Внедрение современных технологий на ТЭС


Ю. И. Шаров









                ВНЕДРЕНИЕ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ НА ТЭС





Монография


















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

  УДК 621.311
  ББК 31.27
       Ш25





Рецензент:

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 SO₂ 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:
     • 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.


Рис. В.1. Зависимость КПД станционных процессов от температуры: 1 - ПТУ, 2 - ПГУ, 3 - газификация углей, 4 - ГТУ


     Совершенствование может быть достигнут путем:
     •  повышения параметров свежего пара до р 0 = 30 МПа и 10 = 600.. .650 °С;
     •  использования теплоты уходящих газов для подогрева питательной воды;


5

      •       повышения КПД агрегатов (например, КПД турбины р; > 0,9), в результате чего порядок КПД станции будет порядка Лтэс ~ 0,45, и потенциал развития еще останется (рис. В.2).


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:
     • 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

Рис. B.3. ТЭС с сжиганием топлива в псевдоожиженном слое

Рис. B.4. ТЭС с интегрированной газификацией

Рис. B.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    Е1        Е2        Е3    
                                Пумпе                               
Электрическая           МВт      800      800       800       800   
мощность                                                            
Угли                    ---      ---    Влажные     ---       ---   
                                         бурые                      
Свежий пар:    p 0                                                  
t0                      МПа       26      26        30        30    
Поджиг:       Р п       °С       547      580       600       600   
tп                      МПа      5,14    5,14     8,3/2,6   8,3/2,6 
Конденсатор:   Рк       °С      565       596     620/620   620/620 
Питательная t           бар     0,04   0,03/0,04 0,03/0,04 0,03/0,04
tпв                     °С       273      300       300       327   
вода:                                                               
КПД брутто Пбр           %       43,1    44,8      46,9      50,7   
КПД нетто  Лнет          %       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:
     • в относительно свободном территориальном размещении, связанном с широким распространением топливных ресурсов;
     • в способности (в отличие от ГЭС) вырабатывать электроэнергию без сезонных колебаний мощности;


9

      • 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;
      • 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:
      • для эксплуатации ТЭС обычно требуется гораздо больший персонал, чем для ГЭС и АЭС сопоставимой мощности, связанной с обслуживанием очень масштабного по объему топливного цикла;
      • ТЭС постоянно зависят от поставок не возобновляемых (и нередко привозных) топлив (уголь, мазут, газ);
      • 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;
      • ТЭС характеризуются сравнительно низкими КПД;
      • 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 SO2 и большое количество углекислого газа CO2, 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

      Последнее время основным направлением в снабжении топливом в наиболее развитых странах является перевод угольных и мазутных ТЭС на природный газ (прежде всего, для снижения экологической нагрузки на окружающую среду). В Европе это в последние годы закреплено соответствующими директивами ЕС. Кроме того, новые стандарты экологической безопасности в развитых странах предусматривают обязательное оборудование станций многоступенчатыми системами улавливания и утилизации вредных пылевых и газовых выбросов (фильтры, катализаторные каскады и пр.). В последнее время на ТЭС получают широкое распространение установки принципиально новых типов:
      • газотурбинные установки (ГТУ) с газовыми турбинами на жидком топливе или газе, что снимает острую проблему водоснабжения ТЭС и тем самым позволяет размещать их в дефицитных по воде районах;
      • парогазовые установки (ПГУ), в которых теплота отработавших газов используется для получения пара низкого давления в парогенераторах, за счет чего возможно существенно повысить коэффициент использования топлива;
      • магнитогидродинамические генераторы (МГДГ) для непосредственного преобразования теплоты в электрическую энергию.
      Принцип работы МГДГ такой же, что и обычного электрогенератора: в проводнике, движущемся поперек магнитного поля, возникает электрический ток. При этом роль проводника играет низкотемпературная (2000... 3000 °С) плазма, возникающая в результате насыщения газообразных продуктов сгорания топлива легко ионизируемыми добавками.
      ТЭС комбинированного цикла, использующие МГД-генераторы, считаются перспективными. Комбинация МГДГ с обычной газотурбинной или паротурбинной системой позволяет достичь КПД до 60 %. Станции с комбинированным циклом для получения электрической энергии расходуют топлива на 50 % меньше, чем станции с обычным циклом. Кроме того, такие ТЭС меньше загрязняют окружающую среду и имеют еще одно преимущество - способность быстро развивать максимальную мощность.
      Основной проблемой широкого использования МГДГ является создание и промышленный выпуск недорогих конструкционных материалов, способных противостоять коррозии при высоких рабочих температурах газовой плазмы. В настоящее время выпуск материалов с подобными характеристиками ограничен сферами специальной, прежде всего военно-авиационной и ракетной техники.
      Еще одной перспективной технологией ТЭС является газовая микроэнергетика. При высокой теплоте сгорания газообразное топливо создает един

11

ственную экологическую опасность - токсичные окислы азота NOx в продуктах сгорания. В малых котлах их количество на единицу вырабатываемой мощности в 5 раз выше, чем в больших парогенераторах. Но существуют методы снижения образования окислов азота путем подмешивания части дымовых газов к свежему воздуху, то есть рециркуляции дымовых газов.
     Малые энергоустановки с газовой турбиной (или с двигателем внутреннего сгорания) на газообразном топливе, с турбогенератором и котлом-утилизатором для комбинированной выработки электрической и тепловой энергий, считаются реальной основой газовой микро энергетики. Особенно эффективна такая схема в тех случаях, когда потребителю необходима только тепловая энергия (отопление, горячая вода); тогда достаточно установить на чердаке или в подвале здания небольшой автоматизированный газовый водогрейный котел.
     Эффективность газовой микро энергетики проявляется в том, что плотность потока энергии в газовой трубе, даже при невысоком давлении, примерно на два порядка выше, чем в трубе с горячей водой. Поэтому ту же энергию можно передать в газовой трубе десятикратно меньшего диаметра.
     Известно, что уложенные 50...70 лет назад газовые трубы в основном служат до сих пор, в то время как теплосети горячего водоснабжения и отопления приходится менять и ремонтировать гораздо чаще из-за коррозии металла (правда, использование современных полимерных труб частично снимает эту проблему). Наконец, газ передается по трубам практически без потерь, в то время как в длинных магистралях водяного теплоснабжения теряется до 60 % теплоты.

1.1.2. ГИДРОЭНЕРГЕТИКА

     Самую дешевую электроэнергию, как правило, производят на ГЭС. Их гидроэнергетический потенциал относят к неисчерпаемым ресурсам. Использование ГЭС ограничивается тем, что их размещение нельзя ориентировать на потребителя, а можно строить только в определенных местах, где присутствует удачное сочетание мощной реки с удобными для строительства станции формами рельефа.
     Первые гидроэлектростанции относились к проточному типу, при котором вода реки не запруживалась, а просто пропускалась через турбину. Для создания таких ГЭС требовались большие перепады в уровнях рек. Например, знаменитая электростанция у Ниагарского водопада (США) была именно такого типа.


12