Міністерство загальної та професійної освіти

Новосибірський Державний Технічний Університет

Кафедра ТЕС

Реферат
по курсу математичного моделювання
«Математичне моделювання та оптимізація елементів теплової схеми енерготехнологічного блоку»
Факультет енергетики
Група: ПЕ-91
Студент: Ільїних А.А.
Викладач: Віхман О.А.
Відмітка про захист

Новосибірськ-2003

Методика оптимізації розвитку КАТЕКА при використанні в ЕС енерготехнологічних блоків.
Розглядаються дві групи завдань. Перша пов'язана з визначенням техніко-економічних характеристик енерготехнологічних блоків, витрат матеріальних витрат, екологічного впливу, параметрів схем, конструктивних рішень. Друга група завдань пов'язана з визначенням перспективних типів енерготехнологічних блоків і раціональних масштабів їхнього застосування в розвивається паливно-енегретіческом комплексі і передбачає вивчення ефективності використання перспективних енерготехнологічних блоків при різних системних факторах. Так як енерготехнологічні блоки є багатоцільовими, мають складну структуру, то важко забезпечити порівнянність альтернативних варіантів щодо виходу енергопродуктів і витраті ресурсів. Використання при оцінці енерготехнологічних блоків замикає витрат на енергопродукти і ресурси може призвести до великих погрішностей, так в залежності від масштабів впровадження окремих перспективних енерготехнологічних блоків замикаючі витрати можуть істотно змінитися. Тому для вимірювання повних витрат і результатів, пов'язаних з реалізацією конкретних енерготехнологічних блоків, і для виявлення системних факторів на ефективність цих енергоблоків доцільне застосування моделей, що містять баланси розподілу ресурсів та енергопродуктів і відображають виробничі та економічні зв'язки енерготехнологічних блоків.
Вирішення цих питань для КАТЕКа потребує розгляд техніко-економічних зв'язків трьох рівнів.
На верхньому - розглядаються зв'язку КАТЕКа з іншими галузями народного господарства, враховують споживання обмежених народногосподарських ресурсів, зв'язки з суміжними галузями, споживачами енергопродуктів.
На середньому - розглядається ланцюжок виробничих зв'язків КАТЕКа з деталізацією типів енерготехнологічних блоків і асортименту кінцевих енергопродуктів, питань якості і взаємозамінності енергопродуктів.
На нижньому рівні розглядаються внутрішньорайонні зв'язку КАТЕКа з іншими об'єктами господарства щодо використання природних і трудових ресурсів, послуг виробничої та соціально-побутової інфраструктури і будівельної бази, з виконання екологічних умов.
Схема обміну інформацією між моделями передбачає передачу з моделей верхнього рівня в моделі галузевого рівня завдань за споживанням палива по окремих групах споживачів. У результаті рішення завдань галузевого рівня при виконанні встановлених завдань та мінімізації сумарних приведених витрат на видобуток, переробку і транспортування, підготовку та використання палива визначається раціональна структура виробництва і споживання різних видів палива. Ці дані служать вхідними параметрами для оптимізації розвитку енергосистеми з енерготехнологічних блоками, в результаті чого виходить оптимальний набір варіантів розвитку енергосистеми з цими енергоблоками і формуються початкові рішення про перспективні типах енерготехнологічних блоків. При формуванні структури енергосистеми розглядаються різні варіанти розвитку та реконструкції функціонуючих енергоблоків, а також введення нових. Формування ймовірних станів розвитку енергосистеми здійснюється у вигляді певного багатофакторного набору параметрів, що характеризує початковий стан та напрямки розвитку енергосистеми в залежності від особливостей і величин електричних і теплових навантажень, динаміки зростання, тривалості періоду розвитку, типів існуючих і передбачуваних до введення енергоблоків.
Визначення раціональних напрямів використання проводиться за моделлю балансу котельно-пічного палива країни, розробленої на ВНІІКТЕПе. Об'єктами планування прийняті окремі родовища вугілля, нафтопереробні заводи, вузли мережі газопроводів (родовища газу прикріплюються до вузлів мережі), пункти виробництва і видобутку інших видів палива. Розглядаються такі види енергоресурсів: енергетичне вугілля (кам'яне рядовий і сортовий, бурий рядовий і сортовий, антрацит і відсіви вугілля); природний і попутний газ; топковий мазут; інші види палива (торф, сланці, коксовий газ і ін.) Кожна паливна база представляється у вигляді декількох способів, що відображають видобуток палива на діючих, реконструюються, будуються і передбачуваних до будівництва підприємствах. Розглядаються два види магістрального транспорту палива: залізничний для углепродуктов і топкового мазуту і трубопровідний для газу. Виділяються 11 економічних районів країни (у тому числі Східна Сибір). Кожен регіон представляється як сукупність паливовикористовуючих установок. Усередині регіону споживачі групуються за функціональною ознакою: електростанції, котельні, комунально-побутові і промислові установки. Для оцінки нових технологій комплексної переробки н використання КАУ в модель були введені додаткові змінні і обмеження, що описують умови виробництва та споживання нових видів углепродуктов. Поряд з плазмотерміческой газифікацією вугілля в енерготехнологічних блоках було розглянуто ряд перспективних напрямків переробки вугілля:
- Термооблагоражіваніе з отриманням термобрікетов для комунально-побутового господарства;
- Піроліз (процеси високошвидкісного піролізу, напівкоксування в імпульсному псевдозрідженому шарі, з конверсією газу, з циклонним реактором, з твердим і газовим теплоносіями);
- Гідрогенізація - каталітичний процес отримання рідкого палива;
- Газифікація з отриманням синтез-газу.
Завдання оптимізації балансу котельно-пічного палива формулюється наступним чином.
При виконання обмежень по ресурсах (можливості розвитку видобутку та виробництва) за умовами транспортування та за потреби і при мінімізації приведених витрат на видобуток (виробництво), переробку, транспортування та використання палива визначити:
1) обсяг видобутку (виробництва) різних енергоресурсів за
окремих родовищ (пунктам, нафтопереробним заводам);
2) обсяги переробки різних видів палива за окремими пунктами, у тому числі по установках з новими технологіями використання КАУ;
3) Розподіл енергоресурсів між окремими економічними районами з попередніми розподілом їх усередині районів між основними категоріями споживачів;
4) Обсяги та напрямки перевезень різних видів палива магістральним залізничним транспортом, газопроводами;
5) раціональні види палива для теплових електростанцій та котелень, що працюють на органічному паливі.
Визначення потреби в паливно-енергетичних ресурсах проводяться за чотирма енергоносіях: електроенергії, теплоти, котельно-пічному і моторному палив. При визначенні потреб палива на ТЕС враховується: потреба народного господарства в електроенергії та теплоти; рівень розвитку атомної та гідроенергетики; рівень розвитку джерел теплопостачання; техніко-економічні показники (режими роботи, питома витрата палива) встановленого на ТЕС обладнання; обмеження з використання на ТЕС різних видів паливно-енергетичних ресурсів порівняльна економічна ефективність різних видів палива для конкретних електростанцій.
Розглядалися: персонально кожна електростанція потужністю більше 10 МВт; паливовикористовуючому обладнання; ступінь освоєння встановленої потужності та досягнення проектних показників; вплив різних видів палива на сумарний питома їх витрата; режими використання встановленої потужності.
Враховувалося, що промислові і районні котельні виступають як замикає постачальник теплоти в народному господарстві. Це означає, що після визначення потреби в теплоті на перспективу по країні в цілому та в розрізі економічних районів, покриття потреб здійснюється спочатку за рахунок ТЕЦ та атомних котелень. І тільки відсутня частина покривається за рахунок котелень на органічному паливі.
При визначенні перспективних рівнів потреби котелень в котельно-пічному паливі проводилася угруповання промислових та опалювальних котелень по паропродуктивності, видами використовуваного палива і по типу використання обладнання;
Розглядалися роздільно норми витрати палива для груп котелень по паропродуктивності.
Розрахунок потреби в котельно-пічному паливі на виробничі потреби сільського господарства проводиться за окремим видам споживачів. При розрахунках потреби в паливі комунально-побутового господарства враховані узагальнений і приватновласницький житловий фонд, комунально-побутові підприємства, громадські будівлі та установи, які не входять до групи централізованого теплопостачання. Окремо розглядалася група промислових підприємств. У розрахунках враховані також запаси паливно-енеретіческіх ресурсів для безперебійного паливопостачання народного господарства.
Мета проведення експериментальних розрахунків полягає розробці такої стратегії розвитку ЕС КАТЕКа, яка відповідає, з одного боку, гіпотезам розвитку КАТЕКа, закладеним в модель, а з іншого-структурі енергоносіїв розвитку народного господарства, отриманих з моделі БКПТ. Слід зазначити, що модель БКПТ працює у складі модельного комплексу з оптимізаційної міжрегіональної міжгалузевої моделлю (ОМММ), розробленої в ІЕ та ОПП С0 РАН. Набір умов та факторів, відображених у ОМММ, відповідає наступного кола питань: аналіз і техніко-економічна оцінка природних ресурсів і умов розвитку, обгрунтування господарської спеціалізації і темпів розвитку виробництва, оцінка економічної ефективності намічених напрямів розвитку і розміщення виробничих сил. Так як в моделі балансу котельно-пічного палива потреби в паливі по категоріям споживачів і регіонах є екзогенними параметрами, то в розрахунках за цією моделлю і за ОМММ необхідно виходити з однакових посилок про галузевій структурі споживачів палива і про величину споживання палива по регіонах.
У свою чергу, можна встановити зворотний зв'язок від моделі БКПТ до завдань 1-ї групи, використовуючи рішення для уточнення типів енергоблоків, в тому числі енерготехнологічних блоків і середньорічних темпів споживання енергопродуктів. На основі цієї інформації при вирішенні завдань 1-ї групи виходить нове рішення, уточнене з позиції народногосподарських інтересів.
Таким чином, моделі різних рівнів будуть узгодженими.
Техніко-економічний аналіз і комплексна оптимізація паротурбінних енерготехнологічних блоків.
Обгрунтований вибір схеми і параметрів паротурбінних енерготехнологічних блоків з плазмовою газифікацією КАУ має велике значення в плані великомасштабного впровадження енерготехнологій на ТЕС КАТЕКа. '
До числа найбільш важливих факторів, що впливають на вибір схеми і параметрів ППТУ, належать: вартість КАУ, умови використання в енергосистемі КАТЕКа, умови водопостачання електростанцій, екологічні умови. У порівнянні з паливом для районів європейській частині країни КАУ дешевше, що буде знижувати роль економії палива і підвищувати роль економії капіталовкладень і експлуатаційних витрат на енергоустаткування. Для майбутньої експлуатації енерготехнологічного блоку в режимі з високим числом годин використання номінальної потужності (6500...7000ч/год) може бути розглянута доцільність участі в покритті змінної частини графіка навантаження і зміні номінальної потужності в діапазоні 0,7 ... 1,1. Висока майбутня екологічна напруженість КАТЕКа ставить питання про енергетичну та економічної стійкості оптимальних рішень при зміні ПДВ. Важливе значення при визначенні оптимальних параметрів та профілю обладнання ППТУ має обгрунтований вибір рівня його одиничної потужності.
Аналіз впливу зазначених факторів на параметри і профіль ППТУ здійснюється з використанням ЄС ЕОМ та системи математичних моделей, що імітують функціонування енерготехнологічних блоків. Проведено кілька серій розрахунків на ЄС ЕОМ, які відрізняються за дискретним ознаками типів і схем енерготехнологічних блоків (з плазмопаровой і плазмокіслородной газифікацією, з плазмотерміческой газифікацією, з внутрицикловой плазмопаровой газифікацією) та альтернативних вугільних енергоблоків (з прямим спалюванням КАУ і з попередньої термічної підготовкою його перед спалюванням, енергоблоків з плазмовою підсвічуванням при спалюванні КАУ).
Кожна серія розрахунків включає:
- Багатоваріантні розрахунки при заздалегідь заданих поєднаннях значень параметрів кожного типу енергоблоків;
- Варіації значень кожного параметра в технічно допустимих межах при заданих значеннях інших параметрів;
- Крмплексную оптимізацію параметрів кожного типу енергоблоків на основі алгоритму нелінійного програмування;
- Варіації параметрів в зоні їх оптимальних значень.
Зазначений обсяг різнохарактерних розрахунків дозволяє більш детально врахувати інженерну специфіку порівнюваних варіантів, визначити основні закономірності впливу параметрів на ефективність енерготехнологічного блоку і оцінити її зниження для різних відступів від оптимуму з тих чи інших інженерних міркувань.
Для кожного розрахункового варіанта енерготехнологічного блоку, тобто для заданих конструкцій, матеріалів і виду теплової схеми, спільному вибору підлягали наступні параметри:
- Початкове температура і тиск пари;
-Температура проміжного перегріву пари;
-Температура живильної води (при оптимально сполученої температурі газів, що йдуть парогенератора);
- Кінцевий тиск пари;
- Температура реакції (при оптимально зв'язаному часу реакції) в реакторі газифікації КАУ;
-Температура термічної підготовки газосуспензії КАУ в термічної щаблі реактора;
- Температура перегріву плазмообразующего пара;
-Температура сіркоочистки синтез-газу.
Діаметри труб для пакетів пароперегрівача, економайзера, газоподогревателя екранних труб топки реактора, повітропідігрівника прийняті у відповідності зі стандартами до результатів розрахунків та оптимізації конструктивних параметрів реактора. Крім зазначених незалежних термодінаміческнх параметрів, оптимальні значення набувають численні термодинамічні та витратні залежні параметри ввійшли в систему балансових рівнянь.
Для кожного розрахункового варіанта енерготехнологічного блоку на ЕОМ виконані зі спільною ув'язкою: розрахунок теплової схеми і внутрішнього відносного ККД турбіни; теплобалансовий і вартісної розрахунки парогенератора, регенеративних підігрівачів живильної води і конденсатора, основних трубопроводів, частин високого, середнього та низького тиску турбіни: розрахунок потужності і вартості агрегатів власних потреб; вартісні розрахунки систем паливоподачі пилоприготування, технічного водопостачання, золошлаковидалення видалення: тепловий, гідравлічний, аеродинамічний та вартісний розрахунки реактора і поверхонь теплообміну реактора.
З цією метою використані після приведення до виду для застосування на ЄС ЕОМ, відповідні розділи нормативного методу розрахунку котлоагрегатів і різних теплообмінних апаратів; рівняння для розрахунку параметрів водяної пари; методика СПИ розрахунку внутрішнього відносного ККД частин високого, середнього та низького тиску турбіни, матеріали РоТЕП, НоТЕП, ЦКТІ і прейскуранти для оцінки питомих вартісних показників по різним елементам енерготехнологічного блоку, механізмам власних потреб, систем водопостачання, паливного господарства і паливопідготовки і шлаковидалення, а також будівельної частини.
Основна частина розрахунків проведена для енерготехнологічних паротурбінних енергоблоків 800 МВт при одному промисловому перегрів пари з одновальної турбіною. Варіанти турбіни та вартісна оцінка прийняті за даними ЦКТІ стосовно до схем ЛМЗ. Вартісна оцінка парогенератора проводилася за методикою ЦКТІ з використанням даних РоТЕП, НоТЕП. Розрахункові формули перетворені стосовно до прямоточних однокорпусних парогенераторів. Число годин використання номінальної потужності 6500 ... 7000 год / рік при участі в покритті мінімуму електричного навантаження 1500 год / рік і розрахованому і розрахованому за цих умов за методикою СПИ числі години участі в покритті максимуму навантаження. Для всіх варіантів ППТУ розглянута система технічного водопостачання з вентиляторними сухими градирнями. Теплобалансовие і вартісні оцінки, схемні рішення виконувалися за даними регіону роботи. Відносна ціна палива для ряду серій розрахунків приймалася в діапазоні 1 .. 3.В Як варіанти резервних установок у різних серіях розрахунків розглядалися ГЕС, КЕС, напівпікові енергоблоки (за схемою СЕІ СО РАН, але при роботі на синтез-газі), ГТУ. Граничні допустимі викиди в розрахунках приймалися в інтервалі 0,3 ... 0,7 від ГДК. В даний час щорічні наведені витрати на скорочення шкідливих викидів дороги, а витрати в екологічну інфраструктуру занижені при даному складі реципієнтів (в основному ліс і сільськогосподарські угіддя). Існуючі методики не дозволяють врахувати вплив на навколишнє самих шкідливих інгредієнтів (оксиди сірки, азоту, зола), а продуктів їх трансформацій та оцінити збільшення збитку, що наноситься навколишньому середовищу засміченням водойм, грунту і т. д. Рівень цін на прогнозованому етапі є одним з головних факторів, що впливають на природоохоронну стратегію. Тому цілий ряд серій розрахунків виконаний при варіюванні відносних витрат у екологічну інфраструктуру в межах 1 ... 3. Витрати у виробничу і соціальну інфраструктуру прийняті на основі даних СПИ. Основна частина розрахунків виконана для варіантів з заміщається хімічним виробництвом синтез-газу. Проведено серію розрахунків оцінки впливу на наведені витрати заміщає хімічного виробництва технічного вуглецю і серосодержащего сировини. Питомі витрати хімічного продукту в заміщає хімічне виробництво прийняті за даними оптимізації теплопостачальної системи] і Сібгіпромеза. У відповідності до змісту розрахунків повна система спільно працюючих програм для ЄС ЕОМ включає процедури: визначення термодинамічних параметрів води і водяної пари; теплового розрахунку схем енерготехнологічних та вугільних блоків; теплового, гідравлічного, аеродинамічного, конструктивного і вартісного розрахунків реактора плазмотерміческой газифікації КАУ; техніко-економічного розрахунку енерготехнологічних та вугільних блоків при недетермінованої інформації; перебору розрахункових варіантів параметрів, зміни типу і схеми енергоблоків і режимних і екологічних умов їх функціонування; комплексної оптимізації параметрів методом нелінійного програмування. Останні дві процедури входять у керуючу програму і працюють по черзі відповідно до завдання.
У табл.1 представлено структуру розрахованих за моделлю приведених витрат у ГРЕС-6400 з енерготехнологічних блоками 800 і з плазмотерміческой реакторами (ПТР-1000) продуктивністю 1100 тис.м ³ / год.
Таблиця 1
Структура приведених витрат у енерготехнологічних ГРЕС 6400: 8хШп-2500-255ГМ + К-800-240 + ПТР-1000)

Капіталовкладення

Газопарогенераторная частину, в тому числі:
- Парогенераторні установки,
-Плазмотерміческой реакторні установки,
- Плазмотрони,
- Системи зниження виробництва оксидів азоту,
- Системи сіркоочистки
- Обладнання очищення синтез-газу від золи,
- Паливне господарство,
- Димові труби
- Система золошлаковидалення та відпуску споживачеві золошлаків,
- Транспортне господарство, зовнішні комунікації та інше

Розглянемо як приклад один з параметрів об'єкта оптимізації.

Вибір одиничної потужності.

Розроблений алгоритм передбачає вибір більш кращою (знак <) одиничної потужності при однакових потужності енергосистеми N і умовах G _h   і при оптимальних (для кожного
варіанту) параметрах, тобто

N _{h +1} більш краща, ніж N _h, якщо ймовірні мінімальні питомі наведені витрати 3 _min (w) _{h +1} більш кращі, ніж 3 _min (w) _h, і одночасно-ймовірна екологічна зона функціонування всіх енергоблоків з одиничною потужністю, N _{h +1} енергосистеми (включаючи резервні установки) F _ТЕС (N _{h +1)} більш краща, ніж F _ТЕС (N _{h +1).}
На рис.1. наведені в залежності

від одиничної потужності показники ППТУ з плазмотерміческой реактором при 30-процентному відпустці синтез-газу споживачам. З цих даних випливає, що енергоблоки 500 і 800 МВт більш кращі, ніж 300 МВт. В основному це зумовлено меншим питомими капіталовкладеннями

Рис.1 Залежність показників ППТУ з плазмотерміческой реактором від одиничної потужності енергоблока: 1 - відносні ймовірні питомі приведені витрати (Зmin) на електроенергію, що відпускається; 2,3 - ексергетичного ККД на відпускаються електроенергію і синтез-газ, 5 - структурний коефіцієнт ( ); 6 - ймовірна сумарна екологічна зона функціонування енергоблоків (F ТЕС), 7 - ймовірні коефіцієнти резерву в енергосистемі (Up)

в ці енергоблоки в порівнянні з енергоблоками 300МВт. Оптимальна ексергетичного та техніко-економічна (3 _min) ефективності
енергоблоків 500 і 800 МВт, ймовірна екологічна зона їх функціонування практично однакові (з урахуванням довірчого інтервалу). Однак енергоблоки 800 МВт забезпечують більш високі темпи введення генеруючих потужностей.
З урахуванням економіко-екологічної рівноцінності енергоблоків 500 і 800 МВт і зазначених вище обставин доцільно прийняти в якості більш пріоритетним ППТУ-800 з плазмотерміческой реактором.
Висновок.
При виконані імовірнісних системних досліджень енерготехнологічних блоків електростанції КАТЕКа з новими технологіями використання вугілля вперше були отримані результати системних досліджень паротурбінних і парогазових енерготехнологічних блоків з плазмотерміческой газифікацією КАУ в складі конденсаційних і теплофікаційних електростанцій КАТЕКа, що дозволили розробити і сформувати рекомендації за масштабами їх застосування у складі електростанцій КАТЕКа і оптимальними схемами і параметрами.
Екологічно перспективний енерготехнологічний блок - паротурбінний потужністю 500 ... 800 МВт на початкові параметри пари 17,5 ... 23,5 МПа, 510 ... 540 С (відповідно при 30 .. 10-процентному відпуску споживачеві синтез-газу) при температурі промперегріву 540 С, температурі живильної води 270 ... 275 С, з парогенератором на синтез-газі, із системою технічного водопостачання з сухими вентиляторними градирнями при тиску пари в конденсаторі 0,007 ... 0,010 МПа; в технологічній частині - з паровим плазмотерміческой реактором при температурах реакції 1480 .. .1510 К, перегріву плазмообразующего пара 1010 ... 1070 К, при ступені газифікації 0,82 ... 0,84, з газоаккумуляторов 40 ... 110 тис.м ³ (при 10 ... 30-процентному відпуску споживачеві синтез -газу); або - парогазовий на базі оптимального паротурбінного енерготехнологічного блоку 500 ... 800 МВт і газотурбінного - ГТЕ-150 зі скиданням відпрацьованих газів в топку парогенератора з допалюванням синтез-газу, для ТЕЦ - паротурбінний енерготехнологічний блок 135/165 ... 250/300 МВт на початкові параметри пари 13 ... 17 МПа, 510 С при температурі живильної води 200 ... 275 С (при відпуску 0,08 ... 0,16 млрд.м ³ / рік синтез-газу) і коефіцієнті теплофікації 0,6 .. 0,7, з плазмотерміческой реактором в технологічній частині при температурах реакції 1440 ... 1500 К, перегріву плазмообразующего пара 800 ... 1070 К, зі ступенем газифікації 0,72 ... 0,86, без газоаккумуляторов.
Ймовірна питома економія наведених витрат від реалізації на КАТЕКе екологічно перспективних енерготехнологічних блоків з плазмотерміческой газифікацією КАУ, віднесена до витрат на тонну рядового вугілля, становитиме (в порівнянні з пиловугільними енергоблоками) 30 ... 40% Для ГРЕС і 40 ... 50% для ТЕЦ.
Сукупність отриманих результатів становить наукову основу системних досліджень багатоцільових енерготехнологічних комплексів з новими технологіями використання вугілля.
Список використовуваної літератури:
1. Ноздренко Г.В. «Ефективність застосування в енергетиці КАТЕКа екологічно перспективних енерготехнологічних блоків електростанцій з новими технологіями використання вугілля». НГТУ-1992, 250С.
2. Журнал «Енергетика», № 4,5 / 99, № 8 / 2000, № 11/2000.
3. Попирін Л.С. «Математичне моделювання та оптимізація теплоенергетичних установок» - M.: Енергія-1978.