авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< 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


Pages:   || 2 | 3 |

Управление выбросами оксидов азота на тэс рециркуляцией дымовых газов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ПАРЧЕВСКИЙ Валерий Михайлович

УПРАВЛЕНИЕ ВЫБРОСАМИ ОКСИДОВ АЗОТА НА ТЭС

РЕЦИРКУЛЯЦИЕЙ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ

Специальность 05.13.06. Автоматизация и управление технологическими

процессами и производствами (по отраслям: энергетика)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2010

Работа выполнена в Московском энергетическом институте (техническом университете) на кафедре Автоматизированных систем управления тепловыми процессами.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Плетнев Геннадий Пантелеймонович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Балакирев Валентин Сергеевич

доктор технических наук, профессор

Кормилицын Владимир Ильич

Ведущая организация: ОАО «Энергетический институт

им. Г.М. Кржижановского» (ЭНИН)

Защита диссертации состоится « 10 » марта 2011 г. в 14 ч. 00 мин.

на заседании диссертационного совета Д 212.157.14 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу:

Москва, ул. Красноказарменная, д. 17, ауд. Б-205.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Отзывы на автореферат диссертации (в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения) просим направлять по адресу: 111250, Москва,

ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан « » февраля 2011 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.14

к.т.н., доцент Зверьков В.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В составе мероприятий по охране воздушного бассейна на ТЭС важнейшими являются меры по снижению выбросов оксидов азота (NOx). Особенностью оксидов азота является возможность их подавления с помощью технологических (первичных, режимных) мероприятий, не требующих больших капитальных вложений. Исторически первым и наиболее распространенным технологическим методом в газомазутных котлах служит рециркуляция дымовых газов (РДГ). Перераспределяя теплоотдачу между конвективными и радиационными поверхностями нагрева в пользу первых, РДГ, наряду с экологическим действием оказывает существенное влияние на технико-экономические показатели (ТЭП) котла, снижая его КПД нетто на 0.5-2.5 %. С ростом степени рециркуляции удельная стоимость подавления оксидов азота возрастает, и при некотором ее значении начинает превосходить полезный результат. Предприятию, работающему в условиях рыночной конкуренции (а на это направлены реформы в энергетике последних лет), должно быть небезразлично, какой ценой выполняются установленные для него нормативы предельно-допустимых выбросов (ПДВ).

Для рациональной, экономически грамотной постановки атмосфероохранной деятельности на ТЭС в условиях роста цен на топливо, наличия платежей за выбросы и работы с переменной суточной и сезонной нагрузкой необходимо управление выбросами NOx, а для этого – разработка соответствующих структур в составе АСУ ТП ТЭС.

Среди трех наиболее распространенных технологических методов (используются также разновидности ступенчатого сжигания и впрыск воды в зону горения) только РДГ может плавно регулироваться в широком диапазоне путем воздействия на направляющие аппараты дымососов рециркуляции (ДРГ).

Оптимальное управление выбросами оксидов азота требует разработки в рамках АСУ ТП соответствующего обеспечения: алгоритмического для определения оптимальных значений выбросов отдельными котлами и всей ТЭС, и технического для поддержания найденных оптимальных значений в реальном масштабе времени.

Алгоритмическое обеспечение должно включать в себя специальные характеристики оборудования в виде эколого-экономических моделей, а также процедуры поиска оптимальных режимов с учетом действующих ограничений; техническое – методы и аппаратуру для получения необходимой информации и для воздействия на процесс генерации оксидов азота.

Цель работы заключается в разработке методического, алгоритмического и технического обеспечения задач охраны окружающей среды в АСУ ТП ТЭС на примере подавления выбросов оксидов азота газомазутными котлами при использовании РДГ в качестве атмосфероохранного воздействия. В рамках поставленной цели разрабатываются следующие конкретные задачи:

- разработать элементы концепции оптимального экологического поведения ТЭС в части управления выбросами оксидов азота в рамках существующих нормативных ограничений и возможностей современных технических средств АСУ ТП;

– оценить влияние РДГ на технико-экономические и экологические параметры работы котла;

- разработать структуру и методику определения эколого-экономической характеристики (ЭЭХ) котла, связывающей затраты на РДГ, паровую нагрузку, степень рециркуляции и массовый выброс оксидов азота;

- разработать процедуры и оценить эффективность различных вариантов использования ЭЭХ для управления выбросами оксидов азота, в частности для оптимального распределения экологической нагрузки между котлами, между технологическими и очистными методами снижения выбросов, для определения оптимального соотношения между РДГ и впрыском при регулировании температуры пара вторичного перегрева;

- разработать удобный для практики метод непрерывного автоматического измерения степени рециркуляции дымовых газов (СРДГ) в паровых котлах и оценить его погрешность.

Объект исследования - РДГ в энергетических паровых котлах, работающих на газообразном и жидком топливе, при ее использовании как средства управления выбросами оксидов азота.

Предмет исследования - эколого-экономическая оценка РДГ, представление ее в форме, удобной для оптимального управления выбросами оксидов азота, варианты использования ЭЭХ, а также разработка метода измерения СРДГ, удобного для практического использования.

Методы исследования - поиск опубликованных данных о результатах испытаний паровых котлов, связанных с РДГ, проведение собственных испытаний, анализ и обобщение полученной информации, разработка расчетно-экспериментальных методик и математическое моделирование, адаптация известных математических методов оптимизации для их использования в данной предметной области, метрологический анализ.

Прикладная ценность. Использование результатов данной работы позволяет:

1. Использовать возможности современных средств АСУ ТП для управления выбросами оксидов азота на ТЭС. В зависимости от технической оснащенности создавать системы управления выбросами различной степени интеграции, от локальных (на одном котле) до полностью интегрированных в составе всей ТЭС.

2. Решать следующие оптимизационные задачи, получая реальный экономический эффект:

- распределять суммарные выбросы оксидов азота между котлами ТЭС в рамках ПДВ с учетом удельных затрат на подавление выбросов каждым котлом;

- устанавливать оптимальное соотношение между технологическими мероприятиями по подавлению оксидов азота на одном котле, если их несколько, например, ступенчатым сжиганием и РДГ;

- устанавливать оптимальное соотношение между технологическими и очистными (СКВ, СНКВ) мероприятиями по подавлению оксидов азота на одном котле;

- обоснованно принимать решения в ситуации выбора «затраты на экологию – «платежи за выбросы»;

3. Измерять и регулировать СРДГ в паровом котле в режиме нормальной эксплуатации, а также в процессе наладки и испытаний.

4. Повысить инвестиционную привлекательность и конкурентоспособность энергетической компании как предприятия с высоким уровнем экологического менеджмента в соответствии с международным стандартом ISO 14001.

Научную новизну представляют:

1. Концепция управления выбросами, основанная на разработке и использовании ЭЭХ технологического оборудования (паровых котлов).

2. Методика разработки и моделирования ЭЭХ.

3. Метод измерения СРДГ как коэффициента соотношения расходов в ветвях разветвляющегося потока путем измерения перепадов давления дымовых газов на поверхностях нагрева до и после отбора на рециркуляцию.

Достоверность полученных результатов основана на использовании в расчетных алгоритмах общепризнанных нормативных методов теплового и аэродинамического расчетов паровых котлов, типовых энергетических характеристик котлов, использовании результатов эксперимента для определения наиболее важных зависимостей, а также на многократной обкатке и проверке расчетных методик в множестве студенческих типовых расчетов, дипломных проектов и выпускных работ.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Элементы концепции оптимального управления выбросами оксидов азота газомазутной ТЭС на основе разработки и использования ЭЭХ паровых котлов.

2. Методика моделирования ЭЭХ газомазутного котла при использовании РДГ в качестве атмосфероохранного воздействия.

3. Методики оптимального распределения экологической нагрузки между котлами ТЭС, а также оптимального сочетания технологических и очистных способов снижения выбросов оксидов азота на основе использования ЭЭХ.

4. Метод непрерывного автоматического измерения СРДГ в паровых котлах.

Реализация результатов. Результаты работы использованы для коррекции режимных карт котла ТП-87 ст. № 8 ТЭЦ-16 Мосэнерго и энергетических котлов ГРЭС № 5

(г. Шатура). Они используются в научно-исследовательских работах, выполняемых при участии автора, а также в учебном процессе на кафедре АСУ ТП МЭИ.

Личный вклад соискателя. Автору принадлежат теоретическое и экспериментальное обоснование цели работы, выбор объектов и постановка задач, разработка алгоритмов расчетов, построение моделей, организация экспериментов и участие в них, анализ и использование полученных результатов.

Апробация работы. Разделы и положения диссертации докладывались и обсуждались на 12 научно-технических конференциях и отраслевых совещаниях, часть из которых упомянута в разделе «Основные публикации по теме диссертации» данного автореферата, и получили положительную оценку.

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 37 научных работах, в том числе в двух методических указаниях, в 12 докладах на различного рода конференциях, в 13 статьях в журналах и сборниках, в том числе 7 – в рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК. В тексте диссертации имеются ссылки на 25 из них. По результатам работы получено три авторских свидетельства на изобретения. Часть результатов отражена в зарегистрированных во ВНИТЦ отчетах по НИР.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 133 наименования, и четырех приложений. Содержит 199 страниц машинописного текста, 38 рисунков и 29 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, задачи, объекты и предмет исследования. Дан анализ современного состояния атмосфероохранной деятельности на отечественных ТЭС в части управления выбросами оксидов азота: рыночная экономика требует экономически эффективного управления выбросами, технические средства современных цифровых АСУ ТП позволяют это сделать, но отсутствует соответствующее методическое, алгоритмическое и метрологическое обеспечение.

В первой главе рассматривается влияние РДГ на технико-экономические и экологические параметры работы газомазутных котлов, а также разрабатываются способы описания (моделирования) этого влияния.

Анализ опубликованных данных, а также результаты экспериментальных работ, выполненных при участии автора на котле ТП-87, показывают, что среднее снижение концентрации NOx на один процент степени рециркуляции лежит в пределах от 11.7 до 72 (мг/м3)/%, среднее повышение температуры уходящих газов – от 0.3 до 0.5 С/%, среднее снижение КПД котла брутто – от 0.02 до 0.05 %/%. При уменьшении нагрузки котла и увеличении степени рециркуляции экологическая эффективность РДГ снижается.

Температура перегретого пара, дымовых газов и горячего воздуха при работе на газе более чувствительна к действию рециркуляции, чем при работе на мазуте.

При моделировании ЭЭХ выброс оксидов азота с дымовыми газами m, мг/с, рассчитывался по формуле

m(r,D) = CNOx(r,D)VгB, (1)

где CNOx(r,D) – концентрация оксидов азота в дымовых газах на выходе из котла как функция атмосфероохранного воздействия (СРДГ) r и паровой нагрузки D, мг/м3 при нормальных условиях; B - расход топлива, м3/с; Vг – объем дымовых газов, образующихся при сгорании 1 м3 топлива, м3/м3 при нормальных условиях.

Аналитическое выражение зависимости CNOx(r,D) рекомендуется получать путем аппроксимации экспериментальных данных. Структура аппроксимирующего выражения выбиралась таким образом, чтобы учесть характерные закономерности, отмеченные при анализе большого количества результатов экспериментов:

, , (2)

где D, D0 - текущая и номинальная паровые нагрузки котла, т/ч; C0(r) - зависимость концентрации оксидов азота от степени рециркуляции при номинальной нагрузке; C0r=0 – то же при отключенной рециркуляции; n - эмпирический коэффициент, учитывающий влияние нагрузки на концентрацию оксидов азота; L - коэффициент, учитывающий снижение экологической эффективности РДГ при уменьшении нагрузки; k, s - эмпирические коэффициенты. Имеется методика определения указанных коэффициентов.

Зависимость температуры уходящих газов от степени рециркуляции tух(r) должна также определяться экспериментально.

tух = tухr=0 + tухr, (3)

где tухr=0 - температура уходящих газов при r = 0; tухr - приращение температуры уходящих газов при r 0.

Основная доля экономических потерь, вызванных использованием рециркуляции дымовых газов в паровом котле, связана с повышением расхода электроэнергии на привод тяго-дутьевых устройств (ТДУ). Главная часть прироста идет на привод ДРГ, но при этом также в разной степени догружаются основные дымососы и вентиляторы. Расход электроэнергии на РДГ определялся расчетом. Известно, что мощность W (кВт), требуемая

для привода вентилятора или дымососа, вычисляется по формуле:

, (4)

где Q – объемный расход перекачиваемой среды при нормальных условиях, м3/с;

h – перепад давления, создаваемый ТДУ, кПа; - коэффициент использования теплоты сжатия (для вентилятора); тду, дв – коэффициенты полезного действия соответственно тягодутьевого устройства и электродвигателя; t – температура перекачиваемой среды, °С.

При турбулентном течении расход среды Q и гидравлическое сопротивление участка газовоздушного тракта h с достаточной для практических расчетов точностью связаны соотношением

(5)

(квадратичный закон сопротивления), где k – коэффициент, учитывающий геометрию гидравлического сопротивления и свойства (плотность, вязкость) среды; при незначительных изменениях свойств среды этот коэффициент можно считать постоянным. Значение k для конкретного участка тракта определяется из выражения (5) для режима, при котором известны (измерены или рассчитаны) Q и h и затем используется для определения h при других значениях Q.

Во второй главе рассматривается методика определения ЭЭХ парового котла при использовании РДГ. Выполнен анализ структуры затрат на РДГ, определен состав исходных данных для расчета затрат, приведен алгоритм расчета с использованием ключевых моментов, рассмотренных в главе 1.

Полные (приведенные) затраты состоят из двух составляющих: условно-постоянной, не зависящей от уровня выбросов оксидов азота, и переменной, зависящей от уровня выбросов; последняя складывается из дополнительного расхода электроэнергии на привод ТДУ (бльшая доля) и увеличения расхода топлива вследствие снижения КПД котла брутто, вызванного ростом температуры уходящих газов. Для последующего применения в целях эколого-экономической оптимизации технологического процесса важна переменная составляющая затрат, которая и используется в дальнейшем в составе ЭЭХ.

Основными исходными данными для расчета являются цена натурального топлива, себестоимость электроэнергии, используемой для собственных нужд, найденные экспериментально зависимости CNOx(r,D), tух(r,D) и коэффициенты ki для расчета перепадов давления, создаваемых ТДУ в соответствии с формулой (5). На входе алгоритма расчета затрат задаются значения режимных параметров: паровой нагрузки котла D и степени рециркуляции r (избыток воздуха не считается независимым параметром, так как он жестко связан с паровой нагрузкой и регламентируется режимной картой котла). Затраты на РДГ складываются из двух составляющих:

Z(r,D)=Zт+ Zэ, (6)

где Zт и Zэ - соответственно топливная и электрическая составляющие, руб/ч, которые рассчитываются по формулам:

Zт = Цт(В – В r=0), Zэ = Цэ(W – W r=0), (7)

где Цт, Цэ – цены натурального топлива, руб/т и электроэнергии, руб/кВт·ч; В, W – расходы натурального топлива, т/ч, и электроэнергии на привод ТДУ, кВт·ч; В r=0, W r=0 – то же при отключенной РДГ. В расчете использовались значения Цт = 1776 руб/(103м3), Цэ = 1.00 руб/кВт·ч, соответствующие ценам в Мосэнерго в 2008 г.

Формулы (1) и (6) связывают между собой четыре параметра: паровую нагрузку котла D, степень рециркуляции r, затраты на рециркуляцию Z и массовый выброс оксидов азота m. В графическом виде для котла ТП-87 эта связь представлена на рис. 1. При неизменных Z и D параметры r и m жестко (функционально) связаны между собой.

Для дальнейшего использования зависимости Z(m,D) в рамках АСУ ТП ее нужно представить в аналитической форме. Моделирование функции двух переменных Z(m,D) выполняется в два этапа. На первом этапе подбирается структура функции одной переменой m, адекватно описывающая каждую кривую из семейства Di = const (см. рис. 1). Методом выравнивания была подобрана структура гиперболического класса

, (8)

где параметры a, b и c являются функциями D.

На втором этапе путем решения систем уравнений (8) при пяти значениях D находятся

 Зависимость затрат на рециркуляцию-5

Рис. 1. Зависимость затрат на рециркуляцию дымовых газов Z от массового выброса оксидов азота m при различных значениях паровой нагрузки D, т/ч, и степени рециркуляции r. Котел ТП-87, топливо – газ.

пять значений каждого из параметров a, b и c и по пяти точкам строятся графики a(D), b(D), c(D), по которым подбирается соответствующая аппроксимирующая модель.

В Приложении 2 описана процедура аппроксимации ЭЭХ в среде Mathcad.

В результате получено аналитическое выражение для ЭЭХ:

Z(m, D) = a(D)/[m + b(D)] + c(D),

где a(D) = a0Da1 + a2; a0 = 1.358·10-8; a1 = 4.75; a2 = 181.98;

b(D) = b0 + b1D + b2D2; b0 = - 1.962; b1 = - 0.013; b2 = - 6.063·10-5; (9)

c(D) = c0 + c1D + c2D2; c0 = - 308.957; c1 = 2.668; c2 = - 9.813·10-3.

Относительная погрешность моделирования ЭЭХ не превышает 1 % для нагрузок

420-360 т/ч и 2 % - для 360 – 280 т/ч.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

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.