автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Совершенствование режимов эксплуатации турбоустановок с отборами пара с целью повышения их экономичности и маневренности

Введение

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1. Способы расширения регулировочного диапазона теплофикационных турбин, работающих с заданной тепловой нагрузкой

1.2. Пути повышения эффективности работы промышленных и промышленно-отопительных ТЭЦ

1.2.1. Перераспределение пара промышленного отбора между турбинами различных типов

1.2.2. Использование пара промышленного отбора турбин для покрытия внутреннего теплопотребления ТЭЦ

1.3. Постановка задачи

2. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗГРУЗКИ ПО ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ ТУРБИН С ТЕПЛОФИКАЦИОННЫМИ ОТБОРАМИ ПАРА ЗА СЧЕТ ИЗМЕНЕНИЯ СТРУКТУРЫ ТЕПЛОВОЙ СХЕМЫ

2.1. Принципиальная тепловая схема и основные технические характеристики турбоустановки Т-100/120-12,8 УТМЗ

2.2. Расчетные исследования работы турбины в условиях режимных мероприятий по снижению электрической мощности

2.3. Расчетные исследования работы турбины в условиях режимных мероприятий по снижению электрической мощности отключенных ПВД

2.4. Результаты расчетных исследований

3. ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ РАСШИРЕНИЯ РЕГУЛИРОВОЧНОГО ДИАПАЗОНА ТУРБИН ТИПА ПТ И ВОЗМОЖНОСТИ ИХ УЧАСТИЯ В РЕГУЛИРОВАНИИ ГРАФИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАГРУЗОК

3.1 .Описание турбоустановки

3.2. Режимные мероприятия как способ привлечения турбин типа ПТ к участию в регулировании мощности энергосистемы

3.3. Выбор рациональной последовательности применения способов разгрузки турбины промышленно-отопительного типа 4. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТУРБИНЫ ПРОМЫШЛЕННО-ОТОПИТЕЛЬНОГО ТИПА

4.1. Исследование характеристик турбоустановки ПТ-50/60-12,8 на переменных режимах

4.2. Статические характеристики регулирования температуры пара в производственном отборе

4.3. Взаимное влияние программы регулирования температуры пара и программ расширения регулировочного диапазона турбин с производственным отбором пара

4.4. Принципиальные основы автоматического регулирования турбоустановок типа ПТ с переменной структурой тепловой схемы Заключение

Экономический спад производства, начавшийся в конце 1980-х годов, привел к тому, что потребление электрической энергии промышленными потребителями значительно снизилось. Например, динамика полезного отпуска тепловой и электрической энергии АО «Ленэнерго» такова, что отпуск тепловой энергии за последнее десятилетие снизился на 35 %, а электрической на 20 % (рис. 1), причем годовой максимум электрической нагрузки энергосистемы уменьшился на 15 % (рис. 2), аналогичные данные АО «Омскэнерго»: 13,8 и 11 % соответственно. Несмотря на наметившийся в настоящее время экономический рост, доля промышленного потребления электроэнергии в среднем по России составляет сейчас около 60 % от уровня 1991 года. В частности, в АО «Ленэнерго» доля промышленного потребления электроэнергии составляет 38,4 %, в Нижегородской энергосистеме - 46%, в АО «Омскэнерго» — около 40 %. Потребление электроэнергии для бытовых целей за этот период не только не сократилось, но и выросло (по данным АО «Ленэнерго» рост электропотребления составляет около 2,6 % в год). В результате относительная доля потребления электроэнергии для бытовых целей увеличилась, что стало причиной увеличения неравномерности графиков электрической нагрузки.

Характерная особенность ситуации, сложившейся сегодня в энергосистемах, включающих крупные города, состоит в том, что агрегаты, которые ранее работали в базовой части графика нагрузок, теперь вынужденно принимают участие в регулировании графика электрической нагрузки, так как число таких турбоустановок (типа Т, ПТ) значительно превысило количество, требуемое для покрытия его базовой части. Так, например, в АО «Ленэнерго» доля установок типа Т и ПТ от общего числа турбин составляет 67,9 %, в АО «Омскэнерго» — 62,5 %, в Нижегородской энергосистеме — 45 %, Такое положение явилось тыс. ГДж, млн. кВт- ч

Рис. 1. Динамика полезного отпуска тепло- и электроэнергии АО «Ленэнерго».

МВт

Рис. 2. Динамика годового максимума электрической нагрузки АО «Ленэнерго». результатом энергетической политики, проводимой десятилетиями. За истекшие 15 лет ввод новых мощностей был настолько мал, что не мог внести сколько-нибудь заметное изменение в работу энергосистем страны. Поэтому обеспечение потребителей тепловой и электрической энергией происходит в большой степени с помощью ТЭЦ (Приложение 1). Существуют и такие энергосистемы, где доля ТЭЦ в выработке электроэнергии составляет 100 %, к их числу относится, например, АО «Омскэнерго». Следует отметить также стремительное физическое и моральное старение значительной части парка теплоэнергетического оборудования. Так, например, в АО «Омскэнерго» 50 % установленной мощности введено до 1976 г., в АО «Ленэнерго» — 71 % оборудования имеет возраст более 30 лет (рис. 3).

Таким образом, круг проблем для большинства энергосистем РФ имеет характерные черты. Как было отмечено ранее, медленный темп ввода новых мощностей, замены морально и физически устаревшего оборудования, а также создания установок, отвечающих возрастающим современным требованиям, не позволяет решить назревшие энергетические проблемы. Поэтому, не имея возможности рассчитывать на масштабное участие нового оборудования в регулировании работы энергосистем, необходимо использовать пути повышения маневренности ТЭЦ для их участия в регулировании графиков электрической нагрузки.

Возможности получения маневренной мощности от турбоустановок ТЭЦ различны в зависимости от сезона. В летний (неотопительный) период при наличии небольших тепловых нагрузок и больших пропусках пара в конденсатор снижение электрической мощности целесообразно осуществлять за счет уменьшения неэкономичного конденсационного потока пара. При этом экономически выгодно проводить разгрузку при комбинированной программе регулирования [1]. В целом

Рис. 3. Состояние турбинного оборудования АО "Ленэнерго" в процентах □ % МВт ПШ % Гкал Ш % от общ. Кол-ва вопрос использования конденсационной мощности ТЭЦ для повышения маневренности достаточно хорошо изучен и не вызывает сомнений.

Особенно остро вопрос регулирования графиков нагрузки стоит перед энергосистемами с большой долей ТЭЦ в течение отопительного периода.

Большинство теплофикационных турбоагрегатов около 70 % этого периода работает по тепловому графику с полностью закрытой поворотной диафрагмой, и их электрическая мощность определяется величиной и параметрами отпускаемой потребителю тепловой нагрузки. В свою очередь, эти параметры определяются температурным графиком тепловой сети. Кроме того, большую часть отопительного периода турбины ТЭЦ работают с использованием тепла пара, поступающего в конденсатор. Удельный расход теплоты на выработку электрической энергии на таких режимах — величина постоянная, зависящая от КПД котла, КПД транспорта тепла и электромеханического КПД установки. Разгрузка таких турбоагрегатов любым способом сопровождается снижением выработки электроэнергии на тепловом потреблении. Тем не менее, такая разгрузка в настоящее время необходима и экономически оправдана [2].

На сегодняшний день существует несколько известных и достаточно хорошо изученных способов расширения регулировочного диапазона ТЭЦ, работающих по тепловому графику [3 - 8]. Совместно с ведущими энергетическими организациями и предприятиями России кафедрой А и ТЭУ СПбГТУ были предложены и внедрены на ТЭЦ АО «Ленэнерго», «Мосэнерго», «Минскэнерго» следующие способы разгрузки турбоустановок по электрической мощности:

- скользящие начальные параметры пара;

- обвод сетевых подогревателей или скользящее противодавление;

- обвод подогревателей высокого давления по питательной воде.

Эти способы прошли натурные испытания на действующем оборудовании, что подтвердило эффективность их применения. Указанные мероприятия различаются предельной глубиной разгрузки ТЭЦ по электрической мощности и технико-экономическими показателями ее реализации, но объединены идеей переменной структуры тепловой схемы ТЭЦ. Они не требуют модернизации тепловой схемы, и отдача от их внедрения может быть получена достаточно быстро, что дает возможность выиграть время для проведения модернизации существующего оборудования и создания нового.

Перечисленные мероприятия по расширению регулировочного диапазона теплофикационных ПТУ позволяют в периоды спадов электрической нагрузки снизить электрическую мощность ТЭЦ и сохранить отпуск теплоты из отборов турбоагрегатов постоянным. Это является принципиальным отличием этих способов от известных ранее [3].

Исследованию способов повышения маневренности ТЭЦ, работающих по тепловому графику, посвящен широкий круг научных работ. В том числе работы [4 - 15], отражающие многие аспекты данной проблемы: исследование целесообразности использования режимов отключения ПВД, частичного обвода сетевой воды мимо сетевых подогревателей, установление диапазонов изменения электрической мощности турбин для различных условий эксплуатации и другие.

Таким образом, способы расширения регулировочного диапазона теплофикационных турбоустановок, работающих по тепловому графику, на сегодняшний день достаточно изучены. Однако до сих пор не была решена задача определения рациональной последовательности применения указанных способов. Не были определены направление поиска, а также оценочный критерий, который позволил бы расставить приоритеты в составлении программы снижения электрической мощности путем изменений структуры тепловой схемы.

Турбины типа ПТ наряду с теплофикационными машинами являются наиболее распространенными. В процентном соотношении к общему количеству турбоустановок доля турбин типа ПТ для некоторых энергообъединений РФ такова: в АО «Пермэнерго» - 14,8 %, в АО «Ленэнерго» и «Омскэнерго» — около 21 %, в Нижегородской энергосистеме — 40 %.

Установкам типа ПТ, также являющихся объектом исследования диссертации, посвящено большое количество работ. В них рассмотрены вопросы повышения эффективности использования промышленных отборов, исследования режимов работы турбин ПТ с целью их реконструкции в ПТР, а также предложения по внедрению малозатратных технологий по модернизации действующих ТЭЦ, имеющих в составе установки данного типа [16 - 19]. Однако, исследование возможности привлечения машин этого класса к участию в регулировании графика электрических нагрузок с помощью применения режимных мероприятий по расширению регулировочного диапазона не проводилось. Таким образом, представляется актуальным исследование ПТ турбин в данном аспекте, а также проведение параллелей и сравнение результатов с аналогичными исследованиями для турбоустановок типа Т.

Одной из задач диссертации является установление рациональной последовательности применения способов снижения электрической мощности турбоустановок с отборами пара, работающих с заданной промышленно-отопительной нагрузкой.

Поскольку целью применения способов разгрузки является максимальное увеличение регулировочного диапазона, необходимо определить какой из способов даст максимальное снижение мощности при максимальном снижении расхода топлива (теплоты) на турбоустановку. Критерием оценки для установления последовательности применения способов разгрузки выбран минимум отношения максимального снижения электрической мощности ДЫЭ к максимальному относительному снижению расхода топлива паровым котлом ДЬ, %:

ДМ = Мисх ~ М; 1()0 N исх

ДЬ = Висх - В! , 100 ; исх дмэ = тш ДЬ где Ыисх и Висх — электрическая мощность и расход топлива паровым котлом на режиме с заданной нагрузкой теплофикационных отборов; N 1 и Е^ — электрическая мощность и расход топлива паровым котлом на некотором ¡-м режиме работы турбоустановки при применении одного из способов разгрузки ПТУ по электрической мощности или их комбинации.

Следующая проблема, рассмотренная в диссертации, состоит в решении задачи одновременного независимого регулирования температуры и давления пара производственных отборов. Актуальность решения данной проблемы основана на том, что традиционно у турбин типа ПТ регулируется лишь давление пара, отбираемого для производственных нужд, а его температура в зависимости от электрической мощности, значений отопительной и производственной тепловых нагрузок может изменяться в широких пределах в то время как для качественного ведения технологического процесса в ряде отраслей промышленности (химической, нефтехимической и др.) требуется не менее точное управление температурой отбираемого пара, чем его и давлением [1]. В последней главе диссертации рассмотрены основные факторы, оказывающие влияние на эффективность регулирования температуры пара производственного отбора турбин промышлен-но-отопительного типа и принципы совершенствования ее системы регулирования.

На защиту автор выносит следующие положения:

1. Рациональную последовательность способов расширения регулировочного диапазона отопительных и промышленно-отопительных ТЭЦ без модернизации тепловой схемы.

2. Критерий определения рациональной последовательности применения способов снижения электрической мощности ТЭЦ при работе по тепловому графику.

3. Зависимость глубины разгрузки теплофикационной турбины по электрической мощности, а также максимального относительного снижения расхода топлива от температуры наружного воздуха.

4. Обоснование возможности участия промышленно-отопительных турбин в регулировании графика электрических нагрузок путем изменения структуры их тепловой схемы с целью увеличения регулировочного диапазона данных турбин при различных способах снижения электрической мощности.

5. Программу регулирования температуры пара производственного отбора турбин типа ПТ, при постоянной тепловой нагрузке.

6. Принципы совершенствования системы регулирования турбо-установок типа ПТ, поддерживающей величину отопительной нагрузки и параметры пара в камере производственного отбора на заданном уровне при регулировании электрического графика нагрузки энергосистемы.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА

ЗАДАЧИ

Одна из проблем, рассматриваемых в диссертации, а именно применение режимных мероприятий по расширению регулировочного диапазона для ПТУ типа Т, достаточно широко освещена в технической литературе. Как говорилось выше, данные установки наряду с ПТУ типа ПТ и Р, составляют основу парка энергетического оборудования большинства крупнейших энергосистем РФ (см. Приложения 1, 2), поэтому проблема расширения регулировочного диапазона турбин с регулируемыми отборами пара весьма актуальна. Учитывая ситуацию спада промышленного производства в стране и возросшую неравномерность графика электрических нагрузок, установки данного типа могут и должны быть использованы в качестве маневренного фонда для обеспечения необходимого снижения электрической нагрузки при поддержании параметров пара производственных и теплофикационных отборов, заданных потребителями.

Поскольку применение режимных мероприятий с целью снижения электрической мощности при условии сохранения производственной и тепловой нагрузки для установок типа ПТ на сегодняшний день не исследовалось, информация по рассматриваемым в диссертации вопросам для данных установок в литературе отсутствует. Однако проблема повышения маневренности ТЭЦ не нова, и исследования данных установок в альтернативных направлениях проводились, о чем более подробно будет сказано ниже. Также будут рассмотрены основные способы расширения регулировочного диапазона турбин типа Т: их влияние на характеристики работы различных элементов тепловой схемы ТЭЦ, эффективность их применения и результаты натурных испытаний.

Классификация способов разгрузки теплофикационных ПТУ представлена на рис. 1.1., и является результатом синтеза существующих на сегодняшний день основных предложений по расширению регулировочного диапазона турбин данного типа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Впервые предложен критерий определения рациональной последовательности режимных мероприятий по электрической разгрузке отопительных ТЭЦ с сохранением постоянного отпуска теплоты.

2. Обоснована рациональная последовательность применения способов расширения регулировочного диапазона при разгрузке отопительной и промышленно-отопительной ТЭЦ по электрической мощности с постоянным отпуском теплоты и параметрами пара производственного отбора.

3. Применение всех режимных мероприятий увеличивает глубину разгрузки по электрической мощности:

• для турбин типа Т в зависимости от температуры наружного воздуха до 36 % от номинальной;

• для турбин типа ПТ — до 15,9 % при максимальной нагрузке производственного отбора.

4. Предложена принципиальная схема регулирования турбины промышленно-отопительного типа как объекта регулирования электрической и тепловой мощности и параметров пара производственного отбора.

5. Разработаны статические характеристики регулирования температуры пара производственного отбора изменением температуры свежего пара.

1. Иванов В. А., Ермоленко М. В. Регулирование турбин с производственными отборами пара в современных условиях // Теплоэнергоэф-фективные технологии, №2, 1999 г.

2. Иванов В. А. Термодинамический анализ работы теплофикационных турбоустановок при скользящем начальном давлении пара// Энергетика.(Изв. высш. учеб. заведений), 1976. № 10. С. 61—76.

3. Об основных положениях энергетической стратегии России на период до 2020 г. // Энергетик, 2000. № 9. С. 2 6.

4. Регулирование электрической мощности ТЭЦ, работающих по тепловому графику, изменением температуры перегрева пара / Иванов В. А., Левченко Г. И., Сорокин Н. А. и др. // Теплоэнергетика, 1988. №3. С. 12-15.

5. Внедрение новых способов увеличения регулировочного диапазона ТЭЦ в Ленэнерго / Иванов В.А., Безлепкин В. П., Левченко Г. И. и др. // Электрические станции, 1990. №8. С. 53-56.

6. Иванов В. А., Кутахов А. Г., Осипчук Е. А. / Базово-маневренные энергетические агрегаты // Энергетика.(Изв. высш. учеб. заведений), 1989. №4. С. 9-16.

7. К вопросу повышения маневренности ТЭЦ, работающих по тепловому графику/ Иванов В. А., Боровков В. М., Ванчиков В. В., Кутахов А. Г. II Энергетика.(Изв. высш. учеб. заведений), 1982. № 7. С. 39—43.

8. Проектные исследования работы ТЭЦ в маневренном режиме/ Кнотько П. Н., Ровек И. И., Щербина А. В., Яковлев Б. В. // Электрические станции, 1982. № 5. С. 17—20.

9. Повышение маневренности турбоагрегатов ТЭЦ для участия в прохождении провалов графиков электрических нагрузок/ Аракелян Э. К., Макарчьян В. А., Тажиев Э. И. и др. // Теплоэнергетика, 2001. № 4. С. 37-42.

10. О проблеме расширения регулировочного диапазона и повышенияманевренностии теплофикационного оборудования АО «Мосэнерго» / Серебряников Н. И., Кудрявый В. В., Аракелян Э. И. и др. // Вестник МЭИ, 1999. № 1.

11. Характеристики работы турбоагрегата Т-250/300-23,8 при эксплуатации с отключенными ПВД и частичным обводом сетевой воды мимо сетевых подогревателей // Вестник МЭИ, 1999. № 3.

12. Шкода Н. И. Использование ТЭЦ для регулирования переменной части графика электрической нагрузки // Теплоэнергетика, 1998. № 2.

13. Иванов Ю. Е., Козлов Е. В., Липатников Г. А. Расширение диапазона регулирования электрической мощности теплофикационных турбин // Энергетика.(Изв. высш. учеб. заведений), 1991. № 12.

14. Ильин Е. Т., Петров С. П. Расширение диапазона изменения электрической мощности турбоагрегата Т-110-130 при его работе по тепловому графику // Вестник МЭИ, 2001. № 1.

15. Ванчиков В. В., Иванов С. А., Иванов И. А. Повышение эффективности энергетического оборудования. Сборник научных трудов. «Труды ЛПИ» № 402. Л.: изд. ЛПИ, 1984. 108 с.

16. Хлебалин Ю. М., Захаров В. В. Пути повышения эффективности использования промышленных отборов турбин ТЭЦ // Промышленная энергетика, 1997. №8. С. 11-13.

17. Болобонович В. К., Седнин А. В. Исследование режимов работы ЧНД турбины ПТ-60-130/13 в условиях современной ТЭЦ сцелью ее реконструкции в ПТР-60/130-13-0,3 // Энергетика.(Изв. высш. учеб. заведений), 1998. № 2.

18. Хлебалин Ю. М., Захаров В. В. Применение испарителей на промышленных ТЭЦ // Промышленная энергетика, 1999. № 12.

19. Хлебалин Ю. М. Малозатратные технологии модернизации действующих ТЭЦ // Промышленная энергетика, 2000. № 8.

20. Влияние режимных факторов на интенсивность эрозионных повреждений лопаточного аппарата теплофикационных турбин / Симою Л. Л.,

21. Эфрос Е. И. Гуторов В.Ф. и др. II Электрические станции, 2000. №10. С. 12-18.

22. Направления повышения эффективности работы теплофикационных турбин / Гуторов В. Ф., Симою Л. Л., Эфрос Е. И. и др. // Теплоэнергетика, 2000. №12. С. 29-34.

23. Технический отчет: Тепловые испытания турбины ЛМЗ типа Т-250-240, ст. №1 ТЭЦ-22, СПб, 1995 г.

24. Иванов В. А. Режимы мощных паротурбинных установок. — Л.: Энергоатомиздат, 1986.

25. Теплофикационные установки и их использование: Учеб. Пособие для теплоэнергет. спец. вузов. / А. И. Андрющенко, Р. 3. Акимов, Ю. М. Хлебалин. — М.: Высш. шк., 1989. —256 е.: ил.

26. Хлебалин Ю. М., Баженов А. И., Захаров В. В. Перераспределение пара промышленного отбора между различными турбинами ТЭЦ // Промышленная энергетика, 1999. № 5.

27. Хлебалин Ю. М., Захаров В. В. Использование пара промышленных отборов турбин для выработки пиковой конденсационной электроэнергии на ТЭЦ // Промышленная энергетика, 1998. № 10.

28. Хлебалин Ю. М., Захаров В. В. Применение турбоприводов питательных насосов на промышленных ТЭЦ // Промышленная энергетика, 1999. № 1.

29. Хлебалин Ю. М., Захаров В. В. Применение сепараторов питательной воды на ТЭЦ // Промышленная энергетика, 1999. № 10.

30. Использование питательной воды парогенераторов для нагрева сетевой воды систем теплоснабжения / Хлебалин Ю. М., Николаев Ю. Е. и др. // Промышленная энергетика, 1997. № 4.

31. Иванов В. А., Ермоленко М. В., Куликова Г. Г. Оптимизация режимов работы энергоблока Т-100/120-13 как объекта с переменной структурой тепловой схемы // Энергетика. (Изв. высших учеб. заведений и энерг. объединений СНГ), 1999. №3.

32. Паротурбинные энергетические установки: отраслевой каталог / ЦНИИТЭИтяжмаш. М. 1994. 95 с.

33. Трухний А. Д. Стационарные паровые турбины. — М.: Энергоатом-издат, 1990. 640 с.

34. Рыжкин В. Я. Тепловые электрические станции: Учебник для вузов по специальности «Тепловые электрические станции». — М.: Энергия, 1981.448 с.

35. Справочное пособие теплоэнергетика электрических станций. — Минск: Изд. Беларусь, 1974. — 368 е., ил.

36. Тепловые и атомные электрические станции: Справочник/ Под общ. ред. В. А. Григорьева и В. М. Зорина. — М.: Энергоиздат, 1982. — 624 е., ил. — (Теплоэнергетика и теплотехника).

37. Вукалович М. П., Ривкин С. Л., Александров А. А. Таблицы тепло-физических свойств воды и водяного пара. — М.: Издательство стандартов, 2000.

38. Бененсон Е. И., Иоффе Л. С. Теплофикационные паровые турбины. М.: Энергоатомиздат, 1986. 263 с.

39. Иванов В. А. Регулирование энергоблоков. — Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1982. 311 е.: ил.

40. Seddig Н., Friege G. Stromerzeugung über Gasenspannung im Energiezentrum der Stadtwerke Lübeck / Gas-Erdgas gwf. 1989. № 10/11 (130) S. 622-629.