Помощь студентам в учебе
Модернизация производственно-отопительной котельной ТЧ-2 ст.Челябинска в мини-ТЭЦ путем надстройки паросилового цикла
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 6
1 ОБОСНОВАНИЕ И АКТУАЛЬНОСТЬ МОДЕРНИЗАЦИИ
КОТЕЛЬНОЙ ТЧ-2 СТ.ЧЕЛЯБИНСК 9
2 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ 11
3 СРАВНЕНИРЕ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И ЗАРУБЕЖНЫХ АНАЛОГОВ 13
4 РАСЧЕТ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ ПТГ-500-25-13/3
4.1 Тепловой расчет регулирующей ступени турбины 15
5 РАСЧЕТ ТЕПЛОВОЙ СХЕМЫ 37
6 НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА
6.1 Когенерация 44
6.2 Способы реализции когенерации на котельной 46
6.2.1 Газотурбинная установка 48
6.2.2 Паротурбинная установка 50
6.2.3 Установка дизель-генератора 55
6.2.4 Установка ГТУ и последовательно ПТУ 56
6.2.5 Сравнение вариантов реализации когенерации на котельной 56
6.3 Расчет срока окупаемости 57
7 ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
7.1 Энергосбережение при эксплуатации котельной 60
7.2 Энергосбережение при модернизации котельной 61
7.3 Рациональное использование электроэнергии на собственные
нужды 63
8 КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И АВТОМАТИКА
8.1 КИПиА котла 66
8.2 КИПиА турбины 71
9 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ
9.1 Электробезопасность 73
9.1.1 Мероприятия по электробезопасности 73
9.2 Взрывопожароопасность 75
9.3 Промышленная безопасность 78
9.4 Опасные и вредные производственные факторы 80
10 ВОПРОСЫ ЭКОЛОГИИ 81
11 ЭКОНОМИКА И УПРАВЛЕНИЕ
11.1 Сметы капитальных затрат реализации вариантов проекта 93
11.2 Сметы текущих затрат по вариантам эксплуатации котельной 94
11.3 Сравнение вариантов проектных решений 97
11.4 Модель ранжирования проблем теплоэнергетики и теплотехники.. 98
11.5 Модель причинно-следственной диаграммы 100
11.6 Качественный анализ вариантов проектных решений 100
11.7 Модель пирамиды целеполагания Южно-Уральской дирекции
по тепловодоснабжению 100
одель дерева целей проекта 101
11.9 Оценка движущих и сдерживающих сил реализации проекта 102
11.10 Планирование мероприятий по реализации проекта
(график Ганта) 103
11.11 Основные показатели энергетической, экологической
и экономической эффективности 105
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 106
11.8 Модель дерева целей проекта 101
11.9 Оценка движущих и сдерживающих сил реализации проекта 102
11.10 Планирование мероприятий по реализации проекта
(график Ганта) 103
11.11 Основные показатели энергетической, экологической
и экономической эффективности 105
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 106
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 108
ВВЕДЕНИЕ 6
1 ОБОСНОВАНИЕ И АКТУАЛЬНОСТЬ МОДЕРНИЗАЦИИ
КОТЕЛЬНОЙ ТЧ-2 СТ.ЧЕЛЯБИНСК 9
2 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ 11
3 СРАВНЕНИРЕ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И ЗАРУБЕЖНЫХ АНАЛОГОВ 13
4 РАСЧЕТ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ ПТГ-500-25-13/3
4.1 Тепловой расчет регулирующей ступени турбины 15
5 РАСЧЕТ ТЕПЛОВОЙ СХЕМЫ 37
6 НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА
6.1 Когенерация 44
6.2 Способы реализции когенерации на котельной 46
6.2.1 Газотурбинная установка 48
6.2.2 Паротурбинная установка 50
6.2.3 Установка дизель-генератора 55
6.2.4 Установка ГТУ и последовательно ПТУ 56
6.2.5 Сравнение вариантов реализации когенерации на котельной 56
6.3 Расчет срока окупаемости 57
7 ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
7.1 Энергосбережение при эксплуатации котельной 60
7.2 Энергосбережение при модернизации котельной 61
7.3 Рациональное использование электроэнергии на собственные
нужды 63
8 КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И АВТОМАТИКА
8.1 КИПиА котла 66
8.2 КИПиА турбины 71
9 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ
9.1 Электробезопасность 73
9.1.1 Мероприятия по электробезопасности 73
9.2 Взрывопожароопасность 75
9.3 Промышленная безопасность 78
9.4 Опасные и вредные производственные факторы 80
10 ВОПРОСЫ ЭКОЛОГИИ 81
11 ЭКОНОМИКА И УПРАВЛЕНИЕ
11.1 Сметы капитальных затрат реализации вариантов проекта 93
11.2 Сметы текущих затрат по вариантам эксплуатации котельной 94
11.3 Сравнение вариантов проектных решений 97
11.4 Модель ранжирования проблем теплоэнергетики и теплотехники.. 98
11.5 Модель причинно-следственной диаграммы 100
11.6 Качественный анализ вариантов проектных решений 100
11.7 Модель пирамиды целеполагания Южно-Уральской дирекции
по тепловодоснабжению 100
одель дерева целей проекта 101
11.9 Оценка движущих и сдерживающих сил реализации проекта 102
11.10 Планирование мероприятий по реализации проекта
(график Ганта) 103
11.11 Основные показатели энергетической, экологической
и экономической эффективности 105
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 106
11.8 Модель дерева целей проекта 101
11.9 Оценка движущих и сдерживающих сил реализации проекта 102
11.10 Планирование мероприятий по реализации проекта
(график Ганта) 103
11.11 Основные показатели энергетической, экологической
и экономической эффективности 105
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 106
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 108
Теплоснабжение является социально значимой сферой в Российской Федерации, данный факт обусловлен суровым климатом и резкими перепадами температур в отопительный сезон. По данным Минэнерго в 2017 году с ТЭС было отпущено 479,16 миллиона Гкал, с районных котельных 62,08 миллиона Гкал. С учетом огромной выработки тепловой энергии энергетика России, в соответствии с принятым Федеральным законом от 23 ноября 2009 года ФЗ №261 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» [1], направлена на максимально эффективное использование первичных
энергетических ресурсов.
Котельная установка - комплекс устройств, используемых для выработки пара или горячей воды. Полученный пар или горячую воду, за счет сжигания в топке котла топлива, на котельной используют для удовлетворения различных потребностей потребителя [8]:
1. Отопление;
2. Вентиляция;
3. Кондиционирование воздуха;
4. Горячее водоснабжение для санитарно-бытовых нужд;
5. Технологические процессы производства.
Каждому из названных видов теплопотребления свойственны свой особый режим и параметры.
В соответствии с [2] и покрываемой потребностью потребителя котельные установки подразделяются:
1. Отопительные - обеспечивают потребителя тепловой энергией в системах: отопления, вентиляции, кондиционирования и горячего водоснабжения;
2. Отопительно-производственные - обеспечивают потребителя тепловой энергией в системах: отопления, вентиляции и кондиционирования помещения, горячего водоснабжения, а также обеспечивают технологические нужды;
3. Производственные - обеспечивают тепловой энергией только технологические нужды потребителя.
По надежности отпуска тепловой энергии потребителям котельные подразделяются на котельные первой и второй категории [2].
К первой категории относятся:
- котельные, являющиеся единственным источником тепловой энергии системы теплоснабжения;
- котельные, обеспечивающие тепловой энергией потребителей первой и второй категории, не имеющих индивидуальных резервных источников тепловой энергии.
Ко второй категории - остальные котельные.
В зависимости от характера производства и работы агрегатов, установленных на предприятии, снабжение теплотой для технологических нужд может
требоваться круглосуточно - в течение трех смен непрерывно - или периодически на время двух или одной смены. Во втором случае обычно оказывается необходим второй источник теплоснабжения для нужд отопления, вентиляции и горячего водоснабжения. По этой причине чисто производственные котельные встречаются значительно реже, чем производственно-отопительные, с помощью которых решаются обе задачи.
В целях обеспечения своих прямых задач котельным требуется непрерывное электроснабжение. Электроэнергия требуется для привода электрического оборудования такого как: вентиляторы, дымососы, насосы (начиная от питательного, заканчивая сетевым), автоматики котельной, осуществления катодной защиты тепловых сетей, а также для освещения помещения и кондиционирования воздуха.
Электроэнергию можно закупать у поставщика, либо за счет привлечений инвестиций создать условия для генерации собственной электрической энергии [6].
В соответствии с бюджетом Южно-Уральской дирекции по
тепловодоснабжению котельная с паровыми котлами мощностью 50 Гкал/час за год потребляет электрической энергии до 1500,00 тыс.кВт/год. Учитывая тот факт, что в бюджет предприятия заложенный тариф на электрическую энергию составляет 3,64 руб./кВт-ч [27], то в год оплата электроэнергии составляет порядка 5,5 млн.рублей, что является значительной расходной суммой приходящейся на котельную.
Помимо того, централизованное электроснабжение не может обеспечить 100% без аварийной поставки электроэнергии в течении года.
В связи с этим появляется необходимость рассмотрения возможности производства электрической энергии своими силами.
Электрическую энергию на паровой котельной возможно получить несколькими способами [32,34]:
1. Встроить в цикл котельной паросилой цикл. Электрическая энергия будет вырабатываться за счет преобразования тепловой энергии пара в механическую энергию вращения ротора паровой турбины. Вал турбины соединенный фланцами с ротором генератора, передает вращательную энергию ротору генератора. Вращаясь, ротор генератора, создает вращающееся магнитное поле в статоре, что приводит к возникновению трехфазного переменного напряжения и тока в обмотках статора;
2. Установка дизель-генератора на котельной. В данном случае электрическая энергия будет вырабатываться за счет энергии расширения продуктов сгорания дизельного топлива в двигателе внутреннего сгорания посредством кривошипношатунного механизма в механическую энергию вращения коленвала. Ротор электрогенератора вращаемый коленвалом возбуждает электро-магнитное поле, которое создает переменный ток в обмотке генератора;
3. Установка газотурбинной установки. В целях реализации данного варианта потребуется надстройка параллельного газосилового цикла. Рассмотрим принцип
действия: компрессор всасывает чистый воздух и под высоким давлением подает его в камеру сгорания, куда подается природный газ. В камере сгорания смесь из природного газа и воздуха с высоким давлением воспламеняется, при сгорании газовоздушной смеси образуются раскаленные газы. После этого раскаленные газы подаются в газовую турбину и, аналогично пару в паровой турбине, через энергию вращения привод в действие ротор электрического генератора.
Комбинированная выработка тепловой и электрической энергии позволит снизить расходы на эксплуатацию котельной, а следовательно снизить удельный показатель выработки Гкал тепловой энергии.
энергетических ресурсов.
Котельная установка - комплекс устройств, используемых для выработки пара или горячей воды. Полученный пар или горячую воду, за счет сжигания в топке котла топлива, на котельной используют для удовлетворения различных потребностей потребителя [8]:
1. Отопление;
2. Вентиляция;
3. Кондиционирование воздуха;
4. Горячее водоснабжение для санитарно-бытовых нужд;
5. Технологические процессы производства.
Каждому из названных видов теплопотребления свойственны свой особый режим и параметры.
В соответствии с [2] и покрываемой потребностью потребителя котельные установки подразделяются:
1. Отопительные - обеспечивают потребителя тепловой энергией в системах: отопления, вентиляции, кондиционирования и горячего водоснабжения;
2. Отопительно-производственные - обеспечивают потребителя тепловой энергией в системах: отопления, вентиляции и кондиционирования помещения, горячего водоснабжения, а также обеспечивают технологические нужды;
3. Производственные - обеспечивают тепловой энергией только технологические нужды потребителя.
По надежности отпуска тепловой энергии потребителям котельные подразделяются на котельные первой и второй категории [2].
К первой категории относятся:
- котельные, являющиеся единственным источником тепловой энергии системы теплоснабжения;
- котельные, обеспечивающие тепловой энергией потребителей первой и второй категории, не имеющих индивидуальных резервных источников тепловой энергии.
Ко второй категории - остальные котельные.
В зависимости от характера производства и работы агрегатов, установленных на предприятии, снабжение теплотой для технологических нужд может
требоваться круглосуточно - в течение трех смен непрерывно - или периодически на время двух или одной смены. Во втором случае обычно оказывается необходим второй источник теплоснабжения для нужд отопления, вентиляции и горячего водоснабжения. По этой причине чисто производственные котельные встречаются значительно реже, чем производственно-отопительные, с помощью которых решаются обе задачи.
В целях обеспечения своих прямых задач котельным требуется непрерывное электроснабжение. Электроэнергия требуется для привода электрического оборудования такого как: вентиляторы, дымососы, насосы (начиная от питательного, заканчивая сетевым), автоматики котельной, осуществления катодной защиты тепловых сетей, а также для освещения помещения и кондиционирования воздуха.
Электроэнергию можно закупать у поставщика, либо за счет привлечений инвестиций создать условия для генерации собственной электрической энергии [6].
В соответствии с бюджетом Южно-Уральской дирекции по
тепловодоснабжению котельная с паровыми котлами мощностью 50 Гкал/час за год потребляет электрической энергии до 1500,00 тыс.кВт/год. Учитывая тот факт, что в бюджет предприятия заложенный тариф на электрическую энергию составляет 3,64 руб./кВт-ч [27], то в год оплата электроэнергии составляет порядка 5,5 млн.рублей, что является значительной расходной суммой приходящейся на котельную.
Помимо того, централизованное электроснабжение не может обеспечить 100% без аварийной поставки электроэнергии в течении года.
В связи с этим появляется необходимость рассмотрения возможности производства электрической энергии своими силами.
Электрическую энергию на паровой котельной возможно получить несколькими способами [32,34]:
1. Встроить в цикл котельной паросилой цикл. Электрическая энергия будет вырабатываться за счет преобразования тепловой энергии пара в механическую энергию вращения ротора паровой турбины. Вал турбины соединенный фланцами с ротором генератора, передает вращательную энергию ротору генератора. Вращаясь, ротор генератора, создает вращающееся магнитное поле в статоре, что приводит к возникновению трехфазного переменного напряжения и тока в обмотках статора;
2. Установка дизель-генератора на котельной. В данном случае электрическая энергия будет вырабатываться за счет энергии расширения продуктов сгорания дизельного топлива в двигателе внутреннего сгорания посредством кривошипношатунного механизма в механическую энергию вращения коленвала. Ротор электрогенератора вращаемый коленвалом возбуждает электро-магнитное поле, которое создает переменный ток в обмотке генератора;
3. Установка газотурбинной установки. В целях реализации данного варианта потребуется надстройка параллельного газосилового цикла. Рассмотрим принцип
действия: компрессор всасывает чистый воздух и под высоким давлением подает его в камеру сгорания, куда подается природный газ. В камере сгорания смесь из природного газа и воздуха с высоким давлением воспламеняется, при сгорании газовоздушной смеси образуются раскаленные газы. После этого раскаленные газы подаются в газовую турбину и, аналогично пару в паровой турбине, через энергию вращения привод в действие ротор электрического генератора.
Комбинированная выработка тепловой и электрической энергии позволит снизить расходы на эксплуатацию котельной, а следовательно снизить удельный показатель выработки Гкал тепловой энергии.
В выпускной квалификационной работе был разработан вариант модернизации производственно-отопительной котельной ТЧ-2 ст.Челябинска в мини-ТЭЦ путем надстройки паросилового цикла.
В результате выполнения ВКР было дано обоснование и показана актуальность проведение модернизации производственно-отопительной котельной, произведен обзор литературных источников, а также приведено сравнение отечественных и зарубежных аналогов в области эксплуатации паровых турбин.
При разработке проекта модернизации паровой котельной произведен расчет паровой турбины, получена электрическая мощность 499,47 кВт, относительным внутренним КПД паровой турбины 0,853. Кроме того, рассчитана тепловая схема, с учетом внедрения паровой турбины, расчетная потребность пара тепловой схемы составляет 14,91 кг/с.
В научно-исследовательской части выпускной квалификационной работы произведен анализ вариантов осуществления модернизации котельной путем установки паровой турбины ПТГ-500-25-13/3, газотурбинной установки МТ 250 (FlexEnergy), установки дизельного генератора Aksa AC-500. Наибольший коэффициент использования теплоты топлива показала паровая турбина ПТГ-500- 25-13/3 в связке с паровым котлом ДЕ 16/14 ГМ, кроме того указанная связка имеет наименьший удельный расход на выработку теплоты 0,129 тут/кВт, однако удельный расход на выработку электрической энергии составляет 0,530 тут/кВт. Столь большой показатель обусловлен тем, что паровая турбина ПТГ-500-25-13/3 использует не всю энергию полученного пара, а только лишь требующую снижению часть. В дальнейшем пар с требуемыми параметрами подается на технологические нужды потребителям. На основании вышеизложенного целесообразным вариантом модернизации паровой котельной является установка паровой турбины ПТГ-500-25-13/3.
В разделе «Энергосбережение» разобраны пути энергосбережения, при эксплуатации паровой котельной. Произведен расчет экономии расхода природного газа, при своевременном проведении режимно-наладочных работ, а также расчет выработки электрической энергии, при модернизации производственно-отопительной котельной ТЧ-2 ст.Челябинска в мини-ТЭЦ путем надстройки паросилового цикла.
В главе «Вопросы экологии» был проведен расчет высоты дымовой трубы по концентрации выбросов загрязняющего вещества. В результате расчета выбрана дымовая труба высотой 30 метров и диаметром 1200 мм. Концентрация окислов азота при данной высоте трубы 0,048 мг/м3, что не превышает значение максимально разовой ПДК.
Для обеспечения безаварийной и эффективной эксплуатации паровой котельной в разделе 8 выпускной квалификационной работы была разработана схема автоматизации парового котла ДЕ 16/14 ГМ.
В главе 9 «Безопасность жизнедеятельности» были рассмотрены факторы, воздействующие на оперативный персонал при эксплуатации котельной, а также предложены мероприятия по снижению их воздействия.
В главе «Экономика и управление» приведен технико-экономический анализ модернизации производственно-отопительной котельной ТЧ-2 ст.Челябинска в мини-ТЭЦ путем надстройки паросилового цикла., который включает в себя сравнения двух вариантов модернизации, один из которых модернизация установкой паровой турбиной, другой установкой дизельного генератора.
В результате сравнения, капитальные затраты на модернизацию котельной путем установки паровой турбины получились выше, одна текущие затраты значительно ниже, чем при установке дизельного генератора.
Проведен качественный анализ реализации вариантов проектных решений
методом SWOT-анализа. Для систематического определения причин возникновения проблем и способов их решения была построена модель причинно-следственной диаграммы. Также было построено дерево целей проекта, поле движущих и сдерживающих сил, воздействующих на реализацию проекта, модель пирамиды целеполагания предприятия. Для наглядного планирования и представления на каком этапе в данный момент находится реализация проекта модернизация производственно-отопительноей котельной был построен ленточный график Ганта.
В графической части выпускной квалификационной работе представлены: план котельной на отметке 0,000, продольный разрез паровой турбины ПТГ-500- 25-13/3, тепловая схема котельной, схема автоматизации котла ДЕ 16/14 ГМ, продольный и поперечный разрез котла ДЕ 16/14 ГМ, плакат по экономической части работы, плакат по научно-исследовательской части работы.
В результате выполнения ВКР было дано обоснование и показана актуальность проведение модернизации производственно-отопительной котельной, произведен обзор литературных источников, а также приведено сравнение отечественных и зарубежных аналогов в области эксплуатации паровых турбин.
При разработке проекта модернизации паровой котельной произведен расчет паровой турбины, получена электрическая мощность 499,47 кВт, относительным внутренним КПД паровой турбины 0,853. Кроме того, рассчитана тепловая схема, с учетом внедрения паровой турбины, расчетная потребность пара тепловой схемы составляет 14,91 кг/с.
В научно-исследовательской части выпускной квалификационной работы произведен анализ вариантов осуществления модернизации котельной путем установки паровой турбины ПТГ-500-25-13/3, газотурбинной установки МТ 250 (FlexEnergy), установки дизельного генератора Aksa AC-500. Наибольший коэффициент использования теплоты топлива показала паровая турбина ПТГ-500- 25-13/3 в связке с паровым котлом ДЕ 16/14 ГМ, кроме того указанная связка имеет наименьший удельный расход на выработку теплоты 0,129 тут/кВт, однако удельный расход на выработку электрической энергии составляет 0,530 тут/кВт. Столь большой показатель обусловлен тем, что паровая турбина ПТГ-500-25-13/3 использует не всю энергию полученного пара, а только лишь требующую снижению часть. В дальнейшем пар с требуемыми параметрами подается на технологические нужды потребителям. На основании вышеизложенного целесообразным вариантом модернизации паровой котельной является установка паровой турбины ПТГ-500-25-13/3.
В разделе «Энергосбережение» разобраны пути энергосбережения, при эксплуатации паровой котельной. Произведен расчет экономии расхода природного газа, при своевременном проведении режимно-наладочных работ, а также расчет выработки электрической энергии, при модернизации производственно-отопительной котельной ТЧ-2 ст.Челябинска в мини-ТЭЦ путем надстройки паросилового цикла.
В главе «Вопросы экологии» был проведен расчет высоты дымовой трубы по концентрации выбросов загрязняющего вещества. В результате расчета выбрана дымовая труба высотой 30 метров и диаметром 1200 мм. Концентрация окислов азота при данной высоте трубы 0,048 мг/м3, что не превышает значение максимально разовой ПДК.
Для обеспечения безаварийной и эффективной эксплуатации паровой котельной в разделе 8 выпускной квалификационной работы была разработана схема автоматизации парового котла ДЕ 16/14 ГМ.
В главе 9 «Безопасность жизнедеятельности» были рассмотрены факторы, воздействующие на оперативный персонал при эксплуатации котельной, а также предложены мероприятия по снижению их воздействия.
В главе «Экономика и управление» приведен технико-экономический анализ модернизации производственно-отопительной котельной ТЧ-2 ст.Челябинска в мини-ТЭЦ путем надстройки паросилового цикла., который включает в себя сравнения двух вариантов модернизации, один из которых модернизация установкой паровой турбиной, другой установкой дизельного генератора.
В результате сравнения, капитальные затраты на модернизацию котельной путем установки паровой турбины получились выше, одна текущие затраты значительно ниже, чем при установке дизельного генератора.
Проведен качественный анализ реализации вариантов проектных решений
методом SWOT-анализа. Для систематического определения причин возникновения проблем и способов их решения была построена модель причинно-следственной диаграммы. Также было построено дерево целей проекта, поле движущих и сдерживающих сил, воздействующих на реализацию проекта, модель пирамиды целеполагания предприятия. Для наглядного планирования и представления на каком этапе в данный момент находится реализация проекта модернизация производственно-отопительноей котельной был построен ленточный график Ганта.
В графической части выпускной квалификационной работе представлены: план котельной на отметке 0,000, продольный разрез паровой турбины ПТГ-500- 25-13/3, тепловая схема котельной, схема автоматизации котла ДЕ 16/14 ГМ, продольный и поперечный разрез котла ДЕ 16/14 ГМ, плакат по экономической части работы, плакат по научно-исследовательской части работы.
