Реферат по курсу математического моделирования выполнил студент: Ильиных А.А.
Новосибирский Государственный Технический Университет
Кафедра ТЭС
Новосибирск-2002
Методика оптимизации развития КАТЭКА при использовании в ЭС энерготехнологических блоков.
Рассматриваются две группы задач. Первая связана с определением технико-экономических характеристик энерготехнологических блоков, расходов материальных затрат, экологического воздействия, параметров схем, конструктивных решений. Вторая группа задач связана с определением перспективных типов энерготехнологических блоков и рациональных масштабов их применения в развивающемся топливно-энегретическом комплексе и предполагает изучение эффективности использования перспективных энерготехнологических блоков при различных системных факторах. Так как энерготехнологические блоки являются многоцелевыми, имеют сложную структуру, то затруднительно обеспечить сопоставимость альтернативных вариантов по выходу энергопродуктов и расходу ресурсов. Использование при оценке энерготехнологических блоков замыкающих затрат на энергопродукты и ресурсы может привести к большим погрешностям, так в зависимости от масштабов внедрения отдельных перспективных энерготехнологических блоков замыкающие затраты могут существенно измениться. Поэтому для измерения полных затрат и результатов, связанных с реализацией конкретных энерготехнологических блоков, и для выявления системных факторов на эффективность этих энергоблоков целесообразно применение моделей, содержащих балансы распределения ресурсов и энергопродуктов и отражающих производственные и экономические связи энерготехнологических блоков.
Решение этих вопросов для КАТЭКа требует рассмотрение технико-экономических связей трех уровней.
На верхнем — рассматриваются связи КАТЭКа с другими отраслями народного хозяйства, учитывающие потребление ограниченных народнохозяйственных ресурсов, связи со смежными отраслями, потребителями энергопродуктов.
На среднем — рассматривается цепочка производственных связей КАТЭКа с детализацией типов энерготехнологических блоков и ассортимента конечных энергопродуктов, вопросов качества и взаимозаменяемости энергопродуктов.
На нижнем уровне рассматриваются внутрирайонные связи КАТЭКа с другими объектами хозяйства по использованию природных и трудовых ресурсов, услуг производственной и социально-бытовой инфраструктуры и строительной базы, по выполнению экологических условий.
Схема обмена информацией между моделями предусматривает передачу из моделей верхнего уровня в модели отраслевого уровня заданий по потреблению топлива по отдельным группам потребителей. В результате решения задач отраслевого уровня при выполнении установленных заданий и минимизации суммарных приведенных затрат на добычу, переработку и транспортировку, подготовку и использование топлива определяется рациональная структура производства и потребления различных видов топлива. Эти данные служат входными параметрами для оптимизации развития энергосистемы с энерготехнологическими блоками, в результате чего получается оптимальный набор вариантов развития энергосистемы с этими энергоблоками и формируются первоначальные решения о перспективных типах энерготехнологических блоков. При формировании структуры энергосистемы рассматриваются различные варианты развития и реконструкции функционирующих энергоблоков, а также ввода новых. Формирование вероятных состояний развития энергосистемы осуществляется в виде определенного многофакторного набора параметров, характеризующего исходное состояние и направления развития энергосистемы в зависимости от особенностей и величин электрических и тепловых нагрузок, динамики роста, длительности периода развития, типов существующих и предполагаемых к вводу энергоблоков.
Определение рациональных направлений использования производится по модели баланса котельно-печного топлива страны, разработанной во ВНИИКТЭПе. Объектами планирования приняты отдельные месторождения угля, нефтеперерабатывающие заводы, узлы сети газопроводов (месторождения газа прикрепляются к узлам сети), пункты производства и добычи прочих видов топлива. Рассматриваются следующие виды энергоресурсов: энергетические угли (каменный рядовой и сортовой, бурый рядовой и сортовой, антрацит и отсевы угля); природный и попутный газ; топочный мазут; прочие виды топлива (торф, сланцы, коксовый газ и др.). Каждая топливная база представляется в виде нескольких способов, отражающих добычу топлива на действующих, реконструируемых, строящихся и предполагаемых к строительству предприятиях. Рассматриваются два вида магистрального транспорта топлива: железнодорожный для углепродуктов и топочного мазута и трубопроводный для газа. Выделяются 11 экономических районов страны (в том числе Восточная Сибирь). Каждый регион представляется как совокупность топливоиспользующих установок. Внутри региона потребители группируются по функциональному признаку: электростанции, котельные, коммунально-бытовые и промышленные установки. Для оценки новых технологий комплексной переработки н использования КАУ в модель были введены дополнительные переменные и ограничения, описывающие условия производства и потребления новых видов углепродуктов. Наряду с плазмотермической газификацией угля в энерготехнологических блоках был рассмотрен ряд перспективных направлений переработки углей:
— термооблагораживание с получением термобрикетов для коммунально-бытового хозяйства;
— пиролиз (процессы высокоскоростного пиролиза, полукоксования в импульсном псевдоожиженном слое, с конверсией газа, с циклонным реактором, с твердым и газовым теплоносителями);
— гидрогенизация — каталитический процесс получения жидкого топлива;
— газификация с получением синтез-газа.
Задача оптимизации баланса котельно-печного топлива формулируется следующим образом.
При выполнения ограничений по ресурсам (возможности развития добычи и производства) по условиям транспортировки и по потребности и при минимизации приведенных затрат на добычу (производство), переработку, транспортировку и использование топлива определить:
1) объем добычи (производства) различных энергоресурсов поотдельным месторождениям (пунктам, нефтеперерабатывающим заводам);
2) объемы переработки различных видов топлива по отдельным пунктам, в том числе по установкам с новыми технологиями использования КАУ;
3)Распределение энергоресурсов между отдельными экономическими районами с предварительным распределением их внутри районов между основными категориями потребителей;
4) Объемы и направления перевозок различных видов топлива магистральным железнодорожным транспортом, газопроводами;
5) рациональные виды топлива для тепловых электростанций и котельных, работающих на органическом топливе.
Определение потребности в топливно-энергетических ресурсах проводятся по четырем энергоносителям: электроэнергии, теплоте, котельно-печному и моторному топливам. При определении потребностей топлива на ТЭС учитывается: потребность народного хозяйства в электроэнергии и теплоте; уровень развития атомной и гидроэнергетики; уровень развития источников теплоснабжения; технико-экономические показатели (режимы работы, удельный расход топлива) установленного на ТЭС оборудования; ограничения по использованию на ТЭС различных видов топливно-энергетических ресурсов сравнительная экономическая эффективность различных видов топлива для конкретных электростанций.
Рассматривались: персонально каждая электростанция мощностью более 10 МВт; топливоиспользующее оборудование; степень освоения установленной мощности и достижения проектных показателей; влияние разных видов топлива на суммарный удельный их расход; режимы использования установленной мощности.
Учитывалось, что промышленные и районные котельные выступают как замыкающий поставщик теплоты в народном хозяйстве. Это означает, что после определения потребности в теплоте на перспективу по стране в целом и в разрезе экономических районов, покрытие потребности осуществляется сначала за счет ТЭЦ и атомных котельных. И только недостающая часть покрывается за счет котельных на органическом топливе.
При определении перспективных уровней потребности котельных в котельно-печном топливе проводилась группировка промышленных и отопительных котельных по паропроизводительности, видам используемого топлива и по типу используемого оборудования;
Рассматривались раздельно нормы расхода топлива для групп котельных по паропроизводительности.
Расчет потребности в котельно-печном топливе на производственные нужды сельского хозяйства производится по отдельным видам потребителей. При расчетах потребности в топливе коммунально-бытового хозяйства учтены обобщенный и частновладельческий жилой фонд, коммунально-бытовые предприятия, общественные здания и учреждения, которые не входят в группы централизованного теплоснабжения. Отдельно рассматривалась группа промышленных предприятий. В расчетах учтены также запасы топливно-энеретических ресурсов для бесперебойного топливоснабжения народного хозяйства.
Сделав прогноз потребности в топливно-энергетических ресурсах( в территориальном разрезе, по направлениям расхода, энергоносителям и первичным энергоресурсам) и сопоставив его с показателями производства топливно-энергетических ресурсов в рамках топливно-энергетического баланса, в случае необходимости, предполагается вернуться к первому шагу расчетов и уточнить гипотезы развитии и размещении производительных сил страны и объёмах экспорта топливно-энергетических ресурсов.
Практические расчеты направлены не на получение одного хотя исбалансированного по многим показателям, решения, а на расчёт различных вариантов, отличающихся как гипотезами развитиянародного хозяйства, так и отраслей ТЭК. При этом каждому уровню потребностей в электроэнергии и теплоте (т.е. разным вариантам развития народного хозяйства) соответствует своя структура энергоносителей и своя стратегия развития топливных баз страны.
Цель проведения экспериментальных расчетов заключав разработке такой стратегии развития ЭС КАТЭКа, которая соответствует, с одной стороны, гипотезам развития КАТЭКа, заложенным в модель , а с другой —структуре энергоносителей развитию народного хозяйства, полученных из модели БКПТ. Следует отметить, что модель БКПТ работает в составе модельного комплекса с оптимизационной межрегиональной межотраслевой моделью (ОМММ), разработанной в ИЭ и ОПП С0 РАН. Набор условий и факторов, отраженных в ОМММ, соответствует следующему кругу вопросов: анализ и технико-экономическая оценка природных ресурсов и условий развития, обоснование хозяйственной специализации и темпов развития производства, оценка экономической эффективности намеченных направлений развития и размещения производственных сил. Так как в модели баланса котельно-печного топлива потребности в топливе по категориям потребителей и регионам являются экзогенными параметрами, то в расчетах по этой модели и по ОМММнеобходимо исходить из одинаковых посылок об отраслевой структуре потребителей топлива и о величине потребления топлива по регионам.
Полученные в ОМММ решения используются в модели при формировании для КАТЭКа данных по потреблению электроэнергии и теплоты, газа и угля, среднегодовому приросту этих показателей и структуре потребителей топлива.
Реализована следующая схема информационного обмена.
По результатам решения 1-й группы задач задается (с учетом экологических ограничений) количество энергоблоков того или иного типаи приведенные удельные затраты по типам энергоблоков и новым технологиям использования КАУ в модели баланса котельно-печного топлива (БКПТ). Затем решается задача БКПТ и уточняются типы энергоблоков, в том числе и с новыми технологиями использования угля, соответствующие объемы потребления КАУ и среднегодовые темпы потребления энергопродуктов в моделях 1-й группы задач.
Математически это означает, что возможны последовательные отображения
В свою очередь, можно установить обратную связь от модели БКПТ к задачам 1-и группы, используя решениедля уточнения типовэнергоблоков, в том числе энерготехнологических блоков и среднегодовых темпов потребления энергопродуктов. На основе этой информации при решении задач 1-й группы получается новое решение, уточненное с позиции народнохозяйственных интересов.
Таким образом, модели разных уровней будут согласованными.
Технико-экономический анализ и комплексная оптимизация паротурбинных энерготехнологических блоков
Обоснованный выбор схемы и параметров паротурбинных энерготехнологических блоков с плазменной газификацией КАУ имеет большое значение в плане крупномасштабного внедренияэнерготехнологий на ТЭС КАТЭКа.'
К числу наиболее важных факторов, влияющих на выбор схемыи параметров ППТУ, относятся: стоимость КАУ, условия использования в энергосистеме КАТЭКа, условия водоснабжения электростанций, экологические условия. По сравнению с топливом для районов европейской части страны КАУ дешевле, что будет снижать роль экономии топлива и повышать роль экономии капиталовложений и эксплуатационных затрат на энергооборудование. Для будущей эксплуатации энерготехнологического блока в режиме с высоким числомчасов использования номинальной мощности (6500...7000ч/год) может быть рассмотрена целесообразность участия в покрытии переменной части графика нагрузки и изменении номинальной мощности вдиапазоне 0,7...1,1. Высокая будущая экологическая напряженность КАТЭКа ставит вопросы об энергетической и экономической устойчивости оптимальных решений при изменении ПДВ. Важное значение при определении оптимальных параметров и профиля оборудования ППТУ имеет обоснованный выбор уровня его единичной мощности.
Анализ влияния указанных факторов на параметры и профиль ППТУ осуществляется с использованием ЕС ЭВМ и системы математических моделей, имитирующих функционирование энерготехнологических блоков. Проведено несколько серий расчетов на ЕС ЭВМ, которые отличаются по дискретным признакам типов и схем энерготехнологических блоков (с плазмопаровой и плазмокислородной газификацией, с плазмотермической газификацией, с внутрицикловой плазмопаровой газификацией) и альтернативных угольных энергоблоков (с прямым сжиганием КАУ и с предварительной термической подготовкой его перед сжиганием, энергоблоков с плазменной подсветкой при сжигании КАУ).
Каждая серия расчетов включает:
-многовариантные расчеты при заранее заданных сочетанияхзначений параметров каждого типа энергоблоков;
-вариации значений каждого параметра в технически допустимых пределах при заданных значениях остальных параметров;
-крмплексную оптимизацию параметров каждого типа энергоблоковна основе алгоритма нелинейного программирования;
вариации параметров в зоне их оптимальных значений.
Указанный объем разнохарактерных расчетов позволяет более подробно учесть инженерную специфику сравниваемых вариантов, определить основные закономерности влияния параметров на эффективность энерготехнологического блока и оценить ее снижение для различных отступлений от оптимума по тем или иным инженерным соображениям.
Для каждого расчетного варианта энерготехнологического блока, т.е. для заданных конструкций, материалов и вида тепловой схемы, совместному выбору подлежали следующие параметры:
— начальное температура и давление пара;
—температура промежуточного перегрева пара;
—температура питательной воды (при оптимально сопряженной температуре уходящих газов парогенератора);
— конечное давление пара;
— температура реакции (при оптимально сопряженном времени реакции) в реакторе газификации КАУ;
—температура термической подготовки газовзвеси КАУ в термической ступениреактора;
— температураперегрева плазмообразующего пара;
—температура сероочистки синтез-газа.
Диаметры труб для пакетов пароперегревателя, экономайзера,газоподогревателя экранных труб топки реактора, воздухоподогревателя приняты в соответствии со стандартами к результатам расчетов и оптимизации конструктивных параметров реактора. Кроме указанных независимых термодинамическнх параметров, оптимальные значения получают многочисленные термодинамические и расходные зависимые параметры вошедшие в систему балансовых уравнений.
Для каждого расчетного варианта энерготехнологического блока на ЭВМ выполнены с совместной увязкой: расчет тепловой схемыи внутреннего относительного КПД турбины; теплобалансовыйи стоимостной расчёты парогенератора, регенеративных подогревателей питательной воды и конденсатора, основных трубопроводов, частей высокого, среднего и низкого давления турбины: расчет мощности и стоимости агрегатов собственных нужд; стоимостные расчеты систем топливоподачипылеприготовления, технического водоснабжения, золошлакоудаления удаления: тепловой, гидравлический, аэродинамический и стоимостный расчеты реактора и поверхностей теплообмена реактора.
С этой целью использованы после приведения к виду для применения на ЕС ЭВМ, соответствующие разделы нормативного метода расчета котлоагрегатови различных теплообменных аппаратов; уравнения для расчета параметров водяного пара ; методика СПИ расчета внутреннего относительного КПД частей высокого, среднего и низкого давления турбины, материалы РоТЭП, НоТЭП, ЦКТИ и прейскуранты для оценки удельных стоимостных показателей по различным элементам энерготехнологического блока, механизмам собственных нужд, систем водоснабжения, топливного хозяйства и топливоподготовки и шлакоудаления, а также строительной части.
Основная часть расчетов проведена для энерготехнологических паротурбинных энергоблоков 800 МВт при одном промышленном перегреве пара с одновальной турбиной. Варианты турбины и стоимостная оценка приняты по данным ЦКТИприменительно к схемам ЛМЗ. Стоимостная оценка парогенератора проводилась по методике ЦКТИс использованием данных РоТЭП, НоТЭП. Расчетные формулы преобразованы применительно к прямоточным однокорпусным парогенераторам. Число часов использования номинальной мощности 6500...7000 ч/год при участии впокрытии минимума электрической нагрузки 1500 ч/год и рассчитанном и рассчитанном при этих условиях по методике СПИ числе часа участия в покрытии максимума нагрузки. Для всех вариантов ППТУ рассмотрена система технического водоснабжения с вентиляторными сухими градирнями. Теплобалансовые и стоимостные оценки, схемные решения выполнялись по данным региона работы. Относительная цена топлива для ряда серий расчетов принималась в диапазоне 1..3.В качестве вариантов резервных установок в различных сериях расчётов рассматривались ГЭС, КЭС, полупиковые энергоблоки (по схеме СЭИ СО РАН, но при работе на синтез-газе), ГТУ. Предельные допустимые выбросы в расчетах принимались в интервале 0,3...0,7 от ПДК. В настоящее время ежегодные приведенные затраты на сокращение вредных выбросов дороги, а затраты в экологическую инфраструктуру занижены при данном составе реципиентов (в основном лес и сельскохозяйственные угодья). Существующие методики не позволяют учесть воздействие на окружающую самих вредных ингредиентов (окислы серы, азота, зола), а продуктов их трансформаций и оценить увеличение ущерба, наносимого окружающей среде засорением водоемов, почвы и т. д. Уровень цен на прогнозируемом этапе является одним из главных факторов, влияющих на природоохранную стратегию. Поэтому целый рядсерий расчетов выполнен при варьировании относительных затрат в экологическую инфраструктуру в пределах 1...3. Затраты в производственную и социальную инфраструктуру приняты на основе данных СПИ. Основная часть расчетов выполнена для вариантов с замещаемым химическим производством синтез-газа. Проведена серия расчетов оценки влияния на приведенные затраты замещаемого химическогопроизводства технического углерода и серосодержащего сырья. Удельные затраты химического продукта в замещаемое химическое производство приняты по даннымоптимизации теплоснабжающей системы] и Сибгипромеза. В соответствии с содержанием расчетов полная система совместно работающих программ для ЕС ЭВМ включает процедуры: определения термодинамических параметров воды и водяного пара; теплового расчета схем энерготехнологических и угольных блоков; теплового, гидравлического, аэродинамического, конструктивного и стоимостного расчетов реактора плазмотермической газификации КАУ; технико-экономического расчета энерготехнологических и угольных блоковпри недетерминированной информации; перебора расчетных вариантов параметров, изменения типа и схемы энергоблоков и режимных и экологическихусловий их функционирования; комплексной оптимизации параметров методом нелинейного программирования. Последние две процедуры входят в управляющую программу и работают поочередно согласно заданию.
Газопарогенераторная часть, в том числе:
- парогенераторные установки,
-плазмотермическиереакторные установки,
- плазмотроны,
- системы снижения производства оксидов азота,
- системы сероочистки
- оборудование очистки синтез-газа от золы,
- топливное хозяйство,
- дымовые трубы
- системазолошлакоудаления и отпуска потребителю золошлаков,
транспортное хозяйство, внешние коммуникации и прочее
Рассмотрим в качестве примера один из параметров объекта оптимизации.
Выбор единичной мощности.
Разработанный алгоритм предусматривает выбор более предпочтительной (знак < ) единичной мощности при одинаковых мощности энергосистемыN и условиях Gh и при оптимальных (для каждого
варианта) параметрах, т.е.
Nh +1 более предпочтительна, чем Nh , если вероятные минимальные удельные приведенные затраты 3min (w)h +1 более предпочтительны, чем 3min (w)h , и одновременно-вероятная экологическая зона функционирования всех энергоблоков с единичной мощностью, Nh +1 энергосистемы(включая резервные установки) FТЭС (Nh +1 ) более предпочтительна, чем FТЭС (Nh +1 ).
На рис.1. приведены в зависимости
от единичной мощности показатели ППТУ с плазмотермическим реактором при 30-процентномотпуске синтез-газа потребителям. Из этих данныхследует, что энергоблоки 500 и 800 МВт болеепредпочтительны, чем 300 МВт. В основном это обусловлено меньшимудельными капиталовложениями
Рис.1 Зависимость показателей ППТУ с плазмотермическим реактором от единичной мощности энергоблока: 1 — относительные вероятные удельные приведенные затраты (Зmin) на отпускаемую электроэнергию; 2,3 —
эксергетический КПД на отпускаемые электроэнергию и синтез-газ; 5 — структурный коэффициент (
); 6 — вероятная суммарная экологическая зона функционирования энергоблоков (FТЭС
), 7 — вероятные коэффициенты резерва в энергосистеме (Up)в эти энергоблоки по сравнению с энергоблоками 300МВт. Оптимальная эксергетическаяитехнико- экономическая (3min
) эффективностиэнергоблоков 500 и 800 МВт, вероятная экологическая зона их функционирования практически одинаковы (с учетом доверительного интервала). Однако энергоблоки 800 МВт обеспечиваютболее высокие темпы ввода генерирующих мощностей.
С учетом экономико-экологической равноценности энергоблоков 500 и 800 МВт и отмеченных выше обстоятельств целесообразно принять в качестве
29-04-2015, 01:53