авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Эффективность работы промышленных теплоэнергетических систем при увеличении доли использования твердого топлива

На правах рукописи

МИНГАЛЕЕВА ГУЗЕЛЬ РАШИДОВНА ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПРИ УВЕЛИЧЕНИИ ДОЛИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА Специальность 05.14.04 – Промышленная теплоэнергетика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Казань – 2010

Работа выполнена в Исследовательском центре проблем энергетики Учреждения Российской академии наук Казанского научного центра РАН Научный консультант Член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор Назмеев Юрий Гаязович Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор Боровков Валерий Михайлович доктор технических наук, профессор Ковальногов Николай Николаевич доктор технических наук, профессор Фафурин Андрей Викторович Ведущая организация Всероссийский теплотехнический институт (ВТИ)

Защита диссертации состоится 18 июня 2010 г в 1400 ч. на заседании диссер тационного совета Д 212.080.06 при ГОУ ВПО «Казанский государственный тех нологический университет» в зале заседания Учёного совета Казанского государ ственного технологического университета по адресу: г. Казань, ул. Толстого, д.

68, зал заседаний.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим на правлять по адресу: 420015, г. Казань, ул. Толстого, д. 68.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Казанский государственный технологический университет» Автореферат разослан 2010 г.

Учёный секретарь диссертационного совета Д 212.080.06, д.т.н., профессор Поникаров С.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Твердое топливо является одним из основных видов органического ископае мого топлива. К твердым видам топлива относятся каменные и бурые угли, торф и сланцы. В основном в отечественной энергетике используется уголь, хотя торф и сланцы также имеют перспективы широкого применения. Геологические запасы угля в России составляют 17,3% от мировых, что ставит нашу страну на 2-е место в мире после США (27,1 %) по данному показателю. При современном потребле нии угля в России самообеспеченность углем составляет более 500 лет – наи больший срок среди всех угледобывающих стран.

В настоящее время в России сложилась парадоксальная ситуация: страна об ладает огромными запасами угля, при этом доля его в энергобалансе составляет всего 18 %, тогда как на угольные станции США и Германии приходится полови на, вырабатываемой электроэнергии, Австралии, Индии и Китая – около 80%.

Причиной этого является не только энергетическая стратегия 70-х годов, ориен тированная на развитие нефтегазового комплекса, но и отсутствие технологиче ских предпосылок и экономических стимулов. В первую очередь замещение газа углем должно осуществляться на действующих электростанциях, оборудование которых работоспособно, и уголь в настоящее время используется в качестве ос новного или резервного топлива. Этот потенциал оценивается более чем в станций, в настоящее время частично работающих на угле наряду с газом и мазу том. В более долгосрочной перспективе до 2015 года из планируемых к строи тельству 50 ГВт мощности тепловой энергетики угольные станции должны обес печивать не менее 30 ГВт. Трудности такого перехода обусловлены тем, что про мышленные теплоэнергетические системы, обеспечивающие тепловой и электри ческой энергией предприятия и производственные комплексы, ориентированы, в основном, на использование природного газа или проектных углей. Однако ори ентироваться только на проектные угли для данных станций было бы нецелесооб разным, тем более, что свойства тех углей, которые считались проектными, зна чительно изменились. Необходимо провести оценку эффективности использова ния некоторого перечня доступных углей соответствующей цены и качества и выбрать вариант, предполагающий наименьшие затраты на реконструкцию и по следующую эксплуатацию системы подготовки угля. В связи с этим остро встает вопрос о выборе методики для расчета систем подготовки угля с учетом его марки и характеристик применяемого оборудования.

Сжатые сроки, предусмотренные для увеличения доли угля в топливно энергетическом балансе, требуют выделения локальных участков на тепловых электростанциях и промышленных котельных для первоочередной модернизации и реконструкции, поэтому в качестве объекта исследования выбирается система подготовки топлива, которая охватывает технологическую цепочку от поступле ния топлива на станцию до подачи готовой угольной пыли в горелки котла.

Наряду с традиционными технологиями использования угля, предполагаю щими его факельное сжигание в виде угольной пыли, развиваются технологии комплексной энерготехнологической переработки угля, основанные на двух ос новных процессах – газификации и пиролизе. Для оценки эффективности таких технологий уже недостаточно теплового и аэродинамического расчета, поскольку необходимо учитывать процессы преобразования органической массы угля и по лучение новых продуктов – энергетического газа, жидких смолопродуктов, кокса и полукокса при помощи методов термодинамического анализа.

Термодинамический анализ систем, а также установление взаимосвязи тер модинамической эффективности и технико-экономических показателей позволяет определить внешние и внутренние потери энергии в системе, конкретизировать их по участкам системы и обосновать структуру себестоимости тепловой и элек трической энергии, получаемой на тепловой электростанции или промышленной котельной, работающей на твердом топливе. Создание прогнозной модели разви тия теплоэнергетической системы на основе термодинамически и экономически обоснованных показателей ее работы позволит выявить резервы снижения себе стоимости тепловой и электрической энергии при повышении термодинамиче ской эффективности систем подготовки твердого топлива за счет их обоснованно го выбора в зависимости от вида топлива и оптимальных условий его поставки.



Такая постановка вопроса позволит осуществить рациональный выбор топлива в условиях формирования рынка углей и других видов твердого топлива, что в на стоящее время является весьма актуальным.

Диссертационная работа решает проблему определения эффективности про мышленной теплоэнергетической системы при увеличении доли использования твердого топлива – угля – на основе комплексной оценки систем его подготовки при на личии выбора используемого угля по качественным и ценовым характеристикам.

Диссертационная работа включает в себя исследования, начатые автором в году в Казанском научном центре РАН.

Целью диссертационной работы является создание и обоснование ком плексной методики определения термодинамической эффективности систем под готовки твердого топлива на тепловых электростанциях и промышленных ко тельных и моделирование на ее основе процесса развития промышленной тепло энергетической системы при увеличении доли использования твердого топлива.

Основные задачи исследований.

1. Определение классификационных признаков систем подготовки твердого топлива и основных параметров их работы.

2. Создание методики определения тепловой и термодинамической эффек тивности систем подготовки твердого топлива на тепловых электростанциях и промышленных котельных на основе исследования теплофизических и термохи мических процессов, происходящих на этапах преобразования топлива, с учетом технико-экономических показателей работы систем.

3. Создание алгоритма проектирования, расчета режимных параметров и вы бора оборудования для подготовки угля на тепловых электростанциях и промыш ленных котельных.

4. Разработка математической модели функционирования и развития про мышленных теплоэнергетических систем на основе долгосрочного прогноза ис пользования угля.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Классификация систем подготовки твердого топлива, выполненная на ос нове положений системного анализа, учитывающая степень взаимосвязи с кот лом, вид сушильного агента, вид получаемого продукта, степень рециркуляции дымовых газов в топку котла, вид сушки, концентрацию угольной пыли, подавае мую в горелки котла.

2. Комплексная методика расчета термодинамической эффективности систем подготовки твердого топлива различных типов на основе эксергетического мето да, включающая теоретические зависимости для определения эксергетической эффек тивности отдельных структурных блоков и систем подготовки топлива в целом.

3. Зависимости для определения термоэкономических показателей систем подготовки твердого топлива.

4. Алгоритм расчета и проектирования систем подготовки твердого топлива на тепловых электростанциях и промышленных котельных.

5. Математическую модель функционирования и развития промышленных теплоэнергетических систем на основе рационального выбора на энергетических объектах, использующих твердое топливо, типа угля и оптимальных систем его подготовки.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и реко мендаций подтверждается сравнением полученных теоретических результатов и эксплуатационных и опытно-промышленных данных по основным характеристи кам систем подготовки угля, связанным с параметрами теплоносителей и качест венными характеристиками подготовленного топлива, а также сравнением рас четных значений себестоимости электроэнергии с имеющимися статистическими данными по отдельным энергетическим объектам и системам..

Научная новизна результатов исследований состоит в:

– создании классификации систем подготовки твердого топлива и построе нии иерархической структуры с учетом степени взаимосвязи с котлом, вида су шильного агента, вида получаемого продукта, степени рециркуляции дымовых га зов в топку котла, вида сушки, концентрации угольной пыли, подаваемой в горел ки котла;

– проведении анализа структуры систем, выявлении внешних и внутренних связей в системах, определении порядка расчета на основе теории графов, при этом система подготовки твердого топлива рассматривается как единое целое;

– определении тепловой эффективности отдельных блоков и всей системы в целом на основе тепловых балансов, расчет тепловых КПД систем различных типов;

– установлении функциональных зависимостей для определения термодина мической эффективности систем на основе эксергетического метода;

– разработке комплексной методики расчета термодинамической эффектив ности систем подготовки твердого топлива на основе энергетического метода;

– разработке системы термоэкономических показателей функционирования систем подготовки твердого топлива;

– создании математической модели функционирования и развития промыш ленных теплоэнергетических систем на основе рационального выбора на энерге тических объектах, использующих твердое топливо, оптимальных систем его под готовки и типа угля с учетом его стоимости и условий его доставки.

Практическое значение результатов работы заключается в:

– разработке комплексной методики расчета и оценки эффективности систем подготовки твердого топлива на тепловых электростанциях и котельных;

– оценке эффективности систем подготовки топлива при замене проектного угля на другие марки.

Реализация результатов работы. В энергетике:

– в расчете систем подготовки твердого топлива (для ТЭЦ-2 г. Казани);

– в создании комплексной методики оценки эффективности систем подго товки твердого топлива;

– в создании алгоритма расчета и проектировании систем подготовки топли ва на тепловых электростанциях и промышленных котельных;

– в создании программы для ЭВМ (Свидетельство о государственной регист рации №2009614471) и использовании ее при проведении фундаментальных и прикладных исследований в Исследовательском центре проблем энергетики КазНЦ РАН.

В учебном процессе:

– основные результаты диссертационной работы изложены в справочном по собии «Системы топливоподачи и пылеприготовления ТЭС», использующихся в учебном процессе в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политех нический университет».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации пред ставлялись, докладывались и обсуждались: на Ежегодной XVI Международной Интернет-конференция молодых ученых и студентов по современным проблемам машиноведения (МИКМУС пробмаш 2004), Москва, 2004г.;

V Международном Симпозиуме «Ресурсоэффективность. Энергосбережение», Казань, 1 – 3 декабря 2004г.;

Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-18», Казань, 2005г.;

Всероссийской (с международным участием) научно-технической конференции «Рабочие процессы и технологии двигателей», Казань, 2005г.;

Всероссийской молодежной научной конференции с международным участием «VIII Королевские чтения» г. Самара, 2005г.;

Нацио нальной конференции по теплоэнергетике, Казань, 5-8 сентября 2006 г.;

XVI Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и те пломассообмена в энергетических установках», 21–25 мая 2007, г. Cанкт Петербург;

Российской научной конференции (с международным участием) «Глубо кая переработка твердого ископаемого топлива – стратегия России в 21 веке», Звениго род, 21-24 ноября 2007 г.;

Всероссийской конференции «Экономический рост, ре сурсонезависимость и социально-экономическое неравенство», Санкт-Петербург, 15-17 октября 2008 г.

Диссертационная работа в полном объеме докладывалась на научных семи нарах в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет», ГОУ ВПО «Ульяновский государственный технический универси тет», ГОУ ВПО «Московский энергетический институт (Технический универси тет)».

Личный вклад автора состоит: в постановке цели и задач диссертационной работы;

разработке классификации современных систем подготовки твердого то плива, разработке основных положений методики определения термодинамиче ской эффективности систем различных типов, разработке системы термоэкономи ческих показателей систем подготовки топлива на основе их технико экономической оценки;

создании математической модели функционирования и развития промышленной теплоэнергетической системы на основе рационального выбора вида угля и системы его подготовки на тепловой электростанции или промышленной котельной.

Все результаты диссертационной работы, перечисленные в ее заключении, получены лично автором при научном консультировании член-корреспондента РАН, д.т.н., профессора Ю.Г. Назмеева.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 53 печатные работы, в том числе монография, 30 статей в центральных научных изданиях, представлено докладов на международных и всероссийских научных конференциях, симпозиумах и семинарах. В изданиях, рекомендованных ВАК, опубликовано 15 работ, получен патент на полезную модель и 1 свидетельство о государственной регистрации про граммы для ЭВМ.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Содержит 453 страницы текста, включая 47 ри сунков, 42 таблицы и библиографический список литературы из 202 наименова ний.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении излагаются актуальность и структура работы, цели и задачи ис следований, основные научные положения диссертации, ее научная и практиче ская значимость.

В первой главе проведен анализ проблем топливно-энергетического ком плекса в области использования угля, наиболее важными из которых являются следующие.

Несбалансированность по видам используемого топлива. По данным ком пании Росинформуголь несбалансированность топливно-энергетического баланса связана с тем, что он ориентирован преимущественно на газ, доля которого при выработке тепловой и электрической энергии на тепловых электростанциях со ставляет 69 %, по сравнению с углем и мазутом, составляющим соответственно и 3%. С учетом котельных доля использования угля составляет около 18%. В свя зи с тем, что Россия взяла на себя высокие международные обязательства по по ставкам газа, это может ослабить энергетическую безопасность страны.

Несбалансированность по ценам на различные виды топлива. По мне нию экспертов с учетом экономических и экологических факторов цена на газ, поставляемый на электростанции России, должна быть как минимум в 3 раза вы ше, чем на уголь (в т.у.т). Например, в США уже в 2005 году газ стоил в 5,8 раза дороже, чем уголь.

Моральное и физическое старение основного и вспомогательного оборудо вания. В России функционируют 319 тепловых электростанций, большинство из которых построено в 60-70-х годах и ресурс оборудования которых уже практиче ски выработан. При модернизации оборудования необходимо предусмотреть бо лее активное внедрение угольных технологий.

Отсутствие рынка технологий по энерготехнологическому использова нию угля. Отечественная угольная энергетика интенсивно развивалась до 70-х го дов ХХ века, доля угля в общем энергобалансе составляла, например, в 1955 г.

66%, большинство строящихся электростанций приходилось на угольные. Тепло вые электростанции большой мощности строились около крупных месторожде ний независимо от качества добываемого угля. При этом совершенствовались именно технологии сжигания угля, и не уделялось внимание его обогащению, а также развитию технологий переработки угля.

В работе проведен анализ масштабов и перспектив использования угля в Российской Федерации для производства тепловой и электрической энергии, представлены статистические данные. Дана классификация и краткое описание существующих систем топливоподачи и пылеприготовления тепловых электро станций и котельных. Рассмотрены механические, тепловые, термодинамические и термохимические процессы, характерные для основных этапов подготовки твердого топлива на тепловых электростанциях и котельных. Представлено опи сание методик расчета для основного оборудования систем топливоподачи и пы леприготовления, выявлено отсутствие комплексного подхода.





Разработана классификация систем подготовки топлива к сжиганию по сле дующим признакам: по способу сжигания в котельных агрегатах;

по степени свя зи системы пылеприготовления с котлом;

по виду сушильного агента;

по типу применяемого сушильно-размольного оборудования;

по способу подачи к горел кам котла;

по степени рециркуляции дымовых газов (рис. 1).

В научно-технической литературе, посвященной исследованию процесса подготовки твердого топлива к сжиганию, система топливоподачи и система пы леприготовления рассматриваются раздельно. В настоящей работе предлагается рассматривать единую систему, которая охватывает весь технологический про цесс подготовки твердого топлива к сжиганию, который начинается от момента его разгрузки в приемно-разгрузочном устройстве электростанции и завершается подачей топливной пыли требуемого состава и влажности в горелки котельного агрегата.

Исследование и анализ отдельных систем тепловых электростанций и ко тельных проводились отечественными учеными – Михайловым Н.М., Левитом Г.Т., Белосельским Б.С., Гавриловым Е.И., Антонянцем Г.Р., Картошкиным М.Д., Рассудовым Н.С. и другими. Данные работы, послужившие основой настоящих исследований, посвящены в основном описанию технологических схем, режимам работы оборудования и практическим вопросам его эксплуатации, разработке ме тодов расчета отдельных аппаратов. Существующие нормативные материалы по системам пылеприготовления не позволяют оценить их эффективность и провести сравнительный анализ при использовании различных углей.

Комплексный анализ эффективности отдельных систем тепловых электро станций проводился в трудах Юрия Гаязовича Назмеева (монографии «Мазутные хозяйства ТЭС» и «Системы золошлакоудаления ТЭС») и представляемая работа является естественным продолжением данного направления. В работах Ю. Г.

Назмеева большое внимание уделялось термодинамическому анализу, который позволяет определить эффективность систем, пути преобразования энергетиче ских и материальных потоков в системах, участки наибольших потерь и меро приятия по их снижению.

Системы подготовки топлива С газификацией В виде суспензий С плазмо тронами С сушкой и пылеприготовлением С распылением С распыле С термоподготовкой пыли Центральные сжатым возду- нием паром Индивидуальные в горелках С газоге- С централь- С прямым вдува- С промежуточным бунке нератора- ным пылеза Высокой кон С ШБМ С ШБМ, замкнутые центрации С паровой С насыпным слоем сушкой С сушкой воздухом С сушкой воздухом Низкой кон С паровоз- центрации С газовой душным дуть С сушкой смесью С сушкой смесью сушкой воздуха и пр.сг. воздуха и пр.сг.

С воздушным дуть С центральной С ММ и сушкой воздухом С ММ сушкой топли Для рядового под давлением Замкнутые с сушкой Для гранулирован- С пылеконцентрато- смесью воздуха и ного угля Без пылеконцентра- Разомкнутые Для брикетирован ного угля Со СМ и сушкой возду- С использованием для сушки части С кипящим слоем Под давлением С использованием С паровоз для сушки всех душным дуть- Под разрежением С воздушным дуть- С МВ Со СМ замкнутые, с сушкой воздухом Бескислородная С сушкой пр.сг.

С кислородным С пылеконцентрато В шлаковом расплаве С сушкой смесью воздуха и пр.сг.

Без пылеконцентра С воздушным дутьем В потоке для ВУС Рис. 1. Классификация систем подготовки угля: ШБМ – шаровые барабанные мельницы, ММ – молотковые мельницы;

МВ –мельницы вентиляторы;

СС – среднеходные мельницы Технологическую схему подготовки твердого топлива можно рассмат ривать как совокупность объектов, элементов или технологических узлов, в каждом из которых осуществляется типовой технологический процесс или несколько процессов. Под объектами (элементами, технологическими узла ми) подразумеваются аппараты схемы или комплексы аппаратов.

Реализованный в данной работе системный подход к анализу технологи ческих схем подготовки твердого топлива на объектах промышленной энер гетики позволяет выделить три иерархических уровня (рис. 2):

1 – уровень отдельно взятой системы подготовки угля, на котором выде ляются возможные направления повышения ее эффективности: оптимизация расхода, температуры и вида сушильного агента, выбор углеразмольного и транспортирующего оборудования;

внедрение мероприятий, повышающих эффективность аппаратов;

2 – уровень энергетического объекта – тепловой электростанции или промышленной котельной, на котором осуществляется выбор топлива и оценка технико-экономических показателей, количество систем подготовки, доля угля на станции;

3 – уровень теплоэнергетической системы, на котором определяется се бестоимость производимой энергии и прогноз ее изменения с учетом дина мики цен на уголь и газ и условия их поставки.

Выбор типа системы подготовки твердого топлива на тепловой электро станции или промышленной котельной в условиях реконструкции и модер низации основного и вспомогательного оборудования является многокрите риальной задачей. При этом компоновка системы, ее комплектация и даже тип могут быть изменены. В качестве наиболее важных можно выделить два критерия – качественные характеристики используемого твердого топлива и параметры основного энергогенерирующего оборудования.

Технологические узлы или объекты находятся под влиянием ряда фак торов. Любой объект имеет свою технологическую структуру, заданные ре жимные параметры, а также входные и выходные переменные. Структура объекта или топология представляет собой форму организации системы, со став элементов объекта, особенности взаимосвязей между ними.

Исходными данными для проведения анализа на 1-м иерархическом уровне служат качественные характеристики топлива, параметры основного и вспомогательного оборудования. Результаты расчетов являются исходными данными для термодинамического и технико-экономического анализа, про водимого на 2-м уровне. Кроме того, учитываются параметры окружающей среды и технико-экономические условия функционирования энергетического объекта. Полученные данные по термодинамической эффективности и тех нико-экономической оценке служат основой проведения оптимизационных расчетов в рамках теплоэнергетической системы на 3-м иерархическом уров не.

3 уровень. Теплоэнергетическая система Определяются показатели:

- себестоимость электроэнергии;

Анализируется:

- доля использования угля для производства тепловой и электрической энергии;

- состав поставщиков угля и объемы поставок;

- динамика цен на газ и уголь в перспективе до 2015 года.

2 уровень. Энергетический объект Определяются показатели:

- технико-экономические;

- количество систем подготовки угля и его расход.

Анализируется доля использования угля для производства теп ловой и электрической энергии;

цены на угли и условия доставки.

1 уровень. Система подготовки угля Определяются показатели:

- расход, температура и вид теплоносителей;

- основные режимные параметры оборудования для подго товки угля;

- выбор мероприятий по повышению эффективности подго товки угля.

Анализируется тепловая эффективность систем подго товки угля.

Рис. 2. Иерархические уровни анализа систем подготовки твердого топлива Во второй главе рассмотрены основные методы термодинамического анализа, дана их сравнительная характеристика, обоснован выбор эксергети ческого метода, приведены расчетные зависимости для определения потоков эксергии.

Представлена разработанная методика термодинамического анализа систем подготовки твердого топлива на тепловых электростанциях и про мышленных котельных, состоящая из следующих основных этапов: анализ структуры, внешних и внутренних связей в системе;

формирование тепловых балансов по аппаратам и блокам и определение расхода теплоносителей на проведение тепловых и термодинамических процессов;

аэродинамический расчет аппаратов и транспортирующих участков, определение необходимого расчетного напора в системе;

определение затрат электроэнергии при прове дении механических процессов;

формирование эксергетических балансов, определение эксергии тепловых и материальных потоков по аппаратам, бло кам и системе в целом;

анализ термодинамической эффективности посредст вом эксергетических КПД.

На основании анализа состава оборудования систем подготовки твердо го топлива и процессов преобразования топлива сформированы эксергетиче ские балансы для систем подготовки твердого топлива различных типов.

Общий вид эксергетического баланса имеет вид:

Ем + Еq + L = Eм + Еq + L + E + Eпот, (1) где Ем, Ем – эксергия материальных потоков, входящих в систему и выхо дящих из нее соответственно;

Еq, Еq – эксергия тепловых потоков, посту пающих в систему и образующихся в результате ее работы соответственно;

L, L - электрическая энергия на входе в систему и на выходе из нее соответ ственно;

Е, Епот – внутренние и внешние потери эксергии в системе соот ветственно. Для системы подготовки твердого топлива эксергетические ба лансы составлены по основным блокам.

В соответствии с приведенной в главе 1 классификацией систем подго товки топлива можно выделить следующие типовые схемы, термодинамиче ский расчет которых, проводимый эксергетическим методом осуществялется в определенном порядке:

1) системы, в которых размораживание и дробление, сушка и пылепри готовление проводятся в отдельных блоках (например, системы с централь ным пылезаводом), потоки эксергии для блоков системы приведены на рис.

3;

2) системы, в которых размораживание проводится в отдельном блоке, а сушка и пылеприготовление совмещены, причем выделяются замкнутые и разомкнутые системы (рис. 4 а, б);

3) системы, в которых размораживание также проводится в отдельном блоке, а после небольшой подсушки и дробления топлива проводится его га зификация (рис. 5);

4) системы с аналогичными условиями размораживания, но в которых предварительная сушка и дробление не производятся, а только газификации с получением генераторного газа (рис. 6).

Эффективность рассмотренных систем определяется посредством эксер гетических КПД для отдельных блоков и систем в целом, которые имеют следующий вид:

- блок размораживания, разгрузки и предварительного дробления топлива:

E т(ф) + Eвл.т, (2) э.р = n m E рi + Lрj i =1 j = полезный эффект заключается в повышении температуры топлива и переходе влаги топлива из твердого в жидкое состояние;

- блок предварительной сушки топлива:

Eтс, (3) э.с = n m Eсi + Lсj i =1 j = в качестве полезных составляющих эксергетического баланса рассматрива ются эксергия нагретого и подсушенного топлива;

Eрец.в.а Eв.а Евозд Етн Eтн.с Eвозд.с Eqисп Ерец ЕпотII ЕпотI EпотII- Блок I (размо Eтс Еуп Етр Блок II-2 (пы ражива-ние и Блок II- Ет леприготовле пред- (сушка) Евл.т ние) варительное дробление) ЕII- ЕII- ЕI E'тн.с E'возд.с Е'возд L'c E'qмех L'м L'ру Е'тн E'в.а Рис. 3. Эксергетический баланс системы подготовки топлива с раздельными процессами сушки и пылеприготовления: Е'т – эксергия топлива;

Е'тн – эксергия теплоносителя, по ступающего в размораживающее устройство;

Е'возд – эксергия воздуха, поступающего в размораживающее устройство;

Етр – эксергия топлива, прошедшего этапы разморажива ния, разгрузки и предварительного дробления;

Евл.т – эксергия влаги топлива;

Етн – эк сергия потока теплоносителя, выходящего из размораживающего устройства;

Евозд – эк сергия воздуха, выбрасываемого из размораживающего устройства в окружающую среду;

Ерец – эксергия рециркулирующего воздуха, вновь направляемого в размораживающее устройство;

Lру – затраты электроэнергии на привод механизмов при размораживании, разгрузке и предварительном дроблении топлива;

ЕпотI – внешние потери эксергии при размораживании, разгрузке и предварительном дроблении топлива в блоке I;

ЕI – внут ренние потери эксергии в блоке I;

Е'тн.с – эксергия теплоносителя, поступающего в сушил ку;

Е'возд.с – эксергия воздуха, поступающего в сушилку;

Етн.с – эксергия теплоносителя, выходящего из сушилки;

Евозд.с – эксергия воздуха, выбрасываемого из сушилки в окру жающую среду;

Етc – эксергия сухого топлива;

Lс – затраты электроэнергии на привод сушилок и вспомогательных устройств;

ЕпотII-1 – внешние потери эксергии при сушке то плива в блоке II-1;

ЕII – внутренние потери эксергии в блоке II-1;

Е'в.а – эксергия венти лирующего агента, поступающего в мельницу;

Е'мех – эксергия теплового потока, выде ляющегося при работе мелющих органов мельницы;

Ев.а – эксергия вентилирующего агента, выбрасываемого из мельницы в окружающую среду;

Ерец.в.а – эксергия рецирку лирующего вентилирующего агента;

Lм – затраты электроэнергии на привод мельницы;

Еуп – эксергия готовой угольной пыли;

ЕпотII-2 – потери эксергии при измельчении топ лива в блоке II-2;

ЕII – внутренние потери эксергии в блоке II- - блок сушки и пылеприготовления:

Eт + Eисп + Е са, (4) э.п = n m Eсi + Lсj i =1 j = - блок термохимической переработки:

Eг.г + Eсм + Ек + Еqтн. (5) э.тх = n m E + L тхi тхj i =1 j = Ерец Етн Евозд ЕпотII ЕпотI Блок I (размо- Еуп Етр ражива-ние и Блок II (сушка Ет Е предва- и пылепри Евл.т Еqисп рительное готовление) дробление) ЕII ЕI Е'возд Е'т L'ру E'1 L'м E'qмех Е'прс а) Ерец Етн Евозд Е2 Еqисп ЕпотII ЕпотI Блок I (размо Етр Еуп ражива-ние и Блок II (сушка Ет пред- и пылепри Евл.т Ет.в варительное готовление) дробление) ЕI ЕII Е'возд Е'тн L'ру Е'1 E'qмех Е'прс Е'т.в L'м б) Рис. 4. Эксергетический баланс системы подготовки топлива с совмещенными процессами сушки и пылеприготовления: а) замкнутая система;

б) разомкнутая система;

обозначения Е'т;

Е'тн;

Е'возд;

Етр;

Етн;

Евозд;

Ерец;

Е'qмех;

ЕпотI;

ЕпотII;

ЕI;

ЕII – такие же как на рис.

3;

E'1 – эксергия сушильного агента;

Е'прс – эксергия присосанного воздуха;

Е'т.в;

Ет.в – эк сергия воздуха, транспортирующего угольную пыль от смесителя к горелкам котла, на входе в систему и на выходе из нее соотвественно;

Е2 – эксергия отработанного сушиль ного агента без учета энтальпии испаренной влаги;

Еqисп – эксергия теплового потока, за траченного на испарение влаги топлива;

Еуп – эксергия угольной пыли Ерец Етн Евозд Етн.с Евозд.с Еqисп Еун Есмол Ешл ЕпотIII ЕпотI ЕпотII Блок I (размо- Eг.г Етс Етр Блок III ражива-ние и Блок II (суш Ет Eqтн (газификация) предва- ка) Евл.т рительное дробление) ЕI ЕII ЕIII Е'тн.с Е'возд.с L'с E'ок E'qх.р q'возд L'г Е'тн L'ру Рис. 5. Эксергетический баланс системы подготовки топлива с раздельными процессами предварительной подсушки и газификации: обозначения Е'т;

Е'тн;

Е'возд;

Етр;

Етн;

Евозд;

Ерец;

Е'qмех;

ЕпотI;

ЕпотII;

ЕI;

ЕI – такие же как на рис. 3;

Е'ок – эксергия окислителя;

Е'qх.р – эксергия теплового потока химических реакций газификации;

Еун – эксергия топ лива, уносимого с генераторным газом;

Есмол – эксергия смол, образующихся при газифи кации;

Ешл – эксергия шлака;

Еqтн – эксергия теплового потока, передаваемого теплоно сителю ;

Ег.г – эксергия генераторного газа;

ЕпотIII – внешние потери эксергии в газоге нераторе;

ЕIII – внутренние потери эксергии в газогенераторе Ерец Етн Евозд Еун Есмол Ешл Еqисп ЕпотI ЕпотIII Блок I (размо- Ег.г Етр ражива-ние и Блок III Ет Eqтн предва- (газификация) Евл.т рительное дробление) ЕIII ЕI Е'т L'ру Е'возд Е'ок E'qх.р L'г Рис. 6. Эксергетический баланс системы подготовки топлива с газификацией без предва рительной подсушки: обозначения такие же, как на рис. 3- Общий эксергетический КПД системы подготовки топлива может быть выражен формулой:

s Eп.т + Еk k =, (6) э = n m Ei + L j i =1 j = где Еп.т – эксергия подготовленного топлива, которое может представлять собой дробленый уголь, угольную пыль, генераторный газ или другие суб станции, непосредственно направляемые на сжигание и получение тепловой и электрической энергии;

Еk – эксергия сопутствующих потоков.

Полученные выражения позволяют оценить эффективность системы подготовки топлива и вклад отдельных процессов его преобразования, что позволит адекватно сравнивать энергетические затраты при замене одного вида топлива другим.

Материальными потоками в системах подготовки твердого топлива яв ляются твердое топливо (уголь), пар, используемый в качестве теплоносителя при размораживании и сушке, воздух или продукты сгорания, являющиеся сушильным агентом при сушке и пылеприготовлении, а также воздух или ки слород, используемый в качестве окислителя в системах с газификацией топ лива. Общая эксергия топлива Е т равна сумме физической Ет(ф) и нормальной р химической эксергии Ехн, которые определяются по зависимостям:

[ ] Ет(ф) = g т ст (Т Т 0 ) Т 0ст ln (T / T0 ), сс с (7) с где g т - удельный расход сухого топлива по отношению к поступающему с сырому топливу;

ст - теплоемкость сухого топлива;

Т –температура процесса;

Т0 –температура окружающей среды;

0,131О р + 0,116W р р, (8) р Е хн = 1,009 + Q н ( ) 100 А р + W р где Ор – содержание кислорода в рабочем топливе;

Wр и Ар – влажность и р зольность рабочего топлива соответственно;

Qн - низшая теплота сгорания рабочего топлива;

Эксергия пара определяется по известной зависимости:

Eп = g п (iп.н iп 0 T0 (sп.н sп 0 )), (9) где iп0 и sп0 – энтальпия и энтропия пара при параметрах окружающей среды – температуре Т0 и давлении р0;

iп.н и sп.н энтальпия и энтропия пара при тем пературе и давлении пара на входе Тп.н и рп.н, gп – удельный расход пара на кг сырого топлива.

Эксергия воздуха вычисляется по формуле:

Е в = g в [с р (Т Т 0 ) Т 0 с р ln (T / T0 ) + (R / M )T0 ln ( p / p 0 )], (10) где gв – удельный расход воздуха на 1 кг сырого топлива;

cр – теплоемкость воды;

R – универсальная газовая постоянная;

М – молекулярная масса;

р - ра бочее давление.

Эксергия теплового потока при испарении влаги и измельчении топлива – Еqисп, Еqмех находится по зависимости:

E q = e Q = (1 T0 T )Q, (11) где е – температурная функция;

Q – тепловой поток.

Общая эксергия энергетического газа Ег.г, полученного в процессах пи ролиза и газификации, вычисляется по методике Шаргута:

p Е г.г = Gi ii T0 Gi s pi Gi + Gi eni + T T + RT0 ln T0 T p i i i i (12) p 0H 2О n T T Gi ( d ni eni ) + RT0 Gi lnzi + GН +n RT0 ln, О Tn p 0H 2О i i ii T, s p i T T T где – приращение энтальпии и изобарное приращение энтропии компонента;

Gi – количество вещества компонента раствора;

zi – мольное со держание компонента раствора;

eni, dni,– нормальная химическая эксергия и энтальпия девальвации чистого компонента;

р0 Н 2О, рН 2О n - парциальное дав ления пара в окружающей среде и в газе.

Эксергия продуктов сгорания, использующихся в качестве сушильного агента, складывается из их физической эксергии и нулевой химической эк сергии. Физическая эксергия продуктов сгорания 1 кг сжигаемого топлива определяется по формуле:

еф = I I 0 T0 ( s s0 ), (13) где I и I0 – суммарные энтальпии продуктов сгорания 1 кг топлива соответст венно при данной температуре Т и температуре окружающей среды Т0;

s и s0 – суммарные энтропии того же состава и количества продуктов сгора ния соответственно при температурах Т и Т0.

Нулевая эксергия на 1 кг топлива определяется по формуле:

е0 = Vд.г ech a / 22,4( 1 + rH 2O ), (14) где Vд.г – общий объем продуктов сгорания, м3/кг;

а – коэффициент пересчета с подсушенного топлива (пыли) на сырое топливо;

rН 2 О ;

rN 2 ;

rCO2 ;

газовые до ли при среднем коэффициенте избытка воздуха ср ;

еch = e 'ch + e''ch – общая химическая эксергия, определяемая по номограммам методом Ранта.

Затраты электрической энергии на привод различных механизмов опре деляются в зависимости от нагрузки аппаратов и времени их работы как от ношение электрической мощности при номинальной нагрузке к расходу сы рого топлива, проходящего через систему.

Расходы теплоносителей на размораживание топлива при его разгрузке из вагонов, на предварительную подсушку и на сушку и пылеприготовление для различных систем топливоподачи и пылеприготовления определяются в результате теплового расчета, проводимого совместно с аэродинамическим расчетом, в ходе которого контролируются скорости движения потоков при соблюдении условий, предотвращающих выпадение пыли из пылегазового потока.

Разработана методика теплового расчета размораживающего устройства, основанная на приближенной методике ВТИ. При составлении теплового ба ланса размораживающего устройства расходная его часть будет состоять из затрат теплоты непосредственно на процесс размораживания, потерь теплоты на нагрев здания тепляка, с выбрасываемым в атмосферу нагретым воздухом (при наличии рециркуляции эта составляющая будет представлять собой до лю от общего количества нагретого воздуха), а также потерь теплоты при те плопередаче через стены здания. Потери теплоты зависят от времени размо раживания. Время размораживания является также определяющим парамет ром при вычислении приходной части теплового баланса, составляющие ко торой зависят от типа размораживающего устройства.

Время размораживания может быть определено из теплового баланса, ч:

Qобщ Fваг + Qст.тепл. Fст.тепл.

= (Qподв Qпот.в Qпот.ст )3600, (15) где Qподв - количество теплоты, которое необходимо подвести к тепляку, кДж/кг. Общее количество теплоты, необходимое для размораживания скла дывается из составляющих:

Qобщ = Qст + Qн + Qл + Qр + Qуд.сл, (16) где Qст – расход теплоты на нагрев стенки вагона;

Qн – расход теплоты на на грев слоя топлива толщиной 0 от t0 до 0 °С;

Qл – расход теплоты на таяние льда;

Qр – расход теплоты на разогрев влажного топлива от 0 °С до темпера туры стенки вагона;

Qуд.сл – расход теплоты на разогрев удаленных слоев то плива с толщиной х.

Тепловой КПД размораживающего устройства составит q т = общ 100%., (17) qгв где qобщ и qгв – удельные расходы теплоты на 1 кг сырого топлива, кДж/кг.

Определение эффективности систем подготовки твердого топлива и степе ни их влияния на общую эффективность промышленной теплоэнергетической системы, определяемую себестоимостью производимой энергии, необходимо в следующих случаях: при замене проектного топлива на непроектное;

при изме нении типа сушильного агента и условий связи с котлом;

при изменении произ водительности системы;

при изменении условий доставки топлива.

Для систем 1-го типа (рис. 3) сушка осуществляется отдельно от измельче ния. Тепловой расчет сушилок проводится по известным зависимостям, в ре зультате определяются удельные расходы теплоносителей – расход пара на сушку gпс, воздуха gвс или продуктов сгорания gпсс. Измельчение до пылевидно го состояния производится в невентилируемых мельницах. Процесс пылеприго товления подробно рассмотрен применительно к системам 2-го типа, к которым относятся индивидуальные системы с сушкой и пылеприготовлением.

Результаты расчета для центральных систем пылеприготовления с паро вой сушкой подмосковного угля представлены в виде эксергетической диа граммы на рис. 7.

Рис. 7. Диа грамма пото ков эксергии для централь ной системы пылеприготов ления с ЦПЗ и паровой суш кой топлива Для алгоритмизации расчетов систем 2-го типа (рис. 4) наиболее удоб ным является их первоначальное деление на замкнутые и разомкнутые. Под робная классификация индивидуальных замкнутых систем представлена на рис. 8, разомкнутых – на рис. 9. В системах с прямым вдуванием угольной пыли в топку котла может быть установлен пылеконцентратор, позволяющий получить поток с высоким содержанием угольной пыли.

Согласно действующим материалам тепловой расчет индивидуальных систем пылеприготовления проводится на основе теплового баланса, состав ленного на 1 кг сырого топлива:

q1 + qмех + qпрс qисп q qнт qпотII = 0, где q1 - теплота сушильного агента на входе в систему;

qмех - теплота, выде ляющаяся при работе мелющих органов мельницы;

q - теплота воздуха, прс присосанного в систему (при работе под разрежением);

qисп - теплота, затра ченная на испарение влаги топлива;

q - теплота отработанного сушильного агента (без учета энтальпии испаренной влаги);

q - теплота, затраченная на нт нагрев топлива;

qпотII - потери теплоты в системе.

При тепловом расчете пылеприготовительных установок учитывается только взаимосвязь между влажностью пыли, температурой сушильного агента в конце установки и начальной влажностью топлива. Такая связь вы является отдельно для условий сушки топлива смесью топочных газов с воз духом и для сушки топлива горячим воздухом.

Индивидуальные замкнутые системы пылеприготовления С прямым С промежуточным вдуванием бункером Под давлением Под давлением Под разрежением Под разрежением 2. С сушкой смесью 1. С суш- 3. С сушкой 5. С суш- 8. С суш 6. С суш воздуха и продуктов кой воз- продуктами кой возду- кой возду кой возду духом сгорания сгорания хом хом хом с ШБМ с ШБМ с М-В с ШБМ с ШБМ с ШБМ 4. С сушкой смесью с МВС с МВС с МВС с ММ воздуха и продуктов сгорания 9. С сушкой смесью 7. С сушкой смесью с МВС воздуха и продуктов воздуха и продуктов с М-В сгорания сгорания с ШБМ с ШБМ с ШБМ с ММ с ММ Рис. 8. Классификация индивидуальных замкнутых систем пылеприготовления Индивидуальные разомкнутые системы пылеприготовления Рис. 9. Классификация индивидуаль ных разомкнутых систем пылепри С промежуточным готовления бункером При проведении теплово го расчета пылесистемы влаж Под давлением Под разрежением ность пыли принимается в со ответствии с условиями ее сжи С сушкой смесью С сушкой смесью С сушкой воздуха и продуктов воздуха и продуктов воздухом гание в котле, а температура в сгорания сгорания конце установки выбирается в зависимости от влажности пы с ШБМ с ШБМ с ШБМ ли с учетом условий взрывобе с МВС с ММ с ММ зопасности. После проведения теплового расчета принятое значение t2 увязывается с относительной влаж ностью сушильного агента, покидающего установку. Во всех случаях темпе ратура агента t2 должна быть выше температуры точки росы водяных паров.

В результате теплового расчета определяется расход сушильного агента, который должен удовлетворять условиям сушки и транспортирования топли ва к горелкам котла. В предлагаемой методике расчет расхода сушильного агента проводится с учетом технологических особенностей различных сис тем.

В разработанной методике введено понятие теплового КПД (т), как одного из показателей эффективности систем подготовки топлива, на вели чину которого оказывает влияние расход и температура сушильного агента, причем в разной степени для мельниц различных типоразмеров. С помощью теплового КПД выбираются наиболее оптимальные условия сушки и пыле приготовления (рис. 10). Результаты расчета для замкнутых и разомкнутых систем с промежуточным бункером угольной пыли при замене проектного угля (Кузнецкий Т) на непроектный (Кизеловский Г) представлены на рис.

11, 12.

т, % Рис. 10. Диапазон изменения теплового КПД для замкнутой индивидуальной системы пы леприготовления, рабо тающей под давлением, с сушкой воздухом, с ШБМ различных типоразмеров 260 280 300 320 t 1, С ШБМ 287/410 ШБМ 287/470 ШБМ 250/ ШБМ 220/330 ШБМ 320/570 ШБМ 370/ т, % т, % 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 Типоразмер мельниц ШБМ Типоразмер мельниц ШБМ Кизеловский Г Кизеловский Г Кузнецкий Т Кузнецкий Т Рис. 11. Зависимость теплового КПД инди- Рис. 12. Зависимость теплового КПД ин видуальной замкнутой системы пылеприго- дивидуальной разомкнутой системы пы товления, работающей под давлением, с сушкой леприготовления, работающей под разре воздухом от типоразмера мельниц ШБМ: 1- ШБМ жением, с сушкой продуктами сгорания 220/330;

2 – ШБМ 250/390;

3 – ШБМ 287/410;

от типоразмера мельниц ШБМ: обозначе 4 – ШБМ 287/470;

5 – ШБМ 320/570;

6 – ния 1-6 как на рис. ШБМ 370/ э, % э, % 60 20 0 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 6 Типоразмер мельниц ШБМ Типоразмер мельниц ШБМ Кизеловский Г Кизеловский Г Кузнецкий Т Кузнецкий Т Рис. 13. Зависимость эксергетического Рис. 14. Зависимость эксергетического КПД КПД индивидуальной замкнутой систе- индивидуальной разомкнутой системы пы мы пылеприготовления, работающей леприготовления, работающей под разре под давлением, с сушкой воздухом от жением, с сушкой продуктами сгорания от типоразмера мельниц ШБМ: обозначе- типоразмера мельниц ШБМ: обозначения 1 ния 1-6 как на рис. 11 6 как на рис. Расчеты проведены практически для всех систем, представленных в клас сификации. Для примера рассмотрены индивидуальные системы пылеприго товления с промежуточным бункером угольной пыли. Значения эксергетиче ских КПД для данных систем представлены на рис. 13, 14.

В третьей главе разработана система технико-экономических и термо экономических показателей систем подготовки твердого топлива.

При выборе и расчете технико-экономических показателей системы под готовки твердого топлива, схема формирования которых представлена на рис. 15, использовались следующие основные предпосылки:

- тепловая электростанция или промышленная котельная, как самостоя тельный субъект на рынке топливных ресурсов, имеет возможность выбора типа и марки угля, который осуществляется по цене топлива на месте его до бычи или реализации и стоимости доставки;

- при оценке затрат на создание или модернизацию системы подготовки твердого топлива учитываются особенности выбранных видов топлива;

- реконструкция не затрагивает основное энергогенерирующее оборудо вание, т.е. система подготовки топлива должна обеспечивать показатели на выходе, соответствующие требованиям основного оборудования.

Процесс подготовки топлива можно рассматривать как один из энерге тических процессов тепловой электростанции или котельной, поэтому сум марные приведенные годовые затраты могут быть записаны следующим об разом:

Зпт = Ен К + С, где Ен – нормативный коэффициент эффективности капиталовложений (для электроэнергетики Ен = 0,15);

К – суммарные капиталовложения в систему подготовки топлива;

С – эксплуатационные затраты на функционирование системы подготовки топлива.

Топливо, поступа Котлоагрегат Блок III (1) ющее на станцию (Цтд, Wp, Ap, Qнр) Блок III (2) Котлоагрегат Блок I Блок II Зд Котлоагрегат N Блок III (n) Подготовленное Зпт топливо (Wпл, Qнр(пл), R90) Рис. 15. Схема формирования технико-экономических показателей системы подготовки топлива тепловой электростанции или промышленной котельной Расчет капитальных и эксплуатационных затрат проведен опосредо ванно с использованием данных заводов-изготовителей, нормативных документов, а также соотношений цен на строительство зданий, оборудование и его монтаж для тепловых электростанций.

Степень технико-экономического совершенства системы, определяемая коэффициентом термоэкономической эффективности, учитывающим ее тер модинамическую эффективность и экономические затраты, представляет со бой отношение стоимость единицы введенной эксергии к стоимость единицы полученной эксергии. Введенная эксергия – это сумма физической и химиче ской эксергии поступающего угля.

Так как полная стоимость эксергии на выходе из системы включает в се бя затраты на доставку и подготовку топлива, то можно записать:

Е с = Е с + З д + З пт, (18) где с и с - стоимость единицы введенной и полученной эксергии соответст венно, руб./кДж;

Е и Е - введенная и полученная эксергия соответственно, кДж/кг сырого топлива.

Тогда коэффициент термоэкономической эффективности определяется по следующей зависимости:

ex. (19) = Lд Ц д + Зпт 1+ Е с Данный показатель должен стремиться к своему максимальному значе нию. Влияние одного из наиболее важных показателей – дальности доставки топлива на станцию или котельную показано на рис. 16.

Рис. 16. Зависимость ко Коэффициент термоэкономической эффективности эффициента термо экономической эффек 1, тивности от дальности 1, доставки Кузнецкого уг 1, ля марки Т при подго товке его в индивиду 1, альных замкнутых сис 1, темах пылеприготовле 1, ния, работающих под 1, давлением с сушкой воз 1,84 духом, оборудованных ШБМ 287/ 1, 1, 0 200 400 600 800 1000 Расстояние доставки угля, км Четвертая глава посвящена разработке алгоритма проектирования и выбора оборудования технологических схем подготовки угля.

Общую концепцию разработки технологической схемы подготовки твердого топлива можно представить в виде алгоритма, представленного на рис. 17.

В пятой главе разработана математическая модель для расчета основ ных показателей теплоэнергетической системы, в зависимости от характери стик используемого угля, условий его доставки, типа системы подготовки уг ля на энергетических объектах.

При разработке модели рассматриваются основные параметры, опреде ляющие функционирование и развитие теплоэнергетической системы, при максимально возможных объемах использования угля с учетом выбора ра циональных условий доставки и подготовки его к сжиганию в котельных аг регатах. В качестве целевой функции в данном случае рассматривается себе стоимость электроэнергии. Для решения поставленной задачи необходимо определить минимум целевой функции для энергетических объектов систе мы, на которых уголь используется или когда-либо использовался в качестве основного или резервного топлива по каждому году рассматриваемого вре менного периода Т:

T ( ) Сэ = [ И осн + Ц (у)i В(у)ij + Ц д В(у)ij + Ц (г) В(г) j + Зij В(у)ij ] / Э min, у н у н (20) t = i = 1, …, n;

j = 1, …, m, где Сэ – себестоимость электроэнергии, руб./кВтч;

Иосн – издержки, связан ные с работой основного оборудовании, руб.;

Э – выработанная энергосисте мой электроэнергия, кВт;

Ц(у)i – цена угля, приобретаемого у i-й угледобы у вающей компании, руб./т у.т.;

В(у)ij - расход угля от i-й угледобывающей ком пании, потребляемого на j-й тепловой электростанции в условном выраже нии, т у.т./год;

Цд – стоимость транспортировки 1 тонны угля по железной н дороге, руб./км (железнодорожные тарифы на перевозку угля);

В(у)ij - расход угля от i-й угледобывающей компании, потребляемого на j-й тепловой элек у тростанции в натуральном выражении, т/год;

Ц(г) – цена газа, руб./т у.т.;

В(г) j - расхода газа на j-й тепловой электростанции в натуральном выражении, т у.т./год;

Зij – затраты на подготовку топлива, приобретенного у i-й угледобы вающей компании, на j-й тепловой электростанции в зависимости от типа системы подготовки угля, руб./т;

n – количество угледобывающих компаний, осуществляющих поставки угля для данной энергосистемы;

m – количество энергетических объектов в системе.

Задача поиска экстремума функции решалась с использованием метода линейного программирования с учетом ограничений по расходу топлива на каждой станции и объемам поставок топлива от угольных компаний.

В качестве примера рассмотрена энергосистема, в состав которой входят три тепловые электростанции, установленной мощностью 160, 320 и МВт, использующие уголь наряду с газом и мазутом, снабжающие тепловой и электрической энергией промышленные предприятия. Поставка углей раз личных марок осуществляется шестью угольными компаниями, расположен ными на различных расстояниях от электростанций. Результаты расчета се бестоимости электроэнергии при сохранении существующей доли угля в то пливно-энергетическом балансе региона, составляющей 10%, и при увеличе нии ее до 35 % согласно базовому варианту развития энергетики с учетом оп тимизации условий доставки угля от имеющихся поставщиков представлены на рис. 18.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что увеличение доли угля при производстве электроэнергии с учетом оптимизации условий его доставки и использования на тепловых электростанциях энергосистемы по зволяет существенно снизить годовые издержки и повысить эффективность функционирования промышленных теплоэнергетических систем.

Заключение содержит выводы и рекомендации по результатам выпол ненной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Разработана классификация систем подготовки твердого топлива на тепловых электростанциях и промышленных котельных, учитывающая сте пень взаимосвязи с котлом, вид сушильного агента, вид получаемого продук та, степень рециркуляции дымовых газов в топку котла, вид сушки, концен трацию угольной пыли, подаваемой в горелки котла. Выявлены основные факторы, влияющие на эффективность систем подготовки твердого топлива.

1. Определение перечня углей, доступных для ис пользования 2-1. Выбор конкрет- 2-2. Анализ отличия от ного угля из перечня проектных показателей 3. Структурный анализ суще ствующей системы подготовки угля, определение параметров установленного оборудования 4-2. Тепловой расчет сушиль 4-1. Тепловой расчет блока но-мельничной установки размораживания и разгрузки угля 5-2. Определение расчетного 5-1. Аэродинамический расчет напора в системе и выбор вен аппаратов, воздухо-, газо- и тилятора пылепроводов Определение теплового КПД системы Определение эксерге 6. Термодинамический анализ тического КПД системы 7. Технико-экономическая оценка Определение коэффи 8. Итерационная процедура ми- циента термоэкономи нимизации затрат на систему ческой эффективности подготовки угля системы 9. Принятие технического решения о реконст рукции или модернизации системы подготовки угля Рис. 17. Общий алгоритм концепции разработки эффективных технологических схем под готовки твердого топлива 4, 4, 3, 3, 2, Рис.18. Изменение себестоимость элек 2, троэнергии по годам 1, 1, 0, 0, 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 Годы Средняя себестоимость по энергосистеме при неизменной доле угля, руб./кВт.ч Средняя себестоимость по энергосистеме (расчетное значение), руб./кВт.ч 2. Разработаны теоретические положения системного подхода к анализу систем подготовки твердого топлива на 3-х иерархических уровнях – уровень технологической схемы подготовки твердого топлива, уровень энергетиче ского объекта, уровень теплоэнергетической системы, в которую входит энергетический объект.

3. Разработаны теоретические положения теплового и термодинамиче ского анализа систем подготовки твердого топлива, обоснован выбор эксер гетического метода, выявлены основные функциональные зависимости для определения потоков теплоты и эксергии для систем различных типов.

4. Определена тепловая и термодинамическая эффективность отдельных блоков и всей системы в целом на основе тепловых и эксергетических КПД для систем различных типов.

5. Разработана система технико-экономических показателей, учитываю щих затраты на топливо и его доставку, капитальные и эксплуатационные затраты на систему его подготовки, взаимосвязь с термодинамическими по казателями.

6. Разработана комплексная методика оценки термодинамической эф фективности систем подготовки твердого топлива и выбора технического решения при проектировании или модернизации системы подготовки твердо го топлива на тепловой электростанции или промышленной котельной, прак тическая значимость которой заключается в возможности выбора оптималь ной системы подготовки твердого топлива, обеспечивающей наибольшую эффективность теплоэнергетической системы с использованием программы для ЭВМ, на которую получено свидетельство о государственной регистра ции.

7. Создана математическая модель для определения себестоимости элек трической энергии, вырабатываемой в рамках промышленной теплоэнерге тической системы на основе рационального выбора на энергетических объек тах, использующих твердое топливо, оптимальных систем его подготовки и типа угля с учетом его стоимости и условий его доставки.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Монография 1. Назмеев Ю.Г., Мингалеева Г.Р. Системы топливоподачи и пылеприго товления ТЭС (Справочное пособие).-М.: Издательский дом МЭИ. – 2005, 480 с.

Издания, входящие в перечень ВАК 2. Мингалеева Г.Р., Зацаринная Ю.Н., Вачагина Е.К. Анализ работы сис темы топливоподачи и пылеприготовления, работающей на твердом топливе // Известия ВУЗов. Проблемы энергетики.-2005. №1. С.22-31.

3. Назмеев Ю.Г., Мингалеева Г.Р. Оценка термодинамической эффек тивности процесса сушки угля в системах подготовки топлива с центральным пылезаводом // Известия АН. Энергетика. 2005. №6. С.132-137.

4. Мингалеева Г.Р., Зацаринная Ю.Н., Назмеев Ю.Г. Последовательность расчета и термодинамическая эффективность индивидуальной системы под готовки угля с промежуточным бункером // Известия АН. Энергетика. 2006.

№2. С. 67-73.

5. Назмеев Ю.Г., Мингалеева Г.Р. Расчет термодинамической эффектив ности систем прямого вдувания угольной пыли в топку котла // Вестник МЭИ. №6. 2006. С. 119-124.

6. Назмеев Ю.Г., Мингалеева Г.Р. Термодинамическая эффективность систем пылеприготовления прямого вдувания // Известия АН. Энергетика.

2006. № 6. С. 103-107.

7. Назмеев Ю.Г., Мингалеева Г.Р. Анализ тепловой и термодинамиче ской эффективности систем пылеприготовления // Известия АН. Энергетика.

2006. № 6. С. 108-114.

8. Назмеев Ю.Г., Мингалеева Г.Р. Оценка эффективности работы систем пылеприготовления при использовании углей ухудшенного качества // Уголь.

2006. № 9. С.50-51.

9. Мингалеева Г.Р., Легков А.А. Эксергетический анализ технологиче ской схемы с газификацией угля // Уголь. №4. 2008. С.71-72.

10. Мингалеева Г.Р., Легков А.А. Термодинамический анализ систем подготовки угля с газогенераторами различных типов // Известия РАН. Энер гетика. № 5. 2008. С. 107-113.

11. Афанасьева О.В., Мингалеева Г.Р. Экологические показатели уголь ных мини-ТЭС и анализ их эффективности // Альтернативная энергетика и экология. №8, 2008. С. 47-51.

12. Афанасьева О.В., Мингалеева Г.Р. Эксергетическая эффективность угольных мини-ТЭС как критерий перспективности их широкого использо вания // Химия твердого топлива. №1. 2009. С. 64-69.

13. Пятыгина М.В., Мингалеева Г.Р. Моделирование процесса разложе ния органической массы угля // Журнал прикладной химии. №2. 2009. С.

301-306.

14. Мингалеева Г.Р. Комплексная методика определения термодинами ческих и технико-экономических систем подготовки угля // Промышленная энергетика. №8. 2009. С. 26-31.

15. Мингалеева Г.Р. Эффективность функционирования энергосистемы при увеличении доли угля в топливно-энергетическом балансе // Энергетик.

№ 9. 2009. С. 8-11.

Патенты 16. Патент РФ №72154. Устройство подвода ожижающего газа в реакто ре с кипящим слоем // Шамсутдинов Э.В., Мингалеева Г.Р., Ермолаев Д.В., Легков А.А. Заявка №2007144418/22 (003021) от 22.11.2007. Опубл.

10.04.2008. Бюл. №10.

Другие периодические издания 17. Тухватуллина Л.Н., Мингалеева Г.Р. Тепловая эффективность систе мы подготовки топлива с пылеконцентратором // Труды Академэнерго. 2005.

№1. С.89-91.

18. Легков А.А., Мингалеева Г.Р. Анализ структуры и эффективности системы подготовки твердого топлива с газогенератором на воздушном дутье // Труды Академэнерго. 2005. №1. С.84-88.

19. Мингалеева Г.Р., Зацаринная Ю.Н., Вачагина Е.К., Назмеев Ю.Г. Оп ределение энергетической эффективности индивидуальных систем подготов ки угля сушкой продуктами сгорания // Фундаментальные исследования. №6.

2005. С. 44-45.

20. Зацаринная Ю.Н., Мингалеева Г.Р., Вачагина Е.К., Назмеев Ю.Г. Оп ределение термодинамической эффективности энергоиспользования в тепло технологических схемах топливоприготовления // Успехи современного ес тествознания. № 8. 2005. С. 35.

21. Зацаринная Ю.Н., Мингалеева Г.Р., Назмеев Ю. Г. Вачагина Е.К.

Структурный анализ замкнутой индивидуальной системы топливоприготов ления с промежуточным бункером пыли // Современные наукоемкие техно логии. №5. 2005. С.54.

22. Мингалеева Г.Р. Анализ структуры и эксергетические показатели термодинамической эффективности центральных систем пылеприготовления на ТЭС // Труды Академэнерго. 2006. №1. C. 132-141.

23. Легков А.А., Мингалеева Г.Р. Анализ термодинамической эффектив ности системы подготовки угля с газификацией на воздушном дутье // Труды Академэнерго. 2006. №1. С. 142-151.

24. Афанасьева О.В., Мингалеева Г.Р. Оценка тепловой эффективности систем подготовки топлива мини-ТЭЦ с пиролизом угля // Труды Академ энерго. 2006. №4. С.70-78.

25. Легков А.А., Мингалеева Г.Р. Эффективность процесса газификации брикетированного угля // Успехи современного естествознания. 2006. №11.

С. 67-68.

26. Пятыгина М.В., Мингалеева Г.Р. Термохимическая переработка угля в процессах его подготовки к сжиганию на ТЭС // Труды Академэнерго.

2007. №2. С.56-63.

27. Афанасьева О.В., Мингалеева Г.Р. Термодинамическая эффектив ность угольной мини-ТЭС с пиролизом и газификацией // Труды Академ энерго. 2007. №3. С.52-61.

28. Афанасьева О.В., Мингалеева Г.Р. Тепловая эффективность произ водства вторичных продуктов на угольной мини-ТЭС // Фундаментальные исследования. 2007. №6. С. 60.

29. Ермолаев Д.В., Мингалеева Г.Р. Оценка энергетической эффективно сти теплотехнологической схемы газификации в кипящем слое с последую щим дожиганием топлива // Труды Академэнерго. №1. 2008. С. 50-59.

30. Мингалеева Г.Р. Влияние масштабного и технологического факторов на эксергетические показатели систем подготовки угля // Труды Академэнер го. 2008. №1. С.73-83.

31. Пятыгина М.В., Мингалеева Г.Р. Термодинамический анализ процес са разложения основных функциональных групп органической массы угля // Труды Академэнерго. 2008. №4. С. 88-98.

Материалы научных конференций и симпозиумов 32. Зацаринная Ю.Н., Мингалеева Г.Р. Оценка энергетических затрат на подготовку твердого топлива к сжиганию // Ежегодная XVI Международная Интернет-конференция молодых ученых и студентов по современным про блемам машиноведения (МИКМУС пробмаш 2004). Москва, 2004 г. С.95.

33. Мингалеева Г.Р., Зацаринная Ю.Н., Цышевский Р.В. Эффективность подготовки твердого топлива на тепловых электростанциях и пути ее повы шения // V Международный Симпозиум «Ресурсоэффективность. Энергосбе режение». Казань, 1 – 3 декабря 2004 г. С. 291-295.

34. Мингалеева Г.Р., Зацаринная Ю.Н., Вачагина Е.К. Структурное мо делирование технологической схемы индивидуальной системы подготовки угля на ТЭС // Международная научная конференция «Математические ме тоды в технике и технологиях – ММТТ-18». Казань, 2005 г. С. 191.

35. Мингалеева Г.Р., Назмеев Ю.Г., Зацаринная Ю.Н., Вачагина Е.К.

Моделирование структуры теплотехнологической схемы подготовки угля на центральном пылезаводе // Международная научная конференция «Матема тические методы в технике и технологиях – ММТТ-18». Казань, 2005 г. С.

193-194.

36. Мингалеева Г.Р., Зацаринная Ю.Н., Вачагина Е.К. Анализ энергети ческих затрат системы топливоприготовления Казанской ТЭЦ – 2 // IX Все российская конференция Ассоциации технических университетов России и представительств отраслевых академий наук при СПбГПУ по проблемам науки и высшей школы: «Фундаментальные исследования в технических университетах», Санкт-Петербург. 2005 г. С. 195.

37. Зацаринная Ю.Н., Мингалеева Г.Р. Эффективность процесса сушки твердого топлива в системах топливоприготовления // Всероссийская (с меж дународным участием) научно-техническая конференция «Рабочие процессы и технологии двигателей», Казань 2005 г. С. 102-103.

38. Легков А.А., Мингалеева Г.Р. Анализ структуры и эффективности системы подготовки твердого топлива с газогенератором на паро-воздушном дутье // Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышлен ности. Материалы Пятой Российской научно-технической конференции. г.

Ульяновск, 20-21 апреля 2006 г. Том 2. – Ульяновск: УлГТУ, 2006. С. 248 251.

39. Мингалеева Г.Р. Методика анализа и оценки тепловой и термодина мической эффективности систем топливоподачи и пылеприготовления // Ма териалы докладов Национальной конференции по теплоэнергетике. Казань 5 8 сентября 2006 г. С. 47-50.

40. Афанасьева О.В., Мингалеева Г.Р. Оценка тепловой эффективности угольной мини-ТЭС // Наука и технологии. Тезисы докладов XXVII Россий ской школы, посвященной 150-летию К.Э. Циолковского, 100-летию С.П.

Королева и 60-летию Государственного ракетного центра «КБ им. академика В.П. Макеева». – Миасс: МСНТ, 2007. С. 67.

41. Легков А.А., Мингалеева Г.Р. Оценка тепловой и термодинамиче ской эффективности систем подготовки угля с кислородной газификацией // Материалы докладов XVI Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» Россия, Санкт-Петербург, 21-25 мая 2007 г. Т.2. С.288-290.

42. Легков А.А., Мингалеева Г.Р. Термодинамический анализ системы подготовки угля с газификацией в кипящем слое // Глубокая переработка твер дого ископаемого топлива – стратегия России в 21 веке: Сб.тезисов Российской научной конференции (с международным участием). Звенигород, 21-24 ноября 2007 г. / Под ред. В.В. Лунина и др. М.: МГУ. 2007. С. 52.

43. Пятыгина М.В., Мингалеева Г.Р. Обеспечение условий автотермич ности процесса термохимической переработки угля // Глубокая переработка твердого ископаемого топлива – стратегия России в 21 веке: Сб.тезисов Россий ской научной конференции (с международным участием). Звенигород, 21-24 но ября 2007 г. / Под ред. В.В. Лунина и др. М.: МГУ. 2007. С. 68.

44. Афанасьева О.В., Мингалеева Г.Р. Перспективы использования угольных мини-ТЭЦ как стратегического направления развития автономного энергоснабжения // Глубокая переработка твердого ископаемого топлива – стра тегия России в 21 веке: Сб.тезисов Российской научной конференции (с междуна родным участием). Звенигород, 21-24 ноября 2007 г. / Под ред. В.В. Лунина и др.

М.: МГУ. 2007. С. 6.

45. Афанасьева О.В., Мингалеева Г.Р. Термодинамический анализ про цесса подготовки угля при комбинированной выработке тепловой и электри ческой энергии на мини-ТЭС // Физика неравновесных процессов в энергети ке и наноиндустрии: Тезисы докладов Всероссийской школы- семинара мо лодых ученых. Новосибирск, 6-15 октября 2007 г. Новосибирск: СО РАН.

2007. С.13-14.

46. Афанасьева О.В., Мингалеева Г.Р. Обеспечение надежности энерго снабжения на базе угольных мини-ТЭС // Труды VIII Международного сим позиума «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение». Часть 2.

г. Казань, 4-6 декабря 2007 г. С. 14-19.

47. Афанасьева О.В., Мингалеева Г.Р. Определение эксергетических по казателей угольной мини-ТЭС с аккумулированием тепловой энергии // Ма териалы XIX Международной Интернет - конференции молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения (МИКМУС-2007). Москва, 5-7 де кабря 2007 г. С. 101.

48. Легков А.А., Мингалеева Г.Р. Оценка факторов повышения термоди намической эффективности газогенератора с кипящим слоем твердого топ лива // Сборник материалов ХХ Всероссийская межвузовская научно техническая конференция «Электромеханические и внутрикамерные процес сы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Ка зань, 13-15 мая 2008 г. С. 123-124.

49. Афанасьева О.В., Мингалеева Г.Р. Оценка эффективности работы электростанции малой мощности с дизель-генератором для обеспечения ре зервного и автономного энергоснабжения // Сборник материалов ХХ Всерос сийская межвузовская научно-техническая конференция «Электромеханиче ские и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, ве ществ, материалов и изделий», Казань, 13-15 мая 2008 г. С. 125-127.

50. Пятыгина М.В., Мингалеева Г.Р. Определение теплофизических свойств продуктов термохимической переработки угля // Тезисы докладов XII Российская конференция по теплофизическим свойствам веществ, г. Мо сква, 7-10 октября 2008 г. М.: Интерконтакт Наука. С. 48.

51. Афанасьева О.В., Мингалеева Г.Р. Моделирование экологического воздействия угольных мини-ТЭС на воздушный бассейн с учетом региональ ного и масштабного факторов // Тезисы докладов III Всероссийской школы молодых ученых «Математические методы в экологии», г. Петрозаводск, 24 29 августа, 2008 г. С. 98-100.

52. Мингалеева Г.Р. Обеспечение ресурсонезависимости энергетических объектов как один из факторов экономического роста регионов // Материалы докладов Всероссийской конференции «Экономический рост, ресурсонезави симость и социально-экономическое неравенство», Санкт-Петербург, 15- октября 2008 г. С. 67-69.

53. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2009614471. Расчет и выбор оптимального варианта индивидуальной сис темы пылеприготовления для тепловой электростанции или котельной / Ха литова Г.Р., Мингалеева Г.Р. 21.08.2009.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.