автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Разработка направлений технического перевооружения пылеугольных ТЭЦ, переведенных на сжигание природного газа и мазута, на примере ТЭЦ-20 Мосэнерго

Введение

Глава 1. Состояние и технико-экономические показатели работы тепломеханического оборудования ТЭЦ

1.1. Структура и характеристика генерирующих мощностей ТЭЦ

1.2. Технико-экономические показатели работы ТЭЦ и их анализ

Глава 2. Повышение эффективности использования топлива на оборудовании первой очереди ТЭЦ

2.1. Пути повышения эффективности использования топлива и реконструкции первой очереди ТЭЦ

2.2. Выбор схемы газотурбинной технологии

2.2.1. Вариант использования газотурбинной установки по схеме ПТУ-ТЭЦ

2.2.2. Анализ варианта ПГУ-ТЭЦ

2.2.3. Вариант газотурбинной установки для настройки действующего оборудования первой очереди ТЭЦ (ГТ-надстройка)

2.3. Реконструкция котлов ТП-230 (ст. №№ 4-6) и повышение экономичности паровой турбины ПТ-60 (ст. № 5)

2.4. Выводы

Глава 3. Направления технического перевооружения оборудования второй очереди ТЭЦ (постановка задачи и пути ее решения)

3.1. Использование модернизированных паровых котлов в парогазовом цикле

3.2. Использование паротурбинных технологий при техническом перевооружении оборудования

Глава 4. Снижение экологического воздействия работы ТЭЦна окружающую среду

4.1. Краткий анализ условий образования оксидов азота и технологических методов их подавления

4.2. Эффективность способов снижения выбросов оксидов азота, реализованных на существующих котлах ТЭЦ-20. Объекты исследования. Особенности конструкции.

4.3. Методика проведения промышленных исследований

4.4. Основные результаты исследований

4.4.1. Исследования котлов без применения способов снижения выбросов оксидов азота

4.4.2. Исследование традиционных схем сжигания природного газа при рециркуляции дымовых газов

4.4.3. Исследование традиционных схем сжигания мазута при рециркуляции дымовых газов

4.4.4. Исследование процессов стадийного (ступенчатого) сжигания природного газа и мазута

Глава 5. Влияние применяемых внутритопочных способов снижения оксидов азота на работоспособность котлов второй очереди ТЭЦ

5.1. Объект и программа расчетных исследований

5.2. Методика расчетных исследований

5.3. Методика обработки результатов исследований

5.4. Результаты исследований и их обработки

5.5. Анализ результатов исследований и выводы

Глава 6. Основные положения по выбору тепловой схемы замещающего газомазутного котла второй очереди ТЭЦ

6.1. Исходные требования к разработке парового котла и пути их реализации

6.2. Принципы формирования тепловой схемы комбинированного котла с расширенным диапазоном регулирования

6.3. Практически реализуемые варианты тепловых схем паровых котлов применительно к условиям работы второй очереди ТЭЦ-20 '

Выводы

Экономические преобразования, проводимые в последнее десятилетие в России, привели к сокращению потребления и производства электроэнергии, дефициту инвестиций на обновление и модернизацию технологического оборудования, необходимости вывода значительной части - до 30+40% установленной мощности в резерв, работе оборудования в расширенном диапазоне нагрузок, снижению эффективности использования топлива. Ситуация осложняется тем, что практически более 50% основного оборудования КЭС и ТЭЦ выработало свой парковый ресурс.

Значительную роль в обеспечении потребителей городов теплотой и электроэнергией играют теплоэлектроцентрали. Так, в планах развития Мосэнерго доля ТЭЦ в суммарной мощности системы сохраняется на уровне 87% [1], что обеспечит прогнозируемый прирост выработки тепловой и электрической энергии до 2010 г. при практически минимальном дополнительном топли-вопотреблении. В период широкого развития теплофикации ТЭЦ оснащались паровыми котлами, предназначенными для сжигания твердых топлив. В связи с новыми требованиями к экологическим показателям многие паровые котлы ТЭЦ в начале 90-х годов стали переводить на сжигание природного газа, что потребовало частичной их реконструкции. Как правило, из-за недостатка средств, решения по реконструкции не обеспечивали должного повышения экономических и экологических показателей в соответствии с современными требованиями к использованию природного газа.

Учитывая, что потребности Московского региона в электро- и теплоэнер-гии будут расти, а значительная доля работающего оборудования ТЭЦ отработала свой ресурс, требуется принятие кардинальных мер, направленных прежде всего на безотлагательное решение комплекса проблем, связанных с обновлением установленных мощностей, повышением экономической эффективности использования топлива и экологической безопасности.

Ограниченность финансовых возможностей предопределяет и основные пути решения поставленных проблем. Это техническое перевооружение основного оборудования или замещение мощностей, полностью исчерпавших свой ресурс.

Успех решения указанных проблем во многом зависит от степени заинтересованности участия действующих ТЭЦ в их реализации. Это участие должно быть определяющим как на стадии формирования стратегии технической политики, так и на стадии ее реализации, включая создание нового оборудования.

Цель настоящей работы - обоснование основных направлений технического перевооружения очередей Московской ТЭЦ-20 и модернизация паровых котлов ТП-87, ТП-80 второй очереди с учетом их работы на природном газе и мазуте. Основное внимание в диссертационной работе уделено рассмотрению и решению следующего блока основных задач:

1. Задачи, связанные с определением приоритетных направлений технического перевооружения ТЭЦ-20:

• анализ технико-экономических показателей работы ТЭЦ и ее очередей;

• разработка направлений повышения эффективности работы ТЭЦ.

2. Задачи, предопределенные решением проблемы повышения экономической эффективности работы первой очереди ТЭЦ-20:

• разработка и обоснование путей замещения мощностей первой очереди;

• оценка эффективности использования схем газотурбинных технологий применительно к оборудованию 1-ой очереди ТЭЦ.

3. Задачи, предопределенные решением проблемы повышения экономических и экологических показателей работы оборудования второй очереди ТЭЦ:

• анализ технико-экономических показателей (ТЭП) оборудования второй очереди;

• разработка и обоснование путей замещения оборудования второй очереди ТЭЦ-20.

4. Задачи, непосредственно связанные с отысканием путей снижения экологического воздействия работы ТЭЦ на окружающую среду:

• анализ экологических показателей котлов, характера и степени воздействия ТЭЦ на окружающую среду;

• анализ существующих технологических способов снижения вредных выбросов применительно к котлам второй очереди;

• исследование эффективности различных способов снижения оксидов азота на одном типе котлов второй очереди и возможности перенесения результатов исследований на действующие котлы второй очереди.

5. Задачи, связанные с обоснованием тепловой схемы замещающего котла второй очереди ТЭЦ.

Научная новизна работы состоит в:

• установлении эффективности использования ГТ-надстройки к котлам ТП-170 по сравнению с ПТУ-ТЭЦ и характера влияния на нее времени работы в теплофикационном режиме;

• нетрадиционном использовании низкопотенциальных поверхностей нагрева котла (воздухоподогревателя и теплофикационного экономайзера в схеме с ГТ-надстройкой);

• разработке методики проведения расчетных исследований на базе программы Trakt влияния внутритопочных способов снижения концентраций оксидов азота на экономичность и работоспособность элементов котла;

• установлении влияния способов снижения концентраций оксидов азота на надежность, экономичность и диапазон регулируемой нагрузки применительно к паровым котлам барабанного типа; установлении области рационального использования способов снижения выбросов оксидов азота с позиции обеспечения надежности и экологической безопасности;

• выявлении фактора влияния в котлах ТП-80, ТП-87 их тепловой схемы на характер изменения диапазона регулируемой нагрузки, экономичность и надежность при сжигании природного газа и мазута;

• установлении влияния дополнительных поверхностей нагрева, охлаждаемых другим рабочим телом, на диапазон регулируемой нагрузки и экономичность котла;

• установлении подхода к разработке тепловой схемы парового котла, обеспечивающего работу с высокими экономическими и экологическими показателями в широком диапазоне нагрузок при сжигании природного газа и мазута с учетом особенностей технологических схем ТЭЦ.

Практическая значимость работы заключается в:

• обосновании направлений технического перевооружения оборудования очередей ТЭЦ;

• разработке и реализации мероприятий по снижению выбросов оксидов азота от паровых котлов второй очереди;

• разработке рекомендаций по обеспечению параметров рабочей среды при реализации внутритопочных способов снижения образования оксидов азота;

• разработке исходных требований к замещающему котлу первой и второй очереди;

• разработке исходных положений по формированию тепловой схемы замещающего котла второй очереди.

160 Выводы

1. Обоснована необходимость реконструкции первой очереди при сохранении главного корпуса ТЭЦ-20 с использованием новых технологий не только по условиям эффективности использования топлива, но и возможностями существующей системы охлаждения циркуляционной воды при сжигании природного газа.

2. На базе анализа проектных решений разработана концепция реконструкции ТЭЦ, предусматривающая: по первой очереди:

- использование газотурбинных технологий с установкой 3-х газовых турбин мощностью по 20 МВт в виде надстройки к паровым котлам ТП-170 по сбросной схеме;

- выделение в виде отдельного блока турбины ПТ-60 с переводом ее на проектное давление и созданием для нее котла и предусматривающую также связь с оборудованием второй очереди;

- модернизацию котлов ТП-170 и ТП-230. по второй очереди:

- установку замещающих котлов (взамен существующих котлов ТП-80 и ТП-87) с повышенными экономическими и экологическими показателями и расширенным диапазоном регулируемых нагрузок.

3. Показано, что для ТЭЦ, оборудованных котлами типа ТП-170 и переведенных на сжигание природного газа, установка ГТ-надстройки с газовыми турбинами мощностью 20 МВт является более эффективным, чем создание ГТУ-ТЭЦ такой же мощности. Так, экономия топлива в схеме ГТ-надстройки при выработке электроэнергии на тепловом потреблении 60% составляет 11,2% по сравнению с 4% в случае реализации схемы ПГУ-ТЭЦ.

4. Предложено натрадиционное решение по использованию низкотемпературных конвективных поверхностей нагрева котла ТП-170 в зависимости от режима работы установки с ГТ-надстройкой.

5. Найдены величины экономии топлива в схемах с ГТУ-надстройкой и ПГУ в зависимости от времени работы в теплофикационном режиме.

6. Проведенные комплексные испытания на котлах второй очереди показали:

- значительное снижение выбросов оксидов азота - до 50-80 мг/м3 при сжигании природного газа - может быть достигнуто как введением газов рециркуляции, так и реализацией комбинированного способа - ступенчатого сжигания с введением рециркуляции газов;

- существующие котлы обеспечивают заданный уровень температуры перегрева пара при снижении нагрузки лишь в случае использования газов рециркуляции и увеличения избытка воздуха в топке, что приводит к снижению экономичности их работы и свидетельствует о нерациональности их тепловой схемы при работе на природном газе и мазуте.

7. Выявлен различный характер влияния нагрузки на уровень выбросов оксидов азота при сжигании природного газа и мазута. При сжигании природного газа с уменьшением нагрузки концентрация оксидов азота падает, а при сжигании мазута - растет. Это является следствием нерациональности тепловой схемы котлов, приводящей к необходимости увеличивать избыток воздуха в топке для поддержания температуры перегрева пара при снижении нагрузки.

8. Предложена методика проведения расчетных исследований на базе программы Trakt влияния внутритопочных способов снижения выбросов оксидов азота на экономичность и работоспособность котла.

9. Выявлены диапазоны допустимой работы котла в зависимости от доли газов рециркуляции, способа сжигания и избытка воздуха в топке

10. На базе проведенных исследований сформированы требования и даны пути их реализации в виде проектных решений по тепловой схеме замещающего газомазутного котла, позволяющие обеспечить требуемый уровень экономичности, экологичности, диапазон регулируемой нагрузки. Показано, что использование дополнительных поверхностей нагрева в конвективной шахте, охлаждаемых другим рабочим телом, не только повышает экономичность работы

162 котла и способствует расширению регулируемого диапазона его работы. Вы полненные тепловые расчеты котла с предложенной тепловой схемой подтвердили правильность предлагаемых решений.

163

1. Сергеев В.В. Автоматизированная система управления на ТЭЦ-20 Мос-энерго.//Энергетик, 1997, № 10, с. 4-6.

2. Андрющенко А.И., Змачинский A.B., Понятов В.А. Оптимизация тепловых циклов и процессов ТЭС. М.: Высшая школа, 1974, 279 с. с ил.

3. Рыжкин В.Я. Тепловые электрические станции. М.: Энергия, 1976, 376 с. с ил.

4. Стерман Л.С., Шарков А.Т., Тевлин С.А. Тепловые и атомные электрические станции. М.: Атомиздат, 1975, 496 с. с илл.

5. Сергеев В.В., Енякин Ю.П., Магадеев В.Ш., Левин М.М., Гурес А.Г. Опыт техперевооружения энергетического оборудования на примере реконструкции котла ТП-80. Электрические станции, 1998, № 3, с. 2-5.

6. Медведев В.А., Липец А.У., Пономарева Н.В., Бухман Г.Д., Кузнецова С.Н. Эффективность комплексной модернизации хвостовой части действующих пылеугольных котлов.//Теплоэнергетика, 1999, № 8, с. 43-47.

7. Липец А.У. О техническом перевооружении паротурбинных энерго-блоков.//Энергетик, 2000, № 6, с. 13-14.

8. Ногин В.И. Разработка оптимальных технических решений по реконструкции тепломеханического оборудования ТЭС АО Мосэнерго. Электрические станции, 1998, № 6, с. 39-48.

9. Лавров Н.В., Розенфельд Э.И., Хаустович Г.П. Процессы горения топлива и защита окружающей среды. М., "Металлургия'', 1981, 240 с. с ил. .

10. Сигал И .Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива. Л., "Недра", 1988, 312 с. с ил.

11. Котлер В.Р. Оксиды азота в дымовых газах котлов. М., Энергоатомиз-дат, 1987,144 с. с ил.

12. Егорова JI.E., Росляков П.В., Буркова А.В. Математическое моделирование и расчет эмиссии токсичных продуктов сгорания органических топлив. -Теплоэнергетика, 1993, № 7, с. 63-68.

13. Зельдович Я.Б., Садовников П.Я., Франк-Каменецкий Д.А. Окисление азота при горении. М., Наука, 1947,146 с. с ил.

14. Гусев И.В., Зайчик Л.И., Кудрявцев Н.Ю. Моделирование образования оксидов азота при сжигании твердого топлива в топочных камерах. Теплоэнергетика, 1993, № 1, с. 32-36.

15. Росляков П.В., Егорова J1.E. Защита атмосферного воздуха от газообразных выбросов. М., Изд-во МЭИ, 1996,71 с. с ил.

16. Mekler I.A. Recirculating Furnace at Refineries. Oil a. Gas Journ., 1928, v. 26, № 41, p. 208-209 and 217. (И.А. Меклер. Применение топок с рециркуляцией дымовых газов в нефтехимической промышленности. Нефт. хоз-во, 1928, № 7, с. 38-45).

17. Спейшер В.А., Горбаненко А.Д. Повышение эффективности использования газа и мазута в энергетических установках. М., Энергоатомиздат, 1991, 183 с. с ил.

18. Методические указания по проектированию топочных устройств энергетических котлов. СПб., ЦКТИ, 1996,270 с. с ил.

19. Закиров И.А. Исследование и внедрение способа нестехиометрическо-го сжигания топлива в газомазутных котлах с целью снижения выбросов оксидов азота. Автореф. канд. дис. М., МЭИ, 1998, 20 с.

20. Соболев В.М. Оснащение котлов электростанций и котельных горе-лочными устройствами АО "ЭКОТОП", Энергетик, 199 , № , с. 17-19.

21. Barnhart D.K., Duhl E.K. Control of Nitrogen in Boilere Fuel Gases by Two-Stage Combustion. Journ. of the APCA, vol. 10, 1960, № 5.

22. Роудон В., Садовски P.C. Обработка экспериментальных данных натурных испытаний по выбросам окислов азота из котельных агрегатов. Тр. ам. общества инженеров - механиков. Энергетические машины и установки., Сер. А, 1973, №3, с. 1-9.

23. Енякин Ю.П., Бычков A.M. Широкое внедрение технологических методов подавления оксидов азота на газомазутных котлах. Природоохранные технологии ТЭС. Сб. научн. ст. - М., ВТИ, 1996, с. 59-62.

24. Буйнявичус К.Э. Повышение эффективности воздействия рециркуляции дымовых газов в топках газомазутного котла на снижение образования окислов азота. Автореф. канд. дис., Каунас, 1985, 20 с.

25. Фаткуллин P.M., Пахомов А.Н., Арсланов Р.Г., Валиев А.Х. Снижение выбросов оксидов азота на котлах ПК-41 рациональной организацией совместного сжигания газа и мазута. Теплоэнергетика, 1998, № 12, с. 2-6.

26. Ионкин И.Л., Росляков П.В., Егорова Л.Е. Классификация газомазутных котлов по характеристикам зоны активного горения для выбора воздухо-охранных мероприятий. Теплоэнергетика, 2000, № 1, с. 69-74.

27. Росляков П.В., Егорова JI.E., Ионкин И.Л. Методы расчета выбросов вредных веществ с дымовыми газами котлов. М., МЭИ, 2000, 68 с.

28. Методические указания по расчету выбросов оксидов азота с дымовыми газами котлов тепловых электростанций. РД 34.02.304-95. М.,

29. Определение эффективности технологических методов снижения концентраций азота в уходящих газах котельных установок. (Методические указания). — М., СПО ОРГРЭС, 1995.

30. Fenimore С.Р. Formation of nitric oxide in premixed hydrocarbon flaffie//B-th Sympos. (Interm.) On Combustion. 1971. P. 373.

31. Работы ВТИ по снижению выбросов оксидов азота технологическими методами./Ю.П.Енякин, В.Р.Котлер и др.//Теплоэнергетика, 1991, №6, с. 33-38.

32. ГОСТ Р 50831-95. Установки котельные. Тепломеханическое оборудование. Общие технические требования. М., Госстандарт России, 23 с.

33. Трембовля В.И., Фингер Е.Д., Авдеева A.A. Теплотехнические испытания котельных установок. М., Энергоатомиздат, 1991, 416 с. с ил.

34. Методические указания по составлению режимных карт котельных установок и оптимизация управления ими. РД 34.25.514-96. М., СПО ОРГРЭС, 1998, 59 с.

35. Определение эффективности технологических методов снижения концентраций азота в уходящих газах котельных установок. (Методические указания). М., СПО ОРГРЭС, 1995.

36. Сергеев В.В. Практический анализ способов снижения выбросов оксидов азота. Совершенствование конструкций и режимов эксплуатации паровых котлов. Сб. научн. тр./Юж.-Рос. гос. техн. ун-т., г. Новочеркасск, ЮРГТУ, 2000, с. 90-95.

37. Сергеев В.В., Усиков Н.В. Применение рециркуляции дымовых газов для снижения выбросов оксидов азота. Совершенствование конструкций и режимов эксплуатации паровых котлов. Сб. научн. тр./Юж.-Рос. гос. техн. ун-т., г. Новочеркасск, ЮРГТУ, 2000, с. 95-102.

38. Тепловой расчет котлов. Нормативный метод. Под ред. Кузнецова Н.В., Митора В.В. и др. М.: Энергия, 1973, 296 с.

39. Сергеев В.В., Левченко Г.И., Безгрешнов А.Н., Новиков Ю.С. Совершенствование тепловой схемы котла ТП-87 ТЭЦ-20 Мосэнерго при переводе его на сжигание природного газа и мазута.//Тяжелое машиностроение. 2000, № 5,-с. 2-5.167

40. Корницкий С.Я. Тепловая схема котельных агрегатов высокого давле-ния.//Известия ВТИ, 1947, № 11, с. 17-25.

41. Корницкий С.Я. Котельные агрегаты высокого давления. В кн. Пар высокого давления в энергетике. М.: Госэнергоиздат, 1950,196 с. с ил.

42. Брауде И.Е., Жирнов Н.И., Паршин A.A., Розенгауз И.Н., Стенинг А.И., Уваров В.В. Современные котельные агрегаты. М.: Госэнергоиздат, 1959, 248 с. с ил.

43. Безгрешнов А.Н. Принятие проектных решений при проектировании паровых котлов. Новочеркасск, НГТУ, 1997, 126 с. с ил.