Технические предложения по перевооружению систем технического водоснабжения электростанций

Публикация из СМИ

Циркуляционные системы технического водоснабжения (ЦСТВ) являются сложными природно-техническими комплексами. ЦСТВ электростанций состоят из теплообменников (конденсаторы), охладителей, подводящих и отводящих водоводов с запорно-регулирующей арматурой.

ЦСТВ электростанций состоят из теплообменников (конденсаторы), охладителей, подводящих и отводящих водоводов с запорно-регулирующей арматурой. ЦСТВ замыкают термодинамические процессы электростанции с атмосферой.

Для всех ЦСТВ существуют общие критерии – это обеспечение установленной мощности турбоагрегатов охлаждающей водой и поддержание наивыгоднейшего (экономического) вакуума в конденсаторах .

В ЦСТВ ТЭЦ установлены башенные безвентиляторные градирни испарительного типа. ГРЭС в основном используют реки, водохранилища и озера.

В работе находится 365 градирен площадью орошения более 650 000 м, единичной производительностью от 2000 до 36000 м3/час. Общая производительность 4 550 000 м3/час.

Восполнение потерь воды составляет 1,1 млрд.м3/год.

Потери тепла в гидроохладителях составляют 60% всех потерь электростанции.

Системы технического водоснабжения и градирни электростанций спроектированы и построены в основном в период до 1985г.

Параметры ЦСТВ, при заданных объемах регулируемых отборов, рассчитывались на остаточный расход пара в конденсаторы турбин. Уменьшения объемов регулируемых отборов часто происходили уже на стадии строительства, когда изменить устройство системы и градирен становится невозможным.

К этому следует добавить значительные изменения во времени в составе и режимах работы основного оборудования, эксплутационные ухудшения основного оборудования, оборудования и конструкций систем технического водоснабжения.

Произошедшее снижение потребности промышленных предприятий в производственном паре и тепле, обуславливает поддержание выработки электроэнергии за счет пропуска пара в конденсаторы турбин. Отсутствие резерва пропускной способности циркуляционных систем, недостаточное количество и охлаждающая эффективность градирен не позволяет обеспечить установленную мощность и экономичную работу электростанций. Во многих случаях турбоагрегаты работают с уменьшенной электрической нагрузкой при одновременно предельных значениях вакуума в конденсаторах.

Анализ результатов обследований и технологических испытаний градирен и систем технического водоснабжения, выполненных ОАО “Фирма ОРГРЭС” на ряде электростанций выявил, что охлаждение воды в системах хуже нормативного в среднем на 2-10оС, а недостаток воды для обеспечения охлаждения расчетных объемов пара в конденсаторах турбин составляет 30-40%.

Ограничения мощности тепловых электростанций представляют собой серьезную проблему в процессе производства электрической энергии и не только как фактор, снижающий установленную мощность генерирующего агрегата (электростанции), а и как одна из причин снижающая надежность и ухудшающая экономичность работы всего оборудования ТЭС.

Большие значения ограничений мощности, в общей их структуре, имеют ограничения из-за недостаточного промышленного теплопотребления, количества охлаждающей воды и высоких значений ее температуры.

Ограничения из-за недостаточного теплопотребления, по существу зависят от циркуляционных систем технического водоснабжения, так как часто охлаждение и конденсация неиспользуемого в регулируемых отборах пара и дополнительная выработка электроэнергии в конденсационном режиме не обеспечены охлаждающей водой. Недостаток воды и высокие значения ее температуры, как правило, одновременно ухудшают вакуум в конденсаторах и снижают экономичность оборудования в эксплуатационных режимах.

Наибольшие ограничения возникают в неотопительный период, в период снижения теплопотребления, когда возникает необходимость выработки электроэнергии в конденсационном режиме или режиме с малым объемом регулируемых отборов пара.

Например, в 2002 году, по ТЭС РАО «ЕЭС России» из 121120,5 МВт установленной мощности, ограничений неотопительного периода (с середины мая по середину сентября) составили 22134 МВт. В том числе из-за недостаточного теплопотребления 4705 МВт, отсутствия или недостаточной охлаждающей эффективностью градирен 2304 МВт. Всего средне летние ограничения мощности со стороны циркуляционных систем технического водоснабжения составили 7009 МВт (на 61 электростанции) или 32% от всех ограничений, в июле – 8371 МВт.

Анализ ежегодных ограничений мощности по названным причинам, за 1995 - 2005 гг. показывает, что в каждый год ограничения имеют разную величину, но не менее 5000 МВт. Начиная с 1998 по 2005 год, при росте установленной мощности с 121375,9 МВт до 122587,3 МВт., ограничения выросли с 5187 МВт до 8736 МВт. На протяжении последних лет данный вид ограничений имеет неуклонную тенденцию роста.

Графики построены на основании официальных ежегодных данных отчетности электростанций. Пережог топлива за этот же период в среднем составляет 1500 тыс. т.у.т.

К названным проблемам следует добавить постоянно возростающую роль электростанций в тепловых и биологических загрязнениях атмосферы и водоемов, растущую плату за пользование водными ресурсами.

Причины, определяющие наличие ограничений мощности:

1. Расчетные системные:

1.1. Неполные расчеты при проектировании в целом по системе, не совместимость параметров турбоагрегатов, градирен и метеорологических условий. /Сев Зап ТЭЦ/. Расчетные параметры оборудования ЦСТВ не согласуются между собой.

Для обеспечения номинальной электрической мощности турбоагрегатов, в соответствии с их техническими условиями, температура охлажденной воды:

• должна быть 15 и 20 0С для обеспечения экономического вакуума в конденсаторах турбин;
• удовлетворять условиям конденсации отработавшего пара после его расширения в паровых турбинах при давлении не более 0,12 кгс/смили температуре насыщения 49,1 0С;
• должна быть не более 33 0С по условиям температурного режима работы вспомогательного оборудования (маслогазоохладителей).

В результате выполненных натурных испытаний циркуляционных систем технического водоснабжения и анализа работы многих ТЭЦ выявлено, что ограничения мощности связаны с двумя обстоятельствами:

1. Ограничениями по температуре конденсируемого пара 49,1˚С.

2. Ограничениями по температуре воды на МГО < 33 ºС.

Ограничения по температуре насыщения возникают на разных турбинах в разное время в зависимости от кратности охлаждения., как правило при температуре охлаждающей воды больше 25ºС и расходе пара в конденсатор больше 50-70% от номинального. При этом типовые проекты градирен рассчитаны на обеспечение второго условия по 33 0С.

На величину располагаемой мощности оказывает влияние не только характеристики турбин, конденсаторов и градирен, но и метеофакторы, основные из которых температура и влажность.

1.2.Расчетные значения температуры охлажденной воды, в градирнях, значительно превышают значения по техническим условиям конденсаторов турбин .

Градирни, устанавливаемые на электростанциях типовые. Расчетные параметры градирен не соответствуют расчетным параметрам технических условий конденсаторов турбин и нормам технологического проектирования.

Расчетные параметры атмосферного воздуха, при проектировании градирен и электростанций, приняты среднемесячные температура и влажность атмосферного воздуха для г. Москвы 18,0 0С и влажность 75 %, что существенно отличается от среднесуточных не только для г. Москвы, но и для других климатических зон. Отклонения достигают 100С. Соответственно не отвечает реальным условиям эксплуатации. Например, разница в температуре воздуха между Москвой и Волгоградом при 5% обеспеченности составляет 60С.

1.3. В одном проекте устанавливаются гидравлически несовместимые градирни. Расчетные значения температуры охлажденной воды градирен одной и той же площади орошения, разных серий выпуска, при всех прочих равных условиях, имеют существенные отличия между собой.

1.4. В системных расчетах не учитываются влияния атмосферных параметров.

2. Проектные:

2.1 Проекты не содержат необходимый объем конструкций и оборудования, обеспечивающих надежную работу систем в различных климатических условиях, различных вариантах состава и режимов работы основного оборудования. (Включаемые в проект конструкции, часто имеют отрицательные результаты их использования /сопла, оросители, водоуловители/, отсутствуют устройства обеспечения в зимних режимах и т.д.). В зимний период часто электростанциям приходится держать в работе большее количество циркуляционных насосов и градирен, чем этого требуют режимы.

2.2. Реализуются проекты не прошедшие экспертизу в наладочной организации

Технико-экономические обоснования не содержат полноты расчетов, проекты не соответствуют ТЭО. Например, Калининградская ТЭЦ-2. Одновременно с пуско-наладочными работами производится анализ проекта, на внесение изменений в который практически не оставлено времени.

Технические задания на проектирование не содержат полноты требований по всем разделам проекта системы технического водоснабженияи и их взаимозависимости с разделами по основному оборудованию

2.3. Проекты несоответствуют нормам технологического проектирования и СНиПам. Несовместимы гидравлические характеристики градирен, циркуляционных насосов и конденсаторов турбин

2.4. Не учитываются технологические особенности сооружений и локальные метеоусловия площадки строительства;

2.5. Применение в проектах электростанций типовых проектов градирен, отсутствие индивидуального проектирования;

2.6. Типовые проекты башенных градирен имеют существенные недостатки. Конструктивное исполнение не обеспечивает расчетные условия удельных показателей расхода воздуха и плотности орошения - использование тепло массообменных конструкций с сплошными поверхностями, отсутствие воздухорегулирования. Типично сложившаяся ситуация показана на слайдах;

2.7. При выборе оросителей и водоуловителей для проекта из полимерных материалов не принимаются во внимание их физико-химические свойства, способы изготовления и практические результаты применения. Например, конструкции из ПВХ, кроме низкой механической прочности являются благоприятной средой для роста водорослей.

Разрушения данного типа оросителя зафиксированы в начальный период эксплуатации на ряде электростанций Ново-Зиминская ТЭЦ , Каргалинская ТЭЦ, ТЭЦ Байконурэнерго и др.

2.8. Конструирование градирен носит инерционный характер и базируется на устаревших проектных и конструктивных решениях. Устанавливаемые в градирнях конструкции из современных полимерных материалов не имеют целостного конструкторского решения

Причины, вызывающие рост ограничений мощности:

1. Устаревшая или неполная нормативно-техническая база:

• СО 34.22.401-95.Методические указания по наладке систем технического водоснабжения тепловых электростанций;
• СО 34.22.402-94.Инструкция по приемке и эксплуатации башенных градирен;
• СО 153-34.22.301.Методические указания по проведению натурных обследований железобетонных оболочек градирен;

Нормативные документы не согласованы между собой, содержат неполную информацию. Например, в СНиП 2.04.02-84 установлен интервал недоохлаждения башенных градирен до теоретического предела охлаждения 8-10 0С, при этом не указаны параметры, при которых это условие должно быть выполнимо. При всех равных прочих условиях, интервал изменяется в широком диапазоне в зависимости от изменения метеорологических параметров.

2. Отсутствие основополагающих нормативных методических документов:

• проведения балансовых испытаний (энергетических обследований) систем технического водоснабжения ТЭСи АЭС;
• технико-экономических обоснований по переводу прямоточных схем технического водоснабжения ТЭС на замкнутые оборотные;
• проведения балансовых испытаний градирен;
• построения нормативных характеристик градирен. Нормативные характеристики обеспечивают организацию эксплуатационного контроля, позволяют определять экономичные режимы, достоверно рассчитывать нормативы по топливу и др.
• технико-экономических обоснований при строительстве и реконструкции систем технического водоснабжения.
• технические требования к конструкциям градирен: оросителям, водоуловителям, разбрызгивающим соплам и др.
• технические требования по составу и обработке технической воды.

3. Исследовательские:

• исследования проводятся на стендах установленных не в отраслевых организациях; лабораторные исследования проводятся различными организациями на различных установках и по отличным друг от друга методам. Полученные результаты вследствие этого являются неоднозначными и приводят к не согласующимся выводам.
• стендовые испытания проводятся на установках, не имеющих полноты измеряемых параметров и условий для их проведения;
• стендовые испытания ограничены конструкциями оросителя и водоуловителя;
• испытательные стенды, на которых производятся исследования оросителей не отвечают современному уровню моделирования, не выдерживаются требования по соблюдению чистоты эксперимента и обработки полученной информации, единообразию внешних условий /температур, влажности, барометрического давления и др.
• лабораторные исследования не определяют прочностные характеристики материала и конструкций, их долговечность и стойкость в условиях работы градирни. К потребительским характеристикам также следует отнести трудоемкость работ сборки и монтажа, затраты на перевозку. Без учета этих данных не должны приниматься решения о целесообразности использования конструкций;
• результаты носят общий характер в виде относительных коэффициентов, не содержат полноты параметров для проведения расчетов, часто носят противоречивый характер. Вместо расчетных характеристик градирен выдаются эмпирические безразмерные коэффициенты.
• не выполняются нормативные документы и приказы по проведению экспертизы лабораторных исследований головными предприятиями РАО ЕЭС /Фирма ОРГРЭС/;
• нарушен алгоритм: лабораторные исследования- опытные испытания -натурные испытания – составление заключения;

Оценку оросителей градирен и сравнение их между собой НИИ производят относительным коэффициентам не являющихся физическими величинами и имеющих разную смысловую нагрузку в оценочных формулах разных институтов.

Расчеты, выполняемые с применением данных коэффициентов, противоречивы и не подтверждаются натурными испытаниями.

Например, натурными испытаниями градирни №2 ТЭЦ-11 АО Мосэнерго, после ее строительства выявили уменьшенный расход воды относительно расчетного на 45 % и ухудшенный охлаждающий эффект на 4,2 0С. Не обоснованно завышенное значение А, при одновременно малом значении удельного расхода воздуха и других неточностях привели к ошибкам в расчете.

4.Инженерные

4.1.Недооценка роли инженерных работ снизила качество и объем инженерных изысканий. Часто отчеты обследований и испытаний, проекты реконструкций, проекты производства работ, носят поверхностный характер, не содержат глубокого анализа, представительных данных и расчетов. Во многих случаях имеет место низкий уровень инженерной или научной подготовки исполнителей.

4.2.Использование расчетных характеристик, не относящихся к испытываемому типу градирен, что часто искажает истинное состояние вопроса.

Ошибка в оценке в среднем составляет 2,5-3,00С.

4.3. Отсутствует комплексный подход по диагностике ЦСТВ.

5. Эксплуатационные:

• физически и морально устаревшие трубопроводы, каналы, градирни, запорно-регулирующая арматура, их недоукомплектованность;
• использование конструкций в градирнях из материалов не соответствующим жестким условиям эксплуатации;
• отсутствие автоматизированных систем управления процессами распределения потоков воды и работой градирен в зависимости от эксплуатационных режимов и метеорологических условий;
• эксплуатация систем с неэффективным распределением тепловых и гидравлических потоков;
• проведение высокозатратных ремонтов и реконструкций на основании документов, часто не содержащих всего объема измеренных и рассчитанных параметров, обоснования повышения эффективности и надежности;
• выполнение реконструкций устаревших типов железобетонных градирен с нулевой балансовой стоимостью практически по цене нового строительства, без гарантии их долговечности;
• ремонт и реконструкция градирен по проектам низкого качества и с применением конструкций, не имеющих результатов представительных испытаний или имеющих отрицательные результаты.

Пример, результаты ремонтов и реконструкций градирен ТЭЦ-16 АО Мосэнерго. При неизменном составе оборудования электростанции, циркуляционной системы технического водоснабжения и градирен расход охлаждающей воды уменьшился с 36510 м3/ч в 1968 году, до 32350 м3/ч в 2005 году, что равнозначно ограничению конденсационной мощности ~31 МВт. Охлаждающая эффективность градирен после реконструкции ухудшилась, недоохлаждение воды в системе относительно нормативных характеристик составляет- 4,940С.

Выводы.

Задачами технического перевооружения систем технического водоснабжения ТЭС являются:

• повышение эффективности использования установленной мощности и устранение ограничений мощности;
• обеспечение экономичной и надежной работы систем технического водоснабжения;
• снижение водопотребления электростанций путем перевода прямоточных систем на замкнутые оборотные, усовершенствования действующих оборотных систем, градирен и их конструкций;
• снижение воздействия на экологию. Роль искусственных гидроохладителей постоянно возрастает в связи с ужесточающимися требованиями по природному водопользованию и снижению теплового загрязненения природных источников воды.

Техническое перевооружение формировать комплексно по направлениям:

• обеспечение комплексного, эффективного взаимодействия всех элементов циркуляционных систем при различных вариантах работающего оборудования и сочетаний внешних атмосферных факторов при установленной мощности;
• разработка и внедрение высокоэффективных градирен нового поколения индивидуально применительно к конкретным циркуляционным системам электростанций и метеорологическим условиям их расположения;
• утилизация и использование низкопотенциального тепла бесполезно выбрасываемого гидроохладителями;
• перевода электростанций с прямоточных систем на циркуляционные оборотные с искусственными гидроохладителями-градирнями;
• автоматизация и дистанционное управление распределения воды и процессами тепло-массообмена в гидроохладителях.
• обследование и замена циркуляционных водоводов, запорно-регулирующей арматуры.

Для этого необходимо:

1. Разработать программу технического перевооружения систем технического водоснабжения на ближайшие десять лет.

2. Восстановить значимость и полноту инженерных обследований.

Провести комплексные обследования и испытания циркуляционных систем технического водоснабжения электростанций с расчетами ограничений мощности, выявления причин их образования и способов устранения.

3. Разработать новые недостающие нормативные документы и требования, пересмотреть действующие с целью обеспечения единого технического подхода при проектировании, эксплуатации и реконструкции оборудования и сооружений систем технического водоснабжения.

4.Проектировать градирни индивидуально под конкретную электростанцию и метеоусловия площадки строительства. Выбор наиболее эффективного варианта определять путем расчетов обеспеченности электростанции в соответствии с РД 153-34.1-22.508-2001, по достижению установленной мощности и заданной глубины вакуума при 5% обеспеченности метеопараметров.

5. Выполнять разработку проектов строительства и реконструкций ЦСТВ и градирен на основании технического задания или экспертного заключения «Фирмы ОРГРЭС» включающего анализ:

-проектных расчетных параметров работы электростанции;

-соответствие состава оборудования и эксплуатационных режимов работы электростанции проектным расчетным;

-ремонтных и реконструктивных работ в системе технического водоснабжения, на градирнях и их влияние на качество работы градирен;

-конструктивного исполнения градирен и их совместимость по обеспечению сбалансированной и эффективной работы;

-расчетов обеспеченности электрической мощности электростанций циркуляционными системами водоснабжения.

Инженерно обоснованная реконструкция позволяет обеспечить ввод 1КВт по цене от 40 до 70 долл., при стоимости нового строительства достигающего 2500 долл.

5. Снизить затраты на необоснованные ремонты путем выполнения обследований строительных конструкций градирен, расчетов их надежности и долговечности. Технико-экономическими расчетами определять целесообразность ремонта или нового строительства вместо ремонтируемого сооружения.

6. Обеспечить надежность вытяжных башен градирен.

Путем последовательной замены изношенных железобетонных башен, ремонты которых сопоставимы по стоимости с новым строительством на металлические пространственно жесткие каркасы. Долговечность таких конструкций подтверждена практикой. Стоимость градирен в металлическом каркасе на 20% меньше железобетонных.

Реализация выводов позволит:

• повысить надежность и КПД электростанций;
• рационально расходовать денежные средства;
• оздоровить экологическую ситуацию;
• снизить потребление невосполняемых энергетических ресурсов;
• разработать и внедрить новые энергосберегающие технологии в области потребления воды.