автореферат диссертации по энергетике, 05.14.01, диссертация на тему:Выбор рациональных схем теплофикационных ПГУ с учетом надежности котла-утилизатора

Анкудинова Мария Сергеевна

ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ СХЕМ ТЕПЛОФИКАЦИОННЫХ ПГУ С УЧЕТОМ НАДЕЖНОСТИ КОТЛА-УТИЛИЗАТОРА

Специальность 05.14.01 - Энергетические системы и комплексы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук 2 о ДП,Г

Саратов 2015

005561575

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор

Ларин Евгеннй Александрович

Официальные оппоненты: Щинников Павел Александрович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет», г. Новосибирск профессор кафедры «Тепловые электрические станции»

Шкрет Александр Филиппович,

кандидат технических наук, Саратовский научный центр РАН, г. Саратов старший научный сотрудник Отдела проблем энергетики

Ведущая организация: ОАО «Всероссийский теплотехнический

институт», г. Москва

Защита состоится «29» сентября 2015 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.07 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая,77, корп. 1, ауд. 319.

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

Автореферат разослан « » августа 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета (2&7С4 Ларин Евгений Александрович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Энергетика является важнейшей отраслью национальной экономики и основой социально-экономического развития страны. Очевидно, что только опережающий рост энергетики может обеспечить необходимые темпы, устойчивость и безопасность экономического развития. В настоящее время экономика страны столкнулась с рядом внешних и внутренних вызовов, а в энергетической сфере - с вызовом, продиктованным высоким износом и деградацией технического состояния основных фондов, низким уровнем энергоэффективности, высокой чувствительностью топливно-энергетического комплекса (ТЭК) к колебаниям мирового нефтегазового рынка.

За предыдущие десятилетия ТЭК обеспечил экономическую выживаемость страны. В долгосрочной перспективе требуется переосмысление его роли в российской экономике не в силу исчерпания природных ресурсов, а в силу технологических и финансовых ограничений, сдерживающих не только расширенное, но и простое воспроизводство энергетического потенциала, которое становится все более капиталоемким. В настоящее время перед энергетикой стоит ряд важнейших задач развития ресурсной базы, замены и масштабного ввода новых генерирующих мощностей с качественно более высокими показателями тепловой и топливной эффективности, кардинального повышения надежности систем тепло- и электроснабжения, т.е. создания инфраструктурной основы для диверсификации экономики страны и ее развития.

В программных документах «Программа модернизации электроэнергетики России на период до 2020 года» и «Энергетическая стратегия России на период до 2030 года» среди приоритетных задач, требующих решения, следует отметить необходимость кардинального обновления электроэнергетики России на базе отечественного и мирового опыта, вывод из эксплуатации физически и морально устаревших генерирующих мощностей, ввод новых мощностей на электростанциях с применением передовых технологий на основе парогазовых установок (ПГУ), повышение индекса надежности систем электроснабжения с 0,996 до 0,9991, а также снижение среднеси-стемного удельного расхода топлива на отпуск электрической энергии от ТЭС с 332,7 до 300 г у.т./кВт*ч.

Настоящая работа выполнена в рамках выполнения государственного контракта по федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по теме «Разработка методологии исследования и создание энергоэффективных систем управления потреблением электрической и тепловой энергии в энергоемких промышленных комплексах» (ГК 14.740.11.01.07 от 10.09.2010 г.).

Целью диссертационной работы является повышение эффективности теплофикационных ПГУ на основе системного анализа их топливной эффективности, математического моделирования и методов расчета безотказности как показателя надежности котлов-утилизаторов и научного обоснования ра-

циональных схем теплофикационных ПГУ с учетом реальных условий их функционирования в системах теплоэнергоснабжения.

Объект исследования: теплофикационные парогазовые установки с одно-, двух- и трехконтурными котлами-утилизаторами.

Предмет исследования: методы и модели расчета единичных и комплексных показателей надежности котлов-утилизаторов и оценка их влияния на выбор рациональных схем теплофикационных ПГУ.

Задачи исследования:

1. Разработка методики термодинамического анализа и определения системной топливной эффективности теплофикационных ПГУ с учетом реальных условий их функционирования в системах теплоэнергоснабжения;

2. Разработка математической модели расчета конструктивных характеристик одно-, двух- и трехконтурных котлов-утилизаторов и энергетических показателей теплофикационных ПГУ;

3. Разработка вероятностной модели расчета единичных и комплексных показателей надежности котлов-утилизаторов теплофикационных ПГУ и расчетно-теоретические исследования влияния параметров и характеристик ПГУ на их значения;

4. Разработка расширенной экономико-математической модели определения рациональных схем теплофикационных ПГУ в системах теплоэнергоснабжения.

Научная новизна:

1. Разработана методика оценки системной топливной эффективности бинарных теплофикационных парогазовых установок с котлами-утилизаторами, выполненными по сложным схемам с учетом режимов работы и надежности в системах теплоэнергоснабжения;

2. Предложен вероятностный подход и методика расчета единичных и комплексных показателей надежности котлов-утилизаторов теплофикационных ПГУ, учитывающая схемные решения, параметры генерируемого пара и их конструктивные характеристики;

3. Разработана обобщенная экономико-математическая модель определения эффективности теплофикационных ПГУ, выполненных по сложным схемам, учитывающая реальные условия работы ПГУ в системах теплоэнергоснабжения и обеспечение надежности энергоснабжения потребителей.

Практическая ценность:

1. Методика расчета системной топливной эффективности может быть использована при решении задач повышения эффективности теплофикационных ПГУ в системах теплоэнергоснабжения.

2. Разработанный программный комплекс расчета конструктивных характеристик котлов-утилизаторов ПГУ позволяет решать задачи оптимизации энергетических характеристик теплофикационных ПГУ.

3. Предложенный метод расчета единичных и комплексных показателей надежности котлов-утилизаторов теплофикационных ПГУ позволяет вы-

явить влияние параметров рабочих тел и конструктивных характеристик КУ на выбор рациональных схем ПГУ.

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

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

Автор защищает: методику и результаты системного исследования топливной эффективности теплофикационных ПГУ в системах теплоэнерго-снабжения; математическую модель и результаты расчета конструктивных характеристик одно-, двух-, и трехконтурных котлов-утилизаторов теплофикационных ПГУ; вероятностный подход и методику расчета единичных и комплексных показателей надежности котлов-утилизаторов теплофикационных ПГУ; расширенную экономико-математическую модель расчета общей эффективности теплофикационных ПГУ, выполненных по различным схемам, в системах теплоэнергоснабжения.

Личный вклад автора заключается в следующем:

— разработана методика и выполнен системный анализ топливной эффективности теплофикационных парогазовых установок, выполненных по сложным схемам и генерацией пара одного, двух и трех уровней давлений с учетом реальных условий их работы в системах теплоэнергоснабжения;

— разработаны математические модели расчета конструктивных характеристик котлов-утилизаторов и энергетических характеристик теплофикационных ПГУ;

— разработаны вероятностные подход и методика расчета единичных и комплексных показателей надежности котлов-утилизаторов, учитывающие схемные решения, конструктивные характеристики КУ и параметры рабочих тел ПГУ;

— разработана расширенная экономико-математическая модель и определена сравнительная эффективность теплофикационных ПГУ в системах теплоэнергоснабжения с учетом реальных режимов работы и обеспечения надежности энергоснабжения потребителей.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на региональных и международных научно-технических конференциях: VII Международная научно-практическая конференция «DNY VEDI-2012» (Прага, 2012); Международный конгресс по информационным технологиям — 2012 (IC1T-2012, г. Саратов); XVII Всероссийская научно-техническая конференция «Энергетика. Эффективность, надежность, безопасность» (Томск, 2012); VIII Международная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Энер-

гия 2013» (Иваново, 2013); I Международная научно-практическая конференция «Fundamental and applied sciences today» (Москва, 2013); Национальный конгресс по энергетике «ШСЭ-2014» (Казань, 2014); XI и XII Международная научно-техническая конференция «Современные научно-технические проблемы теплоэнергетики. Пути решения» (Саратов, 2012 2014).

Публикации. Основные положения и результаты диссертационного исследования опубликованы в 19 печатных работах, из них - 5 публикаций в изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК РФ. Зарегистрирована 1 программа для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 182 страницах и состоит из предисловия, введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников. Работа содержит 43 рисунка, 28 таблиц. Список использованных источников включает 232 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследования.

Одной из ключевых проблем современной теплоэнергетики является повышение эффективности использования топлива при производстве электрической и тепловой энергии, в частности, за счет применения парогазовых технологий. Предварительный анализ схем парогазовых установок (ПГУ) показал, что наибольшую эффективность при использовании современных газотурбинных установок обеспечивают ПГУ с котлом-утилизатором и комбинированной выработкой электрической и тепловой энергии.

Теоретические основы создания ПГУ различных типов разрабатывались с 60-70-х годов прошлого века научными коллективами Саратовского политехнического института под руководством проф. А.И. Андрющенко, Ленинградского политехнического института под руководством проф.

A.Н. Ложкина, В.А. Зысина, В.А. Иванова и др., Московского энергетического института под руководством проф. А.Д. Трухния, C.B. Цанева,

B.Д. Бурова, Ивановского энергетического университета под руководством проф. A.B. Мошкарина, Ю.В. Мельникова, ЦКТИ им. И.И. Ползунова под руководством проф. A.A. Канаева, Е.П. Прутковского, ВТИ им. Дзержинского Ф.Э. под руководством чл.-корр. РАН Г.Г. Ольховского, Ю.А. Радина и др. Аналитический обзор выполненных исследований по схемам, параметрам, режимам работы и оценке общей эффективности комбинированных теплоэнергетических установок показывает, что проблема создания и функционирования теплофикационных ПГУ представляет собой сложный комплекс научно-технических задач. Установлено, что комплексные исследования по проблеме выбора рациональных схем теплофикационных ПГУ и оценке их системной эффективности не проводились. Системные исследования надежности теплофикационных ПГУ отсутствуют. Преимущественно

исследования носили частный характер термодинамических исследований и не увязаны единой общеэкономической методологией. Все это обусловило выбор направления исследования.

В первой главе «Методические положения исследования» проведены выбор и обоснование расчетных схем теплофикационных ПГУ с котлами-утилизаторами (КУ), выполненными по различным схемам. На рисунке 1 приведена принципиальная тепловая схема, а на рисунке 2 - условный термодинамический цикл теплофикационной ПГУ с трехконтурным КУ.

Рисунок 1 - Принципиальная тепловая Рисунок 2 - Условный термодинам иче-схематеплофикационной ПГУ ский цикл теплофикационной ПГУ

с трехконтурным КУ с трехконтурным КУ

Особенность термодинамического анализа теплофикационных ПГУ заключается в том, что полезная работа газотурбинного цикла представлена в виде суммы трех составляющих: высокоэффективной работы газотурбинного цикла в комбинированном парогазовом цикле 1Ч пшб\ эффективной работы на тепловом потреблении за счет утилизации теплоты уходящих газов в водоводяном теплообменнике (ВВТО) /,)вет„; низкоэффективной раздельной работы 1цра,д, которая может приводить к перерасходу топлива в системе. В соответствии с этими особенностями удельная выработка электроэнергии на тепловом потреблении определится по формуле

дм «и» +Ли» + \МГФ

_ Ц'У /ТУ ч-ЩУ/Гу ч-а/Уди» / I 1

Уэ- - —; , (1)

где Ш""?,АЫ™У - электрическая мощность ГТУ, выработанные на тепловом потреблении; ДЛ^ - мощность теплофикационного потока ПТУ; Опито -теплота, отданная в ВВТО; ()огп - теплота теплофикационного отбора паровой турбины.

В качестве показателя системной топливной эффективности теплофикационных ПГУ использован предложенный проф. А.И. Андрющенко показатель удельной экономии топлива в системе теплоэнергоснабжения

Рт = / В^', где — системная экономия топлива от комбинированной выработки электроэнергии и теплоты по сравнению с раздельной; В"™ -расход топлива на ПГУ. Системная экономия топлива ЛВ^ от комбинированной выработки электроэнергии ЭПГу и теплоты 2еь1р при использовании теплофикационных ПГУ рассчитывается по формуле

(2)

______" ' гл

'

где - удельная выработка электроэнергии на тепловом потреблении; т)Т - электрический КПД КЭС; К™* - коэффициент использования теплоты топлива в теплофикационном цикле ПГУ; 77"° - электрический КПД ПГУ;

— КПД котельной; — коэффициент использования теплоты уходящих газов; - доля электроэнергии, выработанной в ПТУ отборным паром; 41,'", ъ?"*, - соответственно, коэффициенты, учитывающие транспортные потери и выработку пиковой тепловой энергии.

Из (2) следует, что величина удельной системной экономии топлива определяется, в основном, следующими показателями: удельной выработкой электроэнергии на тепловом потреблении у, ПГУ, коэффициентом использования теплоты топлива К"* теплофикационного потока ПГУ, электрическим КПД замещаемой КЭС, а также величиной потерь энергии при транспорте теплоты. Расчетными исследованиями по разработанной методике установлено, что при использовании теплофикационных ПГУ удельная годовая экономия топлива в системе Рт достигает 0,273-0,304 в зависимости от схемы, параметров рабочих тел ПГУ, климатических факторов и тепловых нагрузок.

Для определения экономической эффективности различных схем теплофикационных ПГУ разработана расширенная экономико-математическая модель, в основу которой положен расчет сравнительного эффекта, определяемого по формуле

ЛЯ = ¿(аз,""+дз;+дз;+дз;)- (1+е)'-+лф„ • (1+е)~т , (З)

где АЗ"'', ДЗ," — соответственно, экономия затрат в сферах производства и потребления всех видов энергии, вырабатываемых системой в 1-й год операционной деятельности; АЗ' - стоимостная оценка социального эффекта в /-Й год в сравниваемых вариантах; дз* - стоимостная оценка системных затрат при сравнении вариантов теплофикационных ПГУ, отличающихся уровнем надежности в С-й год; ДФт~ разность остаточной стоимости основ-

ных фондов на конец расчетного периода времени Т; Е - норматив приведения разновременных затрат и эффектов.

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

Так как исследуемые системы теплоснабжения на базе теплофикационных ПГУ являются многофункциональными, показатели надежности (ПН) по отпуску каждого вида энергии определяются отдельно. В этих условиях критерием выбора оптимальных решений является условие

ДЭЕ->тах при условии ПН'Э<ПН0(Х, У, 2\ ПИ'д < ПНц(.\',У,7.), (4)

где ПНэ(х,У,2\ПНд{х,У,2),ПН'3,ПН'д - соответственно, расчетные значения показателей надежности по отпуску электрической и тепловой энергии, зависящие от термодинамических параметров, конструктивных решений и внешних условий и их нормативные значения.

Выполнение требуемых значений ПН энергоснабжения обеспечено учетом дополнительных системных затрат на компенсацию недоотпуска энергии в случае полного или частичного отказов работоспособности ПГУ. Величина дополнительных затрат в системе (Л3„) для обеспечения заданной (оптимальной) надежности включает следующие составляющие: затраты на создание аварийного резерва электрической мощности Л',',' в энергосистеме; затраты на создание аварийного резерва тепловой мощности (пиково-резервные водогрейные котлы); топливные затраты на пуски-остановы и функционирование резервных установок; ущерб, наносимый ухудшением качества электроэнергии вследствие нарушения баланса мощностей при аварийном останове генерирующего оборудования; затраты трудовых и материальных ресурсов на ремонт (замену) отказавшего оборудования. Разработаны методики расчета указанных дополнительных системных затрат на обеспечение заданного уровня надежности энергоснабжения.

Дополнительные системные затраты на создание и функционирование аварийного резерва мощности определятся как сумма

АЗ™ = глда,*; + г„/1 - к^^^ц^-ьГиж + + , (5)

где г — коэффициент аварийного резерва мощности в энергосистеме общей мощностью Л'с; £ - коэффициент, учитывающий условие создания резервной мощности в системе, отчисления на амортизацию и реновацию резервных энергоустановок /-го типа с удельными капиталовложениями в них к,р; т,ш - плановое число часов работы исследуемой установки в году; К)Ф - ко-

эффициент эффективности исследуемой установки, рассчитываемый как

сумма КэФ = ; КГк - коэффициент готовности исследуемой уста-

иовки по отношению к к-му уровню относительной мощности Л^; Ьр, -удельный расход топлива на резервной установке ¿-го типа с использованием топлива стоимостью Цр,\ Л'/ - мощность резервной установки /-го типа; ы- удельный расход топлива на ПГУ с использованием топлива стоимостью //,; В" — дополнительные пусковые расходы топлива резервной установкой 1-го типа при его стоимости Цп.

Методика расчета величины аварийного резерва мощности в системе, основанная на использовании процедуры эквивалентирования разнородной энергосистемы и последующего расчета величины резерва мощности, развита в направлении учета частичных отказов работоспособности и функционирования энергоблоков и меняющейся структуры генерирующих мощностей. При этом характеристики эквивалентированной системы рассчитываются по формулам

п т п т п т / \

< I I N <1-Ру))( £ £ N - I I (/V у(1-Ру)> / = /; = / и ¡ = 1] = 1 / = /1 = 1

(6)

.VV.it1-''») в = _, лг, =1^1—, (7)

Чэ п "о

£ N ;

/ = 1

где Ыу, Ру- мощность блока /-го типа в у'-м состоянии; п - число блоков /-го типа; т - число возможных состояний блока /-го типа; п„ q3, Л'3 - число, аварийность и мощность блока эквивалентированной системы.

Аварийный резерв мощности в системе Л',, определяется как доля мощности в энергосистеме, покрывающая ее дефицит в случае аварийного останова или режимного отказа энергоблока при заданном значении индекса надежности электроснабжения потребителей /<".

Изложенные методические положения положены в основу оценки сравнительной эффективности различных схем теплофикационных ПГУ в системах теплоснабжения.

Во второй главе «Методические положения расчета показателей надежности котлов-утилизаторов теплофикационных ПГУ» разработаны вероятностный подход и методика расчета безотказности КУ ПГУ.

Детерминированные методы расчета ПН элементов энергооборудования, основанные на расчете относительных или абсолютных запасов прочности и долговечности, получившие достаточно широкое применение, не учитывают ряда реальных эксплуатационных факторов. В действительных условиях эксплуатации значения служебных характеристик металла (предел

длительной прочности, предел усталости и др.) и действующих (растягивающих, изгибных, кручения, термических и др.) напряжений носят случайный характер из-за случайных нарушений стационарных режимов работы вследствие нестационарности расходов рабочих тел и отклонений характерных размеров элементов вследствие производственных, технологических и эксплуатационных факторов. Поэтому в настоящей работе расчет ПН элементов энергооборудования базируется на основе вероятностных методов, позволяющих учесть статистическое рассеяние характеристик прочности и нагруженности с использованием теории случайных величин и случайных функций.

В основу математической модели расчета одного из важнейших единичных показателей надежности КУ - его безотказности - положено следующее:

- КУ делится на зоны, каждая из которых вносит свой вклад в вероятность отказа: экономайзерная, испарительная и перегревательная зоны;

- действующие напряжения являются случайными величинами, разброс которых относительно математического ожидания определяется случайными факторами;

- служебные характеристики применяемых материалов (предел длительной прочности и предел выносливости) являются случайными величинами, распределёнными по какому-либо вероятностному закону;

- оценка безотказности проводится из условия определения вероятности непревышения действующих напряжений допустимых значений на каждом расчетном участке. Для определения этого условия используются свёртки дифференциальных функций распределения действующих напряжений и их предельных значений.

Под безотказностью понимается вероятность непревышения величины нагружения Х(/) = (х,.....л,,...,л,,;) величины предела прочности

Г (г) = (у,, ....у,.....у.,1), то есть попадания случайной функции работоспособности (ФР) 2(г)= Х(1)-У(1) в область отрицательных значений. Если в КУ выделено т (т = /, т) зон, а безотказность каждой из них характеризуется п(п = 1, п) ФР, то условие безотказности запишется в виде

2„т(0 = {шт[Угк(0-Х„к(1)])га >0, те ш;пбл. (8)

Вероятность того, что для от - й зоны КУ (опуская индекс т) действующие напряжения сг(г)превысят допустимые<т(г), то есть 7(1)>О, определится как

Р[ст(1)>а(.1)] = Ц/(ст,а,1)4ас1а, (9)

где/(<т,(7,() - совместная дифференциальная функция распределения вероятностей приведённых напряжений и длительной прочности.

Условие работоспособности зон КУ имеет вид ^(г) = а(0-а(0<0. Используя его для определения областей интегрирования (9), получим _ _ _

Г{ст(0 < а(г)} = \ \]\а,о,1)11ас1<т, (10)

В случае, если величины <т и ст распределены по нормальным законам, вероятность безотказной работы запишется в виде

Р{а <сг,1} = 0,5 - Ф[

Л/(<т(0)-М(о-(/))

(П)

где Ф[/?] - функция Лапласа; М(<т(0),М(<г(0Х- соответственно, математические ожидания и дисперсии действующих и предельных напряжений в момент времени Г.

Пользуясь квантилем функции нормального распределения ир и коэффициентом запаса, рассчитываемым как К]ап = а/сг, получим

и =(1~к ¡(к -V +у_)2 +2К у уЛ (12)

р зап зап а а' зап а а у 4

где - соответственно, коэффициенты вариации действующих

напряжений и допустимых значений.

На рисунке 3 показано изменение вероятности отказа ц-(1-Р) элемента, например, выходного пакета пароперегревателя КУ, в зависимости от величины коэффициента запаса Кшп и дисперсии действующих напряжений и их предельных значений. Из рисунка 3 следует, что величина Ктп оказывает определяющее влияние на значение вероятности отказа ц .

0,45 0,4 0,35 0.3 0,25 0,2 0,15 0.1 0,05 0

—

0 И п

\

\\\

/

1\

11 1 /

V \ \

4«

Ч(ир>

1 1,1 и 1.4 1.6 1,8 2 2,2 2,4 2.6 2,8 3 Кэ

1.2 1.25 1,3 1.4 1,6 1.В 2 2,2 2,4

Рисунок 3 - Влияние коэффициента запаса Кзап на вероятность отказа элемента КУ

Расчетно-теоретическими исследованиями установлено, что при значениях коэффициента запаса более 1,8-2,0 значения вероятностей отказа при различных сочетаниях вероятностных законов распределения достаточно близки. При этом наиболее консервативная оценка безотказности получается в случае нормальных законов распределения.

Наряду со стационарными напряжениями трубный пучок испарительной зоны КУ испытывает переменные термические напряжения, обусловленные пульсациями температур. Наибольший размах температурных пульсаций достигается в зоне кризиса теплоотдачи при кипении, определяемый как

1 + (а2 + а3)( Я, +/?„,) + агаг (Я, +/?„,)2 где А/пю = tr-t,, где ir - температура греющей среды (продуктов сгорания после газовой турбины ПГУ) в соответствующей зоне КУ; rs — температура насыщения а], а2 - коэффициенты теплоотдачи при ухудшенном теплообмене и режиме развитого кипения; я,, Rm - термические сопротивления теплоотдачи от газа к стенке и стенки.

Расчёт вероятности безотказной работы при циклическом изменении температур и напряжений в зоне кризиса теплоотдачи при кипении в испарительной зоне КУ сводится к определению вероятности непревышения амплитуды действующих напряжений <то допустимых значений. Если случайная величина аа распределена по усечённому закону Рэлея, а значения craö — по нормальному закону, то выражение для расчёта вероятности безотказной работы имеет вид

По. <О = f(exp[-0,5^^(lх

О „ + О _

"" , (14)

уф[M(vj-a/tQj )-A/(Q];

где е - параметр усечения; 5 = /(5^ + ); - соответственно, дис-

персии действующих и предельных напряжений.

Учитывая вклад каждой зоны КУ в общую надежность, вероятность безотказной работы КУ определится как

P{t) = {P(<r<ä,t)P(aa <<?ад,/)}-, (15)

где т — количество выделенных зон КУ.

Определенные по разработанной методике ПН КУ являются вероятностно неопределенными, точность расчетных значений которых определяется точностью математической модели термонапряженного состояния трубного пучка КУ, принятого метода расчета безотказности и точностью исходных данных и расчетов. Поэтому поставлена и решена задача учета неопределенности расчетных значений ПН КУ при обосновании рациональных схем теплофикационных ПГУ.

Если критерий эффективности выбора оптимальных параметров и технических решений, например чистого дисконтированного дохода (ЧДЦ), представить в виде R(x, к), где каждое расчетное значение ПН к реализуется с вероятностью р (,к/Мко, So), то ожидаемое значение критерия эффективности R(x,k) определится как

Л(^к) = |я(лг,к)р(к/Л/м,50>/к, (16)

где х - оптимизируемый термодинамический параметр рабочего тела или техническое (схемное) решение.

«Истинное» значение ПН к,, полученное, например, по результатам эксплуатации ПГУ, также является случайной величиной с плотностью вероятности р(к/МК1, S/J. Величина к, может быть как больше, так и меньше расчетного значения к0, однако априори информативность «истинного» значения кj существенно выше, чем расчетного значения к0, т.е. 5/ < S0.

Значения MKi и Sl можно оценить пользуясь плотностью вероятности получения К/ в виде р(Мю/ Мт Sa Si). Тогда ожидаемое значение критерия R(x,k) при «истинных» значениях МК1 и 5, запишется в виде

Rt(x,K) = jp(M„/M1[.,S.,S,)dM„-jR(,x,K)p{K/M,l,S,)dK. (17)

Используя проведенные соотношения, выражение для расчета разности максимальных значений критериев эффективности запишется в виде

ЛГЦх.к) = maxRfx, к) - maxTt. (х, и) = AS! = Лх""7 , (18)

Rx(X,k) (M,t -Л/и)

Величина AR(x,k) зависит от значений (Мк,-МЛ0) и информативности «истинных» и расчетных значений показателей надежности.

Разработанные вероятностный подход, методика расчета безотказности КУ, а также методика учета неопределенности расчетных значений ПН КУ положены в основу расчета безотказности КУ и выбора рациональных схем теплофикационных ПГУ.

В третьей главе «Расчетно-теоретические исследования показателей надежности котлов-утилизаторов теплофикационных ПГУ» разработана математическая модель расчета конструктивных характеристик горизонтального КУ с последовательным расположением поверхностей нагрева. Принципиальная расчетная схема КУ с тремя уровнями давления генерируемого пара приведена на рисунке 1.

Для исследуемого КУ приняты следующие характеристики теплооб-менных поверхностей: трубы выполнены со спирально-ленточным оребре-нием; внутренний диаметр трубы ¿/,=32 мм; наружный диаметр <rV,=38 мм; для экономайзеров высокого давления (ЭВД) применены трубы с ¿/,=26 мм, d2=32 мм; номинальная толщина стенки трубы составляет 3 мм; высота ребра И=20 мм и 23 мм (для ЭВД); толщина всех ребер <5= 0,8 мм; шаг витков ребер /=2,7 мм; поперечный шаг .S',=0,084 м. Материал труб ППВД сталь 12Х1МФ, остальных поверхностей нагрева — Сталь 20.

Разработан алгоритм расчета конструктивных и энергетических характеристик КУ, который положен в основу комплекса программ зарегистрированного в реестре программ для ЭВМ №2014660962. С использованием комплекса проведены расчетно-теоретические исследования конструктивных и энергетических характеристик КУ для схем ПГУ теплофикационной ПГУ мощностью 110 МВт, отличающихся количеством уровней давлений генерируемого в КУ пара и выполненных на базе ГТУ типа PG6111FA фирмы General Electric мощностью 77 МВт со следующими характеристиками: степень повышения давления в компрессоре 15,8; расход воздуха через компрессор 203,3 кг/с; температура продуктов сгорания после

турбины 600°С. В качестве паровой турбины принята турбина типа Т-25/33-7,6/0,12 ОАО «Калужский турбинный завод» с параметрами свежего пара высокого давления 7,62 МПа и 531 С. Установлено, что общая поверхность нагрева трехконтурного горизонтального КУ представлена 4 типовыми модулями, состоящими из 20 и 18 рядов труб по ходу продуктов сгорания. Модуль 1 состоит из 6 рядов труб ППВД и 14 рядов труб ИВД; модуль 2 состоит из 10 рядов труб ЭВД, 2 рядов труб ППСД, 4 рядов труб ИСД и 2 рядов труб ЭСД; модуль 3 состоит из 2 рядов труб ППНД, 12 рядов труб ИНД и 4 рядов труб ГПК1/1 (ГПК делится на две части); модуль 4 включает в себя 18 рядов труб ГПК 1/2 .У двухконтурного КУ поверхность нагрева также включает 4 типовых модуля по 20 и 18 рядов труб по ходу продуктов сгорания. Модуль 1 состоит из 6 рядов труб ППВД и 14 рядов труб ИВД; модуль 2 - из 18 рядов труб ЭВД; модуль 3 - из 2 рядов труб ППНД, 10 рядов труб ИНД и 6 рядов труб ГПК1/1; модуль 4 - из 18 рядов труб ГПК 1/2. Одноконтурный КУ состоит из 2 типовых модулей по 20 и 18 рядов труб по ходу продуктов сгорания. Модуль 1 включает 6 рядов труб ПП и 14 рядов труб ИСП; модуль 2-18 рядов труб ЭК. Число параллельных труб в каждом ряду составляет 55 штук.

Результаты расчетов коэффициентов готовностей поверхностей нагрева и КУ в целом сведены в таблицу 1.

Таблица 1 - Расчетные значения коэффициентов готовности КУ с учетом влияния термических напряжений___

Элемент Приведенное напряжение, МПа Допускаемое напряжение, МПа Эффективное напряжение, МПа Коэф. запаса (дейст.) Р«=2-105 ч) Число труб, шт. Коэф. готовности

Отдельные зоны трехконтурного КУ

ППВД пр. 41,1 48,5 35,59 1,3626 0,98397 332 0,97532

гиб 50,94 48,5 44,12 1,0993 0,74810 166

ИВД пр. 78,43 117 67,91 1,7225 0,99985 828 0,99883

гиб 90,79 117 78,62 1,4881 0,99673 414

ЭВД пр. 88,51 112,7 76,64 1,4704 0,99591 822 0,97444

гиб 88,71 112,7 76,82 1,4671 0,99571 411

ППСД пр. 24,48 124,1 21,21 5,8549 0,9Ь 22 0,99999

гиб 27,84 124,1 24,11 5,1476 0,9> 11

ИСД пр. 40,68 129,7 35,23 3,6814 0,95 154 0,99988

гиб 47,11 129,7 40,78 3,1805 0,9! 77

ЭСД пр. 58,58 121,8 50,71 2,4001 0,9' 14 0,99998

гиб 67,81 121,8 58,72 2,0742 0,9' 7

ППНД пр. 8,91 132 7,71 17,126 0,9' 12 0,99999

гиб 10,12 132 8,77 15,057 0,9" 6

ИНД пр. 11,39 132 9,86 13,381 0,9" 634 0,99999

гиб 13,18 132 11,42 11,560 0,9'' 317

ГПК пр. 20,34 132 17,62 7,4932 0,9" 1228 0,99999

гиб 23,54 132 20,39 6,4739 0,9' 614

Трехконтурный котел-утнлизатор в целом 0,94911

Отдельные зоны двухконтурного КУ

ППВД пр. 41,1 48,5 35,59 1,3626 0,98397 334 0,97518

гиб 50,94 48,5 44,12 1,0993 0,74811 167

ивд пр. 78,43 117 67,9 1,7225 0,99858 778 0,99890

гиб 90,79 117 78,62 1,4881 0,99677 389

ЭВД пр. 88,5 119 76,64 1,5526 0,99856 1034 0,98853

гиб 88,7 119 76,82 1,5491 0,99849 517

ППНД пр. 8,9 132 7,71 17,123 0,9" 16 0,99999

гиб 10,12 132 8,77 15,057 0,9' 8

ИНД пр. 11,39 132 9,86 13,381 0,9' 550 0,99999

гиб 13,18 132 11,42 11,56 0,9" 275

ГПК пр. 20,34 132 17,62 7,4932 0,9" 1290 0,99999

гиб 23,54 132 20,39 6,4739 0,9" 645

Двухконтурный котел-утилизатор в целом 0,96291

Отдельные зоны одноконтурного КУ

ПЕ пр. 41,1 48,5 35,59 1,3626 0,98397 310 0,97692

гиб 50,94 48,5 44,12 1,0993 0,74811 155

ИСП пр. 78,43 116 67,9 1,4722 0,99611 714 0,99882

гиб 90,79 116 78,62 . 1,2719 0,95349 357

ГПК пр. 20,34 122 17,62 6,9256 0,9" 1586 0,99999

гиб 23,54 122 20,39 5,9834 0,9' 793

Одноконтурный котел-утилизатор в целом 0,97576

Из таблицы следует, что усложнение схемы КУ приводит к снижению безотказности. При этом определяющее влияние на безотказность оказывают характеристики контура высокого давления.

В четвертой главе «Системная эффективность теплофикационных ПГУ в системах теплоэнергоснабжения» проведен сравнительный анализ теплофикационной ПГУ мощностью 110 МВт, выполненной с одно-, двух-и трехконтурным КУ и одной паровой турбиной с теплофикационным отбором пара. Сравнение схем проведено для условий размещения ПГУ в энергосистеме Северо-Запада с расчетной тепловой нагрузкой 89,5 МВт с температурным графиком теплосети 115/70 °С.

Значения показателей эффективности сравниваемых вариантов теплофикационных ПГУ приведены в таблице 2 при следующих исходных данных: стоимость топлива, тарифы на электроэнергию и тепло в первый год эксплуатации приняты равными 4830 руб./т у.т.,180 коп/кВт*ч и 1404,1 руб./Гкал соответственно.

Таблица 2 - Основные экономические показатели проектов строительства теплофикационных ПГУ

Показатель Ед. изм. Схема

1 давление 11 давления III давления

Капиталовложения млн руб. 5281,4 5436,1 5442,3

Чистый дисконтированный доход* млн руб. 1694,3 1791,3 2063,9

Внутренняя норма доходности - 0,1526 0,1534 0,1582

Индекс доходности - 1,2547 1,2615 1,3010

Дисконтированный срок окупаемости лет 14,5 14,0 13,0

*с учетом дополнительных системных затрат на обеспечение надежности электро-и теплоснабжения потребителей

Влияние неопределенности исходной технико-экономической информации на результаты сравнительного анализа эффективности схем теплофикационных ПГУ оценено по величине коэффициента чувствительности, рассчитываемому как

Г = 09)

я ах у '

где Я — исследуемый критерий эффективности; X — технико-экономический фактор, влияющий на значение этого показателя эффективности.

В таблице 3 представлены значения коэффициентов чувствительности величин ЧДД по отношению к изменению тарифов на электрическую у(Тээ) и тепловую У(ттэ) энергию, цен на топливо у(цт) и величины капиталовложений в строительство ПГУ у(к>, выполненных по схемам с одно-, двух- и трехкон-турными КУ. Анализ полученных коэффициентов чувствительности у показал, что наибольшие абсолютные значения коэффициентов у характерны для тарифов на электроэнергию.

Таблица 3 - Коэффициенты чувствительности для ЧДД

Схема ПГУ ТЭЦ I давление II давления III давления

У(Тэт) 5,308 5,236 4,834

УГГгз) 2,81 2,65 2,31

Ушт) -3,317 -1,093 -0,942

У(Ю -3,128 -3,099 -2,806

У(Тээ. Ттз, Цт, К) 1,136 1,095 1,086

Полученные результаты позволяют сделать вывод об экономических преимуществах схемы теплофикационных ПГУ с трехконтурным КУ.

Заключение

1. В развитие методологии системных термодинамических исследований разработана методика термодинамического анализа и определения системной топливной эффективности теплофикационных ПГУ, выполненных по схемам с одно-, двух- и трехконтурным котлом-утилизатором с учетом реальных условий их функционирования в системах теплоэнергоснабжения. По сравнению с раздельной схемой производства электрической и тепловой энергии применение теплофикационных ПГУ обеспечивает системную экономию топлива до 27,0-30,5 % в зависимости от схем, режимов работы ПГУ, показателей надежности и системных факторов. Теплофикационные ПГУ с трехконтурным КУ обеспечивают повышение удельной системной экономии топлива на 5,5 % и на 12,1% по сравнению со схемой с двухконтурным и с одноконтурным КУ соответственно.

2. Разработана математическая модель и комплекс программ для расчета конструктивных и энергетических характеристик одно-, двух- и трехконтур-ных котлов-утилизаторов теплофикационных ПГУ. Расчетными исследованиями установлено, что в схемах ПГУ с трехконтурным КУ удельная поверхность нагрева составляет 1,21 м2/кВт, для схем с двухконтурным КУ удельная поверхность нагрева составляет 1,19 м2/кВт тепловой мощности.

17

3. Впервые разработаны вероятностный подход и методика расчета безотказности котлов-утилизаторов теплофикационных ПГУ, основанные на вероятностном представлении действующих напряжений и их предельных значений и позволяющая рассчитать комплексные показатели надежности КУ и ПГУ в целом. Расчетно-теоретическими исследованиями установлено определяющее влияние параметров рабочих тел, конструктивных характеристик теп-лообменных поверхностей нагрева, компоновочных решений КУ и режимов работы ПГУ на их единичные и комплексные показатели надежности. Показано, что применение схем ПГУ с трехконтурным КУ приводит к повышению коэффициента аварийности блока на 0,035 - 0,051 по сравнению со схемой с одноконтурным КУ. Более рациональной является схема ПГУ с прямоточной схемой движения теплоносителей в испарйтельной зоне котла-утилизатора.

4. Разработана расширенная экономико-математическая модель определения сравнительной экономической эффективности применения теплофикационных ПГУ, выполненных по различным схемам КУ, учитывающая реальные условия их работы в системах теплоэнергоснабжения и требования надежности энергоснабжения. Показано, что схема с трехконтурным КУ обеспечивает рост системного эффекта на величину 370 млн. руб. по сравнению со схемой с одно-контурным КУ и 254 млн. руб. по сравнению со схемой с двух-контурным КУ. Реализация схемы отопительной ПГУ с трехконтурным КУ мощностью 110 МВт обеспечивает срок окупаемости инвестиций не более 13 лет при значении величины ЧДД 2063,9 млн. руб. и внутренней норме доходности 15,8%.

5. Разработана методика учета неопределенности информации о расчетных значениях показателей надежности КУ и технико-экономических факторов на устойчивость решений по определению рациональных схем теплофикационных ПГУ. Установлено, что неопределенность расчетных значений коэффициентов безотказности в диапазоне 10-15% сохраняет экономические преимущества применения схемы с трехконтурным КУ. Анализ значений коэффициентов чувствительности показал, что основными факторами, определяющими эффективность различных схем теплофикационных ПГУ, являются режимы их работы, условия и объемы реализации электрической и тепловой энергии и условия финансирования инвестиций в их сооружение.

Основные положения и результаты диссертации изложены в следующих публикациях (наиболее значимые работы)

Публикации в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК Минобрнауки РФ

1. Анкудинова, М.С. Математическая модель и методика расчета безотказности парогенераторов отопительных парогазовых установок / М.С. Анкудинова, Е.А. Ларин, Л.А. Сандалова // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2012. № 2 (66). С. 152-157.

2. Анкудинова, М.С. Вероятностная модель расчета безотказности элементов энергооборудования комбинированных ТЭУ / М.С. Анкудинова // Современные проблемы науки и образования [Электронный журнал]. М., 2013. № 6. С. 1-5. Режим доступа: http://www.science-education.ru/! 13-11356.

3. Анкудинова, М.С. Метод учета неопределенности информации о надежности при оптимизации схем и параметров ПГУ в системах теплоэнерго-снабжения / М.С. Анкудинова, Е.А. Ларин, К.Э. Обозов // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 1. URL: http://ww\v.science-education.ru/121-18271

4. Анкудинова, М.С. Сравнительная системная тепловая и топливная эффективность отопительных ПГУ / М.С. Анкудинова, Е.А. Ларин, Л.А. Санда-лова//Труды Академэнерго. 2015. № 1. С. 47-56.

5. Анкудинова М.С. Методы расчета и учета показателей надежности котла-утилизатора при выборе рациональных схем отопительных ПГУ / М.С. Анкудинова, Е.А. Ларин, Л.А. Сандалова // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2015. № 2 (79).,С. 133-141.

Патенты, программы для ЭВМ

1. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2014660962.Расчет и выбор котла-утилизатора газотрубного / Долотовский И.В., Анкудинова М.С. Заявка № 2014617519; Зарегистр. в реестре программ для ЭВМ 20.10.2014

Публикации в других изданиях (основные)

1. Анкудинова, М. С. Методика расчета и обеспечения надежности систем теплоснабжения / М.С. Анкудинова, Е.А. Ларин, Л.А. Сандалова // Проблемы энерго- и ресурсосбережения : сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2010. С. 289-294.

2. Анкудинова, М. С. К расчету показателей надежности маневренных комбинированных установок / М.С. Анкудинова, Е.А. Ларин, Л.А. Сандалова // Проблемы электроэнергетики : сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2010. С. 140-144.

3. Анкудинова, М. С. Методические основы расчета безотказности парогенераторов ПГУ / М.С. Анкудинова, Е.А. Ларин, Л.А. Сандалова // Проблемы теплоэнергетики : сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2011. С. 270-274.

4. Анкудинова, М. С. Методические положения расчета безотказности парогенераторов ПГУ ПГУ / М.С. Анкудинова, Е.А. Ларин, Л.А. Сандалова // Энергетика. Эффективность, надежность, безопасность : материалы XVII Все-рос. науч.-техн. конф. Томск, 2012. Томск: Изд-во ТГТУ, 2012. С. 89-92.

5. Анкудинова, М. С. Методические положения оптимизации показателей надежности элементов отопительных ПГУ / М.С. Анкудинова, Е.А. Ларин, Л.А. Сандалова // Проблемы энерго- и ресурсосбережения : сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2012. С. 131 -136.

6. Анкудинова, М. С. Учет неопределенности информации о надежности элементов при выборе схем и параметров ПГУ / М.С. Анкудинова, Е.А. Ларин, Л.А. Сандалова // Проблемы теплоэнергетики : сб. науч. тр. Саратов, 2012. С. 93-97.

7. Анкудинова, М. С. Information System for Reliability Optimization Problems Power Systems/ М.С. Анкудинова, Е.А. Ларин, Л.А. Сандалова // International Congress on Information Technologies -2012 (ICIT-2012). Saratov, 2012. C. 55.

8. Анкудинова, М.С. Математическая модель расчета безотказности парогенераторов парогазовых установок / М.С. Анкудинова, Е.А. Ларин, Л.А. Сан-далова // DNY VEDI-2012 : материалы VII Междунар. науч.-практ. конф. Praha, 2012. С. 42-47.

9. Анкудинова, М.С. Calculation methods and models for reliability measures of CCGT power plants in energy supply systems / М.С. Анкудинова, Е.А. Ларин, К.Э. Обозов, Л.А. Сандалова // Fundamental and applied sciences today : сб. тр. USA, 2013. С. 82-87.

10. Анкудинова, М. С. Методика расчета показателей надежности котлов-утилизаторов структурно-сложных отопительных ПГУ / М.С. Анкудинова, Е.А. Ларин, К.Э. Обозов // Энергия-2013 : сб. науч. тр.VIII Междунар. науч,-техн. конф. / ИГЭУ. Иваново, 2013. С. 63-68.

11. Анкудинова, М.С. Оптимизация аварийного резерва мощности в развивающейся энергосистеме / М.С. Анкудинова, Е.А. Ларин, К.Э. Обозов // Проблемы энерго- и ресурсосбережения : сб. науч. тр. Саратов, СГТУ, 2014.

12. Анкудинова, М.С. Методы и модели расчета и обеспечения надежности отопительных ПГУ в системах теплоэнергоснабжения / М.С. Анкудинова, Е.А. Ларин, К.Э. Обозов, Л.А. Сандалова // Сб. материалов докладов Нац. конгр. по энергет., 8-12 сент. 2014 г.: в 5 т. Т. 2. Казань: Казан, гос. энерг. ун-т, 2014. С. 276-287.

13. Анкудинова, М.С. Метод расчета показателей надежности теплофикационных парогазовых установок в системах теплоэнергоснабжения / М.С. Анкудинова, Е.А. Ларин, К.Э. Обозов, Л.А. Сандалова // Проблемы теплоэнергетики : сб. науч. тр. Саратов, 2014. С. 23-29.

С. 20-25.

Анкудинова Мария Сергеевна

ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ СХЕМ ТЕПЛОФИКАЦИОННЫХ ПГУ С УЧЕТОМ НАДЕЖНОСТИ КОТЛА-УТИЛИЗАТОРА

Автореферат Корректор Л.А. Скворцова

Подписано в печать 28.07.15 Бум. офсет. Тираж 100 экз.

Усл.-печ. л. 1,0 Заказ 89

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

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.

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