Комплексная оценка эффективности применения стационарных газотурбинных установок на промышленно-отопительных котельных

Актуальность темы

.

В 30-х годах XX столетия начала планомерно развиваться централизация производства и распределения электроэнергии и теплоты на основе строительства электростанций, теплоэлектроцентралей и котельных большой мощности с развитыми электрическими и тепловыми сетями большой протяженности.

Главными аргументами в пользу централизации энергоснабжения стали /22/: снижение удельных капиталовложений, материальных и трудовых затрат, за счет укрупнения мощностей энергоагрегатов и установок в целомуменьшение удельных расходов топлива на выработку теплоты благодаря более высоким КПД крупных агрегатовуменьшение удельных расходов топлива на производство электроэнергии за счет комбинированной выработки электроэнергии и теплотыуменьшение загрязнения воздушного бассейна городов благодаря лучшей организации процессов горения топлива в крупных установках и очистки уходящих дымовых газов.

В настоящее время в структуре производства электроэнергии в России более 90% приходится на крупные электростанции, крайне неравномерно распределенные по ее территории /4/.

В последние доперестроичные годы наращивание мощностей ТЭЦ производилось за счет ввода крупных агрегатов единичной мощностью 50 250 МВт. Централизация производства электрической и тепловой энергии в конечном итоге имеет следствием: увеличение загрязнения воздушного бассейна пропорционально росту производства электроэнергии в промышленно развитых регионах и областях, и в пределах их территорий — в первую очередь в городахзначительное увеличение протяженности магистральных тепловых сетей и, как следствие, количества крупных аварий в системах теплоснабжения с отключением целых районов.

На современном этапе состояния экономики Россия не в состоянии обеспечить бюджетное финансирование долгосрочных программ разработки и внедрения больших серий энергоблоков новых типов. Зарождающиеся коммерческие структуры также не могут (или не имеют стимулов) финансировать капиталоемкие долгосрочные программы. Что касается иностранных инвесторов, то они с большой настороженностью относятся к крупным проектам в электроэнергетике России и согласны участвовать только в краткосрочных, реализуемых в 3−5-летние сроки /6,7/.

Эти условия вызывают рост объемов энергооборудования, полностью выработавшего свой ресурс.

Переход к рыночным отношениям между производителями и потребителями электроэнергии, ставшее реальностью многократное повышение тарифов на электроэнергию в условиях монопольного ее производства, когда каждое предприятие-потребитель электроэнергии является полностью зависимым от объединенной электроэнергетической системы (ОЭЭС), усугубляет ситуацию.

Таким образом, есть все основания полагать, что ситуация с электроснабжением в стране в ближайшие годы с развитием промышленного производства может стать критической. Резкое сокращение вводов мощностей на АЭС и ГЭС, объективная необходимость оздоровления экологической обстановки в стране — все это крайне осложняет задачу надежного и эффективного электро-, теплои топливоснабжения всех производственных отраслей и населения /2/, что в свою очередь может вызвать серьезные трудности в развитии экономики как в общем для страны, так и в отдельности для каждого региона.

Поэтому складывающаяся экономическая обстановка в стране делает переход к децентрализованному развитию электроэнергетики практически неизбежным. В условиях постоянно растущего дефицита энергомощностей и, следовательно, электроэнергии потребители будут заинтересованы в создании собственных электрогенерирующих мощностей малой и средней мощности.

Анализ реальных путей конвертирования промышленности свидетельствует о возможности обеспечения электроэнергетики России высокоавтоматизированными малогабаритными энергетическими установками малой и средней мощности с благоприятными экологическими характеристиками. Такие установки выпускаются на отечественных заводах-изготовителях авиационных, судовых и танковых двигателей, прошедших конверсию для выпуска стационарных ГТУ /2,17,19/.

Использование этих установок для энергоснабжения промышленности, коммунального и сельского хозяйства может стать более эффективным, чем сооружение новых электростанций большой мощности.

Строительство небольших электростанций в различных районах, максимально приближенных к потребителю, позволяет максимально сбалансировать производство и потребление электроэнергии в пределах существующих территорий промышленных объектов, жилых районов и административных центров.

Как показывает анализ структуры топливно-энергетических ресурсов, в обозримой перспективе, т. е. в ближайшие 20−30 лет (а возможно, и до середины XXI века), основным видом топлива для энергообъектов останется органическое топливо /1, 2/. Следует отметить, что после 1975 г. непрерывно возрастало потребление природного газа, на долю которого в структуре топливно-энергетического баланса в 1987 г. приходилось 47%. Удельный вес нефтяного топлива уже к 1987 г. несколько сократился и составил 21,7% /2/.

Появление в топливном балансе страны огромных количеств природного и попутного газов вносит серьезные изменения в господствующие представления о путях развития энергетики промышленных предприятий и городов.

В связи с увеличением в структуре топливного баланса доли газа, создаются благоприятные условия для широкого развития комбинированного производства тепла и электроэнергии на ГТУ-ТЭЦ с применением новой техники в виде газотурбинных энергетических установок /1,5/.

Это направление еще не получило должного значения, в широких кругах энергетиков, хотя на нефтеи газодобывающих предприятиях уже в настоящее время получили широкое распространение энергоустановки на базе авиационных, судовых и танковых двигателей. Однако значительная часть этих установок не оснащена теплоутилизаторами, в то время как близлежащие населенные пункты и технологическое оборудование используют теплоту, производимую в отопительных и промышленных котельных.

Учитывая, что помимо выработки электрической энергии, ГТУ производит и тепловую энергию, необходимо для рационального использования топлива установка оптимального теплоутилизатора в тепловой схеме действующей котельной, реконструируемой в ТЭЦ малой мощности /8/.

При использовании попутного тепла от ГТУ для нужд теплоснабжения, также следует учитывать изменение потребности в тепле для предприятия и теплопотребителей, подключенных к его котельной, в течение года в зависимости от температуры наружного воздуха.

В схемах проектных организаций по использованию газа в теплосиловых установках, имеется тенденция сохранить раздельное производство тепла в котельных и электроэнергии на газотурбинных станциях, с параллельным расходом топлива на их производство. Такое решение само по себе не только не дает экономии топлива в топливном балансе страны, но ведет к большому перерасходу и нерациональному использованию природного газа.

К сожалению, несмотря на большое хозяйственно-экономическое и стратегическое значение вопроса топливообеспечения, внедрение энергосберегающих мероприятий на базе прогрессивных парогазовых технологий сильно задерживается.

Также следует учитывать, что производительность освоенных месторождений природного газа в стране в недалеком будущем начнет сокращаться. Это связано с тем, что представляется невозможным в дальнейшем в периоды освоения новых газовых и газоконденсатных месторождений поддерживать добычу газа на требующемся постоянном уровне. В соответствии с действующими нормативами этот период может продлиться 12−15 лет /3/.

Учитывая все вышеизложенное, можно сделать вывод о целесообразности применения стационарных газотурбинных установках на промышленно-отопительных котельных. В связи с этим появляется задача выбора из существующей номенклатуры газотурбинных установок такой, применительно к данным климатическим условиям и реконструируемой котельной, которая бы окупалась в кратчайшие сроки и приносила максимальную прибыль.

Ни в документации на заводе-изготовителе, ни в технической литературе не приводится такая методика выбора.

Достаточно высокая стоимость таких установок и ограниченный срок службы делают поставленную задачу актуальной.

Цель работы. Исследование эффективности применения отечественных стационарных газотурбинных установок на промышленно-отопительных котельных, реконструируемых в ТЭЦ малой мощности.

Задачи исследования.

1. Исследование промышленных и муниципальных котельных Омского региона с целью определения возможности реконструкции их в ТЭЦ малой мощности на основе современных ГТУ, выпускаемых отечественными заводами, оценка получения возможной дополнительной электрической мощности.

2. Разработка методики выбора оптимального газотурбинного агрегата с оптимальным вариантом утилизации тепла после ГТУ, для его применения на существующей котельной с учетом особенностей тепловой схемы и изменением в течение года нагрузки на теплоснабжение.

3. Разработка технико-экономической модели расчета эффективности реконструкции котельной в ТЭЦ малой мощности при работе как с регулированием отпуска тепла от ГТУ для нужд теплоснабжения, так и при работе ГТУ в течение года в номинальном режиме.

Методика исследования. В основу исследований положены: разрабатываемые модели на основе уравнений термодинамики, тепломассообмена, теплового и массового балансов, гидравлики и определения технико-экономических показателей с дальнейшим решением на ЭВМ методами последовательных итерацийиспользование в качестве исходных данных графических зависимостей, полученных в результате экспериментальных и теоретических исследований с последующим их преобразованием в аналитические уравнения на основе формул интерполяции.

Достоверность разработанной математической модели поверочного расчета ГТУ качественно подтверждена в результате испытаний на стенде завода-изготовителя с использованием аттестованной измерительной аппаратуры.

Научная новизна.

1. Выполнено исследование технико-экономических показателей и структуры производства электрической и тепловой энергии на крупных промышленных и муниципальных котельных г. Омска с целью определения возможности реконструкции в ТЭЦ малой мощности на базе ГТУ.

2. Разработана методика, позволяющая определять эффективность выбираемой стационарной установки для существующей котельной в условиях изменяющегося отпуска тепла на нужды теплоснабжения в течение года.

3. Создана замкнутая математическая модель поверочного термодинамического расчета стационарного газотурбинного агрегата, позволяющая определять изменение расхода топлива ГТУ при регулировании отпуска тепловой и электрической энергии в зависимости от климатических условий, учитывающая: состав и свойства природного газасовместные режимы работы воздушного компрессора и приводящей его турбиныизменение состава и теплоемкости продуктов сгораниягидравлические сопротивления по тракту ГТУ и теплоутилизатора.

4. Разработан алгоритм и выполнено численное моделирование на ЭВМ динамики работы ГТУ при изменении нагрузки и температуры наружного воздуха с последующим анализом.

5. Предложен графоаналитический метод и выведено универсальное уравнение для определения отпуска тепловой и электрической энергии от ГТУ и соответствующего им расхода топлива на основе прогнозов стояния температуры наружного воздуха в течение года.

6. Выполнен анализ различных способов утилизации тепла после ГТУ. Для варианта установки теплоутилизатора на тепловую сеть котельной разработана математическая модель и выполнены расчеты, позволяющие определять оптимальную компоновку оребренного или гладкотрубного теплообменного аппарата.

7. Создана математическая модель, позволяющая выполнять расчет технико-экономической эффективности реконструкции котельной в ТЭЦ малой мощности при работе как с регулированием отпуска тепла от ГТУ для нужд теплоснабжения, так и при работе ГТУ в течение года только в номинальном режиме.

8. Для оценки работы ГТА предложен обобщенный критерий, позволяющий комплексно определять эффективность использования энергии в агрегате, с учетом затрат энергии на вспомогательное оборудование ГТА и утилизации тепла.

Практическая ценность исследования заключается в том, что в работе с помощью разработанной методики проведены расчеты, подтверждающие конкурентоспособность энергопродукции теплогенерирующих предприятий Омского региона на рынке тепловой и электрической энергии и перспективность реконструкции промышленно-отопительной котельной в ГТУ-ТЭЦ, как одного из вариантов развития отечественной малой энергетики.

По прогнозным оценкам уже в течение 2005;2010 годов можно получить в Омском регионе дополнительную электрическую мощность на базе теплового потребления на реконструируемых котельных в размере не менее 500 МВт. Современная тенденция роста стоимости электроэнергии и топлива может привести только к возрастанию эффективности комбинированной выработки электрической и тепловой энергии, в том числе на предприятиях малой энергетики.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Исследование технико-экономических показателей существующих промышленно-отопительных и муниципальных котельных на территории Омского региона показало перспективность получения собственных электрогенерирующих мощностей на базе имеющихся тепловых нагрузок за счет реконструкции теплоисточников с переводом их на комбинированный способ производства электрической и тепловой энергии за счет применения газотурбинных надстроек.

2. По прогнозным оценкам уже в течение 2005;2010 годов возможно получить в Омском регионе дополнительную электрическую мощность на базе теплового потребления на реконструируемых котельных в размере не менее 500 МВт.

3. Разработанная методика, позволяет выбирать стационарные газотурбинные установки из существующей номенклатуры отечественных заводов для применения на рассматриваемом теплоэнергетическом объекте с учетом температурного графика теплосети.

4. Правильный выбор при проектировании ГТУ на действующей котельной позволяет сократить сроки окупаемости до 2,5−3,0 лет и в дальнейшем такая установка приносит максимальную экономию.

5. Разработанная замкнутая математическая модель поверочного термодинамического расчета стационарного газотурбинного агрегата, учитывает: изменение расхода топлива в зависимости от отпуска тепловой и электрической энергиисостав природного газа и изменение теплоемкости продуктов сгораниявозможные режимы работы ГТУ с учетом тегоюутилизатора.

6. Выполненный анализ различных способов утилизации тепла после ГТУ показал, что экономически обоснованным является — установка экономайзера на тепловую сеть, позволяющая выбирать наиболее мощную ГТУ. Для расчета оптимальной компоновки гладкотрубного и наиболее эффективного оребренного теплообменного аппарата разработана математическая модель теплоутилизатора.

7. Для определения отпуска тепловой и электрической энергии, а также расхода топлива на ГТУ предложен графоаналитический метод на основе теплового графика по продолжительности и выведена аналитическая зависимость.

8. Электрообеспечение предприятия должно осуществляться как от объединенной энергетической сети, так и от собственной энергоустановки, что позволит работать ГТУ на базе теплового потребления и, следовательно, рационально использовать тепло уходящих газов.

9. При работе ГТУ только в номинальном режиме в течение года, когда отсутствует потребитель тепла, а выработка электрической энергии обусловлена конструкцией турбины, срок окупаемости значительно возрастает 5−7 лет лет и, как следствие, такая установка может себя на оправдать.