Основные проблемы эксплуатации электростанций с системами технического водоснабжения

Публикация из СМИ

Система технического водоснабжения (СТВ), сложный природно-технический комплекс, основной технологический узел низкопотенциальной части (НПЧ) электростанции. НПЧ включает в себя СТВ с циркуляционными насосами и гидроохладителями, конденсаторы паровых турбин, масло-газоохладители и другие общестанционные технологические теплообменники. Основной функцией НПЧ является обеспечение охлаждающей водой работы турбоагрегатов с установленной мощностью и поддержание наивыгоднейшего (экономического) вакуума в конденсаторах не зависимо от изменения режимов их эксплуатации. Эффективная работа НПЧ зависит от сбалансированности параметров конденсаторов турбин, циркуляционных насосов, охладителей в различных сочетаниях с метеорологическими параметрами района расположения электростанции.

СТВ электростанций обеспечивают термодинамические процессы электростанции путем передачи и рассеивания тепловой энергии в окружающей атмосфере.

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

В работе находится 370 градирен площадью орошения более 670 000 м2, единичной производительностью от 2000 до 36000 м3/час. Общая производительность более 5 000 000 м3/час.

Восполнение потерь воды путем ее забора из природных источников 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 СТВ, 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, выявили, 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 и увеличения выработки электроэнергии в конденсационном режиме или режиме с малым объемом регулируемых отборов пара.

Анализ ежегодных ограничений мощности по названным причинам, за 1995 - 2006 гг. показывает, что в каждый год с 1995 по 2006 год, при росте установленной мощности с 121375,9 МВт до 122587,3 МВт., ограничения выросли с 5187 МВт до 11977 МВт.

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 возрастающую 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. Расчетные параметры оборудования СТВ 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/см2 или 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.

1.3. В одном проекте применяются 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 не соответствуют 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 .

2.7. При выборе оросителей и водоуловителей 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.    Организационные.

Отсутствие полноты и достоверности исходной информации при принятии решения по реконструкции или строительстве по:

• проведению балансовых испытаний (энергетических обследований) систем технического водоснабжения ТЭС и АЭС;
• результатам балансовых тепловых и гидравлических натурных испытаний;
• результатам расчетов нормативных характеристик градирен. Нормативные характеристики обеспечивают организацию эксплуатационного контроля, позволяют определять экономичные режимы, достоверно рассчитывать нормативы по топливу и др.
• технико-экономическим обоснований при строительстве и реконструкции систем технического водоснабжения.
• техническим требованиям к конструкциям градирен: оросителям, водоуловителям, разбрызгивающим соплам и др.  
• техническим требованиям по составу и обработке технической воды и др.

Недостоверные или неполные данные результатов исследований по причинам:

• 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 ОАО Мосэнерго, после ее строительства выявили уменьшенный расход воды относительно расчетного на 45 % и ухудшенный охлаждающий эффект на 4,2 0С.

4.Инженерные.

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.

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.

Отсутствует комплексный подход по диагностике СТВ.

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, 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.

В ходе выполнения работ выявлено:

1. Установленная мощность электростанций ОАО Мосэнерго с оборотными системами технического водоснабжения 9015 МВт.

В оборотных СТВ ТЭЦ в работе находится 54 градирни. Общая производительность 913 500 м3/час.

Ограничения мощности ТЭЦ по охлаждающей воде в 2006 году составили 1400 МВт.

Среднее недоохлаждение воды в неотопительном периоде 3,60С. По этой причине пережог составляет 156 тыс.тонн условного топлива.

2. СТВ имеют неэффективное распределение тепловых и гидравлических потоков ухудшающее технико-экономические показатели ТЭЦ.

3. В большей части градирен использованы конструкции ухудшающие охлаждающую способность и гидравлические характеристики СТВ.

4. Затраты на ремонты приближаются к стоимости нового строительства При этом ремонтные средства вкладываются в сооружения с нулевой балансовой стоимостью и отсутствием гарантии надежности и долговечности.

Влияние неправильно выбранного варианта реконструкции градирен можно проследить на примере ТЭЦ-16 ОАО 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. Уменьшение расхода воды составляет 4160 м3/ч, что для турбины ПТ-60/75-130/13 при кратности охлаждения 44,44, равнозначно ограничению конденсационной мощности ~31 МВт. Среднее недоохлаждение воды в системе при этом- 4,940С.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ СТВ ТЭЦ ОАО «МОСЭНЕРГО»

Стоимость реконструкции системы технического водоснабжения восьми ТЭЦ ОАО «Мосэнерго».

Очевидна необходимость технического перевооружения морально и технически устаревших СТВ электростанций, задачами которого являются:

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

Реализация технического перевооружения формируется 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 системам электростанций и метеорологическим условиям их расположения;
• утилизация и использование низкопотенциального тепла непроизводительно выбрасываемого гидроохладителями в атмосферу ;
• перевода электростанций с прямоточных систем на оборотные с искусственными гидроохладителями-градирнями;
• автоматизация и дистанционное управление распределения воды и процессами тепло-массообмена в гидроохладителях.

Основой технического перевооружения являются:

1. Технико-экономический расчет и программа технического перевооружения систем технического водоснабжения.

2. Полнота инженерных изысканий.

3. Разработка новых  нормативных документов и требований, с целью обеспечения единого технического подхода при проектировании, эксплуатации и реконструкции оборудования и сооружений систем технического водоснабжения.

4.Проектирование градирен 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. Использование в разработке проектов строительства и  реконструкций СТВ и градирен анализа:

проектных расчетных параметров работы электростанции; соответствия состава оборудования и эксплуатационных режимов работы электростанции проектным расчетным; влияния ремонтных и реконструктивных работ в системе технического водоснабжения, на градирнях на технико-экономические показатели электростанции и градирен; конструктивного исполнения градирен и их совместимость по обеспечению сбалансированной и эффективной работы; расчетов обеспеченности электрической мощности электростанций циркуляционными системами водоснабжения.

 Инженерно обоснованная реконструкция действующих электростанций позволяет обеспечить:

Ввод 1КВт по цене от 40 до 70 долл., при стоимости нового строительства достигающего 2500 долл. 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. 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.

Проектирование современных экологически чистых и водосберегающих градирен для действующих электростанций и строящихся ПГУ.

Предлагаем для блоков ПГУ вместо привычных градирен, применить технологию охлаждения воды и удаление дымовых газов через совмещенное паро-газоудаляющее устройство. При этом снижаются затраты на добавочную воду, достигается более глубокое охлаждение и сокращаются затраты на топливо и т.д.

Комплексный подход основанный на анализе и статистике эксплуатации СТВ многих электростанций 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.

В НПО «ИРВИК» накоплен огромный опыт работ в большой энергетике, который может быть с пользой использован в развитии энергетического хозяйства г. Москвы. Специалистами ООО «НПО «ИРВИК» выполняется полный комплекс работ от проектирования до пуско-наладки под «ключ».