени / определится по формулам

р„(0 = кж.')= ^ф'р > < (13)

Разработанная методика позволяет рассчитать взаимозависимые значения показателей надежности ГПУ по отпуску тепловой и электрической энергии. На рисунках 7 и 8 показано изменение динамических значений К'-(') Ддя отопительной ГПУ мощностью 12 МВт.

1.0Й ОЛ*

^ о.м

¡'У 7 О.М 0.95

2

Для определения мероприятий по обеспечению нормируемых значений ПН разработана методика расчета структурно-сложной системы теплоэнерго-снабжения, состоящего из источника теплоэнергоснабжения, системы транспорта теплоты и пиково-резервных источников. В основу методики положен перебор возможных состояний системы с различным значением тепловой мощности у потребителя. Установлено, что для обеспечения нормированных значений ПН систем теплоснабжения необходимо применение структурного резервирования на источнике (двухблочная ГПУ ТЭЦ) и системного резервирования (наличие пиково-резервной котельной), а также временного резервирования в виде аккумуляторов горячей воды в системе ГВС.

В шестой главе «Экономическая эффективность ГПУ-ТЭЦ в системах теплоэнергоснабжения» проведено технико-экономическое обоснование целесообразности реализации инвестиционных проектов Г'ПУ ТЭЦ в различных условиях размещения. Результаты сведены в таблицу 2.

-S

1,00 ..........

0.985 1' 2

Ч

0.975

> low vm .VWO !'>■! 5СКЛ1 Ч

№М 2000

30О<| ШЮ

исунок 7 - Изменение К 'г(1) ГПУ

1 - без впрыска пара в КС; - с впрыском пара в КС (О =0,15)

Рисунок 8 - Изменение значений K].(t) и Кf{t) двухблочной ГПУ 1 - без впрыска пара в КС; 2-е впрыском пара в КС (9=0 15)

Таблица 2 - Показатели экономической эффективности газопаровых ТЭЦ в различных регионах размещения ___

Показатель Размерность Регионы размещения

Пермь Саратов Астрахань

Отпущенная электрическая энергия МВтч 228796 211487 196229

Отпущенная тепловая энергия МВт ч 272370 239704 214701

Удельные капиталовложения руб./кВт 41300 41300 41300

Тариф на отпуск электрической энергии руб./кВтч 1,8 1,8 1,8

Тариф на отпуск тепловой энергии руб./МВт- ч 860 860 860

Цена топлива руб./тыс.м1 3540 3540 3540

Затраты на топливо млн.руб./год 178,6 168,9 160.0

Чистый дисконтированный доход млн.руб. 749,7 480,6 400,3

Простой срок окупаемости лет 6,6 • 7,7 8,2

Дисконтированный срок окупаемости лет 6,8 7,9 8,4

Полученные результаты расчетов показателей эффективности указывают на достаточно высокую экономичность ГПА-ТЭЦ вне зависимости от регионов размещения. Проведен анализ устойчивости полученных результатов в условиях неопределенности исходной технико-экономической информации с определением коэффициентов чувствительности. Установлено, что факторами, определяющими устойчивость полученных решений являются объемы производства электрической и тепловой энергии. Этот факт указывает на необходимость более тщательного расчета вырабатываемой электрической и тепловой энергии, т.е. на тщательный учет климатических и режимных факторов при анализе покрытия реальных графиков электрической и тепловой нагрузки и обоснование надежности работы ГПУ в системах теплоснабжения.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Разработана расширенная экономико-математическая модель расчета экономической эффективности отопительных газопаровых установок в системах теплоэнергоснабжения, учитывающая режимные и климатические факторы, системную топливную эффективность, экологические факторы, условия финансирования создания установок, с использованием которой определены рациональные схемы и оптимальные параметры ГПУ. Расчет-но-теоретическими исследованиями установлено, что применение отопительных ГПУ в системах теплоэнергоснабжения обеспечивает удельную экономию топлива до 36-39% в зависимости от климатических факторов по сравнению с раздельной выработкой тепловой и электрической энергии.

2. Разработаны математические модели расчета конструктивных характеристик оборудования и энергетических показателей отопительных га-

зопаровых установок с учетом всего комплекса важнейших факторов их функционирования в системах теплоснабжения и режимов теплопотребле-ния. Установлено, что при доле впрыска пара в камеру сгорания до 15-17% прирост электрической мощности составляет до 21-22%, при этом электрический КПД установки повышается на 3,5-4,2%.

3. Впервые поставлена и решена задача оптимизации степени повышения давления и доли впрыска пара в камеру сгорания ГПУ. Оптимальное значение степени повышения давления в компрессоре ГПУ составляет 1315 в зависимости от доли впрыска пара в камеру сгорания и оказывается ниже, чем для простейших и утилизационных ГТУ. Установлено, что оптимума по доле впрыска пара в камеру сгорания нет, а граничное значение доли впрыска пара определяется конструктивными характеристиками котла-утилизатора и не превышает 18,0-19,5% расхода воздуха через компрессор.

4. Разработаны вероятностные модели расчета безотказности газопаровой турбины, котла-утилизатора и отопительных ГПУ в целом в системах теплоэнергоснабжения. Впрыск пара с камеру сгорания до 15-18% приводит к снижению безотказности и ресурса работы лопаточного аппарата газопаровой турбины на 12-13%. Расчетно-теоретическими исследованиями установлено, что безотказность котла-утилизатора определяется параметрами рабочих тел и конструктивными характеристиками его испарительной части. При повышении давления впрыскиваемого пара от 0,6 до 2,7 МПа вероятность отказа котла-утилизатора увеличивается на порядок.

5. Разработана методика расчета показателей надежности систем теплоснабжения на основе ГПУ. Показано, что для обеспечения нормированных значений показателей надежности теплоснабжения необходимо применение структурного резервирования (создание источника с более двумя и более агрегатами с параллельными связями) и применение временного резервирования по отпуску тепловой энергии. Использование бака-аккумулятора горячей воды обеспечивает повышение коэффициента готовности ГПУ по отпуску тепловой энергии на 0,02-0,04 в зависимости от режимов зарядки и разрядки аккумулятора и его емкости.

6. Определена экономическая эффективность отопительных газопаровых ТЭЦ в системах теплоэнергоснабжения. Выявлено влияние основных режимных и технико-экономических факторов на показатели экономической эффективности отопительных ГПУ. Установлено, что дисконтированный срок окупаемости инвестиций в создание газопаровых ТЭЦ составляет 6,8-8,4 года при величине внутренней нормы доходности 23-27% в зависимости от исходных данных. Определяющее влияние на показатели экономической эффективности оказывают режимы работы установки с впрыском пара в камеру сгорания ГТУ отопительных ГПУ ТЭЦ, условия и объемы реализации электрической и тепловой энергии и условия финансирования инвестиций в их сооружение.

Основные положения и результаты диссертации изложены в следующих публикациях:

Публикации в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ

1. Рожнов С.П. Применение инновационных газотурбинных технологий для повышения энергоэффективности Саратовского теплового узла [Текст] / С.П. Рожнов, Е.А. Ларин // Инновационная деятельность. 2013. № 4 (27). С. 84-90.

2. Ларин, Е.А. Оптимизация параметров отопительных газопаровых установок [Текст] / Е.А. Ларин, С.П. Рожнов // Современные проблемы науки и образования: эл. журнал. 2014. № 5. URL:\vww.science-education.ru/119-14802

Патенты, программы для ЭВМ

1. Программный комплекс расчета параметров и энергетических характеристик газопаровых установок «ThermCalcGTU»: программа для ЭВМ; свидетельство о гос. регистрации № 2012660634 / С.П. Рожнов. №2012618509; заявл. 09.10.2012; опубл. 26.11.2012.

Публикации в других изданиях (основные)

1. Рожнов, С.П. Методические положения сравнительной эффективности схем НПК АЭС с ВВЭР [Текст] / С.П. Рожнов, Л.А. Сандалова // Современные научно-технические проблемы теплоэнергетики. Пути решения: сб. тр. Междунар. науч. конф. /СГТУ. Саратов, 2011. С. 139-142.

2. Рожнов, С.П. Математическая модель расчета процессов и энергетических характеристик отопительных газопаровых установок [Текст] / С.П. Рожнов, Е.А. Ларин // Dnyvedy - 2012: Materialy VIII mezinarodni vedecko-prakticka konference, 27 Brezen - 05 Dubna 2012 roku. Dil 92: Technickevedy. Praha, 2012. C. 47-53.

3. Рожнов, С.П. Газопаровая установка высокой энергетической эффективности [Текст] / С.П. Рожнов, Е.А. Ларин // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-25: сб. тр. XXV Междунар. науч. конф., г. Волгоград, 29-31 мая 2012 г. Саратов, 2012. С. 33-36.

4. Рожнов С.П. Покрытие пиковой части суточных графиков электрических нагрузок посредством получения дополнительной мощности газопаровой установки за счет увеличения впрыска пара в камеру сгорания [Текст] / С.П. Рожнов // Электроэнергетика глазами молодежи: сб. тр. Междунар. науч. конф.: в 2 т. г. Екатеринбург, 2012 г. / УРФУ. Екатеринбург, 2012. Т. 2. С. 149-152.

5. Рожнов С.П. Эффективность применения инновационных газотурбинных технологий при реконструкции ТЭС Саратовского теплового узла [Текст] / Е.А. Ларин, С.П. Рожнов // Энергосбережение Саратовской области. Саратов, 2013. № 2 (52). С. 35-38.

6. Рожнов С.П. Применение газопаровых установок для повышения энергоэффектнвности системы теплоснабжения города Саратова [Текст] /

С.П. Рожнов // Повышение эффективности энергетического оборудования: сб. тр. III Междунар. науч.-практ. конф.: в 2 т. Москва, 2013 г. / МЭИ. М., 2013. Т. 1.С. 163-170.

7. Рожнов С.П. Применение инновационных газотурбинных технологий для повышения энергоэффективности Саратовского теплового узла [Текст] / Е.АЛарин, С.П. Рожнов, Л.П. Шелудько // Новости теплоснабжения. М., 2015. № I (173). С. 30-34.

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ И СИСТЕМНАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ГАЗОПАРОВЫХ УСТАНОВОК

РОЖНОВ Сергей Павлович

Автореферат

Корректор JI.A. Скворцова

Подписано в печать 22.04.15 Бум. офсет. Тираж 100 экз.

Усл.-печ. л. 1,0 Заказ 48

Формат 60x84 1/16 Уч.-изд. л. 1,0 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Тел.: 24-95-70; 99-87-39, e-mail: izdat@sstu.ru