Внедрение современных технологий на ТЭС
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Теплоэнергетика. Теплотехника
Издательство:
Инфра-Инженерия
Автор:
Шаров Юрий Иванович
Год издания: 2021
Кол-во страниц: 348
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-9729-0717-5
Артикул: 766836.01.99
Изложены теоретические основы современной энергетики. Рассмотрены современные технологии развития оборудования тепловых электростанций, отличия национальных и интернациональных рынков электроэнергии. Представлены пути повышения эффективности и безопасности парогазовых установок, способы оптимизации затрат на тепловые сети. Для специалистов в области теплоэнергетики. Может быть полезно студентам и аспирантам электроэнергетических направлений подготовки всех форм обучения.
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Ю. И. Шаров ВНЕДРЕНИЕ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ НА ТЭС Монография Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021
УДК 621.311 ББК 31.27 Ш25 Р е ц е н з е н т : доктор технических наук, профессор П. А. Щинников Шаров, Ю. И. Ш25 Внедрение современных технологий на ТЭС : монография / Ю. И. Шаров. Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. 348 с. : ил., табл. ISBN 978-5-9729-0717-5 Изложены теоретические основы современной энергетики. Рассмотрены современные технологии развития оборудования тепловых электростанций, отличия национальных и интернациональных рынков электроэнергии. Представлены пути повышения эффективности и безопасности парогазовых установок, способы оптимизации затрат на тепловые сети. Для специалистов в области теплоэнергетики. Может быть полезно студентам и аспирантам электроэнергетических направлений подготовки всех форм обучения. УДК 621.311 ББК 31.27 ISBN 978-5-9729-0717-5 Шаров Ю. И., 2021 Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие ............................................................................................................... 5 Введение ..................................................................................................................... 5 ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННАЯ ЭНЕРГЕТИКА [2, 3]................................................ 9 1.1. Традиционная энергетика ................................................................................ 9 1.1.1. Теплоэнергетика ..................................................................................... 9 1.1.2. Гидроэнергетика ................................................................................... 12 1.1.3. Ядерная энергетика .............................................................................. 14 1.2. Альтернативная энергетика [2, 3] ................................................................... 16 1.2.1. Солнечная энергетика ........................................................................... 16 1.2.2. Ветровая энергетика ............................................................................ 19 1.2.3. Альтернативная гидроэнергетика ....................................................... 21 1.2.4. Геотермальная энергетика ................................................................... 23 1.2.5. Биоэнергетика ....................................................................................... 24 1.2.6. Водородная энергетика ........................................................................ 26 1.2.7. Энергетика на топливных элементах ................................................. 27 1.2.8. Термоядерная энергетика .................................................................... 29 ГЛАВА 2. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ [4, 5] ............................................ 31 2.1. Конкуренция технологий производства электроэнергии ............................. 31 2.1.1. Технический прогресс .......................................................................... 31 2.1.2. Состояние производства электроэнергии ........................................... 32 2.1.3. Области конкуренции ........................................................................... 34 2.1.4. Энергетическая политика ..................................................................... 36 2.1.5. Конкурентоспособность ....................................................................... 41 2.1.6. Технологии производства электроэнергии ......................................... 43 2.2. Инновационные комбинированные системы [23, 24] .................................. 49 2.2.1. Комбинированное производство энергий ........................................... 49 2.2.2. Отопление .............................................................................................. 52 2.2.3. Электроснабжение ................................................................................ 53 2.2.4. Концепция виртуальных электростанций .......................................... 56 2.3. Электроэнергия, теплота и синтезгаз из биомассы [41, 42] ......................... 61 ГЛАВА 3. ПАРОГАЗОВЫЕ УСТАНОВКИ (ПГУ) [54…59] ............................. 68 3.1. Пути повышения эффективности и безопасности ПГУ [44] ....................... 68 3.2. Математическое моделирование ПГУ с ЦКС [45] ....................................... 70 3.3. Парогазовая электростанция в Шварце Пумпе [46] ..................................... 77 3.4. Оборудование и цены теплоснабжения [47, 56] ........................................... 80 3.5. Оптимизация диаграммы режимов ГТУ [48, 55] .......................................... 97 3.6. Оптимизация затрат на тепловые сети [49, 57] ........................................... 110 3.7. Опыт эксплуатации дрезденской ПГУ-ТЭЦ [50, 53, 58] ............................ 119 3.8. Рентабельность мероприятий на дрезденской ПГУ-ТЭЦ [51, 59] ............ 129 3.9. Промышленная ПГУ-ТЭЦ в Эрфурте (Германия) [52, 54, 58] .................. 136 3.10. Энергетическая концепция 2030 для Дрездена [73…76] ......................... 141 3.10.1. Интегрированная программа по энергии и защите климата Дрезден 2030 (IEuKK) ................................................................................... 141 3
3.10.2. Компания DREWAG Stadtwerke Dresden GmbH ............................ 156 3.10.3. Вклад компании DREWAG в использование возобновленных источников на рынке электрической и тепловой энергии ........................ 166 3.10.4. Состояние окружающей среды по энергетической концепции компании DREWAG [75] .......................................................... 171 3.11. Дрезден на пути к энергоэффективному городу [77, 78] ......................... 176 3.12. Опыт становления интегрированной концепции защиты климата города Хемниц [79, 80] ............................................................ 191 3.13. Роль накопителей в энергообороте [82, 83] ............................................... 207 3.14. Энергонакопители в строительной технике [84] ...................................... 226 3.15. Модернизация (санирование) зданий и эффективная энергоподготовка ................................................................................................... 247 3.16. Экономические перспективы использования возобновляемых источников энергии ................................................................. 254 ГЛАВА 4. СИНТЕЗ-ГАЗ В ЭНЕРГЕТИКЕ [2] ................................................... 268 4.1. Проблемы газификации [60] ......................................................................... 268 4.2. Будущее интегрированной газификации [61, 62] ....................................... 271 4.3. Синтез-газ из углей и остатков тяжелых фракций нефти .......................... 280 4.4. Опыт эксплуатации парогазовой ТЭС в Чехии [63] ................................... 284 ГЛАВА 5. ТЕПЛОВЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ НА УГЛЯХ ........... 289 5.1. Проблемы угольных ТЭС [64] ...................................................................... 289 5.2. ТЭС на бурых углях Шварце Пумпе [65] .................................................... 290 5.3. Китайские угольные ТЭС [66] ..................................................................... 293 5.4. ТЭС со сжиганием в кипящем слое [67] ...................................................... 297 ГЛАВА 6. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ТЭС ........................................... 299 6.1. Учет новых достижений по горячей десульфуризации газов [68] ............ 299 6.2. Модернизация польских угольных ТЭС [69] .............................................. 302 6.3. Снижение выбросов 2 SO на ТЭС Марица Ост в Болгарии [70] ............... 307 6.4. Управление котлами для минимизации их загрязнения [71, 72] .............. 312 ГЛАВА 7. СТРАТЕГИЯ РАЗВИТИЯ ЭНЕРГЕТИКИ РОССИИ [2, 3] ........... 316 7.1. Основные цели и стратегии ........................................................................... 316 7.2. Организационно-экономическая структура энергосистемы ..................... 317 7.3. Отраслевые стратегии топливного комплекса России ............................... 319 7.3.1. Нефтяная стратегия ............................................................................ 319 7.3.2. Газовая стратегия ................................................................................ 321 7.3.3. Угольная стратегия ............................................................................ 323 7.4. Стратегия развития гидроэнергетики .......................................................... 326 7.5. Стратегия развития ядерно-энергетического комплекса .......................... 326 7.6. Возобновляемые энергоресурсы [89] ........................................................... 329 7.7. Произведенные энергетические ресурсы [89] ............................................. 330 Библиографический список .................................................................................. 371 4
ПРЕДИСЛОВИЕ Настоящая монография является переработанным и дополненным новыми данными изданием учебного пособия Ю. И. Шарова «Оборудование тепловых электростанций – проблемы и перспективы [2]», изданным в 2002 г. Монография предназначена для магистрантов направления 13.04.01 – Теплоэнергетика и теплотехника и бакалавров направления 13.03.01 – Теплоэнергетика и теплотехника. ВВЕДЕНИЕ [1, 2] Научные основы, прикладные исследования и технические решения должны находить подтверждения на тепловых электростанциях (ТЭС). Поэтому специалистов ТЭС интересуют следующие вопросы: x обновление функций оборудования тепловых электростанций при различных видах топлив; достижение проектных параметров и потребительской стоимости; производственная безопасность и жизнеспособность при изменяющихся требованиях; надежность; поддержание оборудования в исправном состоянии. Особое внимание должно быть уделено коэффициенту полезного действия, зависимость которого от максимальной температуры показана на рис. В.1. K,% 2 50 1 3 40 4 30 400 600 800 1000 tMAX, qС 20 Рис. В.1. Зависимость КПД станционных процессов от температуры: 1 – ПТУ, 2 – ПГУ, 3 – газификация углей, 4 – ГТУ Совершенствование может быть достигнут путем: x повышения параметров свежего пара до 0 р = 30 МПа и 0 t = 600…650 °С; x использования теплоты уходящих газов для подогрева питательной воды; 5
x повышения КПД агрегатов (например, КПД турбины 0,9 t K ! ), в результате чего порядок КПД станции будет порядка ТЭС 0,45 K | , и потенциал развития еще останется (рис. В.2). 48 KНЕТТО 47 46 45 44 43 42 41 E1 E2 E3 40 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Рис. В.2. Совершенствование процессов: 1 – базис; 2 – изоэнтропийный КПД; 3 – параметры пара; 4 – температура перегрева пара; 5 – давление в конденсаторе; 6 – шлаковые потоки; 7 –регенерация теплоты; 8 – газовая турбина для привода дымососа; 9 – двойной промежуточный перегрев пара; 10 – внутренняя сушка угля; Е1, Е2, Е3 – параметры (см. табл. В.1) Это технологии циркулирующего слоя (атмосферного или под давлением рис. В.3), интегральной газификации углей (рис. В.4), комбинированного парогазового процесса, который стал перспективным благодаря следующим мероприятиям: x применению высококачественных топлив и их сжиганию с низкими вредными выбросами; достигнутой высокой надежности газовых турбин; материалам, позволяющим реализовать высокие температуры рабочих тел на входе в турбины. Известно, что ТЭС, использующие ископаемые топлива, имеют значительные вредные выбросы. Поэтому предельно допустимые концентрации вредностей (рис. В.5) должны быть значительно снижены. С 01.07.1996 в Германии приняты защитные мероприятия, согласно которым ТЭС оборудованы первичными и вторичными устройствами очистки газов. Необходимо также, чтобы аналогичные меры приняли Польша, Чехия, Венгрия и другие государства. Путь к чистым угольным технологиям предопределен. 6
NЭЛ, МВт 500 400 - Швеция - Франция - Англия - США - Япония 300 200 100 0 1980 1985 1990 1995 2000 Годы Рис. В.3. ТЭС с сжиганием топлива в псевдоожиженном слое NЭЛ, МВт 500 I I И N 400 I A - Индия - Нидерланды - Италия - Австралия 300 N I 200 N 100 A И И 0 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 Годы Млн. т/г Рис. В.4. ТЭС с интегрированной газификацией 178 200 150 100 91 62 84 50 8 13 8 2 0 CO SO2 NOx Зола Рис. В.5. Всемирные выбросы угольных ТЭС в 2020 году: штрих – обычные, белые – с учетом мероприятий по уменьшению выбросов 7
Таблица В.1 Параметры экономичной, экологически чистой угольной ТЭС Параметр Размерность Шварце Пумпе Е1 Е2 Е3 Электрическая мощность МВт 800 800 800 800 Угли – – Влажные бурые – – Свежий пар: 0 p МПа 26 26 30 30 0 t °С 547 580 600 600 Поджиг: п p МПа 5,14 5,14 8,3/2,6 8,3/2,6 п t °С 565 596 620/620 620/620 Конденсатор: к p бар 0,04 0,03/0,04 0,03/0,04 0,03/0,04 Питательная вода: пв t °С 273 300 300 327 КПД брутто бр K % 43,1 44,8 46,9 50,7 КПД нетто нет K % 40,4 42,8 44,8 47,3 Система отпуска тепла – + + + + Сушка углей – – – – Внутри процесса Таким образом, формирование экологически чистой угольной энергетики определяет новую концепцию пылеугольных энергоблоков, эффективность которых достигается за счет совершенствования технологического процесса и перехода на повышенные параметры пара, а снижение выбросов загрязняющих веществ до предельно низких значений обеспечивается установками глубокой очистки дымовых газов. 8
ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННАЯ ЭНЕРГЕТИКА [2, 3] 1.1. ТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА 1.1.1. ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА Электроэнергия на тепловых электростанциях вырабатывается на традиционных видах топлива (угле, газе, мазуте, торфе, горючих сланцах) при помощи мощных паровых турбин, приводящих в действие электрические генераторы. По особенностям технологического процесса ТЭС подразделяются на два вида. Конденсационные станции (КЭС), в которых прошедший через турбину отработавший пар охлаждается, конденсируется и конденсат используется в качестве питательной воды для парогенератора. Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), особенностью которых является то, что отработавший в турбине пар и горячая вода используются для отопления и горячего водоснабжения зданий. ТЭЦ строятся преимущественно в крупных городах, поскольку эффективная передача пара или горячей воды из-за высоких тепловых потерь в трубах возможна на расстояния не свыше 20…25 км. Кроме того, чтобы уменьшить потери теплоты, необходимы небольшие подстанции, которые должны размещаться вблизи от потребителя. При всех указанных недостатках ТЭЦ представляют собой установки по комбинированному производству электроэнергии и теплоты, в них коэффициент использования теплоты топлива составляет около 70 % против типовых значений 30…35 % на КЭС. При этом, как правило, максимальная мощность ТЭЦ меньше, чем КЭС. Преимущества тепловых станций по сравнению с другими типами электростанций заключаются в следующем: x в относительно свободном территориальном размещении, связанном с широким распространением топливных ресурсов; x в способности (в отличие от ГЭС) вырабатывать электроэнергию без сезонных колебаний мощности; 9
x в том, что площади отчуждения и вывода из хозяйственного оборота земли под сооружение и эксплуатацию ТЭС, как правило, значительно меньше, чем это необходимо для АЭС и тем более для ГЭС; x ТЭС в связи с массовым освоением технологий их строительства сооружаются гораздо быстрее, чем ГЭС или АЭС, и их стоимость на единицу установленной электрической мощности значительно ниже по сравнению с АЭС и ГЭС. В то же время ТЭС обладают и крупными недостатками: x для эксплуатации ТЭС обычно требуется гораздо больший персонал, чем для ГЭС и АЭС сопоставимой мощности, связанной с обслуживанием очень масштабного по объему топливного цикла; x ТЭС постоянно зависят от поставок не возобновляемых (и нередко привозных) топлив (уголь, мазут, газ); x ТЭС весьма критичны к многократным запускам и остановкам; смены режима их работы резко снижают эффективность, повышают расход топлива и приводят к повышенному износу основного оборудования; x ТЭС характеризуются сравнительно низкими КПД; x ТЭС оказывают неблагоприятное влияние на экологию окружающей среды. Наибольший ущерб экологии окружающих регионов приносят станции на угле, особенно высокозольном. Среди ТЭС самыми экологически чистыми являются станции на природном газе. По оценкам экспертов, ТЭС всего мира поглощают огромное количество кислорода, выбрасывают в атмосферу ежегодно около 200…250 млн т золы, более 60 млн т сернистого ангидрида 2 SO и большое количество углекислого газа 2 CO , вызывающего парниковый эффект и приводящего к глобальным климатическим изменениям. Кроме того, установлено, что избыточный радиационный фон вокруг тепловых электростанций, работающих на угле, в среднем в мире в 100 раз выше, чем вблизи АЭС такой же мощности (уголь в качестве микропримесей почти всегда содержит уран, торий и радиоактивный изотоп углерода). Хорошо отработанные технологии строительства, оборудования и эксплуатации ТЭС, а также относительная дешевизна их сооружения приводят к тому, что их доля в мировом энергобалансе в целом повышается, причем эксперты считают, что такая тенденция в обозримом будущем сохранится. По указанной причине совершенствованию технологий ТЭС и снижению влияния их недостатков во всем мире уделяется большое внимание. 10