автореферат диссертации по энергетике, 05.14.01, диссертация на тему:Системная эффективность малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ

На правах рукописи

Замоторин Роман Владимирович

Р Г Б ОД

1 1\ ФЕЗ 2009

СИСТЕМНАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ МАЛЫХ ТЭЦ НА БАЗЕ ТЕПЛОФИКАЦИОННЫХ ГТУ

Специальность 05.14.01 - Энергетические системы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2000

Работа выполнена на кафедре «Теплоэнергетика» Саратовского государственного технического университета

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Ларин Е. А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Загорский В.А.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Доронин М.С.

Ведущая организации - ООО «НИИгазэкономика» (г. Москва)

Защита состоится 24 февраля 2000 года в 10.00 на заседании диссертационного совета Д 063. 58. 02 в Саратовском государственном техническом университете по адресу: 410054 г. Саратов, ул. Политехническая, 77, ауд. 159.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Саратовского государственного технического университета.

Автореферат разослан 24 января 2000 года.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Е.А. Ларин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Акггуалыюсть темы. В настоящее время топливно-энергетический комплекс страны переживает кризисное состояние. Основное проявление кризиса в энергетике заключается в нарушении снабжения отдельных регионов и потребителей топливом, электрической и тепловой энергией. Главной причиной напряженности ТЭБ страны является устойчивая, начиная с 1990 года, тенденция снижения объемов добычи нефти и угля, а также наметившаяся тенденция снижения объемов добычи природного газа, доля которого в ТЭБ страны достигла 65 %. Отсюда следует, что повышение эффективности использования газа при производстве электрической и тепловой энергии является важнейшей народнохозяйственной задачей.

В новых экономических условиях перехода к социально-ориентированным рыночным отношениям, высокого уровня инфляции, невозможности использования централизованных средств для восполнения отработавших свой ресурс и требующих замены генерирующих мощностей, ориентация на традиционное централизованное теплоэнергоснабже-ние от крупных источников становится проблематичной и зачастую неэффективной. Существующие централизованные теплофикационные системы не обеспечили расчетной экономии топлива и общей эффективности. Это связано, в основном, с двумя факторами. Эффект системной экономии гоп-дива от централизации теплоснабжения практически сведен к нулю вследствие того, что КПД промышленных и отопительных котельных повышен до уровня КПД энергетических котлов. Вторая составляющая топливного эффекта от комбинированной выработки электрической и тепловой энергии на ТЭЦ также оказалась ниже расчетной вследствие больших тепловых потерь и потерь с утечками при транспорте горячей воды на большие расстояния. Эти потери достигают 20 - 25 %. Кроме того, магистральные тепловые сети от ТЭЦ имеют низкую надежность, что приводит в ряде случаев к нарушению теплоснабжения и соответствующему ущербу как материальному, так и социальному.

Таким образом, строительство новых крупных ТЭЦ для покрытия дефицита тепловых мощностей неизбежно связано с омертвлением капитала и проблемой отыскания источников финансирования. Ориентация же на строительство котельных для покрытия тепловых нагрузок относительно небольших потребителей с точки зрения обеспечения общей эффективности является неперспективной из-за увеличения системного расхода топлива и необходимости решения экологических проблем.

В этих условиях в стране наметилась тенденция на строительство децентрализованных комбинированных источников электро- и теплоснабжения, как правило, с использованием конверсионных газотурбинных установок. Создание таких энергоустановок имеет ряд преимуществ. Среди них основными являются короткие сроки строительства, повышение надежно-

сти теплоэнергоснабжения потребителей, использование потенциала конверсионных предприятий и другие.

Учитывая определенные сложности с энергообеспечением производственной и социальной инфраструктуры предприятий ОАО "Газпром", разработана и реализуется программа "Малая энергетика", одним из направлений которой является строительство малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ малой и средней мощности с комбинированной выработкой электроэнергии и теплоты для нужд теплоснабжения.

Отмеченные недостатки существующих централизованных теплоснабжающих систем, а также отмеченные выше тенденции определили выбор предмета исследования диссертационной работы, заключающегося в обосновании и исследовании эффективности теплофикационных ГТУ в системах теплоснабжения.

Работа выполнена в рамках научного направления Проблемной научно-исследовательской лаборатории теплоэнергетических установок электростанций СГТУ в соответствии с межвузовской научно-технической программой основного научного направления развития науки и техники Российской Федерации «Топливо и энергетика», федеральной программой фундаментальных исследований по направлению «Физико-технические проблемы энергетики», раздел «Фундаментальные проблемы энергосбережения и эффективного использования топлива», а также программой конкурса грантов в области энергетики и электротехники по разделу С-098 «Экономия топлива и тепловой энергии».

Объект исследования: малые ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ малой и средней мощности в системах теплоснабжения.

Цель работы: определение эффективности малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ малой и средней мощности в системах теплоэнергоснабжения.

Основные задачи исследования:

1. Обоснование показателей и разработка методов расчета тепловой и топливной эффективности малых ТЭЦ с теплофикационными ГТУ в системах теплоснабжения.

2. Разработка методов расчета и обеспечения надежности систем теплоснабжения, элементов и агрегатов малых ТЭЦ на базе ГТУ с учетом условий эксплуатации.

3. Разработка математической модели теплофикационных ГТУ и проведение расчетно-теоретических исследований характеристик газотурбинных ТЭЦ с учетом режимных и климатических факторов.

4. Выбор и оптимизация характеристик котла-утилизатора теплофикационных ГТУ с учетом климатических и режимных факторов.

5. Определение экономической эффективности создания малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ.

Методы исследования: методология системных исследований в энергетике, математическое моделирование комбинированных систем .теплоснабжения в реальных условиях их функционирования, методы исследования надежности систем энергетики и технико-экономического анализа теплоэнергетических установок и систем.

Научная новизна результатов исследования:

1. Разработаны теоретические положения расчета системной тепловой и топливной эффективности малых ТЭЦ с теплофикационными ГТУ.

2. Предложена методика расчета и обеспечения показателей надежности элементов теплофикационных ГТУ и систем теплоэнергоснабжения на их основе.

3. Разработана математическая модель малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ в составе систем теплоснабжения с учетом реальных ре-жимных.и климатических факторов.

4. Разработана методика определения экономической эффективности строительства и области эффективного использования малых ТЭЦ с теплофикационными ГТУ малой и средней мощности.

Практическая значимость. Проведено технико-экономическое обоснование и определены условия эффективного применения малых ТЭЦ на базе ГТУ в системах теплоэнергоснабжения. Определена системная те-,яловая и топливная эффективность малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ. Даны практические рекомендации по выбору оптимальной температуры наружного воздуха для проектирования котла-утилизатора теплофикационных ГТУ. Результаты расчетно-теоретических исследований малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ малой и средней мощности с учетом реальных условий их работы в системах теплоснабжения.

На защиту выносятся:

1. Методические положения и результаты расчета тепловой и топливной эффективности малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ в системах теплоэнергоснабжения.

2. Математические модели и результаты расчетно-теоретических исследований малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ с учетом реальных режимов работы и климатических факторов и обеспечения надежности теплоэнергоснабжения.

3. Методика и результаты расчета оптимальной температуры наружного воздуха для проектирования котла-утилизатора теплофикационных ГТУ.

4. Методические положения и результаты расчетов экономической эффективности малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ.

Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обоснована использованием методологии системных исследований в энергетике, применением фундаментальных законов технической термодинамики, теплопередачи и теории надежности систем энергетики. Математи-

ческие модели малых ТЭЦ разработаны на основе апробированных методов при решении ряда аналогичных задач. Проведено сопоставление полученных результатов и- выводов исследования с имеющимися данными на основе других теоретических подходов.

Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертацию, докладывались и обсуждались на научных конференциях и семинарах Саратовского'государственного технического университета в 1995-1999 гг. (г. Саратов), на Конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России "Новые технологии в газовой промышленности" (26-28 сентября 1995 г., Москва, ГАНГ), на Конкурсе молодежных разработок по проблемам газовой отрасли - 3 место (21-23 октября 1998 г., Москва, ВНИИГАЗ), на Международной научной конференции "Надежность в промышленности, энергетике и на транспорте" (г. Самара, 8-10 октября 1999 г.), на Межвузовской научной конференции "Проблемы повышения эффективности и надежности систем теплоэнерго-снабжения" (г. Саратов, 1 -3 ноября 1999 г.).

Публикации. По материалам диссертации автором опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 206 страницах и состоит из предисловия, введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников 183 наименований, имеет 30 рисунков, 18 таблиц.

Содержание работы

В предисловии дана краткая формулировка проблемы повышения эффективности систем теплоснабжения, обоснована актуальность и поставлена цель работы, определены основные задачи исследования, отражены научная новизна полученных результатов, их практическая ценность и апробация.

Во введении выполнен анализ современного состояния и тенденций развития систем теплоэнергоснабжения, направлений повышения эффективности теплофикационных систем. Отмечено, что в современных условиях главным фактором функционирования централизованных систем теплоснабжения является эффективное, надежное и безопасное энергоснабжение потребителей в условиях меняющейся конъюнктуры рынка топлива, оборудования, энергетического спроса на электрическую и тепловую энергию и т.п. В рамках этой проблемы важнейшей задачей ближайшего периода является разработка и формирование новых организационных, технологических и технических основ для эффективного, надежного и экологически приемлемого удовлетворения промышленности и коммунально-бытового сектора электроэнергией и теплотой.

Наибольший вклад в развитие теории теплофикационных систем внесли акад. Мелентьев Л.А. и Стырикович М.А., проф. Андрющенко А.И., Соколов Е.Я., Хлебалин Ю.М., Хрилев Л.С. и др. Вместе с тем, анализ выполненных исследований по проблеме повышения эффективности теплоснабжающих систем выявил необходимость проведения дополнительного комплекса исследований в обоснование эффективности систем теплоснабжения от малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ в новых экономических условиях. В результате проведенного анализа схем, параметров и характеристик малых ТЭЦ с теплофикационными ГТУ малой и средней мощности, а также выполненных исследований по повышению эффективности теплоснабжающих систем сформулирована цель и поставлены задачи исследования.

В первой главе «Основы методики исследования» проведено обоснование и разработана методика расчета показателей системной тепловой и топливной эффективности малых ТЭЦ с теплофикационными ГТУ в системах теплоснабжения. Используемые в настоящее время показатели тепловой экономичности малых ТЭЦ, такие как удельная выработка электроэнергии на тепловом потреблении у', коэффициент использования теплоты топлива Ких, удельный расход топлива на выработанные электрическую и тепловую энергию не отражают их системную эффективность. Поэтому для этих целей использован показатель удельной экономии топлива в сис-

/ ТЭЦ

теме теплоэнергоснабжения Рт = ЛВэк / Вт , где ДВэк° " системная экономия топлива от комбинированной выработки электроэнергии и теплоты по сравнению с раздельной, В"ц- годовой расход топлива на ТЭЦ. Оценка системной экономии топлива при использовании теплофикационных ГТУ в системах теплоснабжения (см. рис.1) имеет свои особенности, связанные с тем, что здесь имеется определенная доля раздельной выработки электроэнергии с относительно низким КПД, которая приводит не к экономии, а к перерасходу топлива. Другой особенностью теплофикационных ГТУ является возможность сжигания дополнительного количества топлива в котле - утилизаторе для повышения его тепловой мощности и покрытия пиковых нагрузок, что приводит к дополнительному расходу топлива на раздельную выработку теплоты.

Системная экономия топлива ДВэ"сот комбинированной выработки электроэнергии и теплоты при использовании теплофикационной ГТУ представлена зависимостью вида ■

АВэк° =

Лэ

кэс^то ; ьэ 1 Ъ

чу

уТф

1\ ит

. Л«

(]-Ч>ух)

гту „КЗ Лэ -Лэ

1

л,

ч Л КОТ 1

ГЧ.ИТ у

кэс Лэ

-г

Т1 \^кот ''джу

где у® с удельная выработка электроэнергии на тепловом потреблении;

- электрический КПД КЭС, - коэффициент использования теплоты топлива в теплофикационном цикле ГТУ; т)^ - электрический КПД ГТУ; т|к0Т - КПД котельной; Т1дж - КПД камеры дожигания котла-утилизатора; - коэффициент использования теплоты уходящих газов

г ссн ег

А

соответственно, коэффициенты, учитывающие теп-

ГТУ;

ловые потери при транспорте теплоносителя, потребление электроэнергии на перекачку теплоносителя сетевыми насосами и выработку пиковой тепловой энергии.

Из (1) следует, что величина системной экономии топлива определяется следующими показателями: удельной выработкой электроэнергии на тепловом потреблении , коэффициентом использования теплоты топлива К ^ теплофикационного потока ГТУ, электрическим КПД замещаемой КЭС, а также величиной потерь энергии при транспорте теплоты. Разработана методика расчета экономии топлива в системе теплоснабжения от малой ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ по сравнению с раздельной выработкой электроэнергии и теплоты. Установлено, что использование теплофикационных ГТУ обеспечивает большую по сравнению с паротурбинными установками удельную экономию топлива (Рт=0,31-0,36 для теплофикационных ГТУ и (Зт =0,25-0,32 для паротурбинных установок), несмотря на значительную долю (до 20%) раздельной выработки электроэнергии, главным образом, за счет снижения потерь энергии на перекачку теплоносителя и тепловых потерь.

В основу определения сравнительной экономической эффективности малой ТЭЦ в системах теплоснабжения положен расчет интегрального социально-экономического эффекта, определяемого как

АЭх= 1(дЗ{,р + ДЗ?+ДЗ?+АЗ{')-(1 + Е)1о""1+Дфт-(1 + Е)"Т, <

1=0 (2) где ДЗ"р, ДЗ" - соответственно, экономия затрат в сферах производства и потребления всех видов энергии, вырабатываемых системой в 1-й год операционной деятельности; дз£ - стоимостная оценка социального эффекта в

1-й год в сравниваемых вариантах; ЛЗ" - стоимостная оценка системного эффекта при сравнении вариантов энергетических систем, отличающихся уровнем надежности энергоснабжения потребителей в 1-й год; ДФТ-разность остаточной стоимости основных фондов на конец расчетного периода времени Т; Е - норматив приведения разновременных затрат и эффектов. :, : ■ ■

а) б)

Рис. 1. Принципиальная схема малой ТЭЦ на базе теплофикационной ГТУ а) и ее термодинамический цикл б)

Для корректного использования указанного критерия оценки общей эффективности сформулированы условия сопоставимости сравниваемых вариантов, учитывающие энергетическую сопоставимость, надежность теплоснабжения и социальные факторы. Кроме того, обосновано применение вспомогательных критериев эффективности, учитывающих финансовую эффективность сравниваемых вариантов.

Одним из обязательных условий проектирования и функционирования систем теплоэнергоснабжения является обеспечение надежности энергоснабжения потребителей. Обеспечение надежности теплоснабжения потребителей в системах теплоснабжения от малых ТЭЦ осуществляется путем создания гибких технологических схем, использования всех видов резервирования: нагрузочного, структурного, функционального и временного. Критерием выбора оптимальных технических решений является:

A3z(X,Y)-> max, при ПНэ * 1ШЭ(ХД); ПНд> ПН0(Х,У), (3)

где X, Y - вектор оптимизируемых параметров и схемных решений,тепло-

* *

снабжающей системы; ПНэ,Г1Нр,ПНэ,ПНс - соответственно, значения

показателей надежности (ПН) по отпуску элеюгроэнергии и теплоты и их нормативные значения.

При заданных (нормированных) значениях показателей надежности дополнительные затраты на обеспечение надежного электроснабжения рассчитываются по формуле

АЗ % = 1(6/ - А,Р-МГЦТ + (<7-тпл - Тр^рЦ^-ЛЦ^КрЧЗ^ (4) где />,и6/ - удельный расход топлива 1-й установкой мощностью!в режиме работы на номинальной и на пониженной частоте соответственно; тр - время запаздывания ввода резервной установки в случае отказа исследуемой установки; т™ - плановое число работы исследуемой установки в году; д - коэффициент аварийности установки; Ьр, Ь - удельные расходы топлива резервной и исследуемой установками; Цтр, Цх - стоимость топлива, расходуемого резервной и исследуемой установками; Зр - затраты топлива на

пуск-останов резервного оборудования.

Дополнительные затраты на обеспечение надежности теплоснабжения определяются как

^|_=^<эуку$+ь<зуа^цт+дз?+дзПр. (5)

где п - число р'езервных водогрейных котлов производительностью <3'рс удельными капиталовложениями Кр; Ь- удельный расход топлива в котельной; - коэффициент, учитывающий условия финансирования строительства резервной котельной и амортизационные отчисления; т - число часов работы резервной котельной, зависящее от требуемого уровня надежности теплоснабжения потребителя; ДЗ", ДЗПр " затраты топлива на пуск-останов котельной и прочие расходы.

Анализ технико-экономических характеристик отечественных и зарубежных ГТУ показал, что между техническими характеристиками ГТУ и их стоимостью существует статистическая (корреляционная) зависимость. В качестве факторов, определяющих капитальные затраты в ГТУ, приняты: номинальная мощность установки N (кВт), температура газов перед турбиной 1з (°С), расход воздуха в компрессор С (кг/с) и степень повышения давления воздуха в компрессоре тск. Корреляционная зависимость между стоимостью ГТУ и указанными факторами представляется степенной зави-симостьювида

5 = (6)

где постоянные коэффициенты имеют следующие значенйя:ао=4,386-10~6; а!= - 0,872;,а,2=3:,287; аз=,1,701; а4= - 0,146. Погрешность определения стоимости ГТУ по указанной упрощенной модели не превышает 5%, что вполне допустимо при оценке стоимости перспективных ГТУ в технико-экономических расчетах.

На основе предварительного анализа системной эффективности различных схем выбраны расчетные схемы теплофикационных ГТУ, наиболее общая схема которой приведена на рис. 1.

Во второй главе «Оптимизация параметров и характеристик теплофикационных ГТУ» разработана математическая модель и проведены рас-четно-теоретические исследования влияния режимов работы малой ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ в системах теплоснабжения с учетом режимных и климатических факторов. Математическая модель расчета показателей тепловой экономичности газотурбинной ТЭЦ основана на почасовом расчете величины присоединенной тепловой нагрузки, температурного графика теплосети (с учетом нагрузки горячего водоснабжения) и соответствующей им температуры наружного воздуха с последующим определением характеристик газотурбинных установок и котлов-утилизаторов. При разработке математической модели теплофикационной ГТУ все графические зависимости, описывающие режимы работы малой ТЭЦ, были аппроксимированы математическими зависимостями.

Математическая модель ргсчета характеристик теплофикационных ГТУ учитывает конструктивные особенности турбоагрегата и котла-утилизатора. Для котла-утилизатора рассматривались три типа теплооб-менной поверхности с гладкими, плавниковыми и оребренными трубками. Алгоритм расчета реализован в среде Delphi для персонального компьютера. Расчетно-теоретическими исследованиями установлено, что экономически эффективной поверхностью теплообмена для котлов-утилизаторов теплофикационных ГТУ является поверхность с поперечным ленточным ореб-реиием и следующими характерными размерами: диаметр/толщина трубки - 32/3 мм, относительные шаги 4,58/1,5 (поперечный/продольный), высо-та/трдщина/шаг ребра -15/1/8 мм.

Исследовано влияние климатических факторов на показатели тепловой и системной эффективности теплофикационной ГТУ на базе агрегата типа НК-14Э электрической мощностью 9,5 МВт. На рис.2 и 3 показано влияние температуры наружного воздуха на конфигурацию термодинамического цикла и показатели тепловой и системной топливной эффективности теплофикационной ГТУ с учетом принятого способа регулирования, обусловленного конструктивными характеристиками агрегата.

На основе разработанной программы были проведены расчетно-теоретические исследования работы малой ТЭЦ для разного количества расчетных режимов работы. В табл. 1 приведено влияние количества расчетных режимов работы на суммарный расход топлива в системе тепло-энергоснабжения на базе малой ТЭЦ с двумя агрегатами типа НК-14Э электрической мощностью 19 МВт с присоединенной тепловой нагрузкой 40,4 МВт.

Реализация алгоритма почасового расчета годовой расход топлива в системе выше, чем при расчетах по среднесуточным и среднемесячным

Рис. 2. Изменение термодинамического цикла ГТУ в зависимости от температуры наружного воздуха

Таблица 1

Влияние количества расчетных режимов работы на суммарный расход топлива в системе теплоснабжения_

Показатели Сравниваемые ва зианты

Количество расчетов 8760 365 12

Расход топлива в КС ГТУ, т у.т./год 20671,4 20681,3 20696,3

Отпуск электроэнергии, МВт*ч/год 126194,7 128229,0 130008,1

Отпуск теплоты, ГДж/год 143,4 143,4 143,4

Расход топлива в ДУ, т у.т./год 1390,6 1338,8 1286,1

Общий расход топлива, т у.т./год 22062,0 22020,1 21982,4

Дополнительный расход топлива на выработку электроэнергии в варианте 1 по отношению к 2 и 3, т у.т./год - 441,8 828,2

Относительное увеличение расхода топлива в варианте 1 по отношению к 2 и 3, % - 2,2 4,1

температурам, на 2,2% и 4,1% соответственно. Таким образом, при учете суточных изменений нагрузок потребителя и климатических факторов уточненное значение годового расхода топлива в системе возрастает, что является важным обстоятельством при определении тепловой и топливной эффективности теплофикационной ТЭЦ.

N. МВт 9.5

13, °С' 1023

Рут, МВт 14,7

30

Рис. 3. Влияние температуры наружного воздуха на показатели работы ГТУ-ТЭЦ мощностью

с двумя агрегатами типа НК-14Э

зо 1нв,°0 19 МВт

А

У В условиях, когда количество теп-

И лоты, которое возможно утилизировать после ГТУ, зависит от температуры наружного воздуха, становится важной задача определения оптимальной температуры наружного воздуха для конструкторского расчета котла-утилизатора. Тот факт, что расчетная температура КУ имеет оптимум, иллюстрирует рисунок 4.

Из рис.4 видно, что по мере увеличения расчетной температуры наружного воздуха для конструкторского расчета КУ возрастает доля утилизируемой теплоты после ГТУ и понижается тепловая нагрузка, покрываемая за счет сжигания дополнительного топлива в камере дожигания КУ или в ПВК.

Для определения оптимальной расчетной температуры наружного воздуха для конструкторского расчета КУ с использованием разработанной математической модели был проведен ряд численных экспериментов, в ходе которых вычислялись интегральные годовые показатели ГТУ -ТЭЦ с котлами-утилизаторами, сконструированными при разных расчетных температурах.

Расчетно-аналитическим путем получено выражение для определения оптимальной температуры наружного воздуха для конструкторского расчета котла-утилизатора:

шв, 'с с ь а

Рис. 4.Изменение соотношений тепловых нагрузок КУ, покрываемых ГТУ и ДУ при изменении температуры наружного воздуха

КУ(опт) _ ХР

<2(0 = (ЯОТ-81Р+Чгв+Чв)

- ч

(7)

Р(0 = (Чог-&р + Чгв+Чв-51в)

<3(0

ТЭЦ

где 0(0 = Ог0

То

г

'40

Т и Т

а--Ь —г

То \'Т0

л

1ух

; 81р =

1-18

-18

. 81в =

1-18

На рис. 5 приведены результаты оптимизации величины расчетной температуры наружного воздуха для проектирования КУ, из которых сле--дует, что в наиболее ^характерных для реальных ТЭЦ интервалах

с

I

атац=0,6...1,0 и 1ух=100... 120 °С оптимальная температура проектирования КУ составляет -12...-16 °С.

опт 1ку

-14 -18 -22 -26

70 Х5 .100 115 {ух 0,6 0,7 0,8 0.9 ССТЭЦ

а) б)

Рис. 5. Оптимальная расчетная температура наружного воздуха для расчета КУ в зависимости от температуры уходящих газов а) и коэффициента теплофикации б). В третьей главе «Обеспечение надежности систем теплоэнергоснабжения на базе малых ТЭЦ» проведены выбор и обоснование применяемых единичных и комплексных показателей надежности. Показано, что для оценю! надежности систем теплоэнергоснабжения необходимо использовать систему показателей надежности (ПН).

Наряду с известными в работе использован динамический вероятностный показатель надежности (ПН) систем теплоэнергоснабжения, учитывающий как полные и частичные отказы работоспособности, так и отказы функционирования системы - коэффициент эффективности функционирования системы кэ(1), рассчитываемый по формуле

кэ(1) = Р{1,Ф>ф5}-р{1,ф5>фтр}, (8)

где Р{1,Ф>ф5} - вероятность того, что в момент времени I значение выходного эффекта системы (уровень отпускаемой энергии) Ф будет не ниже некоторого заданного значения Ф3; р{г,ф3 > фтр) - вероятность того, что в

момент времени I величина выходного эффекта Ф5 будет не ниже требуемого графиком нагрузок потребителя Ф7т>.

Для определения единичных показателей надежности элементов теплофикационных ГТУ разработана вероятностная модель. В основу определения безотказности элементов ГТУ и КУ положен расчет вероятности непревышения величины нагружения Х(1) = {Х1,Х2,...,ХИ...,Х;,1} прочности У(0 = {Х1,Г2,..., т.е. попадания случайной функции работоспособности гО)=Х(1)-У(1) в область отрицательных значений. Значение аргументов функций Х(0 и У(1) в общем случае определяется математиче-

ским ожиданием их номинальных значений Xл и У, , а также постоян

и

н

ными ДХ1 и ДУ, и переменными во времени 8Х; и 8Y¡ отклонениями.

В случае, если величины действующих напряжений и предела длительной прочности статистически независимы и распределены по нормальным законам, вероятность безотказной работы запишется в виде

матические ожидания и дисперсии действующих стационарных и допустимых напряжений за период времени I.

На основе изложенного подхода разработаны методики расчета единичных показателей надежности газотурбинных установок и котлов-утилизаторов с учетом реальных условий их работы. Выявлено влияние параметров термодинамического цикла теплофикационных ГТУ на показатели надежности ГТУ и котла - утилизатора.

Особенности расчета показателей надежности ГТУ и КУ заключаются в учете переменных режимов работы, что требует их эквивалентирова-ния. В основу метода эквивалентирования положено приведение одного режима'к другому, равноопасному по запасу прочности (усталости) и определяемому по напряжениям, возникающим в материале элемента. Расчет-но-теоретйческими исследованиями установлено, что в реальных условиях работы в зимний период ГТУ работает в щадящих условиях с пониженной ■ температурой после камеры сгорания (см. рис. 3). На рис. 6 и 7 показаны зависимости вероятностей ■ безотказной работы элементов ГТУ и КУ от температуры газа перед турбиной и температуры газов перед КУ. Установлено, что в реальных условиях работы ресурс проточной части агрегата НК-14Э можно увеличить на 10-12 %. Кроме того, расчетами установлено, что сжигание дополнительного топлива в КУ для покрытия тепловых нагрузок в среде уходящих газов ГТУ не оказывает существенного влияния на снижение надежности трубного пучка КУ, так как температура перед трубным пучком изменяется незначительно.

Разработана методика расчета ПН малой ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ при установке баков-аккумуляторов горячей воды. Использование накопленной энергии в период отказа работоспособности элементов установки бак-аккумулятор следует рассматривать как временной резерв. В этом случае поток отказов установки рассматривается как разреженный пу-ассоновский поток, что приводит к изменению времени наработки на отказ и времени восстановления для системы в целом. Если - время наработки на отказ, а 1в - время восстановления установки, то, соответственно, системная наработка на отказ и время восстановления составят

\ ]>

\ 0,94

\ т 1000» >1

\ 0,93

т-30000 ч 0,92

0,91

875 900 ' 925 950 975 1000 t„'C

Рис. 6. Влияние температуры газа перед турбиной на вероятность безотказной работы проточной части ГТУ

400 450 500 550 600 t.'C

Рис. 7. Влияние температуры газа перед КУ на вероятность безотказной работы трубного пучка

Т„{тд) = (!/<?)['„ + М min (t„ т0)], Те{тд) = (]/q\te - М min(/„ тд)], (10) где g= P(ie > тд)=1[1-У,(0}Щ(0, Mmin(t)nTd) = Hl-Fs(t)][]-Ji(t)\dt,

Кэ

0,98

0,97

0,96

режим А режим Б

> Г

Рв(1) - функция распределения времени восстановления установки; Д (0 - функция распределения случайной величины резерва времени, определяемый объемом аккумулятора.

Расчетно-теоретическими исследованиями установлено влияние режимов теплопотреб-ления и режимов использования аккумулятора теплоты на показатели надежности системы. На рис. 8 показано влияние относительной емкости аккумулятора и режима его работы (нормальный режим зарядки - А, интенсивный - Б) на коэффициент эффективности функционирования системы. Установлено, что наличие аккумулятора теплоты в схемах блок-ТЭЦ позволяет повысить коэффициент готовности всей системы на 2 - 3 %.

В четвертой главе «Экономическая эффективность малых ТЭЦ в системах теплоэнергоснабжения» определена экономическая эффективность малой ТЭЦ мощностью 19 МВт на базе теплофикационных ГТУ типа НК-14Э в системах теплоэнергоснабжения. На основе разработанных методик с использованием результатов расчетов и лицензионного пакета программ «Альт-Инвест» определены показатели экономической эффективно-

0,2 0,4 0,6 0,8 V Рис. 8. Влияние относительного объема бака-аккумулятора на коэффициент эффективности функционирования

сти малой ТЭЦ. Величина внутренней нормы доходности по проекту составила 9%, дисконтированный срок окупаемости 6,4 года.

Проведен анализ чувствительности полученных показателей эффективности по отношению к различным технико-экономическим факторам. Отмечено, что наиболее сильное влияние на показатели эффективности оказывает объем выработки и реализации электрической и тепловой энергии, в меньшей степени влияют условия финансирования строительства малой ТЭЦ и в наименьшей степени влияют инвестиционные издержки.

ВЫВОДЫ

1. Разработана экономико-математическая модель определения эффективности малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ в системах теп-лоэнергоснабжения, учитывающая режимные и климатические условия работы системы, условия финансирования и инвестиционные издержки создания систем теплоснабжения, а также требования по надежности тепло-энергоснабжения потребителей.

' 2. Разработаны теоретические положения расчета показателей системной тепловой и топливной эффективности теплофикационных,ГТУ. По сравнению с традиционными теориями теплоснабжения на базе паротурбинных установок применение малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ малой и средней мощности обеспечивает повышение удельной экономии топлива с 0,213 до 0,36 за счет обеспечения эффективных режимов работы.

3. Разработана математическая модель расчета характеристик теплофикационных ГТУ с учетом всего комплекса важнейших факторов их функционирования в системах теплоснабжения, а также конструктивных характеристик ГТУ и режимов теплопотребления. Расчетно-теоретическими исследованиями установлено влияние режимов работы теплофикационных ГТУ на интегральные показатели тепловой и топливной эффективности. Расчетами по реализованной методике почасового расчета показателей эффективности показано, что расчетный расход газового топлива увеличивается на 2,2...4,1% по сравнению с расчетами по среднесуточным и среднемесячным режимам.

4. Поставлена и решена задача оптимизации характеристик котла-утилизатора теплофикационных ГТУ. Показано, что для установки типа НК-14Э применение оребренных поверхностей нагрева приводит к снижению общей поверхности нагрева на 9... 14%. Определена оптимальная температура наружного воздуха для проектирования котла-утилизатора теплофикационных ГТУ, которая составляет от -13...-27°С в зависимости от режимов работы установки и коэффициента теплофикации.

5. Разработана методика расчета единичных и комплексных показателей надежности теплофикационных ГТУ с учетом структурной схемы, способов резервирования и режимов работы. Показано, что в условиях реальных режимов работы и конструкции газотурбинных агрегатов НК-14Э

безотказность установки повышается за счет снижения начальной температуры газа в зимний период. Установлено, что форсирование тепловой мощности котла-утилизатора путем сжигания дополнительного топлива в камере дожигания не приводит к снижению его надежности.

6. Определены способы обеспечения надежности теплоснабжения от малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ. Установлено,.что применение бака-аккумулятора горячей воды в схемах теплофикационных ГТУ;,¡приводит к повышению безотказности теплоснабжения на 0,5...1,6% в зависимости от его емкости.

7. Определена экономическая эффективность малых ТЭЦ на базе агрегатов НК-14Э в системах теплоэнергоснабжения. Выявлено влияние основных технико-экономических факторов на показатели экономической эффективности. Установлено, что срок окупаемости инвестиций в создание малых ТЭЦ составляет 4,5...6,4 года при величине внутренней нормы доходности 4...9% в зависимости от исходных данных. Определяющее влияние на показатели экономической эффективности оказывают режимы работы теплофикационных ГТУ, условия реализации электрической и тепловой энергии и условия финансирования.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

1. Антропов П.Г., Замоторин Р.В. Элементная надежность газотурбинных установок // Новые технологии в газовой промышленности: Тез. докл. Конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России. М.: Нефть и газ, 1995. С. 296-297.

2. Замоторин Р.В. Постановка задачи к математической модели децентрализованного источника теплоэнергоснабжения // Вопросы повышения эффективности теплоэнергетических установок и систем: Юбилейный сборник научных сообщений / Под общ. ред. А.И. Андрющенко. - Саратов: СГТУ, 1997. С. 83-86.

3. Замоторин Р.В., Антропов П.Г., Ларин Е.А., Челышев П.В., Чекмарев М.С. Моделирование и оптимизация характеристик газотурбинных мини-ТЭЦ для энергоснабжения промышленной и социальной инфраструктуры предприятий ОАО "Газпром" // Доклады конференции молодых специалистов, посвященной 50-летию ВНИИГаза. - М., 1999. С. 51-53.

4. Замоторин Р.В., Ларин Е.А., Шелудько Л.П. Эффективность малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ // Проблемы повышения эффективности и надежности, систем теплоэнергоснабжения: Материалы межвузовской научной конференции. - Самара, 1999. С. 91-93. ...'■ . í ,

5. Замоторин P.R, Ларин Е.А., Ямщиков A.B. К оценке рисков инвестиционных проектов децентрализованных источников теплоэнергоснабжения // Вопросы совершенствования региональных энергетических систем и комплексов: Сборник научных трудов. - Саратов, 1999. С. 91-96.

6. Ларин Е.А., Антропов Г1.Г., Замоторин Р.В. Метод адаптации расчетных показателей надежности ГПА КС в реальных условиях эксплуатации // Межвузовский научный сборник / Под общ. редакцией А.И. Андрющен-ко. Саратов: СГТУ, 1996. С. 105-110.

7. Печников А.Ф., Щурихин А.В., Ларин Е.А., Замоторин Р.В. Методы повышения эффективности и обеспечение надежности систем теплоэнер-госнабжения // Проблемы повышения эффективности и надежности систем тепл©энергоснабжения: Материалы межвузовской научной конференции. - Самара, 1999. С. 89 - 91.

Замоторин Роман Владимирович

СИСТЕМНАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ МАЛЫХ ТЭЦ НА БАЗЕ ТЕПЛОФИКАЦИОННЫХ ГТУ

Автореферат

Ответственный за выпуск к.т.н., доц. каф. ТЭ Антропов П.Г.

Корректор Панина O.A.

Лицензия ЛР №020271 от 15.11.96 Подписано в печать 20.01.00 Формат 60x84 1/16

Бум. оберт. Усл.-печ. л. 1,6 Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 28. Бесплатно

Саратовский государственный технический университет 410054 г. Саратов, ул. Политехническая, 77 Копипринтер СГТУ, 410054 г. Саратов, ул. Политехническая, 77

ПРЕДИСЛОВИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

0.1. Анализ современного состояния систем теплоснабжения и приоритетные направления их развития.

0.2. Возможности и масштабы применения теплофикационных

ГТУ в системах теплоснабжения.

0.3. Анализ выполненных исследований эффективности малых

ТЭЦ в системах теплоэнергоснабжения.

0.4. Цель и задачи исследования.

ГЛАВА 1. ОСНОВЫ МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Показатели и методики расчета тепловой и топливной эффективности малых ТЭЦ с теплофикационными ГТУ в системах теплоснабжения.

1.2. Методические положения учета климатических факторов и режимов работы теплофикационных ГТУ.

1.3. Основные положения определения экономической эффективности малых ТЭЦ в системах теплоэнергоснабжения.

1.4. Учет надежности теплоэнергоснабжения при определении системной эффективности малых ТЭЦ на базе ГТУ.

1.5. Информационное обеспечение расчетно-оптимизационных исследований теплофикационных ГТУ.

ГЛАВА 2. ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК

ТЕПЛОФИКАЦИОННЫХ ГТУ.

2.1. Выбор расчетных схем теплофикационных ГТУ малой и средней мощности.

2.2. Разработка математической модели теплофикационных

ГТУ в системах теплоэнергоснабжения.

2.3. Влияние режимных и климатических факторов на показатели экономичности малых ТЭЦ.

2.4. Выбор экономически наивыгоднейшего типа поверхности теплообмена котла-утилизатора.

2.5. Определение оптимальной температуры наружного воздуха для проектирования котла-утилизатора.

ГЛАВА 3. ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ

ТЕПЛОЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ НА БАЗЕ МАЛЫХ ТЭЦ.

3.1. Выбор и обоснование показателей надежности систем теплоэнергоснабжения.

3.2. Методика расчета показателей надежности элементов малых ТЭЦ с учетом условий эксплуатации.

3.2.1. Вероятностная модель расчета показателей надежности газотурбинной установки.

3.2.2. Вероятностная модель расчета надежности котла -утилизатора.

3.2.3. Адаптация расчетных значений показателей надежности элементов ГТУ к условиям эксплуатации. 162 3.3. Обеспечение надежности теплоснабжения от теплофикационных ГТУ путем применения аккумулирования теплоты.

ГЛАВА 4. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ МАЛЫХ ТЭЦ В

СИСТЕМАХ ТЕПЛОЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ.

4.1. Экономическая эффективность малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ в системах теплоснабжения.

4.2. Анализ устойчивости решений и областей эффективного использования малых ТЭЦ.

4.3. Экономическая оценка рисков при создании малых ТЭЦ.

В настоящий период времени топливно-энергетический комплекс страны переживает кризисное состояние. Это связано с общим кризисом, охватившим все сферы экономики страны. Основное проявление кризиса в энергетике заключается в нарушении снабжения отдельных регионов и потребителей топливом, электрической и тепловой энергией. Односторонняя ориентация топливно-энергетического баланса страны на использование природного газа является если и неошибочной в настоящее время, то в ближайшей перспективе это явно ошибочное направление. Главной причиной напряженности ТЭБ страны является устойчивая, начиная с 1990 года, тенденция снижения объемов добычи нефти и угля, а также наметившаяся тенденция снижения объемов добычи природного газа. По сравнению с 1991 годом к настоящему времени добыча нефти упала с 511,71 млн. т. до 303 млн. т. в 1998 году и к 2010 году, вероятно снизится до 260 млн. т. Добыча угля в России снизилась с 390 млн. т. в 1990 году до 250 млн. т. в 1998 году. В перспективе в лучшем случае добыча сохранится на том же уровне. В то же время, добыча природного газа поддерживается на относительно неизменном уровне: 1990 год - 641 млрд. м3 ; 1998 год -589,7 млрд. м3. Во всех сценариях развития экономики и топливно-энергетического баланса России предусматривается покрытие дефицита потребности в энергоресурсах исключительно за счет природного газа (на 2005 год в размере 750 млрд. м3). Потребление газа в стране за 1995 - 1998 годы снизилось с 339,5 до 331,2 млрд. м3; при этом в энергетике - с 138,9 до 132 млрд. м3 и в промышленности - с 134,1 до 129,5 млрд. м3. В коммунально-бытовом секторе оно увеличилось с 50,6 до 53,7 млрд. м3, причем доля потребления газа населением за этот же период увеличилось с 59,9 до 69,7%. Добыча газа в ОАО "Газпром" планируется в следующих объемах: 1999 год - 551,7 млрд. м3; 2000 год - 520,0 млрд. м3; 2001 год - 530,0 млрд. м3; 2002 год - 530 млрд. м3. При этом потребителям газа будет направлено в 1999 году 381,4 млрд. м3, в 2000 году - 378,5 млрд. м3, в 2001 году - 376,8 млрд. м3 и в 2002 году - 371,6 млрд. м3. Экспорт газа планируется следующим: 1999 год - 128,1 млрд. м3' 2000 год - 130,0 млрд. м3 . 2001 год - 141,0 млрд. м3 и 2002 год -150,0 млрд. м3. Из приведенных данных следует, что повышение эффективности использования газа при производстве электрической и тепловой энергии является исключительно актуальным.

В теплоэнергетике положение усугубляется тем, что сокращение объемов промышленного производства на 50 - 60% по сравнению 1991 годом не сопровождалось адекватным снижением объемов потребления электрической и тепловой энергии. Сложилась ситуация, когда в условиях наличия большого резерва электрической мощности в региональных энергосистемах, невозможно его использовать вследствие падения потребления технологического пара промышленными потребителями. В результате противодавленческие турбоагрегаты ТЭЦ фактически простаивают, а турбины типа ПТ являются незагруженными. Кроме того, в новых экономических условиях перехода к социально-ориентированным рыночным отношениям, высокого уровня инфляции, невозможности использования централизованных средств для восполнения отработавших свой ресурс и требующих замены генерирующих мощностей, ориентация на традиционное централизованное теплоэнергоснабжение от крупных источников становится проблематичной. Традиционные централизованные теплофикационные системы не обеспечивают расчетной экономии топлива и общей эффективности. Это связано, в основном, с двумя причинами. Эффект системной экономии топлива от централизации теплоснабжения практически сведен к нулю вследствие того, что КПД промышленных и отопительных котельных повышен до уровня КПД энергетических котлов. Вторая составляющая топливного эффекта от комбинированной выработки электрической и тепловой энергии на ТЭЦ также оказалась ниже расчетной вследствие тепловых потерь и потерь с утечками при транспорте горячей воды на большие расстояния. Эти потери достигают 20 - 25%. Кроме того, магистральные тепловые сети от ТЭЦ имеют низкую надежность, что приводит в ряде случаев к нарушению теплоснабжения и соответствующему ущербу как материальному, так и социальному.

Таким образом, строительство новых крупных ТЭЦ для покрытия дефицита тепловых мощностей неизбежно связано с омертвлением капитала и проблемой отыскания источников финансирования. Ориентация же на строительство крупных котельных с точки зрения обеспечения системной экономичности является неперспективной из-за увеличения потребностей в топливе и необходимости решения экологических проблем.

В этих условиях в стране наметилась тенденция на строительство децентрализованных комбинированных источников электро- и теплоснабжения, как правило, с использованием конверсионных газотурбинных установок. Создание таких энергоустановок имеет ряд преимуществ. Среди них основными являются короткие сроки строительства, повышение надежности теплоснабжения потребителей, использование потенциала конверсионных предприятий и другие. Однако, существует ряд недостатков, связанных с трудностью их размещения, возможным перерасходом топлива в системе и необходимостью решения экологических задач.

Учитывая определенные сложности с энергообеспечением производственной и социальной инфраструктуры предприятий, ОАО "Газпром" разработана и реализуется программа "Малая энергетика", одним из направлений которой является строительство малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ малой и средней мощности с комбинированной выработкой электроэнергии и теплоты для нужд отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.

Проектирование таких малых ТЭЦ 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 теплоснабжения потребителей, вопросов размещения, экологического воздействия на окружающую среду и общей технико-экономической эффективности.

Целью настоящей работы является определение эффективности малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ малой и средней мощности в системах теплоэнергоснабжения.

Основными задачами, подлежащими решению, являются:

1. Обоснование показателей и разработка методов расчета тепловой и топливной эффективности малых ТЭЦ с теплофикационными ГТУ в системах теплоснабжения.

2. Разработка методов расчета и обеспечения надежности систем теплоснабжения, элементов и агрегатов малых ТЭЦ на базе ГТУ с учетом условий эксплуатации.

3. Разработка математической модели теплофикационных ГТУ и проведение расчетно-теоретических исследований характеристик газотурбинных ТЭЦ с учетом режимных и климатических факторов.

4. Выбор и оптимизация характеристик котла-утилизатора теплофикационных ГТУ с учетом климатических и режимных факторов.

5. Определение экономической эффективности создания малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ.

В диссертации разработаны теоретические положения расчета тепловой и топливной эффективности малых ТЭЦ с теплофикационными ГТУ в системах теплоэнергоснабжения. Проведено обоснование расчетных схем теплофикационных ГТУ малой и средней мощности, покрывающих все виды коммунально-бытовых нагрузок.

Проведено обоснование выбора показателей надежности малых ТЭЦ в системах теплоэнергоснабжения потребителей и разработана методика расчета показателей надежности элементов малых ТЭЦ и систем теплоэнергоснабжения с учетом условий эксплуатации. Даны рекомендации по обеспечению надежности теплоэнергоснабжения от малых ТЭЦ.

Разработана математическая модель расчета показателей тепловой и топливной эффективности малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ с учетом режимных и климатических факторов, позволяющая проводить оптимизационные исследования термодинамических и расходных параметров теплофикационных ГТУ, конструктивных характеристик оборудования и схемных решений.

Проведено обоснование выбора единичной мощности агрегатов малых ТЭЦ исходя из условия выполнения заданных показателей надежности теплоснабжения.

Определена экономическая эффективность малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ в системах теплоснабжения, а также зона устойчивости решений и области эффективного использования малых ТЭЦ. Проведена экономическая оценка рисков при создании малых ТЭЦ.

Научная новизна. Разработаны теоретические положения расчета системной тепловой и топливной эффективности малых ТЭЦ с теплофикационными ГТУ. Предложена методика расчета и обеспечения показателей надежности элементов теплофикационных ГТУ и систем теплоэнергоснабжения на их основе. Разработана математическая модель малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ в составе систем теплоснабжения с учетом реальных режимных и климатических факторов. Разработана методика определения экономической эффективности строительства и области эффективного использования малых ТЭЦ с теплофикационными ГТУ малой и средней мощности.

Практическая значимость. Проведено технико-экономическое обоснование и определены условия эффективного применения малых ТЭЦ на базе ГТУ в системах теплоэнергоснабжения. Определена системная тепловая и топливная эффективность малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ. Даны практические рекомендации по выбору оптимальной температуры наружного воздуха для проектирования котла-утилизатора теплофикационных ГТУ. Результаты расчетно-теоретических исследований малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ малой и средней мощности с учетом реальных условий их работы в системах теплоснабжения.

На защиту выносятся. Методические положения и результаты расчета тепловой и топливной эффективности малых ТЭЦ в системах теплоснабжения. Математические модели и результаты расчетно-теоретических исследований малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ с учетом реальных режимов работы и климатических факторов и обеспечения надежности теплоэнер-госнабжения. Методика и результаты расчета оптимальной температуры наружного воздуха для проектирования котла-утилизатора теплофикационных ГТУ. Методические положения и результаты расчетов экономической эффективности малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ.

Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обоснована использованием методологии системных исследований в энергетике, применением фундаментальных законов технической термодинамики, теплопередачи и теории надежности систем энергетики. Математические модели малых ТЭЦ разработаны на основе апробированных методов при решении ряда аналогичных задач. Проведено сопоставление полученных результатов и выводов исследования с имеющимися данными на основе других теоретических подходов.

Личный вклад автора заключается в следующем:

1. Разработаны основные теоретические положения и методика расчета топливной и общей эффективности малых ТЭЦ с теплофикационными ГТУ в системах теплоснабжения.

2. В развитие теории надежности теплоэнергоснабжающих систем предложена методика расчета показателей надежности элементов теплофикационных ГТУ и систем теплоэнергоснабжения с учетом реальных условий эксплуатации.

3. Разработана математическая модель расчета показателей эффективности малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ с учетом реальных режимов работы и климатических факторов.

4. Определена экономическая эффективность малых ТЭЦ в системах те-плоэнергоснабжения.

Работа выполнена на кафедре "Теплоэнергетика" и в Проблемной научно-исследовательской лаборатории теплоэнергетических установок электростанций Саратовского государственного технического университета в рамках основного научного направления развития науки и техники Российской Федерации "Топливо и энергетика", федеральной программы фундаментальных исследований в области "Физико-технические проблемы энергетики", раздел "Фундаментальные проблемы энергосбережения и эффективного использования топлива", а также программой конкурса грантов в области энергетики и электротехники по разделу С-098 "Экономия топлива и тепловой энергии".

Изложенные в диссертации материалы опубликованы в /14, 44 - 47, 63, 92/ и докладывались на научных конференциях и семинарах Саратовского государственного технического университета в 1995-1999 гг. (г. Саратов), на Конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России "Новые технологии в газовой промышленности" (26-28 сентября 1995 г., Москва, ГАНГ), на Конкурсе молодежных разработок по проблемам газовой отрасли - 3 место (21-23 октября 1998 г., Москва, ВНИИГАЗ), на Международной научной конференции "Надежность в промышленности, энергетике и на транспорте" (г. Самара, 8-10 октября 1999 года), на Межвузовской научной конференции "Проблемы повышения эффективности и надежности систем теплоэнергоснабжения" (г. Саратов, 1-3 ноября 1999 года).

Разработанные в диссертации методические положения и результаты исследования эффективности малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ в системах теплоснабжения использованы при разработке "Стратегии развития энергетики Самарской области", "Губернаторской программы энергосбережения Саратовской области на 1998 - 2005 годы", внедрены при разработке технико-экономического обоснования "Строительство электростанции БГТЭС-9,5 МВт на территории Тольяттинской КС", а также могут быть использованы при проектировании новых систем теплоснабжения.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю кандидату технических наук, доценту Ларину Евгению Александровичу за внимательное руководство и помощь при выполнении работы, а также Заслуженному деятелю науки и техники Российской Федерации, доктору технических наук, профессору Андрющенко Анатолию Ивановичу за постоянные консультации в процессе выполнения работы, коллективам кафедры "Теплоэнергетика" и Проблемной научно-технической лаборатории ТЭУ за советы и замечания, высказанные при подготовке и обсуждении диссертации.

ВВЕДЕНИЕ

0.1. Анализ современного состояния систем теплоснабжения и приоритетные направления их развития

Очевидно, что главное направление развития теплофикации, характерное для эпохи плановой экономики СССР - повышение начальных параметров пара на ТЭЦ, единичной мощности оборудования и источников, автоматическое перенесение на ТЭЦ традиционных технических решений по их компоновке и размещению (блочная компоновка, значительное удаление от населенных пунктов и др.), в условиях формирования рыночных отношений должно серьезно измениться /78, 110, 128/.

Как известно, развитие теплофикации по указанному пути приводило к повышению мощности источника - ТЭЦ, значительному их удалению от потребителей и, следовательно, резкому увеличению длины тепломагистралей и затрат на их сооружение и эксплуатацию, увеличению тепловых потерь при транспорте теплоты, заметному снижению надежности теплоснабжения и пр. Следствием всемерного увеличения мощности ТЭЦ явилось также все меньшее применение теплофикации в малых и средних городах и населенных пунктах, что связано с огромным перерасходом топлива и материально-технических ресурсов, социальным напряжением. Эта ситуация, в частности, характерна для системы ОАО "Газпром", когда для энергообеспечения производственной и социальной инфраструктуры использовались котельные на природном газе с низким КПД и существенным перерасходом топлива.

При переходе к рыночным отношениям будет осуществляться постепенное снижение роли государственного планомерного формирования городов и городских поселений: в них будет развиваться индивидуальное строительство, постепенно начнется процесс оттока населения из больших городов в сельские населенные пункты. В результате этого произойдет постепенное снижение степени концентрации тепловых нагрузок, их плотности. Кроме того, указанные обстоятельства не будут способствовать увеличению степени централизации теплоснабжения, в частности теплофикации.

Таким образом, в условиях формирования рыночных отношений, резкого повышения стоимости оборудования, материально-технических ресурсов и в особенности энергоносителей к осуществлению политики теплоснабжения должны предъявляться особые требования, способствующие основательному изменению проводимой прежде линии развития централизованного теплоснабжения.

В создавшихся условиях развития экономики страны необходимо находить пути совмещения отмеченных выше противоречий: главного преимущества комбинированного производства тепловой и электрической энергии (высокой эффективности использования теплоты топлива) с возможностью комбинированной выработки электрической и тепловой энергии для энергообеспечения все большего числа населенных пунктов (в условиях рассредоточенных тепловых нагрузок при сравнительно небольших мощностях источников и, следовательно, малом радиусе охвата и небольших длинах тепловых сетей и их стоимости). При этом должен быть обеспечен требуемый уровень надежности теплоснабжения.

Отмеченное указывает на необходимость перехода к новому направлению развития теплофикации - децентрализованному принципу ее реализации (при относительно невысокой степени концентрации тепловых нагрузок необходимо добиваться высокой степени эффективности топливоиспользования на базе хорошо освоенного способа комбинированного производства тепловой и электрической энергии) и разработке технических требований, предъявляемых к основному оборудованию ТЭЦ, мощностному ряду основного оборудования, организации его производства и эксплуатации.

Из отмеченного выше, конечно, не следует, что надо прекратить развитие традиционной "крупномасштабной" теплофикации на базе мощных отопительных и промышленно-отопительных ТЭЦ. По-прежнему остается высонеэффективным дальнейшее развитие теплофикации на базе мощных ТЭЦ общего пользования, повышение эффективности использования действующих ТЭЦ на базе их реконструкции, модернизации и расширения в технически допустимых и экономически целесообразных масштабах, проектирование и строительство новых современных мощных ТЭЦ для больших и супергородов с высокой степенью концентрации тепловых нагрузок.

В нынешних условиях перехода к рыночной экономике при постоянно нарастающем росте цен на оборудование, и, в особенности, на энергоносители, теплофикация была и остается главным направлением высокоэффективного использования топлива. Перспективным здесь является создание систем теплоснабжения, основанных на использовании децентрализованных источниках теплоснабжения, способных обеспечить требуемый уровень эффективного топливоиспользования с одновременным разукрупнением источников теплоснабжения и их максимальным приближением к потребителям. Это может быть достигнуто путем строительства малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ малой и средней мощности. Как видно из изложенного, широкомасштабное развитие "децентрализованной" теплофикации позволяет достичь требуемого уровня высокоэффективного использования топлива при одновременном и существенном сокращении затрат на создание установок, что является нехарактерным для развития крупной, высокоцентрализованной теплофикации.

Это означает постепенный переход к широкомасштабному применению относительно мелких теплофикационных установок. Анализ крупных централизованных систем теплоснабжения на базе паротурбинных ТЭЦ показывает, что более половины их стоимости /78/ составляют затраты в тепловые сети. По мере разукрупнения мощности систем теплоснабжения, затраты в тепловые сети снижаются гораздо быстрее, чем затраты в источники. В результате, по мере разукрупнения мощности систем теплоснабжения снижение затрат в систему транспорта теплоты заметно обгоняет снижение тепловой экономичности. Поэтому из установок примерно одинаковой тепловой экономичности наиболее предпочтительными оказываются более мелкие. На практике при решении вопросов развития системы теплоснабжения конкретного города или населенного пункта необходимо проведение подробного сравнительного анализа всех технико-экономических показателей развития системы.

Теплофикационные установки малой и средней мощности могут служить основой для создания альтернативных энергосистем, в качестве источников индивидуального энергоснабжения отдельных предприятий, групп потребителей, жилых массивов на основе широкого вовлечения средств этих же потребителей на создание и функционирование этих систем. Такие альтернативные энергосистемы должны дополнить большие энергосистемы, беря на себя энергообеспечение групп потребителей, населенных пунктов, в особенности сельских, в большинстве случаев оказавшихся вне зоны эффективности больших энергосистем, в первую очередь теплоснабжающих. Такое развитие теплофикации согласуется с проводимой политикой широкомасштабного разгосударствления и приватизации.

На основе сооружения таких малых ТЭЦ может развиваться процесс демонополизации в электроэнергетике России, поскольку ТЭЦ с ГТУ будут сооружаться в первую очередь при промышленных предприятиях и станут независимыми от энергетических систем источниками производства электрической и тепловой энергии. Указанное направление энергообеспечения принято ОАО "Газпром" как одно из основных и приоритетных /107/.

Отмеченное не исключает развитие теплофикации на базе современных мощных ТЭЦ общего пользования, в особенности, для крупных городов и промышленных центров с высококонцентрированной тепловой нагрузкой. Накопленный значительный опыт проектирования, сооружения и эксплуатации сложных теплоснабжающих систем с мощными ТЭЦ способствует развитию крупной теплофикации как в нашей стране, так и других странах /111/.

0.2. Возможности и масштабы применения теплофикационных ГТУв системах теплоснабжения

В новой энергетической политике России "Энергетический сектор в среднесрочной программе развития экономики России" /135/, подчеркивается возрастающая роль малой энергетики в энергообеспечении регионов, что определяется новыми условиями развития и функционирования энергетики страны:

- значительным сокращением централизованных государственных инвестиций в развитие электроэнергетики и теплоснабжения и переходом к финансированию строительства новых энергетических объектов преимущественно за счет внебюджетных фондов, собственных средств энергосистем, бюджетов территорий и потребителей энергии, заинтересованных в развитии электротеплоснабжения;

- значительным ростом тарифов на электрическую и тепловую энергию, отпускаемую крупными энергоснабжающими объединениями, что стимулирует потребителей создавать собственные относительно небольшие и экономичные источники электро- и теплоснабжения;

- повышением требований к надежности и экологической чистоте объектов электроэнергетики, сжигающих органическое топливо, что может быть эффективно решено, в том числе и путем применения газотурбинных электростанций малой и средней мощности с комбинированным производством электрической и тепловой энергии;

- необходимостью рационально использовать природный газ как наиболее качественное топливо, в первую очередь, в теплофикационных установках;

- стремлением отдельных территорий, энергетических объединений и отдельных предприятий к энергетической независимости и обеспечению баланса производства и потребления электрической энергии и теплоты, что вызвано как ростом тарифов на электрическую и тепловую энергию, получаемую из других энергосистем, так и желанием энергообъединений ограничить по экологическим причинам выработку электроэнергии на своей территории;

- конверсией предприятий оборонной промышленности, обусловившей заинтересованность заводов-изготовителей авиационных и судовых газотурбинных агрегатов (ГТА) в увеличении их выпуска для нужд стационарной энергетики.

Важным преимуществом теплофикационных ГТУ малой и средней мощности является возможность их блочной поставки на строительную площадку и быстрого ввода в эксплуатацию /16, 19, 42, 58/.

В настоящее время за рубежом в качестве источников теплоэнергоснаб-жения средней и малой мощности широко применяются ГТУ, паровые турбины с противодавлением и двигатели внутреннего сгорания (в основном дизель-генераторы). Эти установки обычно работают в базовой части графика нагрузки, а для покрытия пиковой части используют водогрейные и паровые котлы /141, 143, 171, 181/. В частности, зарубежными фирмами сформулированы общие требования к газотурбинным агрегатам мощностью от нескольких МВт до нескольких десятков МВт, главными из которых являются /107/:

- высокая эффективность использования топлива (коэффициент использования теплоты топлива до 90 %);

- общетехнический ресурс работы - не менее 150 тыс. часов;

- межремонтный период (между капитальными ремонтами 80 тыс. часов);

- применение систем сухого подавления окислов азота с нормой выброо сов не более 25 ррш >Юх (50 мг/м );

- оснащение системами шумоглушения, обеспечивающие выполнение зарубежных и российских норм (ПС-75 и ПС-40);

- оснащение противообледенительными системами с автоматическим регулированием, обеспечивающими экономию топлива в размере 1,5 - 2,0 % в год;

- оснащение системой очистки циклового воздуха и компрессора, обеспечивающей экономию удельного расхода топлива в количестве 2 - 5%;

- оснащение системой утилизации теплоты уходящих газов (котел-утилизатор);

- уровень деградации (увеличения) удельного расхода топлива за межремонтный период не должен превышать 1,5- 2,0 %;

- короткий срок поставки и монтажа оборудования.

В настоящее время отечественными энергомашиностроительными заводами подготовлено к серийному выпуску значительное количество ГТА, которые позволяют в основном обеспечить указанные выше требования к теплофикационным ГТУ малой и средней мощности. Некоторые из них приведены в табл. 0.1.

Важным условием широкого применения ГТУ малой и средней мощности для комбинированного производства электрической и тепловой энергии является возможность их установки в действующих котельных при реконструкции, расширении и модернизации /12, 6, 19/. Применение любой схемы теплофикационных ГТУ в котельных требует выполнения следующих общих условий:

- оснащение газотурбинных установок дожимающими компрессорами для обеспечения требуемого давления газа перед камерой сгорания ГТА;

-обеспечение приемлемых экологических и шумовых характеристик работы ГТУ при их размещении вблизи жилой застройки:

- возможность работы с противодавлением около 0,1 МПа с учетом аэродинамического сопротивления котлов-утилизаторов и газоходов, подающих уходящие газы ГТА в топку котлов через горелочные устройства.

Как показали выполненные ранее исследования ВНИПИЭнергопрома /22, 109/, установка ГТА в существующих котельных может быть осуществлена только в редких случаях по условиям генерального плана и компоновки оборудования. Наибольшие трудности при этом возникают при размещении на площадках действующих котельных дожимающих газокомпрессорных станций. Однако в перспективе необходимо учитывать возможность использования как ГТА, специально спроектированных для размещения в помещении или на площадках котельных, так и авиационных и судовых ГТА, получаемых в результате конверсии оборонной промышленности. Так, некоторые ГТА, создаваемые на основе авиационных газовых турбин имеют собственную систему для повышения давления топлива перед его подачей в камеру сгорания.

Расчеты экономической эффективности, выполненные в /86/ для ТЭЦ малой и средней мощности на базе теплофикационных ГТУ для разных районов страны (Северо-Запад, Центр, Урал), показали следующее.

1. Теплофикационные ГТУ во всем диапазоне заданной тепловой нагрузки оказываются эффективнее раздельной схемы энергоснабжения (табл. 0.2). При этом срок окупаемости капиталовложений составляет не более 3-5 лет, а внутренняя норма доходности (ВНД) достигает 25-35% (при банковском проценте - 8%) /86/.

2. Показано, что удельный расход топлива ГТУ-ТЭЦ существенно зависит от электрического КПД газотурбинных установок, расчетного коэффициента теплофикации, режимов теплопотребления и годового числа часов использования электрической мощности ТЭЦ и оказывается существенно меньшим по сравнению с современными конденсационными электростанциями, работающими на природном газе. В этом случае проявляется эффект от комбинированного производства электрической и тепловой энергии /86/.

Таблица 0.1

Основные характеристики отечественных энергетических ГТУ

Модель ГТУ и фи] эма-разработчик

ГТЭ-1,5 ГТЭ-2500 ГПУ-2,5П ГТУ-4П ГТГ-6 НК-14Э ГТЭ-10/95 ГТУ-12ПЭ ГТД-15 ГТД-16 ГТУ-16ПЭ АД-31СТ

Характеристики НПО им. Климова, С-Пб Маш-проект, Николаев Авиадвигатель, Пермь Маш-проект, Николаев СКБМ, Самара Моторостроитель, Уфа Авиадвигатель, Пермь Машпроект, Николаев Авиадвигатель, Пермь Сатурн-Люлька, Москва

Номинальная мощность, МВт 1,2 2,85 2,5 4,0 6,7 9,5 10,0 12,0 15,8 17,5 16,0 20,0

Эффективный КПД,% 25,0 28,5 21,8 24,7 31,5 29,1 30,1 35,0 31,0 35,0 37,5 36,5

Степень повышения давления 13,6 12,0 6,0 7,1 16,6 9,5 8,41 16,9 15,8 19,6 19,6 21,0

Температура газа после камеры сгорания, С 1112 950 688 816 1000 1023 906 1049 870 1076 1143 1250

Температура газа после турбины, °С 524 435 385 448 420 435 478 426 365 432 466 520

Расход воздуха, кг/с 7,67 15,0 26,2 30,4 31,0 32,1 62,4 51,0 98,0 72,0 57,0 61,0

Возможная тепловая мощность, МВТ 3,4 50 7,8 11,1 9,8 14,1 24,7 17,5 27,3 26,5 21,9 26,9

Таблица 0.2

Основные показатели схемы энергоснабжения на базе ГТУ

Тепловая нагрузка, МВт 12 24 59 116

Электрическая мощность, МВт 2 5 16 40

Годовой отпуск теплоты, тыс. ГДж 108,7 217,4 543,4 1086,8

Годовой отпуск электроэнергии, тыс. МВт-ч 11 27,5 88 220

Годовой расход топлива, тыс. т. у.т. 6,3 14,8 39,3 88,2

Затраты на топливо, тыс. долл. 320 746 1971 4445

Относительная величина топливной составляющей затрат в общих ежегодных затратах, % 25 40 55 60

Суммарные ежегодные затраты, млн. долл. 1,28 1,87 3,58 7,41

Капиталовложения в ТЭЦ, млн. долл. 1,8 4,0 11,2 24,0

Капиталовложения в пиковую котельную, млн. долл. 1,53 2,36 5,25 7,8

Суммарные капиталовложения, млн. долл. 3,33 6,36 16,45 39,1

Экономия ежегодных затрат в комбинированную схему энергоснабжения, млн. долл. 0,28 0,83 3,51 8,91

Перерасход капиталовложений в ТЭЦ по сравнению с раздельной схемой энергоснабжения, млн. долл. 1,08 2,36 7,65 24,1

Срок окупаемости капиталовложений, год 4,5 3,5 2,5 3,2

Внутренняя норма доходности (%) при выплате за кредит в течение 5 лет 10 22 35

Ранее считалось, что для европейских районов страны минимальная тепловая нагрузка для паротурбинных ТЭЦ должна достигать 575-695 МВт /112/, что приводило к целесообразности сооружения крупных ТЭЦ, оборудованных турбинами большой единичной мощности (типа Т-250, Т-180, ПТ-135), и созданию мощных систем теплоснабжения, отличающихся недостаточной надежностью (в большей мере из-за ненадежной работы тепловых сетей). В данном случае при применении ГТУ для целей теплофикации на порядок снижается минимальная тепловая нагрузка для теплофикации - она становится эффективной при тепловой нагрузке около 20 МВт и выше /110, 111,

114/. Это позволяет создавать достаточно эффективные и надежные системы теплоснабжения.

Области применения теплофикации в случае использования газотурбинных установок существенно расширяются. В работах ИНЭИ РАН /109/ выполнен анализ для максимальных и минимальных уровней энергопотребления применительно к основным районам европейской части России. При этом учитывалась возможность ввода ГТУ для прироста тепловых нагрузок ТЭЦ, а также их сооружения вместо котельных, работающих на природном газе (что характерно для системы ОАО "Газпром"). Для этого определялось на перспективу до 2010 г. изменение структуры топливообеспечения котельных, уровни тепловых нагрузок, которые они покрывают. Из полученных данных следует:

- дефицит электрических мощностей европейских районов страны (включая Урал) в 2010 г. может быть покрыт на 50-70 % за счет ввода ТЭЦ на базе ГТУ;

- мощность этих установок достигнет приблизительно 4 млн. кВт в 2000 г. и увеличивается до 42 млн. кВт в 2010 г. при минимальном энергопотреблении и существенно возрастает при максимальном энергопотреблении;

- наибольшие возможности для ввода ГТУ открываются в районах Центра, Средней Волги, Урала и Северо-Запада;

- дальнейшее развитие комбинированного способа производства электрической и тепловой энергии в России на базе ГТУ позволит обеспечить эко3 номию природного газа 11-18 млрд. м в 2010 г., что составит 25% по сравнению с его расходом при раздельном способе производства электроэнергии и теплоты, существенно снизить вредное воздействие источников производства электро- и теплоэнергии на окружающую среду.

По сравнению с угольным вариантом в этом случае вредные выбросы в атмосферу могут быть уменьшены в 10 раз, объемы сброса загрязненных сточных вод - почти в 8 раз, сокращены годовые платежи природоохранного назначения - в 11 раз, а при рассмотрении в качестве альтернативного варианта паротурбинных электростанций на природном газе - в 1,6 раза /109/.

Это наглядно показывает большие возможности для сооружения ГТУ с комбинированным производством электрической и тепловой энергии во всех районах европейской части РФ, что также имеет большое значение для развития энергомашиностроительной базы, электроэнергетики и газовой промышленности России. Это направление в развитии электро- и теплоэнергетики должно стать стратегическим и поэтому оно нуждается в широкой государственной поддержке и привлечении инвесторов для реализации конкретных проектов по строительству электростанций с ГТУ.

Варьирование исходных влияющих факторов может привести к некоторым изменениям масштабов ввода теплофикационных ГТУ, но не изменит принципиального вывода в пользу широкого применения комбинированного способа производства электроэнергии и теплоты в России. Естественно, в каждом конкретном случае сооружения ГТУ необходим тщательный анализ местных условий и разработка бизнес-плана для оценки эффективности того или иного проекта, обоснования источников его финансирования и выбора наиболее рационального технического решения.

Для широкого развития малой энергетики и, прежде всего, ГТУ на природном газе необходима разработка соответствующей нормативно-правовой базы. Подготовленный в настоящее время проект закона "О развитии малой и нетрадиционной энергетики" создает предпосылки для формирования такой базы на федеральном уровне и открывает возможности для разработки и принятия необходимых нормативно-правовых актов в области малой энергетики субъектами Российской Федерации /135/. Указанное обстоятельство имеет важное значение в случае, когда теплофикационные ГТУ обеспечивают не только технологические потребности собственно предприятий ОАО "Газпром", но и имеют коммерческий характер.

0.3. Анализ выполненных исследований эффективности малых ТЭЦ в системах теплоэнергоснабжения

В связи с широким распространением малых ТЭЦ в развитых странах мира и наметившейся тенденцией строительства малых ТЭЦ в России этой проблеме посвящено много работ/1, 2, 31, 38, 41, 50, 179 - 182/.

Зарубежные публикации по указанной проблеме, как правило, посвящены вопросам лицензирования строительства малых ТЭЦ, законодательным и правовым аспектам, взаимоотношениям с энергетическими компаниями и обеспечения их минимального воздействия на окружающую среду. Отечественные публикации в большей степени посвящены исследованиям топливной и общей эффективности малых ТЭЦ по сравнению с традиционными системами теплоснабжения /1, 2, 3, 4, 6, 29, 52, 89, 93, 109/.

Анализ зарубежных работ/139, 141, 143, 144, 149, 161,/ показывает, что, как правило, установки малых ТЭЦ выполнены по простейшему термодинамическому циклу, с простейшей тепловой схемой.

В составе теплофикационной малой ТЭЦ для обеспечения надежности работы котел-утилизатор оснащается камерой дожигания. В схемах без камеры дожигания, как правило, устанавливается бак-аккумулятор горячей воды.

В установках, используемых для нужд промышленного теплоснабжения, в их схемах аккумуляторы не предусматриваются. Это объясняется равномерным графиком теплопотребления. Однако почти все установки этого типа оснащены камерой дожигания.

В ряде зарубежных работ, посвященных вопросам повышения эффективности применения малых ТЭЦ, отмечается, что главным направлением является обеспечение надежности их работы /146, 165, 174, 175/. Это достигается высоким уровнем надежности энергооборудования, высокой автоматизацией установок, совершенствованием сервисного обслуживания, а также повышением тепловой эффективности установок за счет выбора экономически наивыгоднейших параметров. Так, большинство газотурбинных агрегатов малых ТЭЦ выполнены с начальной температурой газа перед турбиной до 1300°С. Ведутся проработки по повышению этой температуры до 1600°С за счет использования более жаропрочных сталей с совершенствованием системы охлаждения лопаток и применения керамических материалов /147, 178/. Все это приводит к снижению удельной металлоемкости основного оборудования. Другим важным параметром ГТУ, требующим экономического обоснования, является степень повышения давления воздуха в компрессоре. Следует отметить, что работа малых ТЭЦ с КУ, оснащенным камерой дожигания, в режимах слежения за покрываемой нагрузкой оказывает влияние на выбор степени повышения давления. Однако в имеющейся литературе методов обоснования степени повышения давления с учетом этого фактора не приводится. В литературе не приводятся результаты решения задачи выбора и оптимизации характеристик котлов-утилизаторов различного назначения.

Среди работ, проводимых в России следует выделить работы ИНЭИ РАН, ВНИПИЭнергопрома, ВТИ, ВНИИГаза, ВНИИГазэкономики, Московского энергетического института (ТУ), Белорусской политехнической академии, Самарского и Саратовского государственных технических университетов.

В работах ВНИПИЭнергопрома рассмотрены технические аспекты создания малых ТЭЦ /109/. Отмечена необходимость установки газодожимной станции для повышения давления газа до 1 - 2 МПа в зависимости от степени повышения давления газа в компрессоре. Отмечено, что наличие зоны отчуждения по условиям экологической безопасности ограничивает их применение в зонах городской застройки. В работах отмечены также трудности надстройки существующих котельных газовыми турбинами по условиям компоновки оборудования.

Применение конверсионных авиационных ГТУ с собственной системой повышения давления газа позволяет решить проблему дожимных компрессоров. Создание КУ требует разработки интенсифицированных поверхностей нагрева. В частности, в совместных работах СГТУ, ТКЗ и ЗИО такие высокоэффективные комбинированные поверхности разработаны /37, 60/.

Перспективным направлением здесь является создание стандартных модулей, конструкция которых позволяет путем набора необходимого количества модулей утилизировать тепло уходящих газов ГТУ достаточно больших мощностей.

В /4/ предложено в качестве критерия тепловой эффективности малых ТЭЦ использовать коэффициент системной эффективности использования топлива, представляющий собой отношение экономии топлива в системе от малых ТЭЦ к величине отпуска теплоты потребителям. Утверждается, что этот критерий целесообразно использовать в экономических расчетах, т.к. его значение однозначно определяет топливную составляющую системного эффекта от применения малых ТЭЦ. Отмечается также, что основными путями повышения тепловой экономичности является увеличение степени повышения давления в компрессоре до 24 и более и достижение температур газа перед турбиной 1150 - 1250°С. Исследованиями установлено также, что при дорогом оборудовании малых ТЭЦ (если удельные капиталовложения превышают затраты в замещаемые установки) величина коэффициента теплофикации снижается. При более низких затратах в малых ТЭЦ становится экономически целесообразным применение аккумулирования теплоты для покрытия графиков тепловых нагрузок. При этом важнейшим фактором, определяющим выбор числа часов использования установленной мощности является разность в приведенных затратах на выработку пиковой и базовой электроэнергии. Сравнительными расчетами установлено также, что системная эффективность малых ТЭЦ на базе ГТУ примерно в 3 раза выше, чем при использовании паротурбинных установок. Это обусловлено тем, что выработка электроэнергии на тепловом потреблении в теплофикационных ГТУ практически не зависит от температуры горячей воды для нужд отопления, в то время как для паротурбинных установок давление отборного пара на сетевые подогреватели существенно зависит от требуемой температуры сетевой воды.

В работах /15, 54, 115/ показано, что эффективность применения тепловых аккумуляторов в раздельных схемах энергоснабжения существенно ниже, чем в комбинированных. Максимум эффекта от применения аккумулятора теплоты и их оптимальная емкость определяются условиями достижения наибольшего числа часов использования установленной мощности. Специально проведенными исследованиями установлено, что газотурбинная часть малых ТЭЦ должна выполняться по простейшей схеме без промежуточного охлаждения воздуха при его сжатии. В /2, 6, 7, 52, 53/ излагаются результаты схем-но-параметрических исследований малых ТЭЦ. В качестве критерия термодинамической оптимизации принят ранее упомянутый коэффициент системной эффективности. На основе этого критерия разработаны методики оценки сравнительной эффективности различных схем малых ТЭЦ. Определены оптимальные степени повышения давления в компрессорах ГТУ малых ТЭЦ. Показано, что при степенях повышения давления выше 20 целесообразным является применение промежуточного охлаждения воздуха. Исследованы вопросы возможности применения впрыска пара в камеры сгорания ГТУ. Указано, что при отсутствии возможностей полного использования теплоты конденсации паров из уходящих газов впрыск пара снижает тепловую эффективность малых ТЭЦ и должен быть ограничен минимальной по экологическим соображениям величиной. Наличие впрыска пара приводит к возрастанию оптимальной степени повышения давления.

Большой комплекс работ в обоснование схем, параметров и технико-экономической эффективности использования малых ТЭЦ для энергоснабжения проведен коллективом исследователей Самарского и Саратовского технических университетов. В работах /4, 57, 58/ излагаются методологические аспекты оценки экономической эффективности малых ТЭЦ в системах энергоснабжения. В отличие от других подходов в качестве критерия оценки эффективности принимается интегральный сравнительный экономический эффект. При этом разработаны методические основы учета таких важнейших факторов как условия финансирования строительства энергообъекта, режимов работы установок как в суточном, так и в годовом разрезах. Разработаны соответствующие методики расчета показателей надежности энергетических установок и систем. Кроме того, эффективность малых ТЭЦ определяется с учетом экологических факторов и потребления различных видов ресурсов. Такой комплексный системный подход позволяет авторам проводить оптимизационные исследования схем и параметров малых ТЭЦ.

В частности, в /58/ разработаны методические положения учета режимов работы установок малой и средней мощности и климатических факторов в разрезе сезона при определении расходов топлива. Расчетами установлено, что учет действительных факторов работы установок приводит к росту затрат на топливо на 3-5%. Весьма важным вопросом является обоснование схем и параметров отпуска теплоты от малых ТЭЦ. Так, расчетными исследованиями установлено, что для малых ТЭЦ оптимальным является температурный график 110/70 °С. Следует отметить, что в Германии для установок такого класса принят более низкий уровень температур 95/70 °С. Проведенные авторами /108, 109, 122/ исследования по оптимизации параметров газовой части малых ТЭЦ с котлами-утилизаторами, оснащенными камерами дожигания показали, что режим работы камеры дожигания оказывает влияние на выбор оптимальной степени повышения давления. Оптимальная степень повышения давления в компрессоре оказывается выше, чем оптимальная по максимуму работы и ниже, чем оптимальная по максимуму КПД. Проведены также исследования по влиянию параметров ГТУ в составе малых ТЭЦ на условия работы камеры дожигания по кислородному балансу газового тракта, определены параметры, при которых возможно использование камер дожигания без подачи дополнительного воздуха.

Аналитический обзор выполненных исследований по обоснованию рациональных схем и параметров малых ТЭЦ на базе ГТУ малой и средней мощности показывает, что комплексные исследования по этой проблеме не проводились. Все исследования носят частный характер, не увязаны единой методологией. Поэтому результаты носят предварительный характер.

0.4. Цель и задачи исследования

Аналитический обзор выполненных работ по схемам, параметрам, режимам работы и оценке общей эффективности малых ТЭЦ показывает, что проблема создания и функционирования установок на базе теплофикационных ГТУ представляет собой сложный комплекс задач. Факторами, усложняющими решение этих задач, являются:

- отсутствие в стране законодательной и нормативно-правовой базы функционирования независимых производителей электрической и тепловой энергии, работающих параллельно с энергоснабжающими организациями на региональном энергетическом рынке;

- недостаточная теоретическая проработка вопросов создания малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ, проявляющаяся в неразработанности теоретических положений оценки действительной экономии топлива в системе с учетом реальных режимов работы и климатических факторов;

- практически отсутствуют теоретические положения и практические рекомендации по вопросам расчета и обеспечения надежности теплоэнерго-снабжения от малых ТЭЦ;

- требуют решения вопросы оптимизации режимов работы малых ТЭЦ в системах теплоснабжения, коэффициента теплофикации малых ТЭЦ с теплофикационными ГТУ;

- необходимо совершенствование методов технико-экономического анализа малых ТЭЦ в новых экономических условиях.

Анализ выполненных исследований по проблеме показал также направление совершенствования систем теплоснабжения потребителей, покрытие тепловой нагрузки которых от мощных паротурбинных ТЭЦ оказывается неэффективным, путем сочетания преимуществ комбинированного способа производства электрической и тепловой энергии и децентрализованного способа теплоснабжения. Это достигается созданием теплоснабжающих систем на базе малых ТЭЦ с теплофикационными ГТУ для теплоэнергоснабжения отдельных предприятий, групп потребителей, жилых массивов.

Теоретическое обоснование и технико-экономическая целесообразность создания таких систем требуют дополнительных исследований.

Настоящая диссертационная работа посвящена решению только части указанных выше задач и связана, в основном, с разработкой теоретических вопросов оценки системной тепловой и топливной эффективности теплофикационных ГТУ с учетом реальных условий их работы в системах теплоэнергоснабжения, оптимизацией характеристик котла-утилизатора ГТУ, методов расчета и обеспечения надежности теплоснабжающих систем на базе малых ТЭЦ, а также разработкой практических рекомендаций по эффективному использованию малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ в системах тепло-энергоснабжения.

Целью настоящей работы является определение эффективности малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ малой и средней мощности в системах теплоэнергоснабжения.

Основными задачами, подлежащими решению, являются:

1. Обоснование показателей и разработка методов расчета тепловой и топливной эффективности малых ТЭЦ с теплофикационными ГТУ в системах теплоснабжения.

2. Разработка методов расчета и обеспечения надежности систем теплоснабжения, элементов и агрегатов малых ТЭЦ на базе ГТУ с учетом условий эксплуатации.

3. Разработка математической модели теплофикационных ГТУ и проведение расчетно-теоретических исследований характеристик газотурбинных ТЭЦ с учетом режимных и климатических факторов.

4. Выбор и оптимизация характеристик котла-утилизатора теплофикационных ГТУ с учетом климатических и режимных факторов.

5. Определение экономической эффективности создания малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана экономико-математическая модель определения эффективности малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ в системах теплоэнерго-снабжения, учитывающая режимные и климатические условия работы системы, условия финансирования и инвестиционные издержки создания систем теплоснабжения, а также требования по надежности теплоэнергоснабжения потребителей.

2. Разработаны теоретические положения расчета показателей системной тепловой и топливной эффективности теплофикационных ГТУ. По сравнению с традиционными теориями теплоснабжения на базе паротурбинных установок применение малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ малой и средней мощности обеспечивает повышение удельной экономии топлива с 0,213 до 0,36 за счет обеспечения эффективных режимов работы.

3. Разработана математическая модель расчета характеристик теплофикационных ГТУ с учетом всего комплекса важнейших факторов их функционирования в системах теплоснабжения, а также конструктивных характеристик ГТУ и режимов теплопотребления. Расчетно-теоретическими исследованиями установлено влияние режимов работы теплофикационных ГТУ на интегральные показатели тепловой и топливной эффективности. Расчетами по реализованной методике почасового расчета показателей эффективности показано, что расчетный расход газового топлива увеличивается на 2,2.4,1% по сравнению с расчетами по среднесуточным и среднемесячным режимам.

4. Поставлена и решена задача оптимизации характеристик котла-утилизатора теплофикационных ГТУ. Показано, что для установки типа НК-14Э применение оребренных поверхностей нагрева приводит к снижению общей поверхности нагрева на 9. 14%. Определена оптимальная температура наружного воздуха для проектирования котла-утилизатора теплофикационных ГТУ, которая составляет от -13.-27°С в зависимости от режимов работы установки и коэффициента теплофикации.

5. Разработана методика расчета единичных и комплексных показателей надежности теплофикационных ГТУ с учетом структурной схемы, способов резервирования и режимов работы. Показано, что в условиях реальных режимов работы и конструкции газотурбинных агрегатов НК-14Э безотказность установки повышается за счет снижения начальной температуры газа в зимний период. Установлено, что форсирование тепловой мощности котла-утилизатора путем сжигания дополнительного топлива в камере дожигания не приводит к снижению его надежности.

6. Определены способы обеспечения надежности теплоснабжения от малых ТЭЦ на базе теплофикационных ГТУ. Установлено, что применение бака-аккумулятора горячей воды в схемах теплофикационных ГТУ приводит к повышению безотказности теплоснабжения на 0,5. 1,6% в зависимости от его емкости.

7. Определена экономическая эффективность малых ТЭЦ на базе агрегатов НК-14Э в системах теплоэнергоснабжения. Выявлено влияние основных технико-экономических факторов на показатели экономической эффективности. Установлено, что срок окупаемости инвестиций в создание малых ТЭЦ составляет 4,5.6,4 года при величине внутренней нормы доходности 4.9% в зависимости от исходных данных. Определяющее влияние на показатели экономической эффективности оказывают режимы работы теплофикационных ГТУ, условия реализации электрической и тепловой энергии и условия финансирования.

1. Андрющенко А.И. Комбинирование теплофикационных систем способ повышения экономичности и надежности теплоснабжения //Изв. вузов и энергетических объединений СНГ. Энергетика. 1995. №3-4. С. 3-4.

2. Андрющенко А.И. Комбинированные системы теплоэнергоснабжения и их эффективность //Теплоэнергетика. 1996. - №5. - С. 2-7.

3. Андрющенко А.И. Методика системных термодинамических исследований в теплоэнергетике. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 1996. - 72 с.

4. Андрющенко А.И. Некоторые пути увеличения экономии топлива от теплофикации и определение эффективности ТЭЦ в энергосистеме //Проблемы энергосбережения. Киев, 1995. - №2-3. - С. 99-105.

5. Андрющенко А.И. Основы термодинамики циклов теплоэнергетических установок. М.: Высшая школа, 1985. - 320 с.

6. Андрющенко А.И. Энергетическая эффективность теплофикации от блок-ТЭЦ на базе районных котельных //Изв. вузов. Энергетика. 1991. №6. С. 3-7.

7. Андрющенко А.И. Эффективность использования низкопотенциальной теплоты загородных КЭС. //Изв. вузов. Энергетика. -1994, №11-12. С. 101-104.

8. Андрющенко А.И., Аминов Р.З. Оптимизация режимов работы и параметров тепловых электростанций. М.: Высшая школа, 1983. - 256 с.

9. Андрющенко А.И., Аминов Р.З., Хлебалин Ю.М. Теплофикационные установки и их использование. М.: Высшая школа, 1989. - 255 с.

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

11. Андрющенко А.И., Змачинский A.B., Понятов В.А. Оптимизация тепловых циклов и процессов ТЭС. М.: Высш. школа, 1974. 280 с.

12. Аминов Р.З., Ковальчук А.Б. и др. О конверсии мощных авиационных газотурбинных двигателей для стационарной энергетики // Теплоэнергетика. 1994. №6. С. 59-62.

13. Автоматизация проектирования парогенераторов с использованием ЭВМ "Минск-32 (22м)". Разработка узловых математических моделей и алгоритмов оптимизации (Пакет программ): Отчет ТКЗ; Руководитель работы Д.Б. Литвак. Таганрог. 1977. 129 с.

14. Арсеньев Л.В., Тырышкин В.Г. Комбинированные установки с газовыми турбинами. Л.: Машиностроение, 1982. - 248 с.

15. Аршакян Д.Т. Особенности развития теплофикации в условиях перехода к рыночной экономике // Теплоэнергетика. 1997. №1. С. 72-77

16. Аэродинамический расчет котельных установок (нормативный метод) / Под ред. С.И. Мочана. Л.: Энергия, 1977. - 256 с.

17. Безлепкин В.П., Гильде Е.Э. и др. Результаты освоения опытно-промышленной ПТУ со сбросом газов в топку парогенератора // Энергомашиностроение. 1973. №2. С. 24-26.

18. Березинец П.А., Терешина Г.Е., Вершинин Л.Б. Варианты газотурбинной надстройки отопительных котельных // Энергетик. 1998. №8. С. 13-16.

19. Берман С.С. Расчет теплообменных аппаратов турбоустановок. М.-Л.: Госэнергоиздат. 1962. 240 с.

20. Большев Л.Н., Смирнов Н.В. Таблицы математической статистики. М: Вычислительный центр АН СССР. 1968. 474 с.

21. Борк Т.А. и др. Проблемы создания отечественных мини-ТЭЦ //Теплоэнергетика. 1991. - №10. - С. 24-27.23