На правах рукописи

ГРИЦЕНКО Марина Викторовна

КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ТЭС

ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ УГЛЕЙ

Специальность 05.14.01 Энергетические системы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Иркутск - 2008

Работа выполнена в Институте систем энергетики им. Л.А. Мелентьева

Сибирского отделения Российской Академии Наук (СО РАН)

Защита состоится 20 июня 2008 года в 9 часов на заседании диссертационного совета Д 003.017.01 при Институте систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН по адресу: 664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 130.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах с подписью составителя, заверенный печатью организации, просим направлять по адресу диссертационного совета: 664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 130.

Автореферат разослан л мая 2008 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 003.017.01

д.т.н., профессор А.М. Клер

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. ТЭС на твердом топливе играют важную роль в обеспечении потребности восточных регионов нашей страны в электрической и тепловой энергии. Однако в последние 15-20 лет значительная часть этих ТЭС вынуждена сжигать непроектное топливо, а зачастую и топливо переменного состава. Это связано как с исчерпанием запасов ряда угольных месторождений, так и с переходом топливоснабжения электроэнергетики на рыночные отношения.

Перевод работы угольной ТЭС с одного вида топлива на другой часто приводит к существенному изменению эксплуатационных издержек в связи со следующим. Изменение химического состава горючей массы угля, а также его влажности и зольности приводит к изменению его теплотворной способности, объема продуктов сгорания, образующихся на единицу выделяемого тепла и концентрации золы в продуктах сгорания. В свою очередь это обуславливает изменение КПД котла, расхода электроэнергии на собственные нужды, объемов образующихся вредных выбросов и золы. Кроме того, могут значительно измениться абразивные свойства золы, ее температуры размягчения и плавления.

Все это приводит к изменению топливных издержек, затрат на золоудаление, издержек на ремонты котельного оборудования, обусловленных эрозионным износом золой, платы за выбросы и некоторых других затрат.

Влияние качественных параметров топлива на показатели работы котельных установок исследовали в различное время ВТИ, ТЭП, ОРГРЭС, УраВТИ и некоторые другие организации. Применительно к ТЭС в наиболее систематизированной форме эти вопросы рассмотрены в работах А.С. Горшкова.

Основные работы по исследованию неорганической составляющей топлива и влиянию ее на работу энергооборудования выполнены Вдовенко М.И., Дик Э.П., Залкинд И.Я., Вдовченко В.С.

Вопросам определения эквивалентных затрат на топливо посвящены работы Эдельмана В.И., Говсиевича Е.Р., Мельникова А.П., Гаврилова А.Ф., Гаврилова Е.И. и др. Однако предлагаемые методики по определению соотношения цен между топливными ресурсами, не в полной мере учитывают качество топлива (оценивается лишь его теплота сгорания), а также последствия от использования на ТЭС данного вида угля (не учитываются затраты, связанные с абразивным износом оборудования и работой котлоагрегатов при частичных нагрузках).

Без комплексного учета эффекта от перехода ТЭС с одного вида твердого топлива на другой невозможно принять обоснованные решения по организации рационального топливоснабжения угольных электростанций. Этим и обусловлена актуальность решаемой в диссертации задачи.

Целью настоящей диссертационной работы является: разработка комплексной методики по определению эффективности работы ТЭС при использовании различных видов угля, и оценки экономической целесообразности их использования; разработка математической модели парового котла, позволяющей определять его тепловую эффективность (КПД), затраты электроэнергии на собственные нужды, а также параметры, требуемые для расчета абразивного износа поверхностей нагрева (температуры и скорости продуктов сгорания, концентрации золы и др.) при работе котла на разных видах топлива и различных нагрузках; выполнение расчетов по комплексной оценке затрат, связанных с использованием различных видов углей и определением равноэкономичной (по сравнению с проектным топливом) стоимости альтернативных углей на примере конкретной ТЭС.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые получены и вынесены на защиту следующие результаты:

1. Комплексная методика по определению по определению эффективности работы ТЭС при использовании различных видов угля и оценки экономической целесообразности его использования, учитывающая затраты от изменения состава сжигаемого топлива на эксплуатацию оборудования по всему топливному тракту.
2. Математическая модель парового котла, позволяющая проводить поверочный тепловой и аэродинамический расчет при работе котла на разных видах топлива и различных нагрузках, и определять золовой износ его поверхностей нагрева.
3. Результаты исследований по определению эксплуатационных затрат ТЭС с котлами E 420-13,8 при сжигании углей четырех месторождений Дальнего Востока и определению равноэкономичных цен для этих углей.

Практическая ценность заключается в возможности использования разработанного методического подхода для оценки целесообразности перевода ТЭС с проектного угля на альтернативные, с учетом как цен углей, так и затрат, связанных с их использованием на электростанции.

Апробация работы. Результаты диссертационного исследования обсуждались: на IV семинаре вузов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике (Владивосток: ДВГТУ, 2005); на IV Всероссийской научно-технической конференции с международным участием Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов (Благовещенск: АмГУ, 2005); на Всероссийской научно-технической конференции с международным участием Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири (Иркутск: ИрГТУ, 2007).

Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 5 печатных изданиях, из них одна статья в рецензируемом издании, входящим в перечень рекомендованных изданий ВАК, две статьи в материалах всероссийских конференций с международным участием, одна статья в материалах регионального семинара, одна статья в сборнике трудов вуза.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем составляет 131 стр., в том числе 7 рисунков и 32 таблицы, список литературы включает 101 наименование, приложение - 13 стр.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность решаемой в диссертации проблемы, определена цель работы, ее практическая значимость, научная новизна, а также дано краткое содержание работы.

В первой главе представлен аналитический обзор российских и зарубежных работ, посвященных влиянию изменения состава твердого топлива на эффективность работы ТЭС. Приведены подходы к определению изменения топливных издержек, платы за выбросы, затрат на топливоподачу и золоудаление. Рассмотрены работы, посвященные определению абразивного износа конвективных поверхностей нагрева котла.

На основе анализа сформулирована необходимость разработки комплексной методики определения эффективности работы ТЭС при использовании различных видов углей, учитывающей как цены углей, так и затраты, связанных с их использованием.

Во второй главе представлена комплексная методика, позволяющая определить удельные затраты, связанные с заменой проектного угля на альтернативный, и оценить экономическую целесообразность использования альтернативного

1 угля. Методика разработана автором диссертации совместно с А.М. Клером и Е. Л. Степановой.

Суть методики состоит в следующем. Определяются годовые расходы топлива, с учетом влияния состава угля на КПД котлов в характерных режимах, хорошо представляющих всю совокупность режимов работы ТЭС за расчетный период. Для этого выполняются поверочные тепловые и аэродинамические расчеты котлов в характерных режимах. Кроме того, на основе этих расчетов определяется годовой абразивный износ конвективных поверхностей нагрева котла. Определенные в результате серии поверочных расчетов котлов в характерных режимах показатели используются для нахождения части суммарных ежегодных издержек по ТЭС, зависящих от свойств угля. Знание указанных издержек для проектного и альтернативных топлив позволяет сформулировать для них условия, которым должны отвечать цены этих углей, чтобы их использование на ТЭС было равноэкономичным. Блок-схема описанных выше расчетов представлена на рис. 1.

Рис. 1. Блок-схема для определения равноэкономичной цены угля

Часть суммарных ежегодных затрат по ТЭС, зависящая от физико-химических свойств угля и его цены, может быть представлена в следующем виде:

, (1)

где - затраты на покупку и перевозку топлива, руб./год; - затраты на разгрузку, складирование и подачу топлива, руб./год; - затраты на ремонт систем разгрузки, складирования и подачи топлива, руб./год; - затраты на ремонт основного и вспомогательного котельного оборудования, руб./год; - затраты на ремонт систем золоулавливания, руб./год; - затраты на золошлакоудаление, руб./год; - затраты на ремонт систем золошлакоудаления, руб./год; - затраты на хранение золы и шлака, руб./год; - плата за выбросы золы, руб./год; - плата за выбросы SO2, руб.

Величины, входящие в выражение (1) определяются следующим образом.

Затраты на покупку и перевозку угля:

, (2)

где - цена 1 т условного топлива с учетом доставки, руб./т у.т.; - годовой расход условного топлива с учетом потерь при хранении и транспортировке, т у.т/год.

, (3)

где - среднегодовой расход угля по ТЭС (количество угля, сжигаемого в котлоагрегатах), т у.т./год; - потери угля при хранении и транспортировке,

т у.т./год.

Затраты на разгрузку, складирование и подачу угля:

, (4)

где - удельные затраты на разгрузку, складирование и подачу угля, руб./ т у.т.

Затраты на ремонт систем разгрузки, складирования и подачи угля:

, (5)

где - удельные затраты на ремонт систем разгрузки, складирования и подачи твердого топлива, руб./т у.т.

Затраты на ремонт основного и вспомогательного котельного оборудования.

Для определения удельных (на 1 т у.т.) затрат на ремонт основного и вспомогательного котельного оборудования следует отнести годовые затраты к среднегодовому расходу угля по ТЭС, определенному с учетом продолжительности характерных режимов работы котлоагрегатов.

, (6)

где - годовые затраты на ремонт основного и вспомогательного котельного оборудования, руб./год.

Годовые затраты на ремонт основного и вспомогательного котельного оборудования (с учетом абразивности угля и золы) включают в себя затраты, связанные с расходами на ремонт систем пылеприготовления и ремонт конвективных поверхностей нагрева котла - водяного экономайзера (ВЭК) и воздухоподогревателя (ВЗП).

, (7)

где - затраты на ремонт систем пылеприготовления, руб./год; Цзатраты на ремонт водяного экономайзера, руб./год; - затраты на ремонт воздухоподогревателя, руб./год.

Затраты на ремонт систем пылеприготовления в работе определялись для систем с молотковыми мельницами. Била, билодержатели и броня молотковых мельниц имеют разный срок службы даже при работе на одном угле, поэтому в затратах на ремонт систем пылеприготовления, затраты на ремонт бил, билодержателей и брони следует учитывать раздельно. Таким образом, годовые затраты на ремонт систем пылеприготовления котла, обусловленные абразивностью угля определяются:

, (8)

где Спыл1 - затраты на замену сменного набора бил, руб./год; Спыл2 - затраты на замену билодержателей, руб./год; Спыл3 - затраты на замену брони, руб./год.

Годовые затраты на замену сменного набора бил, билодержателей и брони (приведенные к началу расчетного периода), определяются:

, (9)

где Sпыл l - стоимость изготовления и замены сменного набора бил, билодержателей и брони на одну мельницу соответственно, руб.; n - число мельниц, установленных на котле; Е - ставка дисконтирования, выражаемая в долях; пыл l - срок службы до замены сменного набора бил, билодержателей и брони соответственно, год.

Для ТЭ - срок службы бил, билодержателей и брони в основном зависит от режима работы мельниц, - зимой при больших нагрузках снижается, в летнее время - увеличивается. Абразивность угля влияет, прежде всего, на износ бил, и для углей с разной абразивностью может значительно различаться.

Годовые затраты на замену водяного экономайзера котла (или его ступени), приведенные к началу расчетного периода, определяются:

, (10)

где SВЭК - стоимость изготовления и замены водяного экономайзера, руб.; ВЭК - срок службы водяного экономайзера до замены, год.

Годовые затраты на замену воздухоподогревателя (или его ступени), приведенные к началу расчетного периода, определяются:

, (11)

где SВЗП - стоимость изготовления и замены воздухоподогревателя, руб.; ВЗП - срок службы воздухоподогревателя до замены, год.

Затраты на ремонт систем золоулавливания:

, (12)

где - удельные затраты на ремонт систем золоулавливания руб./т у.т.

, (13)

где кДж/кг - теплота сгорания условного топлива; - удельные затраты на ремонт систем золоулавливания в расчете на 1 т летучей золы угля, руб./т золы.

Затраты на золошлакоудаление:

, (14)