Ограничения мощности тепловых электростанций и эффективность мероприятий по их устранению

Публикация из СМИ

Одной из главных задач по обеспечению надежного электроснабжения промышленно-производственных предприятий и населения страны, наряду с вводом новых мощностей, является повышение эффективности использования  установленного энергетического оборудования.

Повышение эффективности использования установленного оборудования тепловых электростанций ТЭС (установленной мощности) достигается решением ряда вопросов, одним из  главных является вопрос устранения ограничений мощности.

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 важных причин влияющих на надежность, долговечность и экономичность работы всего оборудования ТЭС.

Большие значения ограничений мощности, в общей их структуре, имеют ограничения из-за недостаточного промышленного теплопотребления и охлаждения циркуляционной воды (недостаточное количество охлаждающих устройств и высокие значения температуры воды).

Ограничения из-за недостаточного теплопотребления, по существу являются ограничениями, зависящим от возможностей циркуляционных систем технического водоснабжения с градирнями, так как часто охлаждение и конденсация неиспользуемого в регулируемых отборах пара не обеспечены охлаждающей водой и соответственно не обеспечена дополнительная выработка электроэнергии в конденсационном режиме. На протяжении последних лет данный вид ограничений имеет неуклонную тенденцию роста.

Актуальность сокращения ограничений мощности возрастает многократно в условиях постоянного перераспределения в производстве и потреблении пара и тепла между производителями и потребителями, развития атомных электростанций и малой энергетики. Устранение причин, вызывающих ограничения мощности, возможно только с применением современных технологий и устройств, с одновременным, последовательным техническим переоснащением оборудования. Одновременной целью технического переоснащения является создание возможности регулировать работу циркуляционных систем тепловых электростанций и обеспечения маневренности и экономичности  их работы в зависимости от изменения большого количества влияющих параметров, основным из которых являются температура и влажность атмосферного воздуха. Логические построения стратегии технического перевооружения могут быть основаны на результатах всестороннего анализа, включая результаты  натурных испытания систем  технического водоснабжения и градирен, и расчеты выполненные по методическим указаниям по определению обеспеченности электрической мощности электростанций циркуляционными системами водоснабжения», РД 153-34.1-22.508-2001.

В решении данного вопроса важное место имеет инженерная квалификация и опыт в работе по диагностике оборудования и сооружений систем, расчетов выгодных вариантов режимов работы оборудования систем (режимных карт) при различных вариантах состава и режимов работы турбоагрегатов, внедрения современных энергосберегающих технологий и устройств. К сожалению, многие организации выполняющие обследования и ремонты в системах технического водоснабжения не соответствуют современному уровню требований, в основном выполняемые ими работы представляют собой механическую замену и ремонт оборудования или конструкций, в целом не обеспечивающих повышение надежности и экономичности электростанции. Например, часто под реконструкцией градирен понимается замена одного типа оросителя на другой, а под улучшением в результате замены оросителя понимают изменения относительно доведенного до крайне запущенного или разрушенного состояния градирни.  

В современных условиях недопустима недооценка значимости системы технического водоснабжения с градирнями, от которой всецело зависит работоспособность электростанции, а от глубины охлаждения, распределение паровых потоков в турбоагрегате с увеличением паровой нагрузки конденсатора, во многом зависит его располагаемая мощность и экономичность.

Однако, на протяжении последних 10 лет именно циркуляционным системам технического водоснабжения и градирням на всех уровнях руководства электростанций, энергосистем и РАО ЕЭС практически не уделяется должного внимания, как технологическому устройству. Градирни рассматриваются в большей степени как строительные сооружения и в основном обследования, и ремонты выполняют предприятия, имеющие строительную направленность. Замены одного конструктивного узла градирни на другой выполняется без должного, всестороннего анализа и влияния такой замены на теплотехнические ее характеристики и соответственно на работу электростанции в целом. Значимость циркуляционных систем и градирен иллюстрируют тепловые потери электростанции в них, достигающие 60% от общего теплового баланса. Для сравнения потери с уходящими дымовыми газами 10-12%, потери от излучения котельной установки до 3%.

На подавляющем большинстве ТЭЦ, в циркуляционных системах технического водоснабжения (ЦСТВ) установлены градирни башенного типа. В настоящее время находится в работе 360 градирен различной производительности, их суммарная площадь охлаждения более 610 000 м2, объём циркуляционной воды 4250000 м3/час.

Наибольшие ограничения возникают в неотопительный период на ТЭЦ, в период снижения теплопотребления, когда возникает необходимость выработки электроэнергии в конденсационном режиме или режиме с малыми объемами регулируемых отборов пара.

Например, в 2002 году по ТЭС РАО «ЕЭС России» из 121120,5 МВт установленной мощности, средние значения летних ограничений (с мая по сентябрь) составляют 22134 МВт, из которых из-за недостаточного теплопотребления 4705 МВт, из-за отсутствия или недостаточной охлаждающей эффективностью градирен 2304 МВт. Всего средне летние ограничения мощности со стороны циркуляционных систем технического водоснабжения  составляют 7009 МВт(на 61 электростанции) или 32% от всех ограничений, в июле – 8371 МВт.

Анализ ежегодных ограничений мощности для электростанций Российской Федерации, по названным причинам, за 1985 - 2003 гг. показывает, что в каждый год ограничения имеют разную величину, но не менее 5000 МВт. Начиная с 1998 по 2003 год, при уменьшении установленной мощности с 121375,9 МВт до 121180,5 МВт., ограничения выросли с 5187 МВт до 8371 МВт.

Данная ситуация складывается несмотря на то, что ежегодно формируются планы выполнения ремонтов и реконструкций градирен. Например, по состоянию 2002 года заявлен ремонт 70 градирен. При средней стоимости ремонта 5,0 млн.руб. среднегодовые затраты составляют 350 млн.руб.

По диаграмме на рисунке 2 совершенно очевидна не только неэффективность затраченных средств, но и ухудшение эксплуатационных характеристик электростанций за счет произведенных затрат.

Наглядным примером может послужить ТЭЦ-16 АО Мосэнерго. В результате ремонтов и реконструкций градирен, при одном и том же составе оборудования электростанции, циркуляционной системы технического водоснабжения и градирен количество охлаждающей воды поступающей на градирни уменьшилось с 36510 м3/ч в 1968 году, до 32350 м3/ч в 2001 году. Уменьшение объема 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. Не продуманные ремонты повлекли за собой ряд негативных последствий, таких как рост температурного напора в конденсаторах турбин вызванный снижением скорости воды в трубках конденсаторов ниже расчетных значений, загрязнением и образованием низкотемпературной накипи на внутренней их поверхности. Затраты, понесенные на борьбу с загрязнениями, в виде установки системы шариковой очистки (СШО), не решают в полной мере проблемы, а ее гидравлическое сопротивление (1,1 м.в.ст.) уменьшает оборотный объем циркуляционной воды и влияет на рост снижения скорости движения воды в трубках конденсатора.

К неоправданным затратам капитальных вложений при ремонтах и реконструкциях следует добавить потери от ухудшения технико-экономических показателей после них, и потерю выгоды от недовыработки электрической и тепловой энергии за время ремонта градирен, которые для каждой электростанции индивидуальны.

Причины, определяющие наличие ограничений мощности по циркуляционным системам технического водоснабжения многообразны, которые условно можно выделить в три группы:

1.Расчетные:

Несоответствие расчетных условий градирен техническим условиям конденсаторов турбин и нормам технологического проектирования.

Например, при работе турбоагрегатов с номинальной электрической мощностью в соответствии с их техническими условиями температура охлажденной воды:

должна быть 15 и 200С 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 49,10С;

должна быть не более 330С по условиям температурного режима работы вспомогательного оборудования (маслогазоохладителей) .

Однако расчетные значения температуры охлажденной в градирнях воды во всем диапазоне температур атмосферного воздуха значительно превышают требуемые значения для конденсаторов турбин. Расчетные значения температуры охлажденной воды градирен одной и той же площади орошения, но разных серий выпуска, при всех прочих равных условиях, имеют существенные отличия между собой.

В качестве расчетных метеоусловий приняты среднемесячные значения температуры и влажности атмосферного воздуха для г. Москвы 18,00С и влажность 75%, что имеет существенные отличия для разных климатических районов.

2. Проектные:

Несоответствие производительности циркуляционных насосов и пропускной способности системы технического водоснабжения;

Монтаж разнотипных циркуляционных насосов;

Распределение воды по схеме между градирнями и конденсаторами турбин не соответствующее потребностям конденсаторов в охлаждающей воде;

Несоответствие принятых в расчетах градирен и ЦСТВ метеорологических параметров метеоусловиям района расположения электростанции;

Строительство градирен с разными гидравлическими характеристиками, не увязанными между собой и гидравлической характеристикой системы и др.

Несовершенство типовых проектов башенных градирен:

— отсутствие маневренности перераспределения гидравлической и тепловой нагрузок в зависимости в зависимости от их изменения и изменения внешних метеоусловий;

— неудачная конструкция воздухорегулирующих устройств или их отсутствие при больших высотах воздуховходного окна, в результате чего при отрицательных температурах воздуха происходит интенсивное обмерзание и разрушения оросителя и конструкций градирен;

— большой зазор между оросителем и оболочкой вытяжной башни, наличие в оросителе незаполненных участков, что обеспечивает неорганизованный проход воздуха, ухудшающий охлаждающую эффективность, а в зимнее время вызывающий обледенение конструкций;

— неравномерная гидравлическая нагрузка оросителя, особенно в периферийной зоне создающая благоприятные условия для ледообразования на оросителе;

— использование в системах водораспределения часто ломающихся и забивающихся сопл с чашечным отражателем, требующих высокой точности соосности патрубка и отражателя, точности и единообразия вертикальной установки, что практически невыполнимо;